供稿/廣州安特激光技術有限公司

雙折射和近零色散平坦的光子晶體(ti) 光纖引導太赫茲(zi) 波，適用於(yu) 低損耗成像和傳(chuan) 感應用。

       光子晶體(ti) 光纖（PCF），也稱為(wei) 微結構光纖（MOF），是一類光纖，適用於(yu) 傳(chuan) 感、生物醫學成像、時域光譜、DNA雜交和癌症檢測以及光通信等領域的應用。與(yu) 傳(chuan) 統光纖不同，PCF提供高雙折射和可控色散。

       固體(ti) PCF經曆大的材料損失，不適合太赫茲(zi) 信號傳(chuan) 輸，而空心PCF將電磁波限製在短的傳(chuan) 播距離，並且具有與(yu) 光纖的直徑和彎曲半徑成反比的高彎曲損耗。由於(yu) 這些不希望的特征減緩了固體(ti) 和空心PCF的可接受性，因此開發了多孔芯纖維。

       位於(yu) 阿德萊德大學的團隊的多孔PCF，其中包含設計數量的微結構氣孔，使設計人員能夠控製諸如氣孔尺寸、間距（中心距離）之類的光纖參數、氣孔、芯徑和氣孔形狀。反過來，可以通過設計獲得諸如材料損失、雙折射、色散、限製損失、數值孔徑和其他模態特性的操作參數，如應用要求所規定的。

PCF作為(wei) 波導

       波導的主要功能是在所需波長下傳(chuan) 輸具有低可能傳(chuan) 輸損耗和接近零色散的電磁輻射。在過去的十年中，已經設計並研究了許多波導結構。

       最初，太赫茲(zi) 電磁波由金屬波導引導。各類型的金屬波導包括圓形，平行板，裸金屬線和狹縫波導。不幸的是，金屬波導麵臨(lin) 許多問題，包括金屬條和槽產(chan) 生大的歐姆和衰減損耗的；圓形金屬波導基板導致高介電損耗；在非製導介質中的光束擴散導致平行板波導的發散損失；由於(yu) 模式對結構的弱限製，發生裸金屬波導中的輻射損耗。太赫茲(zi) 傳(chuan) 輸的好選擇是光纖介質波導。

減少傳(chuan) 輸損耗

       考慮到PCF的優(you) 點，已經設計了許多波導結構用於(yu) 電磁波的低損耗傳(chuan) 輸（參見圖 1）。

圖1.為(wei) 減少電磁波的傳(chuan) 輸損耗而提出的光子晶體(ti) 光纖（PCF）設計包括正六邊形包層中的混合芯（a），改進的六邊形包層中的混合芯（b），旋轉圓形包層（c）中的六角形芯和kagome包層（d）中的菱形芯。

       通過（a）六邊形包層和混合結構芯可以顯著減少由PCF背景中使用的塊狀材料引起的材料吸收損失; （b）改進的六邊形包層，其中去除了每個(ge) 邊緣的氣孔，減少了損耗並改善了雙折射; （c）具有旋轉六角形芯的圓形包覆PCF波導; （d）一種kagome-clad PCF，比其他競爭(zheng) PCF結構減少3-4倍的限製損失。

       後一種kagome配置比其他報告的包層結構減少了3-4倍的損耗。原因是kagome包層能夠收集芯內(nei) 多的光並限製光進一步朝向包層。

高雙折射

       對於(yu) 偏振保持應用，PCF需要在x和y偏振模式之間具有不對稱性。因此，已經提出了許多不對稱結構的波導以獲得高雙折射，包括在kagome晶格內(nei) 部的橢圓形和矩形氣孔（參見圖 2）。

圖2.高雙折射基於(yu) PCF的波導包括帶有橢圓形氣孔芯的kagome包層（a），帶有矩形氣孔芯的kagome包層（b），以及帶有橢圓形氣孔陣列的矩形氣孔包層在（c）。

       這些橢圓形和矩形氣孔在x和y偏振模式之間產(chan) 生大的不對稱性，從(cong) 而改善雙折射。注意，也可以使用圓形氣孔產(chan) 生雙折射 - 然而，這也需要在偏振模式之間產(chan) 生不對稱的結構。

雙折射和傳(chuan) 感

       通過用分析物替換PCF孔中的環境空氣，可以將PCF轉換為(wei) 傳(chuan) 感器。通過優(you) 化PCF的改進的全內(nei) 反射（MTIR）機製來改善靈敏度，以改善光與(yu) 周圍PCF基板材料的相互作用。

       例如，如果我們(men) 使用水（折射率約為(wei) 1.33）作為(wei) 核心孔內(nei) 的分析物而不是空氣（折射率約為(wei) 1.0），由於(yu) 較高的折射率，由於(yu) 強烈的MTIR，光與(yu) 分析物的相互作用將強比包層。實質上，核心功率分數增加並且限製損失減少。注意，相對靈敏度正比於(yu) 核心功率部分，因此，作為(wei) 核心功率分數增大時，相對靈敏度也增加（參見圖 3）。

圖3.用作傳(chuan) 感器的PCF的實例包括具有多孔芯的懸浮型包層

       那麽(me) ，為(wei) 什麽(me) 感知需要PCF雙折射？考慮到乙醇作為(wei) 化學分析物，測量不確定性隨樣品厚度的增加而增加，因為(wei) 當用作詢問波長時，太赫茲(zi) 波的吸收增加。然而，如果樣品厚度減少得太多，不確定性也增加，因為(wei) 不充分的相互作用的深度。

       已經證明，使測量不確定性樣品厚度是（2 / α），其中α是吸收係數。注意，乙醇的吸收係數在0.2-1.4THz範圍內(nei) 在20-80cm -1範圍內(nei) 。如果考慮α = 20 cm -1，這將產(chan) 生最壞情況下的最大厚度2 / α = 2/20 = 0.1 cm = 1 mm。

       雖然1 mm是一個(ge) 相當大的厚度值，但不確定性與(yu) 厚度曲線的最小值並不是很窄，而是相當平坦 - 也就是說，將厚度減半並不會(hui) 顯著降低不確定性。因此，我們(men) 可以合理地將1 mm的值減半並選擇0.5 mm作為(wei) 合適的樣品厚度。當在約1.4THz時分析該0.5mm樣品時，太赫茲(zi) 輻射的路徑長度現在實際上是0.05×80 = 4個(ge) 吸收長度。這對應於(yu) 20log e ^ -4~ = -35dB的衰減，這是可控的。

       已知基於(yu) 光纖的太赫茲(zi) 外差檢測可以在低至3μW的功率水平下進行。這意味著輸入太赫茲(zi) 光纖的功率必須>160μW，這是可以實現的。因為(wei) 眾(zhong) 所周知，基於(yu) 光纖的外差檢測要求本地振蕩器的極化與(yu) 光纖末端檢測到的極化對齊，必須使用保偏光纖，從(cong) 而鞏固PCF光纖對雙折射的需求基於(yu) 太赫茲(zi) 的傳(chuan) 感。

PCF傳(chuan) 感器比較

       用於(yu) 傳(chuan) 感的多孔芯和空芯PCF的表征表明，空心芯可以改善性能，因為(wei) 多的分析物可以填充芯結構。3在具有基於(yu) 圓形氣孔的多孔芯的懸掛型包層的傳(chuan) 感器結構中，取決(jue) 於(yu) 所使用的玻璃材料，芯接口可能產(chan) 生感測問題。

       也有在使用外部或內(nei) 部感測機構的PCF感測的選項。在外部傳(chuan) 感方法中，分析物通道位於(yu) 等離子體(ti) 材料之外並且相對容易填充。相反，在氣孔內(nei) 使用分析物的內(nei) 部傳(chuan) 感方法更複雜，因為(wei) 用分析物填充微結構微小氣孔是困難的。

       使用PCF的金屬和電介質界麵之間的表麵等離子體(ti) 共振（SPR）效應也可以產(chan) 生基於(yu) SPR的生物傳(chuan) 感器。通過在光纖芯內(nei) 加入金，銅，鐵和銀等金屬，當p偏振光波的電子在金屬 - 電介質界麵之間振蕩時，SPR起作用。環境折射率的微小變化會(hui) 改變共振波長，從(cong) 而實現SPR傳(chuan) 感器，用於(yu) 醫療診斷和測試，抗原 - 抗體(ti) 相互作用，環境監測，       迄今為(wei) 止，PCF製造方法如毛細管堆疊，鑽孔和溶膠——凝膠方法產(chan) 生圓孔，而3D打印，擠出和化學氣相沉積（CVD）方法產(chan) 生非圓形和複雜結構。隨著這些方法的改進，下一代PCF設計將繼續在傳(chuan) 感和傳(chuan) 輸應用中取得進展。