3D打印光子晶體光纖推動(dòng)光通信、傳感器技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備發(fā)展

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

來自阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(King Abdullah University of Science and Technology, KAUST)研究人員開發(fā)的增材制造工藝以前所未有的簡(jiǎn)便性和精度來制造能夠?qū)⒐庾佑糜诟咚傩畔⑻幚淼男⌒凸鈱W(xué)設(shè)備,。

光子晶體光纖(Photonic crystal fibers, PCF),，也稱為微結(jié)構(gòu)光纖或帶孔光纖，是一種單材料光纖,，其中的一系列微觀縱向中空通道可以進(jìn)行光導(dǎo),。PCF中縱向空心通道的幾何設(shè)計(jì)是控制和調(diào)整光纖波導(dǎo)參數(shù)（如光學(xué)模式尺寸和形狀、模態(tài)色散,、雙折射和非線性）的有力工具,。隨著PCF的發(fā)展,，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖波導(dǎo)參數(shù)進(jìn)行更廣泛范圍的前所未有的精細(xì)控制,，從而開辟了獨(dú)特的可能性，例如超連續(xù)譜的產(chǎn)生,、光纖色散工程和超高雙折射效應(yīng),。此外，光子晶體光纖在制造空芯光纖方面是獨(dú)一無(wú)二的,，具有重要應(yīng)用,，例如超低非線性的纖維傳播或新型氣體和光流體傳感器,。

光子晶體光纖（圖片來源：百度百科）

但是，當(dāng)前的PCF制造方法在制造具有所需特性的PCF段以創(chuàng)建復(fù)雜的小型化光子系統(tǒng)方面具有重要的局限性,。PCF主要是通過繪制厘米級(jí)直徑的圓柱形“瓶坯”來制造的,，預(yù)制件的橫截面幾何形狀對(duì)應(yīng)于纖維的最終亞毫米級(jí)幾何形狀的放大版本。然而,，當(dāng)前用于制造預(yù)制件的方法僅在預(yù)成型件的設(shè)計(jì)中賦予了有限的自由度,。另外，在拉伸過程中,，由于材料粘度,、重力和表面張力效應(yīng)，通常不保留預(yù)制件的幾何形狀,。因此,，獲得所需的PCF橫截面結(jié)構(gòu)不是簡(jiǎn)單的過程，并且可能特別困難,。特定的孔幾何形狀甚至是不可能實(shí)現(xiàn),。厘米級(jí)PCF瓶胚的3D打印最近已被提議作為增加設(shè)計(jì)自由度的一種手段，但是圖紙的擾動(dòng)效果仍然是阻礙任意PCF設(shè)計(jì)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)的主要限制因素,。最后,，對(duì)于PCF段的長(zhǎng)度及其縱向錐度的微米級(jí)控制（這是創(chuàng)建微型光子系統(tǒng)所必需的），這是基于標(biāo)準(zhǔn)預(yù)成型坯的方法非常困難的,。

在這里,，來自阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的研究人員展示了使用高分辨率3D打印來原位一步制造具有不同幾何形狀的堆疊式超短PCF樣段，以創(chuàng)建全光纖集成器件,，在亞毫米長(zhǎng)度內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的光學(xué)操作,。他們的方法完全避免了引入許多限制和缺點(diǎn)的繪制過程，并在控制橫向和縱向PCF幾何形狀方面提供了前所未有的設(shè)計(jì)靈活性和精度,。

▲圖1. 不同類別的3D打印PCF設(shè)計(jì)的光學(xué)導(dǎo)引證明了該方法的可行性：（a）高度非線性的PCF,；（b）螺旋扭曲的無(wú)芯PCF（箭頭表示扭曲方向）；（c）光子帶隙空心PCF,；（d）反諧振空心PCF,；（e）分形環(huán)核PCF。第一行顯示了輸出光學(xué)模式,，該模式與3D打印波導(dǎo)端面的光學(xué)顯微鏡圖像重疊,；底行顯示了相應(yīng)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。對(duì)于所有結(jié)構(gòu),，光學(xué)模式的波長(zhǎng)為1060 nm,，（b）除外，為640 nm,。

圖1a中的1毫米長(zhǎng)的3D打印的HNL PCF樣片段的全長(zhǎng)掃描電子顯微照片

該研究團(tuán)隊(duì)使用激光將光敏聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞴腆w,，一層一層地構(gòu)建了光子晶體纖維,。特征表明，該技術(shù)可以以比傳統(tǒng)制造更快的速度成功復(fù)制幾種類型的微結(jié)構(gòu)光纖的幾何圖案,。新工藝還使將多個(gè)光子單元輕松組合在一起變得容易,。他們通過3D打印一系列光子晶體光纖段演示了這種方法，這些段將光束的偏振分量分成分離的光纖芯,。分束器和常規(guī)光纖之間的定制錐形連接確保了高效的設(shè)備集成,。

全光纖集成PCF偏振分束器的設(shè)計(jì)與制造

光子晶體光纖縮短了實(shí)現(xiàn)某些光學(xué)功能（例如偏振控制或波長(zhǎng)分離）所需的傳播距離。圖片來源：KAUST, Anastasia Serin

近年來,，已經(jīng)提出了幾種亞毫米級(jí)雙核PCF PBS設(shè)計(jì),。但是，當(dāng)前PCF制造方法的局限性阻礙了它們的成功制造,。實(shí)際上,，迄今為止提出的雙核幾何形狀總體上都是不對(duì)稱的，包括不同大小和形狀的孔,，所有這些因素都增加了預(yù)成型件的設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,。此外，這些PCF PBS設(shè)計(jì)的亞毫米長(zhǎng)度要求精確控制到亞微米水平,，以產(chǎn)生所需的輸出偏振分裂,。這些綜合因素使得難以從已拉長(zhǎng)的纖維中將線段切割和切割成所需的長(zhǎng)度。此外,，PCF PBS在纖維上的整合需要例如通過熔接與標(biāo)準(zhǔn)纖維剛性耦合,。這種耦合還需要幾個(gè)微米的很小但很關(guān)鍵的橫向偏移，以便僅直接耦合雙芯結(jié)構(gòu)的兩個(gè)芯之一,。對(duì)于通過光纖拉絲制造的PCF,，該集成步驟也極具挑戰(zhàn)性。

圖解：通過PCF設(shè)計(jì)的3D打印實(shí)現(xiàn)的PCF偏振分束器的首次制造,。左側(cè)是PCF PBS的渲染圖,，其中在單模光纖的端面上集成了三個(gè)不同的PCF段：下錐部分（品紅色）；雙芯定向耦合器（DC）部分（藍(lán)色）,；核心扇出部分（青色）,。具有任意偏振的光束（黃色光束）被分成其水平（紅色光束）和垂直（綠色光束）偏振分量。右側(cè),，是完整3D打印PCF PBS橫截面的SEM圖像,。中心并排顯示三個(gè)不同的渲染橫截面以及來自3D打印結(jié)構(gòu)的相應(yīng)SEM圖像。

在標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖上有效地集成雙核DC PCF結(jié)構(gòu)需要添加其他元素,。通過利用3D打印方法的優(yōu)勢(shì)之一,，研究人員將雙核DC PCF結(jié)構(gòu)嵌入到一個(gè)更復(fù)雜的光子結(jié)構(gòu)中,，該結(jié)構(gòu)由三個(gè)連續(xù)的波導(dǎo)段組成（如上圖所示）：一種類似于PCF的錐形耦合器（下錐度） ）,，雙核DC雙折射PCF結(jié)構(gòu)以及最終的扇出部分,，可增加兩個(gè)核的空間間隔。

光子晶體光纖為科學(xué)家提供了一種“調(diào)節(jié)旋鈕”,，以通過幾何設(shè)計(jì)來控制導(dǎo)光性能,。“但是,，由于使用常規(guī)方法難以產(chǎn)生任意孔圖案,，人們并未充分利用這些特性。通過制造這個(gè)史上首個(gè)基于PCF的光纖偏振分束器,，研究人員證明了他們方法前所未有的精度和靈活性,。該設(shè)備可以一步一步地直接印刷在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的端面上，長(zhǎng)度為210 m,，可在光通信C波段中實(shí)現(xiàn)寬帶操作,。他們的方法利用了高分辨率3D打印和PCF設(shè)計(jì)的潛力，為開發(fā)新型的小型復(fù)雜光子系統(tǒng)鋪平了道路,，這將積極影響并推動(dòng)光通信,、傳感器技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的發(fā)展。

文章信息：Bertoncini, A. & Liberale, C. 3D printed waveguides based on photonic crystal fiber designs for complex fiber-end photonic devices. Optica 11, 1487–1494 (2020).

文章鏈接：https://www.osapublishing.org/op ... 1-1487&id=441982###