3D打印光子晶體光纖推動光通信、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應(yīng)于纖維的最終亞毫米級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，對于PCF段的長度及其縱向錐度的微米級控制（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。對于所有結(jié)構(gòu)，光學(xué)模式的波長為1060 nm，（b）除外，為640 nm。

圖1a中的1毫米長的3D打印的HNL PCF樣片段的全長掃描電子顯微照片

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的纖維中將線段切割和切割成所需的長度。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)的兩個芯之一。對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)勢之一，研究人員將雙核DC PCF結(jié)構(gòu)嵌入到一個更復(fù)雜的光子結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)由三個連續(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�！暗�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。通過制造這個史上首個基于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###