无源玻璃与玻璃复合光纤的结合

无源玻璃－玻璃复合光纤是指纤芯未掺杂发光离子，但具有特殊的非线性和磁光等光学性能，在非线性光学、传感以及光纤器件中具有重要应用价值的光纤。石英光纤的非线性系数低，而硫系玻璃具有大的非线性系数（比石英玻璃高两个数量级）和高的折射率，并有宽的透光范围（0.610μm），使得硫系玻璃光纤在传感、安全与国防领域具有潜在应用价值，但硫系玻璃较差的力学性能和化学稳定性限制了其发展与应用［65－67］。近些年，研究人员通过PAMF技术制备出了厘米级硫系玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤。石英玻璃包层赋予了硫系玻璃光纤优异的力学性能和化学稳定性，而硫系玻璃纤芯则赋予了石英光纤高的非线性和宽的红外透过等特性［68－71］。2011年，Granzow等报道了Ga4Ge21 Sb10 S65玻璃纤芯－石英包层复合光纤，图2－11a为其结构示意图，图2－11b、c为光纤端面SEM和横向显微照片［68］。Ga4 Ge21 Sb10 S65玻璃纤芯和石英玻璃包层的折射率分别为2.25和1.44（1550 nm处）。大的折射率差使得光束缚在纤芯中，可有效利用硫系玻璃的高非线性。图2－11d为光纤非线性测试光路，泵浦光源为掺Er3+锁模激光器，脉宽为60 fs，重复频率为100 MHz，激光波长范围为14701630 nm［68］。图2－11e为测试的光谱，用1 cm复合光纤实现了9802000 nm的超连续光谱［68］。

图2－11　Ga4 Ge21 Sb10 S65玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤［68］

（a）结构示意图；（b）端面SEM图，纤芯直径为1.6μm；（c）横向显微照片；（d）非线性光学实验结构图，右侧插图为1310 nm（A）和1550 nm（B）处的近场模式图；（e）测试的超连续光谱图

与Ga4Ge21Sb10S65相比，As2S3玻璃具有更宽的红外透过范围，其超连续光谱范围可达到4μm［69］。As2S3玻璃和石英玻璃在2μm泵浦波长处的折射率分别为2.43和1.44，芯包折射率差异较大，使得硫系玻璃纤芯－石英包层复合光纤具有较大的数值孔径（numerical aperture，NA）（1.95）。与透镜的NA值（1）相差很大，限制了光的有效耦合和输出，特别是当纤芯直径在亚波长量级时，限制了复合玻璃光纤的应用［26］。为了解决此问题，Granzow等制备了石英包层As2S3玻璃纤芯的单纳米锥光纤［69］，采用此结构，可显著提高泵浦光的耦合效率，但输出效率并没有得到改善。为了进一步解决输出效率问题，2014年，该研究组制备了石英包层As2 S3玻璃纤芯的双纳米锥光纤，图2－12a所示为该光纤的结构图［70］，输入端NS1是一个长度约为130μm、尖端宽度约为183 nm的逆锥形，以匹配输入光束的半径和发散角，并将输入光束转换为均匀截面的基模，芯径为1μm。输出端NS2的长度为150μm，尖端宽度为零，用于减少输出光束发散和端面菲涅耳反射。图2－12b为两个纳米尖端（nanospike，NS）的光学显微照片及两个尖峰的锥形轮廓［70］。图2－12c为采用不同泵浦脉冲能量获得的超连续光谱图［70］。当采用1550 nm掺Er3+锁模光纤激光器泵浦时，在3 mm石英包层As2 S3玻璃纤芯的双纳米锥光纤中获得了0.82.5μm的超连续光谱。图2－12d、e分别为模拟输出端超连续频谱以及在23 pJ输入脉冲能量下沿3 mm石英包层As2S3玻璃纤芯的双纳米锥光纤的谱脉冲能量演变［70］。此外，将硫系玻璃复合到微结构玻璃光纤中也有报道，Liao等采用堆拉方法制备了硫系玻璃纤芯－碲酸盐微结构复合光纤，纤芯为As2 S3玻璃，纤芯直径为1.5μm，用该复合光纤实现了0.82.4μm的超连续光谱［71］。

图2－12　As2 S3玻璃纤芯－石英玻璃包层的双纳米锥复合光纤［70］

（a）结构示意图；（b）两个NS端口的光学显微照片及两个尖峰的锥形轮廓图，插图是NS1的SEM图；（c）不同泵浦脉冲能量的超连续谱图；（d）在输出端的模拟超连续谱；（e）沿着3 mm长的双NS波导在泵浦脉冲能量为23 pJ下（考虑到总输入能量为38 pJ的情况下60%的耦合效率）计算得到的光谱演变图，灰色阴影部分表示NS1和NS2的区域(www.xing528.com)

高功率光纤激光功率增长受限于光纤的非线性效应，包括受激布里渊散射和受激拉曼散射等［72］。受激布里渊散射阈值功率低，因此它在较低的激光输出功率下就会产生。一般地，通过增大光纤纤芯面积可以减小受激布里渊散射。但大的纤芯直径增加了多模传输风险，降低了光束质量。近些年，研究人员从光纤材料组分出发，选择具有低布里渊增益系数的材料制备复合玻璃光纤。2012年，Ballato研究组以蓝宝石（α－Al2O3）为纤芯，石英玻璃为包层，采用纤芯熔融拉丝法制备了铝硅酸盐玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤，如图2－13所示，纤芯中Al2 O3的摩尔分数高达55%，该无源玻璃－玻璃复合光纤的布里渊增益系数为3.1×10－13 mW－1，比商业的石英光纤降低了两个数量级［73］。随后，许多晶体氧化物如Y2 O3－Al2 O3、Y3Al5O12、BaO和MgAl2O4被用作纤芯，制备出低布里渊增益系数的复合玻璃光纤［72－74］。在降低受激拉曼增益系数研究方面，Ballato等以Yb3+：YAG单晶为纤芯，石英玻璃为包层，制备了玻璃－玻璃复合光纤，拉曼增益系数降低了3 dB［75］。

图2－13　铝硅酸盐玻璃－玻璃复合光纤［73］

（a）布里渊增益系数与Al2 O3浓度的关系；（b）相比于SMF－28光纤的布里渊增益系数与Al2 O3浓度的关系

除了调控光纤的非线性外，无源玻璃－玻璃复合光纤在控制光偏振和模式损耗等方面具有一定的应用前景。Schmidt等于2011年用PAMF法制备了碲酸盐玻璃纤芯－石英包层复合光纤，图2－14a为采用PAMF制备的磁光复合玻璃光纤的示意图，其纤芯组成摩尔分数为77 TeO2－20.5 ZnO－2.5 La2O3，图2－14b为有效Verdet常数测试结果［76］。此复合玻璃光纤具有较高的Verdet常数，可实现对光偏振的控制。随后，该研究组采用同样的方法将AgPO3玻璃复合到石英光纤中，纤芯直径约为2.4μm。由于AgPO3玻璃具有低的黏度，因而可以制备出长度达厘米级、圆柱形、低损耗高折射率的连续光纤，有望应用于窄带光纤滤波器［77］。

图2－14　碲酸盐玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤［76］

（a）结构示意图；（b）有效Verdet常数测试结果图，插图显示了白光入射光纤时的引导模式