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光纖引導太赫茲波，適用于低損耗成像和傳感應用。

       光子晶體光纖（PCF），也稱為微結構光纖（MOF），是一類光纖，適用于傳感、生物醫學成像、時域光譜、DNA雜交和癌癥檢測以及光通信等領域的應用。與傳統光纖不同，PCF提供高雙折射和可控色散。

       固體PCF經歷大的材料損失，不適合太赫茲信號傳輸，而空心PCF將電磁波限制在短的傳播距離，并且具有與光纖的直徑和彎曲半徑成反比的高彎曲損耗。由于這些不希望的特征減緩了固體和空心PCF的可接受性，因此開發了多孔芯纖維。

       位于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，使設計人員能夠控制諸如氣孔尺寸、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、限制損失、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作為波導

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

       最初，太赫茲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，金屬波導面臨許多問題，包括金屬條和槽產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；在非制導介質中的光束擴散導致平行板波導的發散損失；由于模式對結構的弱限制，發生裸金屬波導中的輻射損耗。太赫茲傳輸的好選擇是光纖介質波導。

減少傳輸損耗

       考慮到PCF的優點，已經設計了許多波導結構用于電磁波的低損耗傳輸（參見圖 1）。

圖1.為減少電磁波的傳輸損耗而提出的光子晶體光纖（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，其中去除了每個邊緣的氣孔，減少了損耗并改善了雙折射; （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PCF結構減少3-4倍的限制損失。

       后一種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包層能夠收集芯內多的光并限制光進一步朝向包層。

高雙折射

       對于偏振保持應用，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晶格內部的橢圓形和矩形氣孔（參見圖 2）。

圖2.高雙折射基于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偏振模式之間產生大的不對稱性，從而改善雙折射。注意，也可以使用圓形氣孔產生雙折射 - 然而，這也需要在偏振模式之間產生不對稱的結構。

雙折射和傳感

       通過用分析物替換PCF孔中的環境空氣，可以將PCF轉換為傳感器。通過優化PCF的改進的全內反射（MTIR）機制來改善靈敏度，以改善光與周圍PCF基板材料的相互作用。

       例如，如果我們使用水（折射率約為1.33）作為核心孔內的分析物而不是空氣（折射率約為1.0），由于較高的折射率，由于強烈的MTIR，光與分析物的相互作用將強比包層。實質上，核心功率分數增加并且限制損失減少。注意，相對靈敏度正比于核心功率部分，因此，作為核心功率分數增大時，相對靈敏度也增加（參見圖 3）。

圖3.用作傳感器的PCF的實例包括具有多孔芯的懸浮型包層

       那么，為什么感知需要PCF雙折射？考慮到乙醇作為化學分析物，測量不確定性隨樣品厚度的增加而增加，因為當用作詢問波長時，太赫茲波的吸收增加。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是吸收系數。注意，乙醇的吸收系數在0.2-1.4THz范圍內在20-80cm -1范圍內。如果考慮α = 20 cm -1，這將產生最壞情況下的最大厚度2 / α = 2/20 = 0.1 cm = 1 mm。

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

       已知基于光纖的太赫茲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光纖的功率必須>160μW，這是可以實現的。因為眾所周知，基于光纖的外差檢測要求本地振蕩器的極化與光纖末端檢測到的極化對齊，必須使用保偏光纖，從而鞏固PCF光纖對雙折射的需求基于太赫茲的傳感。

PCF傳感器比較

       用于傳感的多孔芯和空芯PCF的表征表明，空心芯可以改善性能，因為多的分析物可以填充芯結構。3在具有基于圓形氣孔的多孔芯的懸掛型包層的傳感器結構中，取決于所使用的玻璃材料，芯接口可能產生感測問題。

       也有在使用外部或內部感測機構的PCF感測的選項。在外部傳感方法中，分析物通道位于等離子體材料之外并且相對容易填充。相反，在氣孔內使用分析物的內部傳感方法更復雜，因為用分析物填充微結構微小氣孔是困難的。

       使用PCF的金屬和電介質界面之間的表面等離子體共振（SPR）效應也可以產生基于SPR的生物傳感器。通過在光纖芯內加入金，銅，鐵和銀等金屬，當p偏振光波的電子在金屬 - 電介質界面之間振蕩時，SPR起作用。環境折射率的微小變化會改變共振波長，從而實現SPR傳感器，用于醫療診斷和測試，抗原 - 抗體相互作用，環境監測，       迄今為止，PCF制造方法如毛細管堆疊，鉆孔和溶膠——凝膠方法產生圓孔，而3D打印，擠出和化學氣相沉積（CVD）方法產生非圓形和復雜結構。隨著這些方法的改進，下一代PCF設計將繼續在傳感和傳輸應用中取得進展。