3D打印光子晶体光纤推动光通信、传感器技术和生物医学设备

来自阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology, KAUST)研究人员开发的增材制造工艺以前所未有的简便性和精度来制造能够将光子用于高速信息处理的小型光学设备。

光子晶体光纤(Photonic crystal fibers, PCF)，也称为微结构光纤或带孔光纤，是一种单材料光纤，其中的一系列微观纵向中空通道可以进行光导。PCF中纵向空心通道的几何设计是控制和调整光纤波导参数（如光学模式尺寸和形状、模态色散、双折射和非线性）的有力工具。随着PCF的发展，已经可以实现对光纤波导参数进行更广泛范围的前所未有的精细控制，从而开辟了独特的可能性，例如超连续谱的产生、光纤色散工程和超高双折射效应。此外，光子晶体光纤在制造空芯光纤方面是独一无二的，具有重要应用，例如超低非线性的纤维传播或新型气体和光流体传感器。

但是，当前的PCF制造方法在制造具有所需特性的PCF段以创建复杂的小型化光子系统方面具有重要的局限性。PCF主要是通过绘制厘米级直径的圆柱形“瓶坯”来制造的，预制件的横截面几何形状对应于纤维的最终亚毫米级几何形状的放大版本。然而，当前用于制造预制件的方法仅在预成型件的设计中赋予了有限的自由度。另外，在拉伸过程中，由于材料粘度、重力和表面张力效应，通常不保留预制件的几何形状。因此，获得所需的PCF横截面结构不是简单的过程，并且可能特别困难。特定的孔几何形状甚至是不可能实现。厘米级PCF瓶胚的3D打印最近已被提议作为增加设计自由度的一种手段，但是图纸的扰动效果仍然是阻碍任意PCF设计准确实现的主要限制因素。最后，对于PCF段的长度及其纵向锥度的微米级控制（这是创建微型光子系统所必需的），这是基于标准预成型坯的方法非常困难的。

在这里，来自阿卜杜拉国王科技大学的研究人员展示了使用高分辨率3D打印来原位一步制造具有不同几何形状的堆叠式超短PCF样段，以创建全光纤集成器件，在亚毫米长度内执行复杂的光学操作。他们的方法完全避免了引入许多限制和缺点的绘制过程，并在控制横向和纵向PCF几何形状方面提供了前所未有的设计灵活性和精度。

▲图1. 不同类别的3D打印PCF设计的光学导引证明了该方法的可行性：（a）高度非线性的PCF；（b）螺旋扭曲的无芯PCF（箭头表示扭曲方向）；（c）光子带隙空心PCF；（d）反谐振空心PCF；（e）分形环核PCF。第一行显示了输出光学模式，该模式与3D打印波导端面的光学显微镜图像重叠；底行显示了相应的扫描电子显微镜（SEM）图像。对于所有结构，光学模式的波长为1060 nm，（b）除外，为640 nm。

该研究团队使用激光将光敏聚合物转变为透明固体，一层一层地构建了光子晶体纤维。特征表明，该技术可以以比传统制造更快的速度成功复制几种类型的微结构光纤的几何图案。新工艺还使将多个光子单元轻松组合在一起变得容易。他们通过3D打印一系列光子晶体光纤段演示了这种方法，这些段将光束的偏振分量分成分离的光纤芯。分束器和常规光纤之间的定制锥形连接确保了高效的设备集成。

全光纤集成PCF偏振分束器的设计与制造

光子晶体光纤缩短了实现某些光学功能（例如偏振控制或波长分离）所需的传播距离。图片来源：KAUST, Anastasia Serin

近年来，已经提出了几种亚毫米级双核PCF PBS设计。但是，当前PCF制造方法的局限性阻碍了它们的成功制造。实际上，迄今为止提出的双核几何形状总体上都是不对称的，包括不同大小和形状的孔，所有这些因素都增加了预成型件的设计的复杂性。此外，这些PCF PBS设计的亚毫米长度要求精确控制到亚微米水平，以产生所需的输出偏振****。这些综合因素使得难以从已拉长的纤维中将线段切割和切割成所需的长度。此外，PCF PBS在纤维上的整合需要例如通过熔接与标准纤维刚性耦合。这种耦合还需要几个微米的很小但很关键的横向偏移，以便仅直接耦合双芯结构的两个芯之一。对于通过光纤拉丝制造的PCF，该集成步骤也极具挑战性。

图解：通过PCF设计的3D打印实现的PCF偏振分束器的首次制造。左侧是PCF PBS的渲染图，其中在单模光纤的端面上集成了三个不同的PCF段：下锥部分（品红色）；双芯定向耦合器（DC）部分（蓝色）；核心扇出部分（青色）。具有任意偏振的光束（黄色光束）被分成其水平（红色光束）和垂直（绿色光束）偏振分量。右侧，是完整3D打印PCF PBS横截面的SEM图像。中心并排显示三个不同的渲染横截面以及来自3D打印结构的相应SEM图像。

在标准的单模光纤上有效地集成双核DC PCF结构需要添加其他元素。通过利用3D打印方法的优势之一，研究人员将双核DC PCF结构嵌入到一个更复杂的光子结构中，该结构由三个连续的波导段组成（如上图所示）：一种类似于PCF的锥形耦合器（下锥度） ），双核DC双折射PCF结构以及最终的扇出部分，可增加两个核的空间间隔。

光子晶体光纤为科学家提供了一种“调节旋钮”，以通过几何设计来控制导光性能。“但是，由于使用常规方法难以产生任意孔图案，人们并未充分利用这些特性。通过制造这个史上首个基于PCF的光纤偏振分束器，研究人员证明了他们方法前所未有的精度和灵活性。该设备可以一步一步地直接印刷在标准单模光纤的端面上，长度为210 m，可在光通信C波段中实现宽带操作。他们的方法利用了高分辨率3D打印和PCF设计的潜力，为开发新型的小型复杂光子系统铺平了道路，这将积极影响并推动光通信、传感器技术和生物医学设备的发展。