侯建平 趙晨陽(yáng) 楊楠 郝建蘋(píng) 趙建林

(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,陜西省光信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,空間應(yīng)用物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

(2012年12月25日收到;2013年1月25日收到修改稿)

1 引言

微納光纖(micro-nano fi ber,MNF)是指纖芯直徑在幾百納米至幾微米之間的光纖[1],這類(lèi)光纖能夠?qū)⒐饩钟蛟谖⒓{米尺度內(nèi)并實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸.由于具有強(qiáng)倏逝場(chǎng)、強(qiáng)光場(chǎng)約束、大波導(dǎo)色散、易于彎曲等特點(diǎn)[2-6],使得MNF在微納米尺度的光傳輸、耦合、調(diào)制、諧振、放大以及傳感等應(yīng)用方面具有非常誘人的應(yīng)用前景.

MNF的端面反射特性作為其傳輸特性的一個(gè)重要方面,對(duì)其各種應(yīng)用,特別是MNF傳感器[7-9]、微腔激光器[10,11]、微腔環(huán)形器[12]等應(yīng)用具有非常重要的影響.有關(guān)MNF端面反射特性的研究,目前主要限于理論和數(shù)值模擬分析.如文獻(xiàn)[13,14]曾采用三維有限時(shí)域差分法(three-dimension finitedifferencetime-domain,3D-FDTD)數(shù)值分析了MNF的端面反射率與MNF直徑、傳輸波長(zhǎng)和外介質(zhì)折射率之間的關(guān)系,但沒(méi)有給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果.目前,測(cè)量光纖端面反射功率的方法主要是通過(guò)接入光路中的3 dB耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)[15],但該方法存在固有不足,即測(cè)得的反射功率中也包含了另一空閑端口反射的貢獻(xiàn),同時(shí),一部分反射光還會(huì)返回到光源光路,從而對(duì)光源工作的穩(wěn)定性造成一定影響.相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖而言,MNF的端面更小,反射能量更弱,上述問(wèn)題以及尾纖擺動(dòng)、內(nèi)部損耗對(duì)端面反射功率測(cè)量的準(zhǔn)確性影響更大.為此,本文結(jié)合氣凝膠固定和補(bǔ)償法,提出一種基于光環(huán)形器的MNF端面反射特性測(cè)量方法.

2 MNF的端面反射特性測(cè)試方法與實(shí)驗(yàn)

圖1所示為設(shè)計(jì)的基于光環(huán)形器的MNF端面反射特性測(cè)量裝置.首先利用3 dB耦合器將來(lái)自光源的光分成兩束,其中一束作為參考光直接進(jìn)入光功率計(jì)1,用以探測(cè)輸入光功率;另一束作為測(cè)試光進(jìn)入環(huán)形器端口1,再由環(huán)形器端口2進(jìn)入待測(cè)MNF,經(jīng)端面反射后,由環(huán)形器端口3輸出,并由光功率計(jì)2接收.實(shí)驗(yàn)中,采用氣凝膠(n=1.01)將MNF固定,以減少其在空氣中隨機(jī)擺動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.待測(cè)MNF樣品由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF28)經(jīng)氫氧焰下加熱軟化后拉制而成,其直徑可由加熱火焰的大小和步進(jìn)電機(jī)的速度聯(lián)合控制,得到的MNF直徑均勻,表面光滑.光纖端面的情況包括端面平整度和端面與光纖軸的夾角等對(duì)端面反射率都有重要影響.考慮一般性,本實(shí)驗(yàn)要求端面平整且與光纖軸垂直.實(shí)驗(yàn)中我們采用專(zhuān)用切割刀對(duì)拉制的光纖進(jìn)行切割,然后通過(guò)顯微鏡(DMM-330C,Caikon Inc.)檢查確保端面質(zhì)量.如果要獲取其他類(lèi)型的端面如部分切割或成一定角度切割則可以采用文獻(xiàn)[8]所述工藝,采用聚焦離子束(focused ion beam,FIB)進(jìn)行切割,從而獲得滿足要求的樣品.

圖1 MNF端面反射率實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

在上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,功率計(jì)2實(shí)際接收到的光功率除光纖反射端面反射的功率外還包含了光路中一些光纖連接端面的回波反射功率.此外,環(huán)形器的插入損耗和MNF的傳輸損耗也均會(huì)對(duì)MNF端面反射率的測(cè)量結(jié)果造成不可忽略的影響.為了提高M(jìn)NF端面反射率的測(cè)量精度,降低測(cè)量誤差,實(shí)驗(yàn)中采用補(bǔ)償法.具體如下：首先通過(guò)光功率計(jì)1,2,探測(cè)到MNF放置于氣凝膠中的總輸出光功率P1和P2;然后將MNF反射端面浸入折射率匹配液中,測(cè)得除端面反射以外的回波反射功率Pb.計(jì)及環(huán)形器的插入損耗和MNF的傳輸損耗后,可得：

式中,L(1-2)和L(2-3)分別為對(duì)應(yīng)的環(huán)形器插入損耗,L(M)為MNF的傳輸損耗[16,17],Pi為輸入光功率,Po為MNF端面反射的輸出光功率,則端面反射率為

將(1)和(2)式代入(3)式,可得：

圖2給出了傳輸波長(zhǎng)為1550 nm時(shí),MNF端面反射率與光纖直徑關(guān)系的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,其中虛線是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的二次擬合結(jié)果,實(shí)線是采用COMSOL軟件計(jì)算得到的數(shù)值模擬結(jié)果.可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致,少量偏移應(yīng)主要源于光纖受擠壓和彎曲等所致.從圖中可以看出,隨著MNF直徑的減小,端面反射率減小.當(dāng)直徑為1380 nm時(shí),端面反射率為0.622%;當(dāng)直徑減小到740 nm時(shí),端面反射率減小到0.437%.

圖2 MNF端面反射率與直徑的關(guān)系

圖3 不同直徑的數(shù)值模擬 (a)d=740 nm的光場(chǎng)分布;(b)d=1380 nm的光場(chǎng)分布

圖3為兩種不同直徑MNF光場(chǎng)分布的模擬結(jié)果.由圖可以看出,d=740 nm的纖外能量比例大于d=1380 nm,表明直徑小的光纖能量部分泄漏到外介質(zhì)中,因此導(dǎo)致MNF端面反射率的減小.

圖4所示為MNF端面反射率與傳輸波長(zhǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果.利用ASE寬帶光源(FLS-2300B,EXFO Inc.)將光耦合進(jìn)直徑為640 nm的MNF,用光譜分析儀(AQ6317C,ANDO Inc.)代替功率計(jì)2檢測(cè)系統(tǒng)的反射光譜.從圖中可以看出,當(dāng)波長(zhǎng)從1530 nm變化到1610 nm時(shí),端面反射率隨波長(zhǎng)增加而不斷減小,并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本保持一致.

對(duì)比選取1530 nm和1610 nm兩種波長(zhǎng),計(jì)算其在直徑640 nm的MNF中傳輸時(shí)的光場(chǎng)分布進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如圖5所示.由圖可以看出,λ=1610 nm時(shí)的中心能量低于λ=1530 nm,而倏逝能量則較大,相應(yīng)地從端面反射的能量較少.

圖4 MNF端面反射率與傳輸波長(zhǎng)的關(guān)系

圖5 不同波長(zhǎng)時(shí)的數(shù)值模擬 (a)λ=1530 nm的光場(chǎng)分布;(b)λ=1610 nm的光場(chǎng)分布;(c)截線處的光場(chǎng)能量圖

3 結(jié)論

提出了一種基于光環(huán)形器的MNF端面反射特性測(cè)量方法,結(jié)合氣凝膠固定和補(bǔ)償法,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉制的MNF的端面反射率與其直徑和傳輸波長(zhǎng)之間變化關(guān)系,結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)論相一致,表明該方法用于MNF端面反射特性測(cè)量的有效性.利用該測(cè)量方法,既可以實(shí)驗(yàn)測(cè)量特定MNF端面的反射率,也可以研究其與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系,這對(duì)于設(shè)計(jì)制作MNF激光器、放大器和耦合器等微型器件方面具有重要意義.

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