吳雪梅，董興法，姜莉，呂正兵

（蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

錐形光纖的特性與應(yīng)用

吳雪梅，董興法*，姜莉，呂正兵

（蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

由于錐形光纖具有獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)特征，從而引起了光纖的歸一化頻率、有效橫截面積、光強(qiáng)密度、群速度色散及非線性系數(shù)等許多光學(xué)性質(zhì)的變化。介紹了近年來得以廣泛研究和應(yīng)用的錐形光纖技術(shù)，分析了其具備的特殊功能，包括光功率在錐區(qū)的重新分布、干涉濾波、脈沖頻率展寬等，并探索了其在光纖器件制作、傳感技術(shù)、超連續(xù)譜產(chǎn)生等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

錐形光纖；光纖器件；傳感器；超連續(xù)譜

作為一種光纖后處理技術(shù)，錐形光纖以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)特性已成為近年來廣泛研究和應(yīng)用的新熱點(diǎn)。其錐區(qū)的不同規(guī)格（拉錐光纖長(zhǎng)度、錐腰半徑、錐角大小等）將會(huì)導(dǎo)致其具有不同的光學(xué)特性。錐形光纖的制作有兩種方法：腐蝕法和熔融拉錐法，后種方法應(yīng)用較為普遍。熔融拉錐法是通過對(duì)光纖局部加熱至熔融狀態(tài)，并在加熱區(qū)兩端施加拉力使其變長(zhǎng)變細(xì)并形成錐區(qū)。信號(hào)光在錐區(qū)傳輸時(shí)，逐漸變細(xì)的錐腰半徑會(huì)使傳輸光一部分滲透到包層中傳播，使得光功率在錐區(qū)重新分配，利用這個(gè)原理可以制作耦合器、波分復(fù)用器和分束器等光纖器件[1]；滲透到包層中的光傳輸易受外界環(huán)境的影響，基于這個(gè)原理可以制作各種傳感器[2-7]；錐腰逐漸變細(xì)將引起光纖群速度色散的改變、色散參數(shù)的改變以及非線性系數(shù)增強(qiáng)，這些特性會(huì)導(dǎo)致脈沖在錐區(qū)的展寬，引起超連續(xù)譜的產(chǎn)生[8-10]。文中圍繞錐形光纖的特性和應(yīng)用，展示其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和在現(xiàn)代科技發(fā)展中的地位。

1 錐形光纖特性及應(yīng)用

1.1 錐形光纖引起光功率的重新分配

以單模錐形光纖為例，包層和纖芯在拉錐過程中半徑比保持不變[9]，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖，橫坐標(biāo)表示錐形光纖的錐區(qū)長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示光纖半徑，內(nèi)部為纖芯結(jié)構(gòu)，外部為包層結(jié)構(gòu)。定義錐區(qū)直徑最小的地方為錐腰，由圖1可知，光纖纖芯半徑和包層半徑越靠近錐腰越小，由于光纖半徑的變化引起了光纖中許多參數(shù)的改變。

圖1 單模拉錐光纖結(jié)構(gòu)模式圖

模式是信號(hào)光在光纖中的傳播方式，模式的多少取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)：歸一化頻率V，其表達(dá)式為

式中，λ表示真空中的光波長(zhǎng)，在纖芯中，nin表示纖芯折射率，nout表示包層折射率，r（z）表示z值處的纖芯半徑；在包層中，nin表示包層折射率，nout表示外界折射率，r（z）表示z值處的包層半徑。由（1）式可知，在纖芯中nin、nout不變，當(dāng)λ一定時(shí)，V與r（z）成線性關(guān)系；在包層中nin不變，當(dāng)nout、λ一定時(shí)，V與r（z）成線性關(guān)系。另一方面，V又與傳輸光的光功率在纖芯和包層中的分配有關(guān)，兩者的關(guān)系曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)表示V值的大小，縱坐標(biāo)表示輸出光中包層輸出的光功率Pout占輸出總光功率P的比值，由圖2可知，V的減小會(huì)導(dǎo)致光功率在包層中的分配比例增大。因此，在錐形光纖中，由于越靠近錐腰，纖芯半徑越小，V值也跟著變小，由此引起纖芯中傳播模式減少，光波從一開始主要以纖芯模傳播逐漸變?yōu)椴糠洲D(zhuǎn)化成包層模傳播，出現(xiàn)錐區(qū)光功率滲透到包層中的現(xiàn)象，這就是光功率在錐區(qū)重新分配的原理。

許多光纖器件就是利用錐區(qū)重新分配光功率這一原理，將信號(hào)光從一根光纖耦合進(jìn)入另一根或多根光纖中進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)多根光纖間光場(chǎng)的耦合，即實(shí)現(xiàn)了光纖的連接與分束[1]，從而制成了耦合器、波分復(fù)用器和合束器等光纖器件。

圖2 PL01及PL11光功率在光纖中的分布

1.2 錐形光纖的干涉濾波功能

信號(hào)光最初以基模形式在纖芯中傳播，經(jīng)過錐區(qū)時(shí)會(huì)有部分基模能量耦合到包層中以高階模形式傳輸，在纖芯中傳播的光與在包層中傳播的光由于所處的環(huán)境不同（不同的折射率環(huán)境，不同的邊界條件）使得兩路光產(chǎn)生相位差，最終在耦合疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉濾波效應(yīng)。清華大學(xué)的陳智浩等人利用雙錐光纖的結(jié)構(gòu)制成了濾波器[11]，其輸出光譜如圖3所示，光譜曲線的振蕩周期約7 nm。另外，在錐區(qū)滲透到包層中的信號(hào)光傳輸受到包層折射率和外界折射率的影響，包層折射率不變，由（1）式可知，當(dāng)外界折射率越接近包層折射率時(shí)，光纖的歸一化頻率V將越小，在包層中傳輸?shù)母唠A模將越多的耦合成更高階模滲透到光纖外部，使得光纖內(nèi)部傳輸?shù)墓饽芰烤蜁?huì)減少。錐形光纖所處的介質(zhì)折射率不同，會(huì)直接影響光波透射到光纖外部的程度和光纖內(nèi)部的能量衰減情況。利用以上原理可以制成折射率傳感器。

圖3 雙錐光纖濾波器透過譜曲線

圖4為加拿大女王大學(xué)的Zhaobing Tian等人制作的折射率傳感器[2]，在錐形光纖末端鍍上金屬反射鏡，其他部分使用單模光纖，輸入端使用寬帶光源作為入射光，輸出端接入光譜分析儀用來觀察輸出光譜。當(dāng)將錐形光纖浸入不同折射率液體中時(shí)，輸出的干涉光譜會(huì)有所移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)浸入在液體中的光纖長(zhǎng)度不變時(shí)，光譜移動(dòng)量與液體折射率成線性關(guān)系，基于這一特征原理可以測(cè)出外界液體折射率。華南師范大學(xué)的熊貽坤等人也利用了錐形光纖制成液體折射率傳感器[3]，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，入射光使用的是高穩(wěn)定自發(fā)輻射光源，輸出端使用普通的光功率計(jì)作為光電探測(cè)器，測(cè)試原理是將錐形光纖浸在不同折射率液體中，根據(jù)外界環(huán)境折射率的改變引起光纖纖芯所攜帶光功率占總功率的比值變化的關(guān)系，通過這一比值來確定外界折射率，從而制作出了折射率傳感器。此外，錐形光纖還可以制成溫度傳感器[5]和化學(xué)傳感器[6]等。

圖4 單根錐形光纖折射率傳感系統(tǒng)示意圖

圖5 基于錐形光纖的液體折射率傳感器系統(tǒng)示意圖

隨著拉錐技術(shù)的進(jìn)步，拉錐光纖尺寸已達(dá)到納米量級(jí)，其中光信號(hào)由波導(dǎo)場(chǎng)傳輸變?yōu)橘渴艌?chǎng)傳輸[7]，靈敏度極大增強(qiáng)，在氣體、液體、毒品、生物細(xì)胞、化學(xué)等領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。錐形光纖傳感器因其抗電磁干擾、制作工藝簡(jiǎn)單、易于集成等特性，在未來依托于光纖網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)中將起著非常重要的作用。

1.3 錐形光纖中超連續(xù)譜的產(chǎn)生

超連續(xù)譜的產(chǎn)生是由單色高強(qiáng)度的超短脈沖傳輸?shù)焦鈱W(xué)非線性介質(zhì)中，由于各種非線性效應(yīng)和光纖色散特性的影響，在脈沖頻譜內(nèi)產(chǎn)生新的頻率，使得頻譜展寬，產(chǎn)生超寬頻帶。錐形光纖的錐區(qū)所引起的光纖色散參量的變大和光纖群速度色散的變化，加劇了交叉相位調(diào)制效應(yīng)，同時(shí)光纖有效模場(chǎng)面積的減小，使得光纖單位面積的光功率（光強(qiáng)密度）增大，由于脈沖功率的強(qiáng)弱會(huì)影響非線性效應(yīng)，光強(qiáng)密度增大使得非線性系數(shù)增大，從而引發(fā)了自相位調(diào)制、孤波分裂、受激拉曼散射等非線性效應(yīng)。因此，錐形光纖作為光學(xué)非線性介質(zhì)，為產(chǎn)生超連續(xù)譜創(chuàng)造了有利條件。由于錐形光纖不同的錐區(qū)結(jié)構(gòu)有著不同的光學(xué)特性，研究表明，錐形光纖的長(zhǎng)度和錐區(qū)半徑對(duì)產(chǎn)生超連續(xù)譜有著重要的影響[10]，如圖6所示。圖6（a）表示不同錐腰長(zhǎng)度對(duì)輸出光譜的影響；圖6（b）表示不同錐腰半徑對(duì)輸出光譜的影響。錐區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，內(nèi)部的非線性效應(yīng)和色散量共同作用距離便越長(zhǎng)；錐形光纖半徑越小，光纖內(nèi)光脈沖強(qiáng)度便越大，非線性效應(yīng)也會(huì)越強(qiáng)，所以要產(chǎn)生較寬的頻譜應(yīng)選擇較長(zhǎng)且較細(xì)的錐形光纖。

Dunais于1993年第一次將飛秒脈沖激光注入到錐形光纖中得到連續(xù)光譜；2000年Bath大學(xué)的T.Birks將飛秒脈沖激光器（波長(zhǎng)850 nm）與普通錐形光纖（錐區(qū)直徑約2 nm，均勻區(qū)長(zhǎng)9 cm）耦合，首次在普通錐形光纖中輸出了超連續(xù)譜（370 nm-1 545 nm）；最近Hudson等人于2011年利用As2S3材料的錐形光纖（模場(chǎng)面積0.8 μm2，1 550 nm的非線性系數(shù)為12 400 W－1·km-1）產(chǎn)生了970 nm-1 990 nm的中紅外超連續(xù)譜。隨著人們對(duì)具有靈活結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的光子晶體光纖的深入研究，對(duì)于拉錐光子晶體光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜領(lǐng)域也進(jìn)行了探索與實(shí)驗(yàn)[9]，其產(chǎn)生的超連續(xù)譜激光譜線寬且平坦、穩(wěn)定性高。

超連續(xù)譜被廣泛的應(yīng)用于光譜學(xué)和光計(jì)量學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)以及工業(yè)、光纖通信、光學(xué)相干層析、光學(xué)頻率梳、生物醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域之中。拉錐技術(shù)的不斷發(fā)展，為獲得更寬頻帶的超連續(xù)譜和提高其相干性、平坦性、噪聲特性等方面提供了有利條件。

圖6 不同規(guī)格錐形光纖的輸出光譜

2 結(jié)語

錐形光纖因其特殊的錐區(qū)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了光功率的重新分配、光纖內(nèi)模式的耦合與干涉、非線性效應(yīng)的增大和光纖色散特性的改變等普通光纖所不具備的新的光學(xué)特性，從而在光纖器件的制作、傳感器的制作和超連續(xù)譜的產(chǎn)生等諸多領(lǐng)域里得到了廣泛的研究和應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代科技的發(fā)展起到非常重要的作用。

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Properties and application of tapered fiber

WU Xuemei，DONG Xingfa，JIANG Li，LV Zhengbing
（School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

Due to its special geometric structure characteristics of the tapered fiber，many optical properties including the normalized frequency，the effective cross-sectional area，the density of light intensity,group velocity dispersion，nonlinear coefficient in optical fiber have been changed.This paper introduced the technology of tapered fiber widely investigated and used in recent years and analyzed its special functions，such as redistribution of optical power in tapered region，interference filter，pulse frequency broadening，etc.In addition，we explored its wide applications in optical fiber devices making,sensor technology,generation of super-continuum spectrum and many other fields.

tapered fiber；optical fiber devices；sensor；super-continuum spectrum

TN253

A

1672－0687（2015）02－0052－04

責(zé)任編輯：艾淑艷

2014－11－20

江蘇省企業(yè)研究生工作站資助項(xiàng)目（2012-0819）

吳雪梅（1989-），女，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，研究方向：光纖通信。

*通信聯(lián)系人：董興法（1963-），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：dongxfa@mail.usts.edu.cn。