微納米光纖腐蝕動(dòng)力學(xué)及其光學(xué)特性研究

張勁超， 周瑞雪， 劉紹靜， 陳依琳， 程煜鵬， 張俊優(yōu)， 何賽靈， 邢曉波,2,*

(1. 華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，光及電磁波中心，廣州 510006；2. 華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院，激光生命科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510631； 3. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006)

微納米光纖腐蝕動(dòng)力學(xué)及其光學(xué)特性研究

張勁超1， 周瑞雪1， 劉紹靜3， 陳依琳3， 程煜鵬1， 張俊優(yōu)1， 何賽靈1， 邢曉波1,2,3*

(1. 華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，光及電磁波中心，廣州 510006；2. 華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院，激光生命科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510631； 3. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006)

利用氫氟酸(HF)腐蝕石英光纖法制備出微納米光纖，并研究了微納米光纖的光學(xué)特性. 實(shí)驗(yàn)中，利用CCD和數(shù)據(jù)采集卡，對腐蝕中的石英光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微納米光纖的光功率損耗隨直徑的減小，而呈指數(shù)增加. 通過OptiFDTD軟件模擬微納米光纖的電場矢量分布，發(fā)現(xiàn)隨著直徑減小，微納米光纖的倏逝場越來越強(qiáng). 當(dāng)微納米光纖的直徑與輸入光波的波長相近時(shí)，光波幾乎只沿著光纖的表面?zhèn)鞑? 結(jié)果表明，微納米光纖具有制備簡單、尺寸小、倏逝場大等優(yōu)良特性，在傳感器等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景.

微納米光纖; 氫氟酸; 倏逝場; OptiFDTD8.0軟件

近幾十年來，直徑遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)光波波長的普通光纖已被廣泛應(yīng)用于光通信、傳感、功率傳輸和非線性光學(xué)等方面[1-4]. 隨著納米技術(shù)的發(fā)展，光纖和光纖器件的微型化、集成化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢[5-7]，微納尺度的光纖和光纖器件受到了越來越多的重視. 微納米光纖(MNF)是指直徑在幾十納米至幾微米之間的特種光纖[8]，作為未來微納米量級光子器件和設(shè)備的基石，以及微觀光學(xué)的研究工具，MNF的制備和應(yīng)用引起了研究者們的廣泛關(guān)注. MNF表面的強(qiáng)倏逝場極易受周圍環(huán)境的影響，從而造成倏逝場能量的衰減或波長的漂移. 因此，基于倏逝場效應(yīng)，可制作各種各樣的光纖倏逝波傳感器. 目前，光纖倏逝波傳感器已在水質(zhì)監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、生物化學(xué)和軍工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[9-12].

MNF有多種制作方法，其中拉錐法[13]和刻蝕法[14]是典型的MNF制造方法. 2003年，TONG等[13]首次提出了利用兩步拉伸法制備MNF. 拉錐法制作的MNF具有直徑均勻、表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，但拉錐法的可控性差，難以制備具有特定尺寸要求的MNF. 因此，在制備特定尺寸的MNF時(shí)，拉錐法并非最佳選擇. 刻蝕法主要通過氫氟酸(HF)等化學(xué)試劑腐蝕光纖來制備MNF，雖然刻蝕法制備的MNF表面不夠光滑，但其可控性強(qiáng)，能定量控制MNF的直徑和長度. 為了能夠更好地研究MNF的直徑與光功率損耗的關(guān)系，本文采用HF刻蝕法制備MNF，并結(jié)合軟件OptiFDTD8.0研究其光學(xué)特性.

1 理論模擬與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 微納光纖的倏勢場理論模擬

研究表明，MNF的大部分能量以倏逝場的形式在纖芯外部傳輸. TONG等[15]從理論上證明了：隨著MNF直徑的減小，其以倏逝場形式傳輸?shù)哪芰繉⒃鰪?qiáng)，相應(yīng)約束在光纖內(nèi)的能量將減弱. 本實(shí)驗(yàn)研究在HF溶液腐蝕條件下，隨著時(shí)間越長，1 550 nm的單模光纖的直徑越來越小，其折射率可由Sellmeier 色散公式?jīng)Q定[15]. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，將光纖浸入折射率約為1.33的HF溶液中，并通入波長為1 070 nm的光信號. 采用軟件OptiFDTD8.0對上述過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)總光場能量中，倏逝場能量的比率會隨光纖直徑的減少而增大. 當(dāng)工作波長為1 070 nm，光纖直徑分別為0.2、0.5、1.0、2.0m時(shí)，MNF的光場分布如圖1所示. 結(jié)果表明，MNF倏逝場的有效透射深度分別為1.413、0.837、0.389、0.318m，倏逝場隨著光纖直徑的減小而增大. 此外，當(dāng)光纖直徑約為0/5(其中0為入射光波波長)時(shí)，MNF的光場分布將會發(fā)生突變，光場的能量集中在MNF的表面.

圖1 當(dāng)工作波長為1 070 nm時(shí)不同光纖直徑的電場矢量分布模擬圖

在普通光纖中倏逝場的穿透深度

其中，n1、n2分別是纖芯和包層的折射率，θi是光纖的入射角，是入射光波長. 當(dāng)一定時(shí)，普通光纖的倏逝場穿透深度是一定值，即隨著MNF直徑的增大，MNF倏逝場的穿透深度將趨向于一定值.而在現(xiàn)實(shí)情況中，隨著MNF直徑的不斷減小，倏逝場的穿透深度并不會無窮增大，因此，隨著MNF直徑的減小，MNF倏逝場的穿透深度必然也趨向于一定值. MNF倏逝場的穿透深度與其直徑的關(guān)系應(yīng)當(dāng)符合玻爾茲曼函數(shù)模型：

y=A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x0)/dx))，

(1)

其中，y是倏逝場的穿透深度，x是光纖的直徑，A1、A2、x0、dx均為常數(shù)，A2是普通光纖倏逝場的穿透深度，在光纖的直徑遠(yuǎn)大于時(shí)，A2隨的增大而增大.

圖2 不同工作波長的光纖倏逝場深度與直徑的關(guān)系模擬

Figure 2 Simulation of relationship between evanescent optical field and fiber diameter at different working wavelength

ΔP=A0exp(-x/x0)+y0，

(2)

其中，ΔP是光功率損耗，x是光纖的直徑,A0、x0、y0均為常數(shù). 通過減小光纖的直徑可以增強(qiáng)倏逝場，但也會導(dǎo)致光纖的光功率相應(yīng)衰減. 因此，通過監(jiān)測MNF的光功率損耗變化，可以獲得MNF的倏逝場特性.

圖3 光功率損耗與直徑的關(guān)系模擬(=1 070 nm)

Figure 3 Simulation of relationship between optical power loss and fiber diameter(=1 070 nm)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置、原理和過程

SiO2+ 4HF → SiF4↑+ 2H2O，

(3)

SiO2+ 6HF → H2SiF6+ 2H2O.

(4)

研究表明，室溫下HF溶液的腐蝕速率與HF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)[17]. 在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HF溶液(2%～24%)中，反應(yīng)(3)、(4)同時(shí)進(jìn)行，而在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HF溶液中只有反應(yīng)(3)進(jìn)行. 因此，為了使HF腐蝕光纖的過程更加穩(wěn)定，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、35%和40%的HF溶液作為腐蝕劑.

實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的HF腐蝕光纖系統(tǒng)(圖4). 系統(tǒng)主要由腐蝕反應(yīng)器、激光光源、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、光學(xué)顯微鏡及CCD等部分組成. 反應(yīng)器材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，容積為40 mm×20 mm×10 mm，壁厚為5 mm，底部厚為1 mm，其兩端中間開有寬1 mm深10 mm的小槽. 激光光源的工作波長為1 070 nm. 數(shù)據(jù)采集卡的前端帶有光電轉(zhuǎn)換模塊，每0.2 s進(jìn)行一次采樣. 利用計(jì)算機(jī)控制CCD與數(shù)據(jù)采集卡，對光纖的直徑與光功率損耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

圖4 HF腐蝕石英光纖的實(shí)驗(yàn)原理圖

Figure 4 Schematic of experimental setup for HF etching quartz fiber

實(shí)驗(yàn)前，用剝線鉗剝除15 mm長的光纖涂覆層，利用無水乙醇溶液與去離子水清洗光纖和腐蝕反應(yīng)器. 然后用石蠟將光纖固定在腐蝕反應(yīng)器內(nèi)，輸入2 mW、1 070 nm的激光. 在腐蝕反應(yīng)器內(nèi)滴滿HF溶液后，迅速蓋上邊緣涂滿凡士林的PMMA板(45 mm×25 mm×1 mm)進(jìn)行密封. 最后，打開數(shù)據(jù)采集卡與CCD對光纖進(jìn)行監(jiān)控. 該實(shí)驗(yàn)過程中溫度嚴(yán)格控制在27 ℃.

2 器件的性能及應(yīng)用

在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HF溶液中，光纖的直徑與腐蝕時(shí)間呈線性關(guān)系(圖5)，腐蝕速率分別為0.021 5、0.027 1、0.039 9m/s時(shí)，HF對光纖的腐蝕速率隨HF溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大. 由圖6可知，光纖的光功率損耗隨腐蝕時(shí)間的增加呈指數(shù)增大，其關(guān)系曲線符合式(2)的函數(shù)模型. 此外，由于光纖的直徑與腐蝕時(shí)間呈線性關(guān)系，其光功率損耗與直徑的關(guān)系也符合式(2)的函數(shù)模型(圖7). 實(shí)驗(yàn)與模擬所得的MNF光功率損耗與直徑的函數(shù)關(guān)系模型相同. 因此，可以使用該函數(shù)模型表征MNF的光功率損耗與直徑的關(guān)系.

圖5 HF溶液中光纖直徑與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

Figure 5 Relationship between fiber diameter and etching time in HF solutions

圖6 HF溶液中光功率損耗與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

Figure 6 Relationship between optical power loss and etching time in HF solutions

圖7 通過曲線延伸法得到的光功率損耗與光纖直徑的關(guān)系

Figure 7 Relationship between optical power loss and fiber diameter using curve extension method

注：KOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%.

但實(shí)驗(yàn)測量的MNF光損耗與直徑的關(guān)系曲線與OptiFDTD8.0的模擬結(jié)果并不重合，實(shí)驗(yàn)的關(guān)系曲線明顯高于模擬(圖8A). 當(dāng)MNF的直徑遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與模擬值差異較小. 這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中MNF的光功率損耗除了倏逝場造成的損耗外，還存在著耦合損耗. 如圖8B可知，在腐蝕過程中，光纖的模型可視為由2個(gè)光纖光錐與MNF的耦合，實(shí)驗(yàn)測得的光功率損耗包含了MNF的倏逝場損耗和耦合損耗.

圖8 光功率損耗與直徑的關(guān)系及光纖腐蝕模型

Figure 8 Relationship between optical power loss and fiber diameter, and fiber etching model

實(shí)驗(yàn)中MNF的光功率損耗雖然包含了倏逝場損耗和耦合損耗，但其與直徑的關(guān)系模型依然符合式(2)的函數(shù)模型. 而光纖光錐與MNF的耦合損耗隨腐蝕時(shí)間的變化可表示為：

(5)

P=Cek1t，

(6)

其中，P是耦合損耗，t是腐蝕時(shí)間，k1是耦合損耗變化的一階系數(shù)，C是常數(shù).

由于光纖的直徑與腐蝕時(shí)間呈線性關(guān)系，因而耦合損耗與光纖直徑的關(guān)系可表示為：

P=C0e-k2D，

(7)

其中，P是耦合損耗，D是光纖直徑，k2、C0均為常數(shù).

由函數(shù)模型式(2)與式(7)可知，當(dāng)光纖的直徑遠(yuǎn)大于入射光波波長時(shí)，耦合損耗與MNF的倏逝場傳輸損耗都較低，實(shí)驗(yàn)測得的關(guān)系曲線與模擬的結(jié)果在該部分的差異較??；但是在光功率損耗與光纖直徑的關(guān)系模型中，系數(shù)1/x0>k2，隨著光纖直徑的減小，在一定范圍內(nèi)，耦合損耗遠(yuǎn)大于倏逝場損耗，MNF的光功率損耗以耦合損耗為主，實(shí)驗(yàn)測得的關(guān)系曲線與模擬的結(jié)果差異增大. 實(shí)驗(yàn)所用的是長度為15 mm的單模光纖，腐蝕的長度較長. 隨著光纖直徑的持續(xù)減小，倏逝場傳輸損耗的增長速率急速增大，整根光纖的損耗以倏逝場損耗為主，使得實(shí)驗(yàn)的關(guān)系曲線與模擬結(jié)果差異減小.

由實(shí)驗(yàn)所得的MNF光損耗與直徑的關(guān)系曲線可知，當(dāng)光纖被腐蝕到僅剩下纖芯時(shí)，MNF光功率迅速增大. 當(dāng)光纖的直徑為14.5m時(shí)，光功率只有0.1 dB/mm. 但是，當(dāng)光纖被腐蝕到直徑為10m時(shí)，光損耗卻達(dá)到13.6 dB/mm. 雖然隨著光纖直徑的減小，倏逝場能量占光場總能量的比率增大，但光纖的光功率損耗也增加，即倏逝場對光纖導(dǎo)光能力的影響增大. 而通過OptiFDTD8.0的模擬結(jié)果可知，當(dāng)MNF的直徑在一定范圍內(nèi)時(shí)，MNF倏逝場的穿透深度會隨著入射光波長的增大而增加. 因此，制作基于MNF倏逝場效應(yīng)的光纖傳感器時(shí)，可選用直徑較大的MNF和波長較長的激光光源. 此外，增大MNF的直徑可以降低光功率損耗，選用發(fā)光功率更低的激光器作為光源便可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，從而降低傳感器的制作成本.

3 結(jié)論

利用HF刻蝕法可制備各種尺寸的MNF. 通過刻蝕法與軟件OptiFDTD8.0研究MNF光學(xué)特性發(fā)現(xiàn)：當(dāng)MNF的直徑與入射光波的波長在同一數(shù)量級時(shí)，具有較強(qiáng)的倏逝場，可用于制作光纖傳感器. 由于MNF具有優(yōu)異的光學(xué)性能，是微納米領(lǐng)域研究的重要方向. MNF的強(qiáng)倏逝場使其可成為具有高靈敏度的光學(xué)傳感器件，在通信和傳感領(lǐng)域均有較大的研究價(jià)值和應(yīng)用前景.

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【中文責(zé)編：譚春林 英文審校：肖菁】

Study on Corrosion Kinetics and Optical Properties of Micro/Nano Fiber

ZHANG Jinchao1, ZHOU Ruixue1, LIU Shaojing3, CHEN Yilin3, CHENG Yupeng1, ZHANG Junyou1, HE Sailing1, XING Xiaobo1,2,3*

(1. Centre for Optical and Electromagnetic Research, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 2. Education Ministry’s Key Laboratory of Laser Life Science & Institute of Laser Life Science, College of Biophotonics, South China Normal University, Guangzhou 510631, China; 3. School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

Micro/nano fiber can be obtained by corrosion of optical fiber using hydrofluoric acid (HF) and its optical property is studied. In this work, a CCD and a data acquisition card are used for monitoring the corrosion of optical fiber in real time. The results of experiment have showed that the optical power loss of micro/nano fiber increases exponentially with the decrease of diameter. The mode fields of micro/nano fibers are analyzed by OptiFDTD software. It is found that the evanescent optical field of micro/nano fiber increases with the decrease of the diameter. When the ratio between the fiber diameter and the incident wavelength is smaller, the light wave mainly propagates in the surface of optical fiber. The results show that the micro/nano fiber affords several advantages, such as simple sample preparation, small size, large evanescent optical field, which has the alluring foreground of application in the field of sensors.

micro/nano optical fiber; hydrofluoric acid; Evanescent optical field; OptiFDTD8.0 software

2015-06-09 《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61177077,81371877)；廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2011D039)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013B090500123,2014A030313432,2016A020221030,2013B090500034);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT13064)

O363;O43

A

1000-5463(2017)01-0062-05

*通訊作者:邢曉波，副教授，Email:xingxiaobo@scnu.edu.cn.