彭政偉,張勝海,苗勁松,陳文博,于 洋,衛(wèi)正統(tǒng)*
(1.信息工程大學 基礎部,鄭州 450000;2.國防科技大學 理學院,長沙 410073)
微納光纖[1](optical microfiber,OM)是一種新型功能光纖,直徑在微米或亞微米量級,較多能量以倏逝場[2]形式存在于光纖物理邊界之外,對外界環(huán)境較為敏感,被廣泛應用于光纖傳感領域[3]。針對微納光纖的傳輸特性[4]、溫度特性[5-6]、能量分布特性[7]等理論分析,為以微納光纖為基礎的耦合器[8]、諧振環(huán)[9]、光纖光柵[10]等器件的進一步研究提供了支持。目前,復合型微納光纖成為研究熱點,如光子晶體微納光纖[11]、石墨烯復合微納光纖[12]等。無論微納光纖傳感器或微納光纖功能器件,直徑對其影響都很大。但是,在制備微納光纖的過程中,光纖直徑由125μm下降到微米量級,變化了近100倍,單位長度上光纖體積變化近10000倍,難以精確控制微納光纖直徑。2014年, YU等人[13]利用LP02模截止條件,分析對應模間干涉的突變位置,作為微納光纖直徑的判斷依據(jù), 從而可將制備微納光纖的直徑誤差降至2%左右。2015年,KELOTH等人[14]利用微納光纖耦合光柵,組成復合微腔, 由該復合腔諧振波長與微納光纖直徑的關系, 可以反推微納光纖的直徑,實現(xiàn)光纖直徑的無損和原位測量, 對于350nm~600nm直徑的微納光纖, 測量精度可以達到10nm。2020年,KANG等人[15]利用光纖透射強度的突變,根據(jù)微納光纖直徑對應的TE01模截止點,實時反饋控制光纖制備過程, 在360nm~680nm微納光纖直徑范圍內(nèi), 實現(xiàn)了2nm的控制精度。
分析光纖拉制過程可知,電機位置誤差、光纖自身重力、氣流對拉制過程的影響等因素[16],會對微納光纖外形造成影響,從而造成光纖直徑一致性差,難以批量生產(chǎn)[17]?;诖耍疚闹刑岢隽艘后w浸沒強度檢測方案,對微納光纖-液體形成的圓柱形波導結構進行數(shù)值仿真,并搭建了實驗系統(tǒng)對微納光纖直徑進行測試。
目前,常用的微納光纖制備方法有化學腐蝕法[18]、化學生長法[19]、火焰掃描法[1]等,其中應用較為廣泛的是火焰掃描法。本文中采用電加熱掃描法拉制微納光纖,拉制系統(tǒng)如圖1所示。利用陶瓷電加熱頭將普通單模光纖加熱至熔融狀態(tài),此時利用程序控制電機向相反方向緩慢拉伸,最終拉制出不同外形的微納光纖,其兩端與普通光纖便于熔接。
Fig.1 Optical microfiber fabrication system
由參考文獻[20]可知,根據(jù)拉錐過程中的體積守恒和長度守恒兩個規(guī)律,當加熱區(qū)域隨拉伸長度線性變化時,即L=L0+αx,其中L0為初始加熱區(qū)域長度,α為線性變化因子,x為移動平臺總位移,L為隨x線性變化的加熱區(qū)域長度。設微納光纖起始處為0,沿微納光纖縱向為z方向,x′為0~x之間的變化量,則有:
(1)
式中,r0為單模光纖半徑,rw為均勻區(qū)域微納光纖半徑。
(2)
式中,r(z)為過渡區(qū)域在位置z處的半徑,進而可求得整根微納光纖外形隨縱向變化的關系。
本文中使用液體浸沒強度法檢測所拉制微納光纖的直徑,將微納光纖浸沒入液體之中,則會形成微納光纖-液體的圓柱形波導結構,單模光纖中傳輸?shù)幕T谕ㄟ^過渡區(qū)域時,需要考慮模式耦合問題,依據(jù)過渡區(qū)域絕熱理論[21-22],采用判據(jù)為:
(3)
式中,Ω為過渡區(qū)域錐角正切值的絕對值,a為光纖半徑,β1和β2為相互耦合兩個模式的傳播常數(shù)(微納光纖對稱分布,只考慮HE11與HE12耦合),再結合過渡區(qū)域的形貌公式及導波模的特征函數(shù),即可判斷過渡區(qū)域是否符合絕熱條件。取均勻區(qū)域長度為10mm,線性變化因子為0.2,直徑分別取2.7μm和4μm,由(3)式可得如圖2所示的變化曲線。其中,橫坐標表示直徑的大小,單位為μm;縱坐標表示判據(jù)的值,沒有單位;Ω1表示基模傳輸時相鄰兩個模式傳播常數(shù)之差與2π之比隨微納光纖直徑的變化,Ω2和Ω3分別表示直徑為2.7μm和4μm時Ω隨微納光纖直徑的變化。Ω2和Ω3始終在Ω1的下方,以上判據(jù)成立,可忽略模式耦合對結果的影響。
Fig.2 Relationship between value of the criterion and the diameter
若微納光纖直徑為2.7μm、均勻區(qū)域長度為10mm、線性變化因子[20]為0.2、微納光纖折射率為1.458、入射波長為1.55μm、液體折射率為1.36、液體吸收系數(shù)為0.38/mm(對應的液體是酒精)時,可使用COMSOL軟件仿真微納光纖-液體結構的波導傳播常數(shù),其虛數(shù)部分決定了微納光纖的附加損耗,仿真可得縱向傳輸光場橫截面上的能量分布,如圖3所示。圖中橫、縱坐標用以標識微納光纖物理邊界,黑色實線為微納光纖的物理邊界,可知部分能量以倏逝場形式在液體中傳輸,而液體將對這部分能量產(chǎn)生吸收作用,從而導致微納光纖產(chǎn)生附加損耗。
Fig.3 Energy distribution of longitudinal light field cross section
顯然,微納光纖均勻區(qū)域和過渡區(qū)域都將引入附加損耗,均勻區(qū)域直徑不變,引入的附加損耗計算較簡單,而過渡區(qū)域直徑不斷變化,可將該區(qū)域分為n等份,每一份可視作均勻柱狀波導結構,根據(jù)上面所述方法,可以得到其復傳播常數(shù)值,實部對光場傳播起相位延時作用,虛部對光場傳播起衰減作用,則第m等份單位長度上對應的附加損耗為:
Lm=-10lg(e-2β2m)
(4)
式中,β2m是該段復傳播常數(shù)的虛數(shù)部分,Lm的單位是dB/mm,乘以該等份的長度即可得到該等份對應的附加損耗值,而整根微納光纖對應的總損耗是所有等份附加損耗的和。
依據(jù)上面所述原理,可得微納光纖外形尺度范圍內(nèi)對應的附加損耗值,如圖4所示。圖中實線部分是根據(jù)上面所述拉制參量取直徑為2.7μm時得到的微納光纖外形直徑分布,虛線部分是不同直徑處對應的
Fig.4 Shape of OM and additional loss along OM
附加損耗大小。當直徑為2.7μm時,其附加損耗約為0.22dB/mm,隨著直徑的增大,附加損耗值迅速減小;當外形直徑為15μm時,其附加損耗僅為0.01dB/mm。取直徑參量為4μm時也可得到相似的外形直徑分布以及各點損耗,當直徑為4μm時,其附加損耗值約為0.08dB/mm。
如圖5所示,通過對微納光纖不同縱向位置處損耗的累加,即可得到由于微納光纖浸沒入液體所引入的總損耗值。圖5中橫坐標表示微納光纖的均勻區(qū)域直徑,縱坐標表示微納光纖對應的總損耗,計算過程中,其它參量同前。可以看到,當微納光纖均勻區(qū)域直徑為2.5μm時,對應的總損耗值為3.75dB,隨著直徑的增大,總損耗值將不斷減小,當光纖直徑為2.7μm時,總損耗值為3.10dB,當光纖直徑為4μm時,總損耗值為1.13dB。這樣,根據(jù)微納光纖浸入液體后引入的總損耗值,即可反推得到微納光纖直徑的實際結果。
Fig.5 Relationship between the diameter and the total loss of OM
分別拉制4根參量相同的微納光纖(參量如上面仿真所述,直徑取2.7μm),如圖6所示。上半部分為實驗制備的微納光纖,下半部分為其在尼康LV100D顯微鏡(最小可讀數(shù)為0.1μm)下的圖像,可見制備的微納光纖表面光滑直徑均勻,且微納光纖直徑測得值均在2.7μm左右。
Fig.6 OMs and its image under the microscope
搭建微納光纖直徑測試實驗系統(tǒng),如圖7所示。驅(qū)動器(THORLABS CLD1015)控制分布式反饋激光器(distributed feedback laser,DFB)光源發(fā)出波長為1550nm的激光,經(jīng)過3dB耦合器分束為兩路,一路連接微納光纖(可浸入酒精)后連接光功率計1(JOINWIT JW3208),一路直接連接光功率計2(型號同上)作為參考光,從而消除光源功率波動對測試結果的影響。
Fig.7 Diameter test system of optical microfiber
搭建好實驗系統(tǒng)后,首先將第1根微納光纖連入系統(tǒng),測得初始功率值,然后將微納光纖浸入酒精得到第2次出射功率值,將微納光纖從酒精中取出,待酒精徹底揮發(fā)后,得到第3次出射功率值,根據(jù)初始功率值和浸入酒精后的出射功率值之間的比例關系,即可得到浸入液體后所引入的總損耗值。接著分別對第2根、第3根和第4根微納光纖重復以上操作,可得如表1所示的實驗結果。
Table 1 Experimental results 1
由表1可知,每根微納光纖的初始功率有所差異,這可能是由制備過程引入的,也可能是由實驗過程中光纖熔接引入的;從酒精中取出微納光纖后,出射功率值均基本恢復至初始功率值,說明使用酒精浸沒法測試微納光纖直徑,不會損傷微納光纖,且具有可重復性;實驗中微納光纖浸沒入酒精液體,引入的總損耗值接近上面仿真計算結果3.10dB,說明拉制微納光纖的直徑與設計值基本相同;根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析,使用參考臂消除光源功率波動后,系統(tǒng)損耗測試誤差小于0.01dB,測試結果中對應的附加損耗差異應主要來源于微納光纖直徑的偏差。根據(jù)圖5所示的微納光纖總損耗與直徑對應關系,再利用表1中得到的微納光纖總損耗值,可以得到4根微納光纖的實際直徑分別為2.66μm,2.73μm,2.78μm和2.72μm,對應的直徑偏移量分別為40nm,30nm,80nm和20nm,直徑偏移率約為1.5%,1.1%,3.0%和0.7%。
為了進一步驗證本文中所提測試方案的有效性,再拉制4根參量相同直徑取4μm的微納光纖,利用尼康LV100D顯微鏡測量可知,4根光纖均為4μm左右,重復以上實驗步驟可得如表2所示的實驗結果。
Table 2 Experimental results 2
由表2可知,當直徑改為4μm時同樣可以得到上面中的結論,且每根微納光纖引入的總損耗值接近上面仿真結果1.13dB,利用表2中的微納光纖總損耗值以及圖5中微納光纖總損耗與直徑對應關系,可得4根微納光纖的實際直徑分別為3.94μm,4.09μm,3.99μm和3.97μm,對應的直徑偏移量分別為60nm,90nm,10nm和30nm,直徑偏移率約為1.5%,2.3%,0.3%和0.8%。
以上實驗結果顯示了較好的微納光纖直徑一致性,由于系統(tǒng)損耗測試誤差約為0.01dB,對應的兩種直徑測試最小分辨率分別約為3nm和12nm,該結果與參考文獻[13]~參考文獻[15]中所述的直徑測試靈敏度持平。根據(jù)上面理論分析,若本實驗中測試所用的微納光纖直徑減小,則對應的總附加損耗值將會增加,理論上本測試方案的測試靈敏度會進一步提高。
本文中使用液體浸沒法進行了微納光纖直徑檢測,數(shù)值仿真計算了微納光纖-液體柱狀波導結構,得到了給定參量下微納光纖總損耗和直徑的對應關系,拉制出兩組直徑不同、其余拉制參量相同的微納光纖,并搭建了實驗測試系統(tǒng)。結果表明,微納光纖總損耗與直徑密切相關,微納光纖直徑為2.7μm時,最小可測直徑偏移量約為3nm,直徑偏移量最大為80nm,最小為20nm;微納光纖直徑為4μm時,最小可測直徑偏移量約為12nm,直徑偏移量最大為90nm,最小為10nm,實際直徑結果與理想設計結果偏差量較小,驗證了液體浸沒法測試微納光纖直徑的有效性,同時說明了拉制系統(tǒng)制備光纖的精確性。
本文中所述測試方法簡便易行、可操作性強、精度高,為微納光纖直徑控制提供了一種測試方案,為進一步改善制備工藝、推動微納光纖實際應用提供了技術途徑。