微納光纖端面反射特性的實驗測量方法*

侯建平 趙晨陽 楊楠 郝建蘋 趙建林

(西北工業大學理學院,陜西省光信息技術重點實驗室,空間應用物理與化學教育部重點實驗室,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],這類光纖能夠將光局域在微納米尺度內并實現低損耗傳輸.由于具有強倏逝場、強光場約束、大波導色散、易于彎曲等特點[2-6],使得MNF在微納米尺度的光傳輸、耦合、調制、諧振、放大以及傳感等應用方面具有非常誘人的應用前景.

MNF的端面反射特性作為其傳輸特性的一個重要方面,對其各種應用,特別是MNF傳感器[7-9]、微腔激光器[10,11]、微腔環形器[12]等應用具有非常重要的影響.有關MNF端面反射特性的研究,目前主要限于理論和數值模擬分析.如文獻[13,14]曾采用三維有限時域差分法(three-dimension finitedifferencetime-domain,3D-FDTD)數值分析了MNF的端面反射率與MNF直徑、傳輸波長和外介質折射率之間的關系,但沒有給出相應的實驗研究結果.目前,測量光纖端面反射功率的方法主要是通過接入光路中的3 dB耦合器來實現[15],但該方法存在固有不足,即測得的反射功率中也包含了另一空閑端口反射的貢獻,同時,一部分反射光還會返回到光源光路,從而對光源工作的穩定性造成一定影響.相對于標準單模光纖而言,MNF的端面更小,反射能量更弱,上述問題以及尾纖擺動、內部損耗對端面反射功率測量的準確性影響更大.為此,本文結合氣凝膠固定和補償法,提出一種基于光環形器的MNF端面反射特性測量方法.

2 MNF的端面反射特性測試方法與實驗

圖1所示為設計的基于光環形器的MNF端面反射特性測量裝置.首先利用3 dB耦合器將來自光源的光分成兩束,其中一束作為參考光直接進入光功率計1,用以探測輸入光功率;另一束作為測試光進入環形器端口1,再由環形器端口2進入待測MNF,經端面反射后,由環形器端口3輸出,并由光功率計2接收.實驗中,采用氣凝膠(n=1.01)將MNF固定,以減少其在空氣中隨機擺動對實驗結果的影響.待測MNF樣品由標準單模光纖(SMF28)經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電機的速度聯合控制,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端面反射率都有重要影響.考慮一般性,本實驗要求端面平整且與光纖軸垂直.實驗中我們采用專用切割刀對拉制的光纖進行切割,然后通過顯微鏡(DMM-330C,Caikon Inc.)檢查確保端面質量.如果要獲取其他類型的端面如部分切割或成一定角度切割則可以采用文獻[8]所述工藝,采用聚焦離子束(focused ion beam,FIB)進行切割,從而獲得滿足要求的樣品.

圖1 MNF端面反射率實驗測量裝置

在上述實驗系統中,功率計2實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,環形器的插入損耗和MNF的傳輸損耗也均會對MNF端面反射率的測量結果造成不可忽略的影響.為了提高MNF端面反射率的測量精度,降低測量誤差,實驗中采用補償法.具體如下：首先通過光功率計1,2,探測到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,測得除端面反射以外的回波反射功率Pb.計及環形器的插入損耗和MNF的傳輸損耗后,可得：

式中,L(1-2)和L(2-3)分別為對應的環形器插入損耗,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給出了傳輸波長為1550 nm時,MNF端面反射率與光纖直徑關系的實驗測量結果,其中虛線是實驗數據的二次擬合結果,實線是采用COMSOL軟件計算得到的數值模擬結果.可見實驗結果與數值計算結果基本一致,少量偏移應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.當直徑為1380 nm時,端面反射率為0.622%;當直徑減小到740 nm時,端面反射率減小到0.437%.

圖2 MNF端面反射率與直徑的關系

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

圖3為兩種不同直徑MNF光場分布的模擬結果.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中,因此導致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關系的實驗測量結果.利用ASE寬帶光源(FLS-2300B,EXFO Inc.)將光耦合進直徑為640 nm的MNF,用光譜分析儀(AQ6317C,ANDO Inc.)代替功率計2檢測系統的反射光譜.從圖中可以看出,當波長從1530 nm變化到1610 nm時,端面反射率隨波長增加而不斷減小,并且實驗結果與數值計算結果基本保持一致.

對比選取1530 nm和1610 nm兩種波長,計算其在直徑640 nm的MNF中傳輸時的光場分布進行驗證,結果如圖5所示.由圖可以看出,λ=1610 nm時的中心能量低于λ=1530 nm,而倏逝能量則較大,相應地從端面反射的能量較少.

圖4 MNF端面反射率與傳輸波長的關系

圖5 不同波長時的數值模擬 (a)λ=1530 nm的光場分布;(b)λ=1610 nm的光場分布;(c)截線處的光場能量圖

3 結論

提出了一種基于光環形器的MNF端面反射特性測量方法,結合氣凝膠固定和補償法,實驗測量了由標準單模光纖拉制的MNF的端面反射率與其直徑和傳輸波長之間變化關系,結果與數值模擬結論相一致,表明該方法用于MNF端面反射特性測量的有效性.利用該測量方法,既可以實驗測量特定MNF端面的反射率,也可以研究其與各個影響因素之間的關系,這對于設計制作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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