嵌入式微結構光纖器件的制作

高強

微結構光纖源于20世紀70年代的“環形光纖”概念，在放大器應用、光纖激光器等領域有著重要應用。本論文研究中提出一種大芯徑塑料材質外包光纖的“嵌入式”器件需求，以豐富微結構光纖的應用。利用微結構光纖巨大模場面積這一優勢，結合錐區末端具有折射率分布、光場分布均勻的特點，實現器件結構低損耗傳輸的目的。

【關鍵詞】微結構光纖 嵌入式 模式耦合 光纖器件

互聯網技術的快速發展，極大地推動了光纖領域的研究，光線材質、工藝、種類日漸繁多，相應的，為了滿足更多領域的功能需求，光纖器件類型也在不斷增加，已不僅僅局限于通信、傳感等領域，在天文光子、工程測量、現代醫學等方面得到了發展，市場化趨勢日漸明顯；光纖材料及器件的快速普及，與它自身所具有的優勢密切相關，與傳統材料、工藝相比，光線在傳輸數據中具有很強的抗干擾能力，同時頻帶寬、成本低、耐腐蝕，解決了長期以來天文學領域設備困擾。如“光子燈籠”就是采用多個單模光纖潛入光子晶體光纖預制棒，極大地簡化了制作工藝，提高了價值。在本文中提出一種“嵌入式”微結構光纖器件設計理念，并結合制作流程進行相關闡明。

1 嵌入式微結構光纖器件理論概述

論文研究依據我所參與的“DZGX-Ⅰ 型光纖器件測試設備研究與實現（J17KB134）”項目展開，需要說明的是，我所進行的嵌入式微結構光纖器件研究是建立在塑料包層多模光纖材料基礎上的，通過丙酮溶液去除光纖成品的外部包層，保留完好纖芯，在嵌入到純二氧化硅毛細管中，在此基礎上進行熔融拉錐形成新的波導；關于嵌入式微結構光纖器件的研究理論主要有兩個，分別是“多光纖耦合理論”及“緩變波導耦合理論”。其中，嵌入光纖之間存在的模式耦合必然是多元的，采用“多光纖耦合理論”進行分析，關鍵在于判斷兩個相鄰光纖之間的耦合系數，計算公式為

。“緩變波導耦合理論”中明確了光在介質中傳播方向的非均勻性緩慢變化特征，假設空間n（x，y，z）中折射率分布存在不同系數影響，而振幅和相位隨著某一象限（z）變化，則波導沿著z方向的非均勻緩慢變化特征，會導致同一個波導內存在差異性耦合模式。

2 嵌入式微結構光纖器件制作方法

基于大芯徑塑料層多模光纖產品進行嵌入式微結構光纖器件的制作，一個基本功能目標在于實現拉錐直徑擴大，從而滿足多模波導芯層的均勻折射率。這是因為，作為嵌入式器件，我們強調光纖智能反應單一折射率。采用塑料包層產品可以減輕去除外部保護困難，如果采用普通石英包層光纖產品，纖芯難以和外包層分離，化學手段（如氫氟酸）容易導致光纖纖芯的破壞，難以達到效果。

具體制作流程為：去除多模光纖外部塑料包層。將其進入到丙酮溶液即可，同時可以保證纖芯不受破壞，將獲取的光纖（d=125μm）嵌入到純二氧化硅毛細管中（Φ=600μm，φ=400μm），進而展開熔融拉錐。嵌入式光纖在二氧化硅毛細管中以六角形分布，拉錐之后變化不大。

結合理論分析，緩變波導耦合現象中“拉錐比例”會導致光纖器件傳輸性的極大損耗，物理材料限制下的拉錐比例不變，則應該增大錐區長度，這樣才能見效器件損耗。基于此，我認為研究關鍵是拉錐熔融工藝控制，當前主流的拉錐都是以固定火焰展開，操作較為簡單、方便，但火焰溫度、位置變化幅度較小，也就導致了加熱區域局限，進而影響了錐區長度的擴大。在實驗中，以“移動火焰”代替固定火焰，取得的效果明顯優化，拉錐系統包括四個參數控制內容，分別是預制棒移動速度、往返次數、火焰移動速度、移動距離。

通過計算機控制參數設定，結合不斷微調可以實現加熱區域最優化，從而延長錐區長度，實現器件損耗最小化。在此額外提出一個可控參數，即火焰燃料供應強度，實驗室級別可采取可燃氣體，不考慮氧氣流量，可燃氣體強度本身也會影響拉錐區域，更細節的參數如氣流噴射、可燃氣體副產物等。

3 嵌入式微結構光纖器件實驗研究

3.1 折射率分布分析

光纖材料潛入二氧化硅毛細管之后進行拉錐，高溫下纖芯融合成一股，但一定程度上保留了分離狀態下的六角形輪廓，最終形成多模波導“芯層”。結合實驗數據表明，該芯層具有均勻的折射率（取決于包層、芯層之間的分界線是否明確）；但同時，芯層融和后的形狀雖然存在，但并不是規則圓形，這源于光纖、二氧化硅毛細管之間受熱不均所致。

3.2 錐區末端近場分析

光從嵌入光纖中入射形態可以用來觀察錐區末端近場，試驗中表明，以白光為觀測光入射到任意一根嵌入光纖內，近場景象呈現白色、明亮的傾斜痕跡，說明為不規則刀痕，而錐區末端出射光場一致，說明光場主要分布在光纖的纖芯，進一步表明，出光場在纖芯內分布是否均勻與入射嵌入光纖沒有直接關系。

3.3 傳輸損耗分析

光纖技術在互聯網時代的廣泛應用，正是得益于它高效率、低損耗、抗干擾的特點，其中“傳輸損耗”直接放映了器件的傳光效率，即作為一個“連接點”能夠將傳輸損耗降到最低，這是研究的根本目標。采用截斷法測試損耗，光源采用He-Ne激光器，利用一根引導光纖將光源傳遞到嵌入光纖，檢測引導光纖的出射光強，以此為依據展開熔融連接（引導光纖+潛入光纖），這樣可以忽略連接損耗，提高實驗準確性。

結合三個方面的實驗研究，嵌入式微結構光纖器件在不同應用各角度，存在著較大的性能提升空間。

4 結論

綜上所述，本文“DZGX-Ⅰ 型光纖器件測試設備研究與實現（J17KB134）”項目需求研究一種微結構光纖器件，其基礎是利用大芯徑塑料包層光纖的方式，突出“微結構”的特征，去除涂覆層、包裝層之后將光纖材料直接嵌入二氧化硅毛細管，進行熔融拉錐工藝。結合理論研究，光纖材料之間耦合系數變化與錐區直徑有密切關系，錐區越長所造成的損耗越小，因此滿足微結構光器件功能的一個前提是擴大錐區長度；移動火焰加熱的方式更為有效，實踐表明，相比固定火焰加熱錐區長度可延長五倍以上。同時，結合錐區末端的傳輸損耗數據分析，該嵌入式微結構光纖器件實現了均勻光場縫補，以及高效率的傳輸性能。

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作者單位

德州職業技術學院 山東省德州市 253034