面向倏逝波傳感的光纖諧振腔設(shè)計(jì)與封裝研究*

趙榮宇, 崔建功, 余亞鑫, 楊玉華, 張國軍, 張文棟

(中北大學(xué) 省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

0 引 言

近年來,隨著激光和光纖技術(shù)的迅速發(fā)展,光纖通信取得了舉世矚目的成就,光纖傳感技術(shù)也得到快速發(fā)展。光纖是一種利用光的全反射效應(yīng)引導(dǎo)光傳輸?shù)牟牧?。微納光纖是指直徑達(dá)到微米(μm)、納米(nm)級的光纖,由于其尺寸小、倏逝波效應(yīng)明顯、光損耗低、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于微納光學(xué)器件的制備,如激光器[1,2]、傳感器[3～5]、微納光柵[6]等,成為微納光學(xué)器件的重要組成部分。

利用微納光纖倏逝場的光學(xué)特性可以實(shí)現(xiàn)近場的強(qiáng)耦合,形成高品質(zhì)因數(shù)的光纖環(huán)形諧振腔,主要包括環(huán)型諧振腔、結(jié)型諧振腔和卷型諧振腔。光纖環(huán)形諧振腔的工作原理是多光束干涉,結(jié)構(gòu)簡單,制作方便,作為一個基本的光路已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光纖激光器[7～9]、光譜測量[10,11]和光纖傳感[12]等方面。由于微納光纖環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)脆弱,易損壞,需要使用功能材料封裝以提高諧振腔的穩(wěn)定性,主要包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)[13]、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)[14]、石墨烯[15]和聚四氟乙烯(Teflon)[16]等。但目前關(guān)于不同封裝材料對于微納光纖環(huán)形諧振腔倏逝波效應(yīng)和光學(xué)傳輸特性影響的系統(tǒng)性研究未見報(bào)道。

本文討論了不同封裝材料對微納光纖環(huán)形諧振腔光學(xué)傳輸特性的影響。通過仿真分析微納光纖模場分布與纖芯能量占比,設(shè)計(jì)了倏逝波效應(yīng)明顯的微納光纖結(jié)型環(huán)形諧振腔(micro-nano fiber knot-type ring resonator,MKR)；通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)行了器件制備與封裝工藝研究,對比了器件在不同封裝環(huán)境下的光學(xué)傳輸特性。本研究為MKR在倏逝波傳感領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 光學(xué)傳輸與倏逝波傳感原理

MKR的結(jié)構(gòu)和耦合模型示意圖如圖1所示。輸入光從微納光纖直波導(dǎo)一端進(jìn)入,沿直波導(dǎo)向前傳輸,一部分符合諧振條件的光進(jìn)入到環(huán)形腔內(nèi),另一部分光繼續(xù)向前傳輸。其中,微環(huán)的諧振條件為

2πneffR=mλ

(1)

式中R為微環(huán)半徑,neff為微納光纖的有效折射率,λ為滿足微環(huán)諧振條件的波長,m為任意正整數(shù)。

圖1 MKR的結(jié)構(gòu)和耦合模型示意

光在微環(huán)腔內(nèi)光不斷地耦合傳輸,最終在輸出端口形成周期性諧振頻譜,即系統(tǒng)透射譜,達(dá)到平衡狀態(tài)形成了穩(wěn)定的諧振腔結(jié)構(gòu)。如圖1所示,MKR的端口傳輸矩陣為

(2)

式中E1和E2為光纖直波導(dǎo)的輸入光場和輸出光場,k為光纖環(huán)的耦合系數(shù),r0為光強(qiáng)耦合損耗系數(shù)。FSR為自由光譜范圍,是光譜中兩個相鄰的諧振峰間的波長差,它定義為

(3)

其中,L為微環(huán)周長。MKR的品質(zhì)因數(shù)Q被定義為

(4)

式中 Δλ為諧振峰值3 dB處所對應(yīng)的波長范圍,稱為半高全寬,表征的是諧振峰的尖銳程度。半高全寬越小,MKR的Q值就越高,對于傳感系統(tǒng)來說,更有利于提高其精度和靈敏度。

2 設(shè)計(jì)、制備與封裝

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

微納光纖的傳感主要是通過倏逝場的強(qiáng)弱來決定的,普通單模光纖只有很少的一部分光以倏逝場的形式在光纖包層傳播,能量幾乎全部被約束在光纖纖芯內(nèi),而微納光纖的能量有很大一部分以倏逝場的形式分布在光纖表面。圖2為不同直徑的單根微納光纖在1 550 nm波長下的光纖模場能量分布情況仿真結(jié)果,其中，光纖的纖芯折射率為1.446,黑色圓圈為纖芯與包層分界線。微納光纖直徑影響到倏逝場的分布,導(dǎo)致纖芯和包層的能量占比發(fā)生改變。圖3是不同微納光纖直徑的有效折射率和纖芯能量占比變化情況。如圖3所示,隨著微納光纖直徑的減小,有效模式折射率neff減小,纖芯能量逐漸降低。因此,若保證折射率、傳輸波長不改變,隨著微納光纖的纖芯束縛光的能力變?nèi)?微納光纖中的絕大多數(shù)能量以倏逝波的形式在包層傳輸,倏逝場越強(qiáng)。

圖2 不同光纖直徑的氧化硅微納光纖在波長1 550 nm處的能量分布

圖3 微納光纖的有效折射率neff、纖芯能量百分比η隨微納光纖直徑D變化曲線

圖4為傳輸波長為1 550 nm,微納光纖直徑為2 μm時的倏逝場能量分布,外界環(huán)境折射率分別為1.0，1.33，1.35，1.406,分別對應(yīng)空氣、水、Teflon、PDMS的折射率,η為纖芯能量百分比。由圖4可以看到,微納光纖在空氣包層下,纖芯能量百分比為96.28 %,而當(dāng)外界環(huán)境為PDMS時,纖芯能量百分比為44.69 %,說明外部環(huán)境的改變影響了微納光纖能量的分布。圖5為不同外界環(huán)境折射率不同導(dǎo)致光纖有效折射率和纖芯能量占比變化情況。由圖5可以看到,當(dāng)外界折射率增大時,有效折射率也逐漸增大,介于空氣和纖芯折射率之間,纖芯能量百分比則逐漸降低,則說明微納光纖的倏逝場也逐漸增大,場的約束作用越弱。計(jì)算發(fā)現(xiàn)與空氣、水和Teflon環(huán)境下相比,外界環(huán)境為PDMS時,微納光纖具有更強(qiáng)的倏逝場效應(yīng),所以適合用于封裝材料。

圖4 不同包層折射率的氧化硅微納光纖在波長1 550 nm處的能量分布

圖5 微納光纖的有效折射率neff、纖芯能量百分比η隨外界環(huán)境折射率n變化曲線

因此,要實(shí)現(xiàn)高靈敏的光纖傳感,應(yīng)使微納光纖的倏逝場足夠大,所以，傾向于選擇直徑應(yīng)盡可能小的微納光纖,且外部環(huán)境的折射率盡可能大。

2.2 制備與封裝

由于微納光纖直徑在微米級別,采用火焰拉錐法將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖制備成2 μm的微納光纖,在穩(wěn)定熱源(氫氣流量為160 mL/min)的加熱下,通過兩端步進(jìn)電機(jī)的恒定拉力作用下,將熔融狀態(tài)下的光纖拉制成直徑均勻、表面光滑的微納光纖。常用的環(huán)形諧振腔制作方法是截?cái)辔⒓{光纖繞制成環(huán)后再耦合,這種方法雖然制作簡單,但由于光纖一端成環(huán)后,另一端微納光纖作為輸入/輸出端耦合損耗大,且不牢固。本實(shí)驗(yàn)采用的方法是不截?cái)辔⒓{光纖,直接在拉制好的微納光纖尾端打一個結(jié),利用一維位移臺使光纖環(huán)直徑不斷縮小,制備好的MKR如圖6(a)所示。在理想條件下,光纖環(huán)應(yīng)該是一個標(biāo)準(zhǔn)圓,但因?yàn)槭謩硬僮鞯碾S機(jī)性,不能保證圓的形狀。同時因?yàn)槲⒓{光纖直徑僅有2 μm左右,如圖6(c),容易受到空氣的擾動,更難保持圓形的標(biāo)準(zhǔn)形狀。在顯微鏡下,對光纖環(huán)通紅光測試觀察,如圖6(b)所示,環(huán)形腔及微納光纖錐腰區(qū)仍然保持完整,沒有明顯斷裂情況。將光纖環(huán)放置在平板玻璃基底上,兩端用UV膠固定,可以使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,不會因?yàn)橥饬蚩諝鈹_動等因素輕易改變微環(huán)的結(jié)構(gòu),同時結(jié)區(qū)和拉錐區(qū)用PDMS進(jìn)行封裝。

圖6 MKR制備與封裝

3 測試與分析

基于上述方法搭建測試平臺后,對制備的MKR進(jìn)行光譜測試。MKR的光譜測試實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。采用波長范圍在1 528～1 603 nm的寬譜光源注入光,取輸出功率為5 mW,選用日本橫河生產(chǎn)的光譜分析儀(AQ6374型號)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)輸出諧振光譜的監(jiān)測,波長分辨率為0.05 nm。

圖7 測試實(shí)驗(yàn)裝置

將器件的輸入端與輸出端分別連接到寬譜光源和光譜分析儀,光通過MKR在外界不同折射率的影響下,在環(huán)形腔內(nèi)進(jìn)行往返共振,可以在光譜分析儀上觀察到其輸出光譜。由圖8可以看到,改變外界環(huán)境折射率會產(chǎn)生多種光譜性能不同的光譜圖,其中,微納光纖的直徑保持不變,均為2 μm左右,采用不同折射率材料進(jìn)行封裝。插圖顯示了用光學(xué)顯微鏡拍攝的每個光纖結(jié)的照片。

圖8 不同外界折射率封裝的器件諧振光譜

可以看到,不同封裝材料封裝的器件可以產(chǎn)生不同的諧振光譜。置于空氣環(huán)境下的環(huán)形腔也有一定諧振效果,譜線呈現(xiàn)近似正弦,最好的器件Q值可達(dá)到5.5×103,對于折射率為1.406的PDMS封裝的環(huán)形腔的諧振效應(yīng)非常明顯,諧振曲線非常尖銳,FSR在0.7 nm左右,Q值可以達(dá)到1.6×104,同時具有較大的消光比,說明耦合效率較高。用Teflon封裝的環(huán)形腔Q值也達(dá)到了1.1×104,但Teflon的封裝方式會導(dǎo)致較多氣泡產(chǎn)生,并且無法消除,需進(jìn)一步改進(jìn)封裝方式。采用PDMS封裝的器件有相對更高的Q值,可以提供更窄的頻譜環(huán)路,以提高用于傳感的靈敏度。驗(yàn)證了在PDMS介質(zhì)封裝下的MKR能產(chǎn)生更好的諧振效果,器件靈敏度更高,與仿真結(jié)果一致,可以用于倏逝波傳感應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文介紹了基于MKR的設(shè)計(jì)、制備、封裝及測試。提出了一種采用不截?cái)辔⒓{光纖,直接利用一維位移臺和微米探針對拉制好的微納光纖進(jìn)行打結(jié)繞制的方法,制備得到了微納光纖直徑為2 μm,環(huán)形腔直徑為690～750 μm的器件。對光譜分析儀測試得到的結(jié)果進(jìn)行分析后可知,相比于其他封裝介質(zhì),PDMS的折射率為1.406,與折射率1.45的光纖形成了較小的折射率差,使微納光纖具有較好的倏逝場效應(yīng),MKR的品質(zhì)因數(shù)為1.6×104,提高了器件的Q值。MKR尺寸小、質(zhì)量輕,可用于各種功能化的微納器件和集成系統(tǒng)中,具有廣闊的應(yīng)用前景。