嵌入式微结构光纤器件的制作

高强

微结构光纤源于20世纪70年代的“环形光纤”概念，在放大器应用、光纤激光器等领域有着重要应用。本论文研究中提出一种大芯径塑料材质外包光纤的“嵌入式”器件需求，以丰富微结构光纤的应用。利用微结构光纤巨大模场面积这一优势，结合锥区末端具有折射率分布、光场分布均匀的特点，实现器件结构低损耗传输的目的。

【关键词】微结构光纤 嵌入式 模式耦合 光纤器件

互联网技术的快速发展，极大地推动了光纤领域的研究，光线材质、工艺、种类日渐繁多，相应的，为了满足更多领域的功能需求，光纤器件类型也在不断增加，已不仅仅局限于通信、传感等领域，在天文光子、工程测量、现代医学等方面得到了发展，市场化趋势日渐明显；光纤材料及器件的快速普及，与它自身所具有的优势密切相关，与传统材料、工艺相比，光线在传输数据中具有很强的抗干扰能力，同时频带宽、成本低、耐腐蚀，解决了长期以来天文学领域设备困扰。如“光子灯笼”就是采用多个单模光纤潜入光子晶体光纤预制棒，极大地简化了制作工艺，提高了价值。在本文中提出一种“嵌入式”微结构光纤器件设计理念，并结合制作流程进行相关阐明。

1 嵌入式微结构光纤器件理论概述

论文研究依据我所参与的“DZGX-Ⅰ 型光纤器件测试设备研究与实现（J17KB134）”项目展开，需要说明的是，我所进行的嵌入式微结构光纤器件研究是建立在塑料包层多模光纤材料基础上的，通过丙酮溶液去除光纤成品的外部包层，保留完好纤芯，在嵌入到纯二氧化硅毛细管中，在此基础上进行熔融拉锥形成新的波导；关于嵌入式微结构光纤器件的研究理论主要有两个，分别是“多光纤耦合理论”及“缓变波导耦合理论”。其中，嵌入光纤之间存在的模式耦合必然是多元的，采用“多光纤耦合理论”进行分析，关键在于判断两个相邻光纤之间的耦合系数，计算公式为

。“缓变波导耦合理论”中明确了光在介质中传播方向的非均匀性缓慢变化特征，假设空间n（x，y，z）中折射率分布存在不同系数影响，而振幅和相位随着某一象限（z）变化，则波导沿着z方向的非均匀缓慢变化特征，会导致同一个波导内存在差异性耦合模式。

2 嵌入式微结构光纤器件制作方法

基于大芯徑塑料层多模光纤产品进行嵌入式微结构光纤器件的制作，一个基本功能目标在于实现拉锥直径扩大，从而满足多模波导芯层的均匀折射率。这是因为，作为嵌入式器件，我们强调光纤智能反应单一折射率。采用塑料包层产品可以减轻去除外部保护困难，如果采用普通石英包层光纤产品，纤芯难以和外包层分离，化学手段（如氢氟酸）容易导致光纤纤芯的破坏，难以达到效果。

具体制作流程为：去除多模光纤外部塑料包层。将其进入到丙酮溶液即可，同时可以保证纤芯不受破坏，将获取的光纤（d=125μm）嵌入到纯二氧化硅毛细管中（Φ=600μm，φ=400μm），进而展开熔融拉锥。嵌入式光纤在二氧化硅毛细管中以六角形分布，拉锥之后变化不大。

结合理论分析，缓变波导耦合现象中“拉锥比例”会导致光纤器件传输性的极大损耗，物理材料限制下的拉锥比例不变，则应该增大锥区长度，这样才能见效器件损耗。基于此，我认为研究关键是拉锥熔融工艺控制，当前主流的拉锥都是以固定火焰展开，操作较为简单、方便，但火焰温度、位置变化幅度较小，也就导致了加热区域局限，进而影响了锥区长度的扩大。在实验中，以“移动火焰”代替固定火焰，取得的效果明显优化，拉锥系统包括四个参数控制内容，分别是预制棒移动速度、往返次数、火焰移动速度、移动距离。

通过计算机控制参数设定，结合不断微调可以实现加热区域最优化，从而延长锥区长度，实现器件损耗最小化。在此额外提出一个可控参数，即火焰燃料供应强度，实验室级别可采取可燃气体，不考虑氧气流量，可燃气体强度本身也会影响拉锥区域，更细节的参数如气流喷射、可燃气体副产物等。

3 嵌入式微结构光纤器件实验研究

3.1 折射率分布分析

光纤材料潜入二氧化硅毛细管之后进行拉锥，高温下纤芯融合成一股，但一定程度上保留了分离状态下的六角形轮廓，最终形成多模波导“芯层”。结合实验数据表明，该芯层具有均匀的折射率（取决于包层、芯层之间的分界线是否明确）；但同时，芯层融和后的形状虽然存在，但并不是规则圆形，这源于光纤、二氧化硅毛细管之间受热不均所致。

3.2 锥区末端近场分析

光从嵌入光纤中入射形态可以用来观察锥区末端近场，试验中表明，以白光为观测光入射到任意一根嵌入光纤内，近场景象呈现白色、明亮的倾斜痕迹，说明为不规则刀痕，而锥区末端出射光场一致，说明光场主要分布在光纤的纤芯，进一步表明，出光场在纤芯内分布是否均匀与入射嵌入光纤没有直接关系。

3.3 传输损耗分析

光纤技术在互联网时代的广泛应用，正是得益于它高效率、低损耗、抗干扰的特点，其中“传输损耗”直接放映了器件的传光效率，即作为一个“连接点”能够将传输损耗降到最低，这是研究的根本目标。采用截断法测试损耗，光源采用He-Ne激光器，利用一根引导光纤将光源传递到嵌入光纤，检测引导光纤的出射光强，以此为依据展开熔融连接（引导光纤+潜入光纤），这样可以忽略连接损耗，提高实验准确性。

结合三个方面的实验研究，嵌入式微结构光纤器件在不同应用各角度，存在着较大的性能提升空间。

4 结论

综上所述，本文“DZGX-Ⅰ 型光纤器件测试设备研究与实现（J17KB134）”项目需求研究一种微结构光纤器件，其基础是利用大芯径塑料包层光纤的方式，突出“微结构”的特征，去除涂覆层、包装层之后将光纤材料直接嵌入二氧化硅毛细管，进行熔融拉锥工艺。结合理论研究，光纤材料之间耦合系数变化与锥区直径有密切关系，锥区越长所造成的损耗越小，因此满足微结构光器件功能的一个前提是扩大锥区长度；移动火焰加热的方式更为有效，实践表明，相比固定火焰加热锥区长度可延长五倍以上。同时，结合锥区末端的传输损耗数据分析，该嵌入式微结构光纤器件实现了均匀光场缝补，以及高效率的传输性能。

参考文献

[1]王馨梦，裴丽，王一群.基于双包层双芯光纤的一阶光时域微分器研究[J].光电技术应用，2016，31（06）：33-38.

[2]曹玉龙，杨飞，徐丹，叶青，蔡海文.基于3×3迈克耳孙干涉仪的分布式光纤振动传感器[J/OL].中国激光，2016，43（10）：209-215.

[3]于海娇，闫奇，刘永军，田赫，孙伟民.嵌入式微结构光纤器件的制作与研究[J].中国激光，2013，40（06）：209-214.

[4]廖艳林，刘晔，曹杰，张兴坊，毛庆和.一种基于光纤器件的表面增强拉曼散射光谱检测系统[J].中国激光，2012，39（07）：215-219.

作者单位

德州职业技术学院 山东省德州市 253034