嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件的制作

高強(qiáng)

微結(jié)構(gòu)光纖源于20世紀(jì)70年代的“環(huán)形光纖”概念，在放大器應(yīng)用、光纖激光器等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。本論文研究中提出一種大芯徑塑料材質(zhì)外包光纖的“嵌入式”器件需求，以豐富微結(jié)構(gòu)光纖的應(yīng)用。利用微結(jié)構(gòu)光纖巨大模場面積這一優(yōu)勢，結(jié)合錐區(qū)末端具有折射率分布、光場分布均勻的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)低損耗傳輸?shù)哪康摹?/p>

【關(guān)鍵詞】微結(jié)構(gòu)光纖 嵌入式 模式耦合 光纖器件

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了光纖領(lǐng)域的研究，光線材質(zhì)、工藝、種類日漸繁多，相應(yīng)的，為了滿足更多領(lǐng)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(lǐng)域，在天文光子、工程測量、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等方面得到了發(fā)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(yōu)勢密切相關(guān)，與傳統(tǒng)材料、工藝相比，光線在傳輸數(shù)據(jù)中具有很強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)頻帶寬、成本低、耐腐蝕，解決了長期以來天文學(xué)領(lǐng)域設(shè)備困擾。如“光子燈籠”就是采用多個(gè)單模光纖潛入光子晶體光纖預(yù)制棒，極大地簡化了制作工藝，提高了價(jià)值。在本文中提出一種“嵌入式”微結(jié)構(gòu)光纖器件設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合制作流程進(jìn)行相關(guān)闡明。

1 嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件理論概述

論文研究依據(jù)我所參與的“DZGX-Ⅰ 型光纖器件測試設(shè)備研究與實(shí)現(xiàn)（J17KB134）”項(xiàng)目展開，需要說明的是，我所進(jìn)行的嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件研究是建立在塑料包層多模光纖材料基礎(chǔ)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(xì)管中，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熔融拉錐形成新的波導(dǎo)；關(guān)于嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件的研究理論主要有兩個(gè)，分別是“多光纖耦合理論”及“緩變波導(dǎo)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(jìn)行分析，關(guān)鍵在于判斷兩個(gè)相鄰光纖之間的耦合系數(shù)，計(jì)算公式為

。“緩變波導(dǎo)耦合理論”中明確了光在介質(zhì)中傳播方向的非均勻性緩慢變化特征，假設(shè)空間n（x，y，z）中折射率分布存在不同系數(shù)影響，而振幅和相位隨著某一象限（z）變化，則波導(dǎo)沿著z方向的非均勻緩慢變化特征，會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)波導(dǎo)內(nèi)存在差異性耦合模式。

2 嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件制作方法

基于大芯徑塑料層多模光纖產(chǎn)品進(jìn)行嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件的制作，一個(gè)基本功能目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)拉錐直徑擴(kuò)大，從而滿足多模波導(dǎo)芯層的均勻折射率。這是因?yàn)?，作為嵌入式器件，我們?qiáng)調(diào)光纖智能反應(yīng)單一折射率。采用塑料包層產(chǎn)品可以減輕去除外部保護(hù)困難，如果采用普通石英包層光纖產(chǎn)品，纖芯難以和外包層分離，化學(xué)手段（如氫氟酸）容易導(dǎo)致光纖纖芯的破壞，難以達(dá)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(jìn)入到丙酮溶液即可，同時(shí)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(xì)管中（Φ=600μm，φ=400μm），進(jìn)而展開熔融拉錐。嵌入式光纖在二氧化硅毛細(xì)管中以六角形分布，拉錐之后變化不大。

結(jié)合理論分析，緩變波導(dǎo)耦合現(xiàn)象中“拉錐比例”會(huì)導(dǎo)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(yīng)該增大錐區(qū)長度，這樣才能見效器件損耗?；诖耍艺J(rèn)為研究關(guān)鍵是拉錐熔融工藝控制，當(dāng)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(dǎo)致了加熱區(qū)域局限，進(jìn)而影響了錐區(qū)長度的擴(kuò)大。在實(shí)驗(yàn)中，以“移動(dòng)火焰”代替固定火焰，取得的效果明顯優(yōu)化，拉錐系統(tǒng)包括四個(gè)參數(shù)控制內(nèi)容，分別是預(yù)制棒移動(dòng)速度、往返次數(shù)、火焰移動(dòng)速度、移動(dòng)距離。

通過計(jì)算機(jī)控制參數(shù)設(shè)定，結(jié)合不斷微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)加熱區(qū)域最優(yōu)化，從而延長錐區(qū)長度，實(shí)現(xiàn)器件損耗最小化。在此額外提出一個(gè)可控參數(shù)，即火焰燃料供應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)室級別可采取可燃?xì)怏w，不考慮氧氣流量，可燃?xì)怏w強(qiáng)度本身也會(huì)影響拉錐區(qū)域，更細(xì)節(jié)的參數(shù)如氣流噴射、可燃?xì)怏w副產(chǎn)物等。

3 嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件實(shí)驗(yàn)研究

3.1 折射率分布分析

光纖材料潛入二氧化硅毛細(xì)管之后進(jìn)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(tài)下的六角形輪廓，最終形成多模波導(dǎo)“芯層”。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)，芯層融和后的形狀雖然存在，但并不是規(guī)則圓形，這源于光纖、二氧化硅毛細(xì)管之間受熱不均所致。

3.2 錐區(qū)末端近場分析

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

3.3 傳輸損耗分析

光纖技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的廣泛應(yīng)用，正是得益于它高效率、低損耗、抗干擾的特點(diǎn)，其中“傳輸損耗”直接放映了器件的傳光效率，即作為一個(gè)“連接點(diǎn)”能夠?qū)鬏敁p耗降到最低，這是研究的根本目標(biāo)。采用截?cái)喾y試損耗，光源采用He-Ne激光器，利用一根引導(dǎo)光纖將光源傳遞到嵌入光纖，檢測引導(dǎo)光纖的出射光強(qiáng)，以此為依據(jù)展開熔融連接（引導(dǎo)光纖+潛入光纖），這樣可以忽略連接損耗，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。

結(jié)合三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)研究，嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件在不同應(yīng)用各角度，存在著較大的性能提升空間。

4 結(jié)論

綜上所述，本文“DZGX-Ⅰ 型光纖器件測試設(shè)備研究與實(shí)現(xiàn)（J17KB134）”項(xiàng)目需求研究一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其基礎(chǔ)是利用大芯徑塑料包層光纖的方式，突出“微結(jié)構(gòu)”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(xì)管，進(jìn)行熔融拉錐工藝。結(jié)合理論研究，光纖材料之間耦合系數(shù)變化與錐區(qū)直徑有密切關(guān)系，錐區(qū)越長所造成的損耗越小，因此滿足微結(jié)構(gòu)光器件功能的一個(gè)前提是擴(kuò)大錐區(qū)長度；移動(dòng)火焰加熱的方式更為有效，實(shí)踐表明，相比固定火焰加熱錐區(qū)長度可延長五倍以上。同時(shí)，結(jié)合錐區(qū)末端的傳輸損耗數(shù)據(jù)分析，該嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖器件實(shí)現(xiàn)了均勻光場縫補(bǔ)，以及高效率的傳輸性能。

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作者單位

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253034