微米光子回路中能量的熒光顯示與調(diào)節(jié)

梁定鑫， 李夢(mèng)潔， 張亞平， 賈洪一， 佘淋淋， 林志立， 戴 昊，張奚寧 *， 吳志軍， 蒲繼雄

(1. 華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021；2. 廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院 海洋觀測(cè)技術(shù)研發(fā)中心， 福建 廈門 361005)

1 引 言

近年來，以微納光纖、聚合物微米或納米線等為代表的各類微納光波導(dǎo)由于具有優(yōu)異的光學(xué)特性，廣泛地用于搭建多種波導(dǎo)光子器件回路[1-2]。而微納光波導(dǎo)之間的耦合條件極大地影響了諸如耦合器[3]、環(huán)形腔[4-5]和微型激光器[6]等經(jīng)典光子器件的性能。許多理論模擬研究工作已經(jīng)揭示了在單根彎曲納米線[7]、雙平行納米線[8-9]和自耦合納米線[10-11]中的能量傳輸行為。然而，研究表明，在直徑為微米量級(jí)的光波導(dǎo)中，光束以多模形式傳輸，使微米光波導(dǎo)中的能量分布更加復(fù)雜[12-13]。同時(shí)，為了在實(shí)驗(yàn)上直接觀測(cè)到波導(dǎo)的能量分布，便于器件及回路的性能調(diào)節(jié)，有些研究者將不同的熒光染料覆蓋在金屬納米線[14-15]的表面上，或在微米線中摻入稀土元素[16]進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)成像。這些研究大多集中在對(duì)直線型微米(納米)線中能量分布的直接成像上，而對(duì)由彎曲波導(dǎo)構(gòu)成的回路中光能量分布情況的討論十分有限。

本研究首先在聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)微米線中摻雜羅丹明B(Rhodamin B，RhB)，通過波導(dǎo)直接耦合的方式激發(fā)微米線中的熒光，對(duì)彎曲的微米光波導(dǎo)中的能量分布進(jìn)行表征；利用熒光指示，對(duì)基于彎曲摻雜微米線的多種光子回路的輸出能量進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過熒光指示，可以在光學(xué)顯微鏡下直接觀測(cè)到基于微環(huán)回路中的能量傳輸。在確定的耦合條件下，根據(jù)可視化的熒光路徑，可以改變傳輸距離來調(diào)整光輸出特性。染料摻雜的聚合物微米線中周期振蕩的熒光光路可用于顯示彎曲光子回路中的能量傳輸和指導(dǎo)光學(xué)調(diào)節(jié)。本文的結(jié)果為調(diào)節(jié)彎曲光子回路和耦合結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性提供了一種簡(jiǎn)便的方法。

2 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

將2.4 mg RhB摻雜到溶解了750 mg PMMA的氯仿溶液中，并通過溶液拉伸法制備熒光物質(zhì)摻雜的聚合物微米線(Polymer microfiber，PMF)[17]。由該方法得到的RhB摻雜PMF典型直徑在1.0～1.8 μm之間。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在光學(xué)顯微鏡下，將RhB摻雜PMF放置到氟化鎂(MgF2)襯底上，用微納操作將其彎曲組裝成光子回路[18]。通過使用火焰拉錐法，從標(biāo)準(zhǔn)光纖中拉制錐形光纖[19]。將一束波長(zhǎng)為532 nm的連續(xù)激光導(dǎo)入該錐形光纖，通過倏逝波耦合的方法，實(shí)現(xiàn)RhB摻雜PMF中的光束傳輸及熒光激發(fā)[20]。

圖1 錐形光纖和彎曲RhB摻雜PMF間的倏逝波耦合示意圖，綠色箭頭為入射光的方向。

通過置于光學(xué)顯微鏡上的CCD相機(jī)，記錄光激發(fā)時(shí)彎曲微米線或光子回路的光學(xué)顯微圖像。截取結(jié)構(gòu)輸出端光點(diǎn)的暗場(chǎng)光學(xué)圖像(64×64像素)，并將其轉(zhuǎn)化為灰度值來表示彎曲微米線或光子回路的輸出光強(qiáng)[21-22]。

3 結(jié)果與討論

3.1 單根彎曲微米線的熒光激發(fā)

通過微操作，將直徑為1.5 μm的RhB摻雜PMMA微米線一端彎曲，其曲率半徑～35.5 μm。通過錐形光纖直接將波長(zhǎng)為532 nm的激發(fā)光耦合進(jìn)微米線中部，如圖2(a)所示。

當(dāng)入射光進(jìn)入彎曲微米線時(shí)(如圖2(b)所示)，激發(fā)微米線中RhB熒光，使微米線在軸線方向上出現(xiàn)明顯的熒光光路，且隨著光束傳輸距離的增加，熒光強(qiáng)度逐漸變?nèi)?。通過彎曲部分前端的直線波導(dǎo)放大圖(圖2(c))可知，在直線波導(dǎo)部分，光能量以周期性振蕩的方式向前傳輸，周期為～4.0 μm。而彎曲部分的放大圖(圖2(d))顯示，波導(dǎo)中能量分布的波形發(fā)生躍變。這主要是由于微米線中的光束在彎折部分發(fā)生相位躍變、能量泄露形成的。由此可知，將聚合物微米線進(jìn)行熒光摻雜后，可通過倏逝波耦合的激發(fā)方式，在實(shí)驗(yàn)上直接觀測(cè)到直線型波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)中的能量分布的不同特點(diǎn)。

圖2 單根RhB摻雜PMF中熒光的波導(dǎo)激發(fā)。(a)明場(chǎng)光學(xué)圖像，綠色箭頭為入射光的方向；(b)對(duì)應(yīng)的暗場(chǎng)光學(xué)圖像；(c)～(d)(b)圖中所示直線部分與彎曲部分對(duì)應(yīng)的放大圖。

3.2 基于摻雜微米線的彎曲光子回路器件

3.2.1 彎曲Y型分束器

Y型分束器是構(gòu)成光子回路系統(tǒng)的重要光子結(jié)構(gòu)之一。如圖3所示，利用兩根直徑相同(～1.2 μm)的RhB摻雜PMMA微米線，可組裝成Y型分束器。彎曲的輸入端(曲率半徑～16.1 μm)有利于縮小回路的整體尺寸。彎曲波導(dǎo)的兩端分別為輸入端和輸出端O1，另一短分支的輸出端為O2，分支與彎曲微米線的耦合長(zhǎng)度～2.0 μm，耦合角度～30°。

入射光(532 nm)從左端通過錐形光纖耦合到彎曲Y分束器的輸入端，沿Y型分束器輸入端的水平部分移動(dòng)錐形光纖，可改變輸入端到彎曲點(diǎn)的距離(L)。通過激光激發(fā)得到的熒光光路，可以觀測(cè)到彎曲Y型分束器內(nèi)部的能量傳輸并調(diào)節(jié)其光學(xué)特性。圖3(b)顯示了L≈7.0 μm時(shí)通光后分束器的暗場(chǎng)顯微圖像。根據(jù)微米線中熒光的激發(fā)情況直接觀察到，光束經(jīng)輸入分支傳輸后，能量在分束器耦合區(qū)分光(圖3(b)虛線框)，且O1和O2端有明顯的輸出光斑。這表明盡管波導(dǎo)存在較大程度的彎曲，但分束器的分束效果仍較為明顯。當(dāng)將錐形光纖緩慢向右水平移動(dòng)到L≈5.1 μm時(shí)(圖3(c))，分束器耦合區(qū)的熒光光路顯示，幾乎沒有能量耦合進(jìn)入短分支，且O1端光斑強(qiáng)度有所增加，而O2端已無明顯光斑。這是由于錐形光纖的移動(dòng)，輸入耦合點(diǎn)的位置發(fā)生了改變，使摻雜PMF中光束傳播的相位發(fā)生了變化，從而影響了彎曲Y型分束器的分光效果[16]。由此說明通過熒光光路可直接反映回路的耦合狀態(tài)，且傳輸距離的改變可以調(diào)整簡(jiǎn)單回路的輸出強(qiáng)度

圖3 彎曲Y型分束器的光強(qiáng)調(diào)節(jié)。(a)彎曲Y型分束器的明場(chǎng)光學(xué)顯微圖像，綠色箭頭為入射光輸入方向，黃色箭頭為錐形光纖的移動(dòng)方向；L=7.0 μm(b)和L=5.1 μm(c)時(shí)該分束器的暗場(chǎng)顯微圖像；(d)分光比隨L的變化曲線。

。

為了進(jìn)一步分析彎曲分束器的分光特性與傳輸距離的關(guān)系，圖3(d)計(jì)算了不同L時(shí)，該分束器兩輸出端的分光比(O1/O2)。對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行正弦函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)L在0.8～8.0 μm范圍變化時(shí)，分光比隨L的增加呈周期變化(周期為～5 μm)，變化范圍為1.3～2.4。這種振蕩變化主要是由于在水平輸入分支中傳輸能量的相位發(fā)生改變，從而導(dǎo)致彎曲分束器耦合區(qū)耦合效率的變化[16]。

3.2.2 微米線-環(huán)形腔耦合結(jié)構(gòu)

利用RhB摻雜PMF中的熒光指示，還可在實(shí)驗(yàn)上直接對(duì)復(fù)雜光子回路中的能量分布特點(diǎn)進(jìn)行成像。

以單根光波導(dǎo)與環(huán)形腔的耦合結(jié)構(gòu)為例。使用直徑為350 nm的納米線PMMA微環(huán)水平耦合(圖4(a)),組成該微環(huán)的微米線直徑為1 μm，微環(huán)直徑為16 μm。通過COMSOL計(jì)算該結(jié)構(gòu)中的能量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入光波長(zhǎng)為532 nm時(shí)，在PMMA環(huán)腔內(nèi)能量會(huì)形成穩(wěn)定振蕩。

類似地，在實(shí)驗(yàn)上搭建的基于RhB摻雜PMF的環(huán)形光子回路，如圖4(b)所示。直徑為1.8 μm的摻雜PMF彎曲成自耦合長(zhǎng)度為8.0 μm的環(huán)形腔后，與另一根直徑相同的直線型摻雜PMF水平耦合，兩者耦合長(zhǎng)度為～4.0 μm。在該單根微米線-環(huán)形腔回路中，激發(fā)光(532 nm)通過錐形光纖從直線型PMF左側(cè)耦合進(jìn)入環(huán)形腔回路。

單根PMF-環(huán)形腔回路在通光時(shí)的典型暗場(chǎng)光學(xué)圖像如圖4(c)所示，此時(shí)輸入點(diǎn)與耦合點(diǎn)之間的距離L≈13.5 μm。根據(jù)發(fā)射出的熒光可以看出，回路中傳導(dǎo)的能量首先沿單根PMF傳輸，隨后在耦合區(qū)分成兩部分：一部分能量傳導(dǎo)到環(huán)形腔中，并形成了振蕩的熒光光路，這種能量分布形式與圖4(a)的模擬結(jié)果相似；另一部分能量繼續(xù)沿單根PMF向前振蕩，最終從輸出端O輸出。

單根微米線-環(huán)形腔回路中的分束效應(yīng)也與傳輸距離有關(guān)。截取并計(jì)算L不同時(shí)，輸出端O的強(qiáng)度，得到如圖4(d)所示的關(guān)系曲線變化圖。錐形光纖沿單根微米線移動(dòng)時(shí)，耦合條件不變[21]。

通過圖4(d)中實(shí)線所示的光強(qiáng)擬合曲線可知，輸出光強(qiáng)隨著L呈現(xiàn)正弦曲線變化。特別地，當(dāng)L從11.5 μm變化到13.5 μm時(shí)，環(huán)形耦合結(jié)構(gòu)的輸出光強(qiáng)急劇衰減。這表明更多的能量耦合到環(huán)形腔中。因此，通過RhB摻雜PMF結(jié)構(gòu)中的熒光指示，可以調(diào)整錐形光纖的耦合位置，控制能量在環(huán)形腔中的傳輸，且只需要移動(dòng)～2 μm即可實(shí)現(xiàn)輸出光強(qiáng)的大幅度改變。

除了可利用回路發(fā)射的熒光，通過移動(dòng)錐形光纖實(shí)現(xiàn)環(huán)形腔回路中的能量調(diào)節(jié)外，回路中的熒光還可以直觀地表征環(huán)形腔內(nèi)部的能量傳輸。圖5為多根直徑為～1.5 μm 的RhB摻雜的PMF搭建成多根微米線與環(huán)形腔耦合的光子回路結(jié)構(gòu)。圖5(a)的光學(xué)明場(chǎng)圖像中，帶尾纖的環(huán)形腔直徑和自耦合長(zhǎng)度分別為～38.0 μm和～12.0 μm。兩個(gè)分支由耦合到該微環(huán)的兩根微米線(PMF1和PMF2)構(gòu)成，其與環(huán)腔的耦合長(zhǎng)度分別為～7.5 μm和～6.0 μm，輸出分別為O1和O2。由錐形光纖將連續(xù)激光(532 nm)導(dǎo)入到環(huán)形腔的尾纖中。輸入端與環(huán)形腔自耦合點(diǎn)之間的距離(CL)可以通過沿尾纖水平移動(dòng)錐形光纖來改變。

圖5 多根微米線-環(huán)形腔光子回路的光強(qiáng)度調(diào)節(jié)。(a)多根微米線-環(huán)形腔光子回路的明場(chǎng)光學(xué)顯微圖像，兩根微米線分別為PMF1和PMF2，紅色箭頭指示錐形光纖的移動(dòng)方向；(b)多根微米線-環(huán)形腔光子回路通光時(shí)的暗場(chǎng)光學(xué)圖像，綠色箭頭指示入射光方向；(c)與圖(b)對(duì)應(yīng)反相差分圖像；(d)～(e)PMF1 和PMF2輸出光強(qiáng)與CL的關(guān)系曲線，標(biāo)尺為20 μm。

由通光后的暗場(chǎng)光學(xué)圖像(圖5(b)，CL≈41.0 μm)可知，多根微米線-環(huán)形腔回路中尾纖部分的熒光被充分激發(fā)，能量沿波導(dǎo)振蕩向前傳輸。由發(fā)射熒光的強(qiáng)度推知，回路中大部分能量繞行于環(huán)形腔內(nèi)，少部分能量耦合進(jìn)入兩分支中。為了更清楚地觀測(cè)兩個(gè)輸出分支中的能量分布情況，將圖5(b)進(jìn)行反相處理，得到的差分反相圖如圖5(c)所示。兩個(gè)分支整體亮度較低，輸出強(qiáng)度較弱，說明兩分支中用于激發(fā)熒光的入射光能量較低，回路中能量較少。

通過沿尾纖的水平部分緩慢推動(dòng)錐形光纖，PMF1和PMF2的輸出強(qiáng)度會(huì)隨CL變化。采用公式I=A+Be-Cxsin(Dx+E)，對(duì)O1和O2的光強(qiáng)變化進(jìn)行擬合，其中，x為實(shí)驗(yàn)中的CL，A、B、C、D和E分別為擬合系數(shù)。O1的輸出強(qiáng)度變化如圖5(d)所示。根據(jù)擬合曲線(紅色實(shí)線)，O1振蕩的周期約為12.5 μm。這種周期性振蕩主要是由于環(huán)形腔內(nèi)傳輸能量的相位變化導(dǎo)致的[16]。當(dāng)CL≈23.1 μm時(shí)，O1的強(qiáng)度最大，此時(shí)一個(gè)周期內(nèi)的強(qiáng)度峰谷比達(dá)到～2.1。隨著CL的增加，O1的峰值逐漸減小(擬合系數(shù)C≈0.038)，我們認(rèn)為這主要是由于傳輸損耗增加引起的。類似的強(qiáng)度振蕩現(xiàn)象在O2中也有所體現(xiàn)。如圖5(e)所示，根據(jù)擬合線(紅色虛線)，O2的輸出強(qiáng)度以～12.3 μm周期改變，一個(gè)周期內(nèi)強(qiáng)度的最大峰谷比為～1.6。與O1相比，O2的峰谷比較低主要是由兩者與環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的耦合條件不同引起的[8，23]。而比較O1和O2的擬合曲線可知，O2峰值隨傳輸長(zhǎng)度增加而衰減的趨勢(shì)較O1的小(擬合系數(shù)C=0.018)。 說明O2分支中能量衰減明顯小于O1分支。

4 結(jié) 論

本文通過錐形光纖的波導(dǎo)耦合方式激發(fā)摻雜PMF中的RhB熒光。通過熒光發(fā)射，可直接從遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)波導(dǎo)微光子回路中的能量分布特點(diǎn)及耦合狀態(tài)。彎曲Y型分束器、微米線-環(huán)形腔耦合結(jié)構(gòu)等典型光子回路的輸出光強(qiáng)隨光束傳輸長(zhǎng)度的減小呈周期性變化，周期小于10 μm；利用發(fā)射熒光的顯示及這種變化特征，可在小范圍調(diào)整回路通光長(zhǎng)度(通常在半個(gè)周期內(nèi))，實(shí)時(shí)觀測(cè)回路的耦合狀態(tài)，并使回路輸出得到大范圍調(diào)節(jié)。利用波導(dǎo)中的熒光顯示，可在遠(yuǎn)場(chǎng)直觀、實(shí)時(shí)反映回路耦合狀態(tài)，對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行調(diào)整，為微光子回路的搭建、集成與性能調(diào)節(jié)提供了一種靈活的方法。