微納光纖的精細化制備與應用研究

陳昭坤，于洋

（五邑大學 應用物理與材料學院，廣東 江門 529020）

光電子器件隨著納米技術的發(fā)展而微型化和集成化，其中，微納光纖[1]由于尺寸小、光場約束強、大比例倏逝場和低損耗傳輸?shù)葍?yōu)良特性，獲得了廣泛的關注. 光在微納光纖中傳輸時，光場有很大一部分能量以倏逝場的形式分布在光纖表面，由于這部分處于光纖表面的倏逝場會與環(huán)境發(fā)生相互作用，故微納光纖可用于制作結構緊湊且靈敏度高的傳感器[2]. 另外，針對微納光纖的傳輸特性[3]、溫度特性[2]、能量分布特性[4]的研究，也為以微納光纖為基礎的耦合器[5]、光纖光柵[6]、晶體腔[7]、諧振腔[8-9]等功能器件的開發(fā)提供了支持.

微納光纖傳感器或微納光纖功能器件都是基于微納光纖制備的. 目前，微納光纖的熔融拉錐制備有火頭固定不動的制備方式[10-11]，也有火頭來回掃描的制備方式[10-12]. 無論采取哪種制備方式，在拉錐過程中，火焰的氫氧流量都是固定不變的. 當全程火焰溫度較低時，會導致光纖拉錐前期不能快速熔融、光纖軟化程度較低、韌性不夠，而使光纖損耗增加或產生裂紋；當全程火焰溫度較高時，雖然拉錐前期光纖能夠快速熔融，但拉錐后期會由于光纖較細而過度熔融導致?lián)p耗增加，甚至會由于火焰氣體噴射的沖力過大而使微納光纖斷裂. 這樣制備的微納光纖普遍存在直徑大、腰部平緩區(qū)較短、傳輸損耗高以及成品率低等問題. 鑒于此，本文提出在光纖拉錐系統(tǒng)熔融拉錐的過程中設置時間分段，通過精準控制每個時間分段下的氫氣流量、氧氣流量、火頭來回掃描的速度以及光纖平臺的拉伸速度等參數(shù)，來精細化控制光纖的整個制備過程，以期制備理想的微納光纖.

1 微納光纖的精細化制備與分析

本文基于熔融拉錐法制備微納光纖.實驗過程中采用的預制光纖為普通單模光纖（SMF-28、康寧），其材料主要為二氧化硅. 如圖1所示，光纖拉錐系統(tǒng)主要由微位移平臺及其控制系統(tǒng)、氫（氧）加熱源、寬光帶光源、功率計等組件構成，系統(tǒng)通過功率計檢測光纖中的光源進而實時監(jiān)控光纖在拉錐過程中的損耗情況.

圖1 光纖拉錐系統(tǒng)

微納光纖拉制過程中，先在控制系統(tǒng)中設置時間分段，再在時間分段中調節(jié)氫氧發(fā)生器產生的氫氣和氧氣流量、光纖平臺的拉伸速度、火頭來回掃描的速度等. 在微納光纖熔融拉錐過程中，我們根據(jù)微納光纖的不同狀態(tài)調整對應的拉錐參數(shù)：當微納光纖拉伸損耗明顯增加，且呈繃直狀態(tài)時，說明拉伸溫度過低，應適當增加氫氣、氧氣的流量；當微納光纖拉伸損耗明顯增加，且呈“飄揚”狀態(tài)時，說明拉伸溫度過高，應適當減少氫氣、氧氣的流量. 拉錐的具體參數(shù)詳見表1，具體步驟如下：

表1 時間分段的具體參數(shù)

1）制備的前期工作. 光纖由涂覆層、包層以及纖芯構成，需要用光纖鉗將一根普通單模光纖的涂覆層剝掉，然后用酒精將光纖（包層、纖芯）擦拭干凈，避免拉錐過程涂覆層殘留的雜物造成損耗，然后將光纖放置到拉伸平臺上進行拉錐.

2）光纖快速熔融階段I. 剛開始拉錐時，光纖直徑125 μm，比較粗，為使光纖快速處于熔融的狀態(tài)，我們選用140 SCCM的大氫氣流量、30 SCCM的大氧氣流量、80 μm/s的慢平臺拉伸速度，并使火頭固定不動（即掃描距離和掃描速度均為0）集中加熱光纖中間位置，以避免光纖拉錐時因軟化程度不高、可伸縮性不強而導致的損耗增加或出現(xiàn)裂紋.

3）光纖熔融穩(wěn)定階段II. 隨著火頭固定加熱時間的推移，降低氧氣流量至20 SCCM，提升拉伸速度至90 μm/s，以避免因溫度過高光纖過度熔融、光纖軟化程度過高、流動性強而使得其表面均勻性不好、損耗增加. 待光纖加熱熔融到與拉伸速度處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)時，設置火頭來回掃描來加熱光纖（此時設置掃描速度3 000 μm/s，掃描距離10 000 μm）.

4）火頭來回掃描加熱階段III、IV. 在火頭開始來回掃描加熱光纖的過程中，由于光纖已經被加熱熔融，并且開始拉伸變細，此時我們逐步提升光纖平臺的拉伸速度（110 ～ 130 μm/s ），并減少氫氣流量（140 ～135 SCCM）和氧氣流量（7 ～ 6 SCCM ）.

5）火頭來回掃描加熱階段V-VIII. 光纖平臺的拉伸速度保持在150 μm/s，隨著持續(xù)拉伸光纖的直徑越來越細，很容易斷裂或損耗增加，于是，逐步設置更小的氫氣流量（135—125—115—105 SCCM）和氧氣流量（6—2—2—2 SCCM），避免因溫度過高造成光纖過度熔融和因火頭噴射氣體的沖力導致光纖斷裂.

6）光纖拉錐的細化階段IX. 保持105 SCCM的小氫氣流量和2 SCCM的小氧氣流量，保證火頭噴射氣體的沖力較小. 此時，光纖的直徑已經非常小，過大的拉伸速度容易導致光纖斷裂，所以降低拉伸速度至135 μm/s，繼續(xù)拉伸光纖至更細.

采用上述方法，我們制備了直徑3.0 μm、2.1 μm、1.2 μm和1.0 μm的微納光纖，具體的實驗數(shù)據(jù)如表2所示，其光學顯微如圖2所示. 隨著拉伸時間的增加，微納光纖的直徑越來越小，其最小值為1 μm、拉伸長度73 000 μm、損耗0.15 dB；直徑3 μm的微納光纖，其拉伸長度35 000 μm、損耗僅0.05 dB. 而當光纖直徑一定時，拉伸長度越長，其腰部平緩區(qū)也越長，因此，精細化方式制備的微納光纖具有小直徑、長腰部平緩區(qū)、低傳輸損耗、在拉錐過程中不容易斷裂等優(yōu)點. 在排除人為因素的情況下，微納光纖的成品率可達95%以上.

表2 微納光纖成品數(shù)據(jù)

圖2 不同直徑微納光纖的光學圖

2 微納光纖環(huán)形諧振腔

微納光纖在光耦合和傳感等領域有著潛在的利用價值，其中微納光纖環(huán)形諧振腔就是一個經典的、具有高靈敏度的微納光纖傳感器件，它利用微納光纖的耦合特性，使入射光在直波導和環(huán)形腔中不斷耦合循環(huán)，從而產生干涉光譜. 我們采用上述方法拉制了一根直徑約2.1μm的微納光纖，利用微納光纖的耦合特性，制作成如圖3-a所示的直徑約1.78 mm的一個環(huán)形諧振腔. 采用寬光帶光源入射該諧振腔，用光譜分析儀測量其透射光譜，結果如圖3-b所示，其自由光譜范圍（FSR）約0.324 nm、半高峰寬（FWHM）約0.079 95 nm、Q值約20 338，且有著9.6 dB的高消光比. 該環(huán)形諧振腔在具有高Q值的同時還具有高消光比，說明其具有良好的透射光譜特性、耦合系數(shù)較高，也說明制作環(huán)形諧振腔的微納光纖具有較高的耦合特性（直徑小、耦合區(qū)長）以及較低的傳輸損耗，是一根品質優(yōu)良的微納光纖.

圖3 環(huán)形諧振腔以及其透射光譜

3 結論

微納光纖的精細制備是決定其波導性能與應用性能的關鍵因素，本文通過在光纖拉錐系統(tǒng)熔融拉錐的過程中設置時間分段，精準控制每個時間分段下的氫氣流量、氧氣流量、火頭來回掃描的速度以及光纖平臺的拉伸速度等參數(shù)，從而制備出小直徑、長腰部平緩區(qū)、低傳輸損耗的微納光纖，并由此制備了FSR約0.324 nm、Q值約20 338以及9.6 dB的高消光比的微納光纖環(huán)形諧振腔. 本文所提出的時間分段精細化拉錐光纖，進一步改善了微納光纖的制備工藝，在微納光纖及其器件實用化研究方面具有重要的應用價值.