離散波導(dǎo)熱擴(kuò)散耦合機(jī)理及其應(yīng)用*

孟令知 苑立波

1) (哈爾濱工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

2) (桂林電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院,桂林 541004)

1 引言

1.1 離散光學(xué)與離散光學(xué)系統(tǒng)

光纖集成光學(xué)是指利用石英光纖為基底材料,將各種簡(jiǎn)單的光路和光學(xué)元件微縮集成到一根光纖中,在光纖上構(gòu)建一個(gè)具有多種功能的微光學(xué)系統(tǒng).這種光纖集成技術(shù),一方面為微光學(xué)器件提供了一種新型集成方式和解決方案,可獲得具有不同集成度或不同功能的纖維集成光纖器件,從而實(shí)現(xiàn)光子學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化和微型化[1];另一方面,集成在光纖中的緊鄰的光學(xué)器件之間也構(gòu)成了一個(gè)相互影響的光學(xué)系統(tǒng)[2],有望實(shí)現(xiàn)熱波模式調(diào)控[3].

離散光學(xué)則是研究不同的光路與分立的光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng),及其相互影響和相互關(guān)系的光學(xué)分支.光纖中的離散光學(xué)是指集成在光纖中的離散光學(xué)系統(tǒng),即研究如何在一根光纖中構(gòu)建彼此分立的光學(xué)元件,同時(shí)研究如何改變和調(diào)控這些離散光學(xué)元件及其光場(chǎng)的相互作用.

光纖集成的光學(xué)系統(tǒng)為離散光學(xué)的研究提供了一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).在離散光學(xué)系統(tǒng)中,可以通過(guò)多種光場(chǎng)之間的耦合和關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中光場(chǎng)的調(diào)控.例如,可以通過(guò)對(duì)集成在一根光纖中的陣列波導(dǎo)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)各個(gè)離散波導(dǎo)的模式耦合與模場(chǎng)調(diào)控[4].離散光學(xué)系統(tǒng)中的另一個(gè)問(wèn)題是,如何在單根光纖中實(shí)現(xiàn)調(diào)控橫向多個(gè)離散陣列波導(dǎo)之間的模場(chǎng)和耦合.

1.2 離散光學(xué)的熱擴(kuò)散調(diào)控方法

離散光學(xué)中的調(diào)控,是指改變或調(diào)整分立波導(dǎo)的模場(chǎng)之間彼此的耦合與關(guān)聯(lián).即,波導(dǎo)模場(chǎng)之間耦合時(shí)強(qiáng)度發(fā)生改變,或者在相位中加入可控的調(diào)整.在離散光學(xué)系統(tǒng)中,由于空間緊湊,各個(gè)分立的波導(dǎo)之間的相互耦合和關(guān)聯(lián)較強(qiáng).通過(guò)對(duì)這種關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的深入認(rèn)識(shí),借助于其規(guī)律和特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)離散光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)特種功能并達(dá)成需求的目標(biāo).

為此,本課題組[5]通過(guò)研究鍺摻雜實(shí)現(xiàn)高折射率波導(dǎo)的材料物理過(guò)程,構(gòu)建光纖中的摻雜劑在高溫時(shí)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散的物理模型.熱擴(kuò)散對(duì)單根光纖內(nèi)部的三維折射率分布進(jìn)行二次調(diào)整,能夠?qū)崿F(xiàn)光纖中陣列波導(dǎo)之間的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換與調(diào)控.同時(shí),這種對(duì)光纖進(jìn)行高溫加熱使摻雜劑擴(kuò)散的方法,也能夠?qū)崿F(xiàn)或改進(jìn)陣列波導(dǎo)之間的模場(chǎng)耦合.

本文研究了離散波導(dǎo)熱擴(kuò)散調(diào)控機(jī)理,給出了摻雜劑的熱擴(kuò)散物理模型.基于摻雜劑的熱擴(kuò)散方程,構(gòu)建了陣列波導(dǎo)的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型.對(duì)多芯光纖進(jìn)行不同時(shí)間的熱擴(kuò)散,來(lái)驗(yàn)證熱擴(kuò)散方法調(diào)控陣列波導(dǎo)折射率的可行性.并結(jié)合數(shù)字全息層析重建技術(shù),測(cè)量了熱擴(kuò)散后的多芯光纖的三維折射率分布.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明熱擴(kuò)散是一種比熔融拉錐技術(shù)更穩(wěn)定可控的調(diào)控波導(dǎo)折射率的一種方式.應(yīng)用熱擴(kuò)散方法調(diào)控陣列波導(dǎo)之間的耦合,可以制備多芯光纖耦合器.采用熱擴(kuò)散方法制備的多芯光纖耦合器與逐芯刻寫(xiě)光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)傳感器相結(jié)合,可以省去扇入/扇出器件,實(shí)現(xiàn)單通道多參量感測(cè).應(yīng)用熱擴(kuò)散技術(shù)制作的多芯光纖傳感器,不僅能夠降低多芯光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用成本,也能大幅提高光纖光學(xué)系統(tǒng)的集成度.

2 離散波導(dǎo)的熱擴(kuò)散模型

2.1 陣列波導(dǎo)的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型

在同一個(gè)包層內(nèi)置入多個(gè)波導(dǎo),可以在單根光纖中構(gòu)成多光路集成的典型器件.通過(guò)對(duì)多個(gè)波導(dǎo)的折射率分布和幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),這種器件可以通過(guò)增大摻雜面積從而提高激光功率,構(gòu)成鎖相多芯光纖激光陣列[6,7];也可以用于構(gòu)建長(zhǎng)距離通信的空分復(fù)用多芯光纖,解決光通信容量問(wèn)題[8,9].以圖1所示的典型的線性分布多波導(dǎo)為例,建立了分立波導(dǎo)集成器件的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型.通過(guò)分析熱擴(kuò)散后分立的離散波導(dǎo)之間的耦合調(diào)控機(jī)理,構(gòu)建了這類離散陣列波導(dǎo)在熱擴(kuò)散后相互的關(guān)聯(lián).

圖1 典型的線性分布離散波導(dǎo)[10] (a) 多個(gè)離散波導(dǎo)按線性分布在一個(gè)包層中的光纖;(b) 線性陣列多芯光纖的橫截面顯微圖;(c) 線性陣列多芯光纖的折射率剖面示意圖Fig.1.A typical linear distributed discrete waveguide[10]:(a) Optical fiber with multiple discrete waveguides linearly distributed in the same cladding;(b) micrograph of the cross-section of the linear array multicore fiber;(c) schematic diagram of the refractive index profile of the linear array multicore fiber.

陣列波導(dǎo)的折射率特性依賴于局部摻雜劑的濃度.高溫加熱陣列波導(dǎo)使摻雜劑從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,從而調(diào)控陣列波導(dǎo)的折射率分布.以石英光纖為基底的陣列波導(dǎo)中的摻雜劑擴(kuò)散服從菲克擴(kuò)散定律.因此,可以應(yīng)用熱傳導(dǎo)方程解決摻雜劑在陣列波導(dǎo)中的擴(kuò)散問(wèn)題.從菲克擴(kuò)散定律可以推導(dǎo)出反映局部摻雜濃度梯度與時(shí)間相關(guān)摻雜濃度的三維熱擴(kuò)散偏微分方程[11]:

其中U是局部摻雜劑濃度,單位為mol/m3;D是摻雜劑擴(kuò)散系數(shù),單位為m2/s;t為加熱時(shí)間,單位為s.D取決于局部溫度、摻雜劑種類和基體材料.(1)式中的偏微分方程描述了任意幾何波導(dǎo)中摻雜劑擴(kuò)散的一般情況.對(duì)于陣列波導(dǎo)來(lái)說(shuō),軸向的濃度梯度很小,且軸向溫度也較小時(shí),可以忽略摻雜劑在軸向的擴(kuò)散.此外,加熱陣列波導(dǎo)的溫度相對(duì)于徑向位置r幾乎是均勻的.此時(shí),可以合理地假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D相對(duì)于徑向位置r為常數(shù).若忽略軸向擴(kuò)散和方位角向的擴(kuò)散,則擴(kuò)散方程(1)在柱坐標(biāo)下可以簡(jiǎn)化為

摻雜物質(zhì)的摻雜濃度U是徑向位置r和加熱時(shí)間t的函數(shù).熱擴(kuò)散系數(shù)D描述了在一定范圍內(nèi)的溫度依賴性,并服從Arrhenius關(guān)系式,表示為[12]

其中Q是以J/mol為單位的活化能;D0是以m2/s為單位的主導(dǎo)系數(shù);R是理想氣體常數(shù),為8.3145 J/(mol·K);T(z)是加熱陣列波導(dǎo)時(shí)軸向z處的開(kāi)爾文溫度(1000—l650 ℃).參數(shù)D0和Q通常由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得.

高溫加熱陣列波導(dǎo)改變了波導(dǎo)中的摻雜劑濃度分布.對(duì)于鍺摻雜的陣列波導(dǎo),折射率分布與摻雜劑濃度分布成正比.因此,通過(guò)求解熱擴(kuò)散后的濃度分布可以得到陣列波導(dǎo)熱擴(kuò)散后的折射率分布:

其中nco為纖芯折射率;ncl為包層折射率,初始摻雜濃度為0.

2.2 單芯光纖熱擴(kuò)散模場(chǎng)調(diào)控模型

當(dāng)包層中僅有一個(gè)波導(dǎo)時(shí),即為單芯光纖.首先構(gòu)建這種簡(jiǎn)單的單芯光纖熱擴(kuò)散模場(chǎng)調(diào)控模型.假設(shè)單芯光纖從r=0到r=a的纖芯中僅摻雜一種摻雜劑,初始濃度為U0.并且光纖表面r=b保持為零濃度,即需要滿足的邊界條件表示為

利用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)和格林函數(shù)可以得到任意徑向位置r和加熱時(shí)間t的摻雜劑濃度分布[13]:

其中U(r,t) 為單芯光纖熱擴(kuò)散后的摻雜濃度分布,a是纖芯半徑,I0為0階改進(jìn)的第一類貝塞爾函數(shù),r′為一個(gè)虛擬的積分變量.

(6)式給出了單芯光纖熱擴(kuò)散后摻雜劑濃度分布的結(jié)果.為了得到解析解,假設(shè)加熱區(qū)域無(wú)限大,并且是線性源,初始摻雜濃度為δ函數(shù),摻雜劑保持質(zhì)量守恒.通過(guò)相似變換[14],偏微分方程(2)可以簡(jiǎn)化為常微分方程,從而得到解析解,其初始條件為

最終得到

其中a為初始纖芯半徑;定義為熱擴(kuò)散后的纖芯半徑大小.由(4)式和(9)式,單芯光纖熱擴(kuò)散后的折射率分布為

(10)式表明,初始折射率分布為階躍分布的單芯光纖,經(jīng)過(guò)熱擴(kuò)散后,截面折射率分布趨近于高斯分布.熱擴(kuò)散過(guò)程中,摻雜劑從單芯光纖的纖芯中擴(kuò)散到包層中,此時(shí)包層與纖芯沒(méi)有明確的界面.熱擴(kuò)散后,單芯光纖的模場(chǎng)半徑為

其中k為自由空間波數(shù).

類比平方率分布徑向梯度折射率光纖的歸一化頻率計(jì)算公式,熱擴(kuò)散后單芯光纖的歸一化頻率V為[15]

由(11)式和(12)式,可以得到模場(chǎng)半徑和歸一化頻率V之間的關(guān)系:

單芯光纖熱擴(kuò)散后,其模場(chǎng)直徑隨著加熱時(shí)間或傳輸波長(zhǎng)增加而增加,并且與摻雜劑的濃度分布的寬度有關(guān).最終,傳播基模的傳播常數(shù)為

一旦知道w和β,即可確定單芯光纖在熱擴(kuò)散區(qū)(r≤A)的傳輸場(chǎng).

2.3 雙芯、三芯光纖熱擴(kuò)散耦合調(diào)控機(jī)理

當(dāng)包層中含有兩個(gè)波導(dǎo)時(shí),即為雙芯光纖.其中一個(gè)波導(dǎo)位于圓包層的中心軸線上.假設(shè)雙芯光纖的兩個(gè)纖芯的摻雜濃度相同,熱擴(kuò)散后雙芯光纖的截面折射率分布可以近似表示為

其中r1和r2分別為雙芯光纖的兩個(gè)纖芯的徑向距離,由雙芯光纖的幾何結(jié)構(gòu)可以得到r1=r,r2=;d為邊芯與中間纖芯的距離;θ為r與d夾角的角度.

熱擴(kuò)散后,雙芯光纖的中間芯和邊芯的模場(chǎng)分布Ψ1和Ψ2分別為[16]

其中ω1和ω2分別為雙芯光纖的中間芯和邊芯的模場(chǎng)直徑.

熱擴(kuò)散后雙芯光纖的中間芯和邊芯的耦合系數(shù)C為[17]

其中N1為歸一化常數(shù);ε0和μ0分別為介電常數(shù)和磁導(dǎo)率.

在弱導(dǎo)近似和弱耦合近似條件下,熱擴(kuò)散后,雙芯光纖的中間芯和邊芯的光功率分別為[18]

其中P1(0)和P2(0)分別為中間芯和邊芯的初始光功率;β1和β2分別為中間芯和邊芯的縱模傳播常數(shù);F={1+[(β1-β2)2/4C2}-1/2.

當(dāng)包層中含有三個(gè)波導(dǎo)時(shí),即為三芯光纖.其中一個(gè)波導(dǎo)位于圓包層的中心軸線上,另兩個(gè)波導(dǎo)沿中心軸線對(duì)稱分布.假設(shè)三芯光纖的每個(gè)纖芯的摻雜濃度相同,熱擴(kuò)散后三芯光纖的截面折射率分布可以近似表示為

其中r1,r2和r3分別為三芯光纖的三個(gè)纖芯的徑向距離,由三芯光纖的幾何結(jié)構(gòu)可以得到r1=r,

熱擴(kuò)散后,三芯光纖的中間芯和兩個(gè)邊芯的模場(chǎng)分布ΨT1,ΨT2和ΨT3為

其中ωT1,ωT2和ωT3分別為三芯光纖的中間芯和兩個(gè)邊芯的模場(chǎng)直徑.

熱擴(kuò)散后三芯光纖中相鄰兩個(gè)纖芯的耦合系數(shù)CT為

其中C12和C13分別為中間芯與兩個(gè)邊芯的耦合系數(shù).

在弱導(dǎo)近似和弱耦合近似條件下,熱擴(kuò)散后,三芯光纖的中間芯和兩個(gè)邊芯的光功率分別為

其中P1(0),P2(0)和P3(0)分別為中間芯和兩個(gè)邊芯的初始光功率;β1,β2和β3分別為中間芯和兩個(gè)邊芯的縱模傳播常數(shù);

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在構(gòu)建了陣列波導(dǎo)的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型之后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證熱擴(kuò)散的可行性.分別對(duì)雙芯、三芯、四芯、七芯光纖進(jìn)行熱擴(kuò)散.雙芯、三芯、四芯和七芯光纖的纖芯直徑為8.5 μm.雙芯光纖的兩個(gè)纖芯的距離為27 μm.三芯光纖的纖芯成一字排列,邊芯到中間芯的距離為27.5 μm.四芯光纖的三個(gè)邊芯成正三角分布,邊芯到中間芯的距離為35 μm.七芯光纖的六個(gè)邊芯成正六邊形分布,邊芯到中間芯的距離為37.5 μm.熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的裝置如圖2(a)所示.帶有氫氣和氧氣火焰加熱功能的火頭用于加熱多芯光纖,如圖2(a)中的插圖所示.氫氧流量分別為70,30 mL/min.使用光束分析儀在電腦上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱擴(kuò)散時(shí)光纖的功率變化.測(cè)試使用光源的波長(zhǎng)為1550 nm.加熱時(shí)間分別為0,30,60,90 min時(shí),光束分析儀測(cè)量的雙芯、三芯、四芯和七芯光纖端面強(qiáng)度分布如圖2(b)—(e)所示.隨著加熱時(shí)間的增加,邊芯的功率逐漸增大.在加熱90 min后,四芯光纖和七芯光纖的邊芯中功率較低,這是因?yàn)槲覀冞x擇的火頭寬度為8 mm,溫區(qū)較窄.通過(guò)增加加熱時(shí)間、提高加熱溫度或增大加熱溫區(qū)的長(zhǎng)度,可以提高邊芯中功率的耦合比例.

圖2 (a) 用于熱擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;(b) 雙芯、(c) 三芯、(d) 四芯和 (e) 七芯光纖加熱不同時(shí)間后的端面強(qiáng)度分布Fig.2.(a) Schematic diagram of the experimental setup for thermal diffusion;(b)-(e) the end face light intensity distribution of the (b) twin-core,(c) three-core,(d) four-core,and (e) seven-core optical fiber after heating at different times.

3.2 折射率變化測(cè)量

基于數(shù)字全息層析成像技術(shù)[19],通過(guò)測(cè)量熱擴(kuò)散后多芯光纖的三維折射率分布,來(lái)驗(yàn)證熱擴(kuò)散對(duì)離散波導(dǎo)的折射率改變是緩慢可控的.圖3顯示了基于Mach-Zehnder干涉原理的實(shí)驗(yàn)裝置.

圖3 折射率分布測(cè)量系統(tǒng)的示意圖Fig.3.Schematic diagram of the refractive index distribution measurement system.

實(shí)驗(yàn)室搭建的折射率測(cè)量裝置的位移臺(tái)的行程為4 mm.為了測(cè)量整個(gè)熱擴(kuò)散溫區(qū)的折射率變化,熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)選用的是8 mm長(zhǎng)度的小火頭.圖4(a)—(d)分別為加熱時(shí)間為0,30,60,90 min時(shí),雙芯光纖的y-z方向的折射率分布.軸向上的折射率分布存在梯度變化,這是由于氫氧火焰的軸向上的溫度分布是梯度的.隨著加熱時(shí)間的增加,光纖發(fā)生了頸縮現(xiàn)象[20].這是由于表面張力通過(guò)擠壓熔融玻璃遠(yuǎn)離熱擴(kuò)散區(qū)的中心,從而減小了熱擴(kuò)散區(qū)的光纖直徑.圖4(e)—(h)分別為加熱時(shí)間為0,30,60,90 min時(shí),雙芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布.從三維視圖可以看出,隨著加熱時(shí)間的增加,纖芯直徑逐漸擴(kuò)展,纖芯間距逐漸減小,而纖芯的折射率逐漸降低.隨著纖芯間距的減小,雙芯光纖兩個(gè)纖芯間的耦合系數(shù)增大,因此更多的中間芯的能量耦合到邊芯中.折射率測(cè)量結(jié)果表明,通過(guò)控制加熱溫度和加熱時(shí)間的方式,熱擴(kuò)散技術(shù)對(duì)折射率的調(diào)控是緩慢穩(wěn)定的,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)芯間耦合系數(shù)的精確調(diào)控.

圖4 加熱時(shí)間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時(shí),雙芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時(shí)間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時(shí),雙芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.4.Refractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the twin-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the twin-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

三芯、四芯和七芯光纖經(jīng)過(guò)不同時(shí)間熱擴(kuò)散后的折射率測(cè)量結(jié)果,如圖5、圖6和圖7所示.從折射率測(cè)量結(jié)果分析,四芯光纖和七芯光纖的纖芯距離較雙芯光纖和三芯光纖更大.因此,相同的熱擴(kuò)散條件下,四芯光纖和七芯光纖的邊芯與中間芯的耦合系數(shù)更小,邊芯中耦合的能量較少.通過(guò)增加擴(kuò)散時(shí)間、提高加熱溫度或擴(kuò)大加熱溫區(qū),即可提高四芯光纖和七芯光纖的邊芯與中間芯的能量耦合比例.

圖5 加熱時(shí)間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時(shí),三芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時(shí)間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時(shí),三芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.5.Refractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the three-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the three-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

圖6 加熱時(shí)間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時(shí),四芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時(shí)間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時(shí),四芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.6.Refractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the four-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the four-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

圖7 加熱時(shí)間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時(shí),七芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時(shí)間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時(shí),七芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.7.Rfractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the seven-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the seven-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

七芯光纖經(jīng)過(guò)90 min熱擴(kuò)散后,六個(gè)邊芯的折射率改變大小不同,如圖7(h)中的三維折射率所示.部分邊芯中的摻雜劑擴(kuò)散的更快,導(dǎo)致折射率改變的更大.邊芯的摻雜劑擴(kuò)散速度不同,即邊芯與中間芯的耦合系數(shù)不同,會(huì)影響六個(gè)邊芯的能量耦合比例.造成這一問(wèn)題可能的原因?yàn)?一個(gè)是拉制的七芯光纖的每個(gè)邊芯中摻雜濃度不等;另一個(gè)是,加熱溫區(qū)的溫度梯度較大,不同纖芯處的溫度存在差異,導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)不同.

4 應(yīng) 用

4.1 多芯光纖內(nèi)集成耦合器

使用多芯光纖制作全光纖集成耦合器,體現(xiàn)了器件集成化、小型化趨勢(shì).目前常見(jiàn)的多芯光纖耦合器制作方法包括熔融拉錐[21]和拋磨[22].采用熔融拉錐技術(shù)制作多芯光纖內(nèi)集成耦合器最為普遍.然而,熔融拉錐技術(shù)制作的多芯光纖耦合器,存在機(jī)械強(qiáng)度低、對(duì)軸向應(yīng)變和外部折射率敏感、封裝要求高等缺點(diǎn)[23].基于熱擴(kuò)散技術(shù)制作的多芯光纖內(nèi)集成耦合器,不改變光纖外形結(jié)構(gòu)與尺寸.通過(guò)控制加熱溫度和加熱時(shí)間能夠精確調(diào)控芯間耦合系數(shù),因此熱擴(kuò)散技術(shù)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì).

選擇16 mm的火頭,使用熱擴(kuò)散技術(shù)制作了三芯光纖耦合器,如圖8(a)所示.氫氧流量分別為140,40 mL/min.加熱時(shí)間分別為0,30,60,90 min時(shí),光束分析儀測(cè)量的三芯光纖端面強(qiáng)度分布如圖8(b)—(e)所示.隨著加熱時(shí)間的增加,中間纖芯的功率逐漸減小,邊芯的功率逐漸增加.通過(guò)控制加熱時(shí)間,能夠獲得不同耦合比例的三芯光纖內(nèi)集成的耦合器.

圖8 (a) 熱擴(kuò)散制備的三芯光纖耦合器的示意圖;不同加熱時(shí)間的三芯光纖端面的強(qiáng)度分布,其中(b) 0 min;(c) 30 min;(d) 60 min;(e) 90 minFig.8.(a) Schematic diagram of a three-core fiber fabricated by thermal diffusion.The intensity distribution at the end face of the three-core fiber coupler with different heating times: (b) 0 min;(c) 30 min;(d) 60 min;(e) 90 min.

熱擴(kuò)散技術(shù)通過(guò)調(diào)控離散陣列波導(dǎo)的折射率,制備的纖維集成的耦合器,具有操作簡(jiǎn)單、集成度高的特點(diǎn).熱擴(kuò)散制備的多芯光纖耦合器,具有易于與單模光纖連接,機(jī)械強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn).相比熔融拉錐技術(shù),雖然熱擴(kuò)散技術(shù)制造多芯光纖耦合器花費(fèi)的時(shí)間更多,但是熱擴(kuò)散技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多芯光纖耦合器的批量生產(chǎn).此外,通過(guò)對(duì)耦合器測(cè)試,表明熱擴(kuò)散技術(shù)制作的多芯光纖耦合器具有較高的機(jī)械強(qiáng)度[24].

4.2 多芯光纖光柵彎曲傳感器

多芯光纖由于具有多個(gè)傳輸通道為矢量彎曲傳感提供了更多的可能性.在多芯光纖上逐芯刻寫(xiě)不同波長(zhǎng)的FBGs,制作的矢量彎曲傳感器,能夠成倍提高彎曲傳感的靈敏度[25].然而,常見(jiàn)的基于多芯光纖FBG的矢量彎曲傳感器必須使用昂貴的定制扇入/扇出耦合器[26],降低了彎曲傳感器測(cè)量系統(tǒng)的集成度和實(shí)用性.

結(jié)合熱擴(kuò)散技術(shù)和逐芯刻寫(xiě)FBG技術(shù),能夠制作單根光纖集成的矢量彎曲傳感器.彎曲傳感器集成熱擴(kuò)散耦合器不僅能夠省去扇入/扇出耦合器,而且能夠?qū)崿F(xiàn)單通道測(cè)量.以三芯光纖為例,使用熱擴(kuò)散技術(shù)制作了三芯光纖耦合器.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的三芯光纖存在串?dāng)_,因此我們制備的彎曲傳感器結(jié)構(gòu)為單模光纖-三芯光纖熱擴(kuò)散耦合器-對(duì)稱雙芯光纖,如圖9(a)所示.將三芯光纖熱擴(kuò)散耦合器與對(duì)稱雙芯光纖進(jìn)行纖芯對(duì)準(zhǔn)熔接.通過(guò)控制加熱時(shí)間,使得三芯光纖熱擴(kuò)散耦合器的中間芯的光全部耦合進(jìn)入到邊芯中.對(duì)稱雙芯光纖的兩個(gè)纖芯中分別刻寫(xiě)不同中心波長(zhǎng)的FBGs.對(duì)制作的雙芯光纖彎曲傳感器進(jìn)行測(cè)試.對(duì)雙芯光纖的芯2與芯1的FBG波長(zhǎng)隨彎曲方向改變的響應(yīng)進(jìn)行差分和線性擬合,得到的靈敏度隨彎曲方向的雷達(dá)圖如圖9(b).圖9(b)顯示彎曲傳感器的曲率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的角度依賴.結(jié)果顯示,僅用一根光纖即可實(shí)現(xiàn)多芯光纖光柵彎曲傳感的單通道測(cè)量.

圖9 (a) 應(yīng)用熱擴(kuò)散技術(shù)的彎曲傳感器的示意圖;(b) 不同彎曲方向(從0°到360°)對(duì)應(yīng)的雙芯光纖兩個(gè)纖芯中FBGs的差分的彎曲靈敏度Fig.9.(a) Schematic diagram of the bending sensor structure using thermal diffusion technology;(b) differential bending sensitivity of FBGs in the two cores of a twin-core fiber plotted for various bending directions (from 0° to 360°).

多芯光纖刻寫(xiě)不同波長(zhǎng)的光柵,結(jié)合熱擴(kuò)散技術(shù)來(lái)制備耦合器,在彎曲傳感應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.這種技術(shù)不僅能大幅提高傳感系統(tǒng)的集成度,也能降低傳感系統(tǒng)的應(yīng)用成本.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)熱擴(kuò)散調(diào)控離散波導(dǎo)機(jī)理的研究,構(gòu)建了多芯光纖熱擴(kuò)散耦合調(diào)控模型.對(duì)多種多芯光纖進(jìn)行不同時(shí)間的高溫加熱,驗(yàn)證了熱擴(kuò)散調(diào)控離散波導(dǎo)耦合的可行性.使用數(shù)字全息層析成像技術(shù),測(cè)量多芯光纖熱擴(kuò)散后多芯光纖的三維折射率分布.結(jié)果表明,熱擴(kuò)散對(duì)多芯光纖的三維折射率分布改變是緩慢可控的.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了熱擴(kuò)散對(duì)離散波導(dǎo)的折射率調(diào)控比熔融拉錐更穩(wěn)定可靠,易于操控.借助于熱擴(kuò)散技術(shù)制備了三芯光纖耦合器.結(jié)合逐芯刻寫(xiě)光柵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了雙芯光纖彎曲傳感單通道測(cè)量.熱擴(kuò)散對(duì)離散波導(dǎo)的折射率調(diào)控方法,能夠提高多芯光纖系統(tǒng)的集成度,同時(shí)大幅降低多芯光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用成本.熱擴(kuò)散技術(shù)帶來(lái)的高集成度、高穩(wěn)定性和批量化制造的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于促進(jìn)離散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖在光通信、光感測(cè)、人工智能、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要的價(jià)值.