微纳光纤端面反射特性的实验测量方法*

侯建平 赵晨阳 杨楠 郝建苹 赵建林

(西北工业大学理学院,陕西省光信息技术重点实验室,空间应用物理与化学教育部重点实验室,西安 710072)

(2012年12月25日收到;2013年1月25日收到修改稿)

1 引言

微纳光纤(micro-nano fi ber,MNF)是指纤芯直径在几百纳米至几微米之间的光纤[1],这类光纤能够将光局域在微纳米尺度内并实现低损耗传输.由于具有强倏逝场、强光场约束、大波导色散、易于弯曲等特点[2-6],使得MNF在微纳米尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大以及传感等应用方面具有非常诱人的应用前景.

MNF的端面反射特性作为其传输特性的一个重要方面,对其各种应用,特别是MNF传感器[7-9]、微腔激光器[10,11]、微腔环形器[12]等应用具有非常重要的影响.有关MNF端面反射特性的研究,目前主要限于理论和数值模拟分析.如文献[13,14]曾采用三维有限时域差分法(three-dimension finitedifferencetime-domain,3D-FDTD)数值分析了MNF的端面反射率与MNF直径、传输波长和外介质折射率之间的关系,但没有给出相应的实验研究结果.目前,测量光纤端面反射功率的方法主要是通过接入光路中的3 dB耦合器来实现[15],但该方法存在固有不足,即测得的反射功率中也包含了另一空闲端口反射的贡献,同时,一部分反射光还会返回到光源光路,从而对光源工作的稳定性造成一定影响.相对于标准单模光纤而言,MNF的端面更小,反射能量更弱,上述问题以及尾纤摆动、内部损耗对端面反射功率测量的准确性影响更大.为此,本文结合气凝胶固定和补偿法,提出一种基于光环形器的MNF端面反射特性测量方法.

2 MNF的端面反射特性测试方法与实验

图1所示为设计的基于光环形器的MNF端面反射特性测量装置.首先利用3 dB耦合器将来自光源的光分成两束,其中一束作为参考光直接进入光功率计1,用以探测输入光功率;另一束作为测试光进入环形器端口1,再由环形器端口2进入待测MNF,经端面反射后,由环形器端口3输出,并由光功率计2接收.实验中,采用气凝胶(n=1.01)将MNF固定,以减少其在空气中随机摆动对实验结果的影响.待测MNF样品由标准单模光纤(SMF28)经氢氧焰下加热软化后拉制而成,其直径可由加热火焰的大小和步进电机的速度联合控制,得到的MNF直径均匀,表面光滑.光纤端面的情况包括端面平整度和端面与光纤轴的夹角等对端面反射率都有重要影响.考虑一般性,本实验要求端面平整且与光纤轴垂直.实验中我们采用专用切割刀对拉制的光纤进行切割,然后通过显微镜(DMM-330C,Caikon Inc.)检查确保端面质量.如果要获取其他类型的端面如部分切割或成一定角度切割则可以采用文献[8]所述工艺,采用聚焦离子束(focused ion beam,FIB)进行切割,从而获得满足要求的样品.

图1 MNF端面反射率实验测量装置

在上述实验系统中,功率计2实际接收到的光功率除光纤反射端面反射的功率外还包含了光路中一些光纤连接端面的回波反射功率.此外,环形器的插入损耗和MNF的传输损耗也均会对MNF端面反射率的测量结果造成不可忽略的影响.为了提高MNF端面反射率的测量精度,降低测量误差,实验中采用补偿法.具体如下：首先通过光功率计1,2,探测到MNF放置于气凝胶中的总输出光功率P1和P2;然后将MNF反射端面浸入折射率匹配液中,测得除端面反射以外的回波反射功率Pb.计及环形器的插入损耗和MNF的传输损耗后,可得：

式中,L(1-2)和L(2-3)分别为对应的环形器插入损耗,L(M)为MNF的传输损耗[16,17],Pi为输入光功率,Po为MNF端面反射的输出光功率,则端面反射率为

将(1)和(2)式代入(3)式,可得：

图2给出了传输波长为1550 nm时,MNF端面反射率与光纤直径关系的实验测量结果,其中虚线是实验数据的二次拟合结果,实线是采用COMSOL软件计算得到的数值模拟结果.可见实验结果与数值计算结果基本一致,少量偏移应主要源于光纤受挤压和弯曲等所致.从图中可以看出,随着MNF直径的减小,端面反射率减小.当直径为1380 nm时,端面反射率为0.622%;当直径减小到740 nm时,端面反射率减小到0.437%.

图2 MNF端面反射率与直径的关系

图3 不同直径的数值模拟 (a)d=740 nm的光场分布;(b)d=1380 nm的光场分布

图3为两种不同直径MNF光场分布的模拟结果.由图可以看出,d=740 nm的纤外能量比例大于d=1380 nm,表明直径小的光纤能量部分泄漏到外介质中,因此导致MNF端面反射率的减小.

图4所示为MNF端面反射率与传输波长关系的实验测量结果.利用ASE宽带光源(FLS-2300B,EXFO Inc.)将光耦合进直径为640 nm的MNF,用光谱分析仪(AQ6317C,ANDO Inc.)代替功率计2检测系统的反射光谱.从图中可以看出,当波长从1530 nm变化到1610 nm时,端面反射率随波长增加而不断减小,并且实验结果与数值计算结果基本保持一致.

对比选取1530 nm和1610 nm两种波长,计算其在直径640 nm的MNF中传输时的光场分布进行验证,结果如图5所示.由图可以看出,λ=1610 nm时的中心能量低于λ=1530 nm,而倏逝能量则较大,相应地从端面反射的能量较少.

图4 MNF端面反射率与传输波长的关系

图5 不同波长时的数值模拟 (a)λ=1530 nm的光场分布;(b)λ=1610 nm的光场分布;(c)截线处的光场能量图

3 结论

提出了一种基于光环形器的MNF端面反射特性测量方法,结合气凝胶固定和补偿法,实验测量了由标准单模光纤拉制的MNF的端面反射率与其直径和传输波长之间变化关系,结果与数值模拟结论相一致,表明该方法用于MNF端面反射特性测量的有效性.利用该测量方法,既可以实验测量特定MNF端面的反射率,也可以研究其与各个影响因素之间的关系,这对于设计制作MNF激光器、放大器和耦合器等微型器件方面具有重要意义.

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