锥形光纤的特性与应用

吴雪梅，董兴法，姜莉，吕正兵

（苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009）

锥形光纤的特性与应用

吴雪梅，董兴法*，姜莉，吕正兵

（苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009）

由于锥形光纤具有独特的几何结构特征，从而引起了光纤的归一化频率、有效横截面积、光强密度、群速度色散及非线性系数等许多光学性质的变化。介绍了近年来得以广泛研究和应用的锥形光纤技术，分析了其具备的特殊功能，包括光功率在锥区的重新分布、干涉滤波、脉冲频率展宽等，并探索了其在光纤器件制作、传感技术、超连续谱产生等诸多领域的应用。

锥形光纤；光纤器件；传感器；超连续谱

作为一种光纤后处理技术，锥形光纤以其独特的结构特征和光学特性已成为近年来广泛研究和应用的新热点。其锥区的不同规格（拉锥光纤长度、锥腰半径、锥角大小等）将会导致其具有不同的光学特性。锥形光纤的制作有两种方法：腐蚀法和熔融拉锥法，后种方法应用较为普遍。熔融拉锥法是通过对光纤局部加热至熔融状态，并在加热区两端施加拉力使其变长变细并形成锥区。信号光在锥区传输时，逐渐变细的锥腰半径会使传输光一部分渗透到包层中传播，使得光功率在锥区重新分配，利用这个原理可以制作耦合器、波分复用器和分束器等光纤器件[1]；渗透到包层中的光传输易受外界环境的影响，基于这个原理可以制作各种传感器[2-7]；锥腰逐渐变细将引起光纤群速度色散的改变、色散参数的改变以及非线性系数增强，这些特性会导致脉冲在锥区的展宽，引起超连续谱的产生[8-10]。文中围绕锥形光纤的特性和应用，展示其独特的优势和在现代科技发展中的地位。

1 锥形光纤特性及应用

1.1 锥形光纤引起光功率的重新分配

以单模锥形光纤为例，包层和纤芯在拉锥过程中半径比保持不变[9]，图1为其结构示意图，横坐标表示锥形光纤的锥区长度，纵坐标表示光纤半径，内部为纤芯结构，外部为包层结构。定义锥区直径最小的地方为锥腰，由图1可知，光纤纤芯半径和包层半径越靠近锥腰越小，由于光纤半径的变化引起了光纤中许多参数的改变。

图1 单模拉锥光纤结构模式图

模式是信号光在光纤中的传播方式，模式的多少取决于光纤的结构参数：归一化频率V，其表达式为

式中，λ表示真空中的光波长，在纤芯中，nin表示纤芯折射率，nout表示包层折射率，r（z）表示z值处的纤芯半径；在包层中，nin表示包层折射率，nout表示外界折射率，r（z）表示z值处的包层半径。由（1）式可知，在纤芯中nin、nout不变，当λ一定时，V与r（z）成线性关系；在包层中nin不变，当nout、λ一定时，V与r（z）成线性关系。另一方面，V又与传输光的光功率在纤芯和包层中的分配有关，两者的关系曲线如图2所示，横坐标表示V值的大小，纵坐标表示输出光中包层输出的光功率Pout占输出总光功率P的比值，由图2可知，V的减小会导致光功率在包层中的分配比例增大。因此，在锥形光纤中，由于越靠近锥腰，纤芯半径越小，V值也跟着变小，由此引起纤芯中传播模式减少，光波从一开始主要以纤芯模传播逐渐变为部分转化成包层模传播，出现锥区光功率渗透到包层中的现象，这就是光功率在锥区重新分配的原理。

许多光纤器件就是利用锥区重新分配光功率这一原理，将信号光从一根光纤耦合进入另一根或多根光纤中进行传输，实现多根光纤间光场的耦合，即实现了光纤的连接与分束[1]，从而制成了耦合器、波分复用器和合束器等光纤器件。

图2 PL01及PL11光功率在光纤中的分布

1.2 锥形光纤的干涉滤波功能

信号光最初以基模形式在纤芯中传播，经过锥区时会有部分基模能量耦合到包层中以高阶模形式传输，在纤芯中传播的光与在包层中传播的光由于所处的环境不同（不同的折射率环境，不同的边界条件）使得两路光产生相位差，最终在耦合叠加时会产生干涉滤波效应。清华大学的陈智浩等人利用双锥光纤的结构制成了滤波器[11]，其输出光谱如图3所示，光谱曲线的振荡周期约7 nm。另外，在锥区渗透到包层中的信号光传输受到包层折射率和外界折射率的影响，包层折射率不变，由（1）式可知，当外界折射率越接近包层折射率时，光纤的归一化频率V将越小，在包层中传输的高阶模将越多的耦合成更高阶模渗透到光纤外部，使得光纤内部传输的光能量就会减少。锥形光纤所处的介质折射率不同，会直接影响光波透射到光纤外部的程度和光纤内部的能量衰减情况。利用以上原理可以制成折射率传感器。

图3 双锥光纤滤波器透过谱曲线

图4为加拿大女王大学的Zhaobing Tian等人制作的折射率传感器[2]，在锥形光纤末端镀上金属反射镜，其他部分使用单模光纤，输入端使用宽带光源作为入射光，输出端接入光谱分析仪用来观察输出光谱。当将锥形光纤浸入不同折射率液体中时，输出的干涉光谱会有所移动，实验证明，当浸入在液体中的光纤长度不变时，光谱移动量与液体折射率成线性关系，基于这一特征原理可以测出外界液体折射率。华南师范大学的熊贻坤等人也利用了锥形光纤制成液体折射率传感器[3]，其实验装置如图5所示，入射光使用的是高稳定自发辐射光源，输出端使用普通的光功率计作为光电探测器，测试原理是将锥形光纤浸在不同折射率液体中，根据外界环境折射率的改变引起光纤纤芯所携带光功率占总功率的比值变化的关系，通过这一比值来确定外界折射率，从而制作出了折射率传感器。此外，锥形光纤还可以制成温度传感器[5]和化学传感器[6]等。

图4 单根锥形光纤折射率传感系统示意图

图5 基于锥形光纤的液体折射率传感器系统示意图

随着拉锥技术的进步，拉锥光纤尺寸已达到纳米量级，其中光信号由波导场传输变为倏逝场传输[7]，灵敏度极大增强，在气体、液体、毒品、生物细胞、化学等领域得到了更为广泛的应用。锥形光纤传感器因其抗电磁干扰、制作工艺简单、易于集成等特性，在未来依托于光纤网络的物联网社会中将起着非常重要的作用。

1.3 锥形光纤中超连续谱的产生

超连续谱的产生是由单色高强度的超短脉冲传输到光学非线性介质中，由于各种非线性效应和光纤色散特性的影响，在脉冲频谱内产生新的频率，使得频谱展宽，产生超宽频带。锥形光纤的锥区所引起的光纤色散参量的变大和光纤群速度色散的变化，加剧了交叉相位调制效应，同时光纤有效模场面积的减小，使得光纤单位面积的光功率（光强密度）增大，由于脉冲功率的强弱会影响非线性效应，光强密度增大使得非线性系数增大，从而引发了自相位调制、孤波分裂、受激拉曼散射等非线性效应。因此，锥形光纤作为光学非线性介质，为产生超连续谱创造了有利条件。由于锥形光纤不同的锥区结构有着不同的光学特性，研究表明，锥形光纤的长度和锥区半径对产生超连续谱有着重要的影响[10]，如图6所示。图6（a）表示不同锥腰长度对输出光谱的影响；图6（b）表示不同锥腰半径对输出光谱的影响。锥区长度越长，内部的非线性效应和色散量共同作用距离便越长；锥形光纤半径越小，光纤内光脉冲强度便越大，非线性效应也会越强，所以要产生较宽的频谱应选择较长且较细的锥形光纤。

Dunais于1993年第一次将飞秒脉冲激光注入到锥形光纤中得到连续光谱；2000年Bath大学的T.Birks将飞秒脉冲激光器（波长850 nm）与普通锥形光纤（锥区直径约2 nm，均匀区长9 cm）耦合，首次在普通锥形光纤中输出了超连续谱（370 nm-1 545 nm）；最近Hudson等人于2011年利用As2S3材料的锥形光纤（模场面积0.8 μm2，1 550 nm的非线性系数为12 400 W－1·km-1）产生了970 nm-1 990 nm的中红外超连续谱。随着人们对具有灵活结构设计的光子晶体光纤的深入研究，对于拉锥光子晶体光纤中产生超连续谱领域也进行了探索与实验[9]，其产生的超连续谱激光谱线宽且平坦、稳定性高。

超连续谱被广泛的应用于光谱学和光计量学等基础科学以及工业、光纤通信、光学相干层析、光学频率梳、生物医疗等各个领域之中。拉锥技术的不断发展，为获得更宽频带的超连续谱和提高其相干性、平坦性、噪声特性等方面提供了有利条件。

图6 不同规格锥形光纤的输出光谱

2 结语

锥形光纤因其特殊的锥区结构，产生了光功率的重新分配、光纤内模式的耦合与干涉、非线性效应的增大和光纤色散特性的改变等普通光纤所不具备的新的光学特性，从而在光纤器件的制作、传感器的制作和超连续谱的产生等诸多领域里得到了广泛的研究和应用，对现代科技的发展起到非常重要的作用。

参考文献：

[1]肖志刚，牟银勇，肖云，等.锥形光纤的耦合与分束[J].光电工程，2006，33（1）：63-67.

[2]靖涛，王艳芳.锥形光纤在光纤传感和光纤激光器上的应用[J].信息技术，2010（10）：113-118.

[3]熊贻坤，黄旭光.基于熔融拉锥光纤的液体折射率传感器[J].光学学报，2009，29（7）：1956-1960.

[4]周赢武.基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究[J].光子学报，2012，41（1）：841-844.

[5]Zhan Shan，Xing Jie-wen，Pang Fu-fei，et al.Temperature sensor based on a single-mode tapered optical fiber[J].Journal of Shanghai University（English Edition），2011，15（2）：101-104.

[6]Steward G，Culshaw B.Optical waveguide modeling and design for evanescent field chemical sensors[J].Optical and Quantum Electronics，1994, 26（3）：S249-S259.

[7]刘茜倩，许雪梅，李维，等.光纤倏逝波生物传感器探针新的几何设计[J].光电子技术，2008，28（1）：21-25.

[8]陈海寰，陈子伦，周旋风，等.拉锥光纤产生超连续谱的研究进展[J].激光与光电子学进展，2012（7）：07004.

[9]余志强，陈泳竹，周建英.单模锥形光纤锥区光场及超短脉冲的传输特性[J].光子学报，2009，38（12）：3188-3193.

[10]梁红，郭凯.拉锥光纤与超连续谱的产生[J].西北大学学报：自然科学版，2007，37（6）：982-985.

[11]陈智浩，彭江得，顾东华，等.双锥光纤滤波器的研制[J].光学学报，1997，17（8）：1117-1120.

Properties and application of tapered fiber

WU Xuemei，DONG Xingfa，JIANG Li，LV Zhengbing
（School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

Due to its special geometric structure characteristics of the tapered fiber，many optical properties including the normalized frequency，the effective cross-sectional area，the density of light intensity,group velocity dispersion，nonlinear coefficient in optical fiber have been changed.This paper introduced the technology of tapered fiber widely investigated and used in recent years and analyzed its special functions，such as redistribution of optical power in tapered region，interference filter，pulse frequency broadening，etc.In addition，we explored its wide applications in optical fiber devices making,sensor technology,generation of super-continuum spectrum and many other fields.

tapered fiber；optical fiber devices；sensor；super-continuum spectrum

TN253

A

1672－0687（2015）02－0052－04

责任编辑：艾淑艳

2014－11－20

江苏省企业研究生工作站资助项目（2012-0819）

吴雪梅（1989-），女，江苏扬州人，硕士研究生，研究方向：光纤通信。

*通信联系人：董兴法（1963-），男，教授，博士，硕士生导师，E-mail：dongxfa@mail.usts.edu.cn。