基于光纤拉锥模场匹配技术的光子晶体光纤拉锥低损耗熔接

收 稿 日 期 ：２０１２－０４－０６；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１２－０５－０８ 基 金 项 目 ：上 海 市 重 点 学 科 建 设 项 目 （Ｓ３０１０５）资 助 课 题 。 作 者 简 介 ：杨 清 （１９８６— ），男 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 光 纤 光 栅 及 光 子 晶 体 光 纤 等 方 面 的 研 究 。
图１ ＰＣＦ 的扫描电子显微镜图像 Ｆｉｇ．１ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ｉｍａｇｅｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ＰＣＦ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎｓ
非常困 难 的。 为 了 让 它 们 实 现 与 ＳＭＦ 的 模 场 匹 配，接下来 利 用 熔 融 拉 锥 机 来 改 变 ＰＣＦ２ 和 ＰＣＦ３ 的模场直径。
－２ｕ２
ω ω ＋ ２ ＰＣＦ
２ ＳＭＦ
×
（ ）］ ｅｘｐ
ｋｎ θω ω － ２ ２ ２ ２ ２
０ ＳｉＯ２
ＳＭＦ ＰＣＦ
ω ω ＋ ２ ＳＭＦ
２ ＰＣＦ
，
Fra Baidu bibliotek
（１）
式中ωＰＣＦ 和 ωＳＭＦ 分 别 代 表 ＰＣＦ 和 ＳＭＦ 的 模 场 直
径，ｕ 为 横 向 偏 移 量，θ 为 轴 向 的 倾 斜 角 度，ｋ０ 为 自
１ 引 言
近年来，光 子 晶 体 光 纤 （ＰＣＦ）［１］因 其 独 特 的 微 结构及其色散、非线性等多种特性［２］，正经历着 飞 速
的发展。ＰＣＦ 的横截 面 上 有 较 复 杂 的 折 射 率 分 布，
通常含有不同排列 形 式 的 气 孔，这 些 气 孔 的 尺 度 与 光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度， 光波可以 被 限 制 在 光 纤 芯 区 传 播。ＰＣＦ 有 很 多 奇 特的性质如：可以在 很 宽 的 带 宽 范 围 内 只 支 持 一 个
光学设备相 结 合 时，ＰＣＦ 和 ＳＭＦ 的 低 损 耗 熔 接 显 得非常必要。如何 降 低 耦 合 损 耗、寻 求 最 佳 耦 合 方 案已成为 当 务 之 急。 自 １９９９ 年 Ｂｅｎｎｅｔｔ等 第 ［８］ 一 次成功报告了 ＰＣＦ 和 ＳＭＦ 熔 接 以 来，出 现 了 各 种 熔接方式，例如电弧多次放电 熔 接 法［９，１０］、ＣＯ２ 激 光 熔接法［１１］、梯度折射率光纤透镜熔接法 以 ［１２］ 及采用 过渡光纤 等 ［１３］ 。这些方法都 有 一 些 不 足，如 采 用 电
根据传统光纤 的 理 论，光 纤 之 间 的 连 接 损 耗 受 模场匹配、横向偏移、轴向 倾 斜 等 因 素 的 影 响［１４］，当
用常规电弧放电去熔接 ＰＣＦ 和其他光纤的时候，这
个熔接损耗可以表达为
［（ ） （ ） αＣ ＝－１０ｌｇ
２ωＰＣＦωＳＭＦ
ω ω ＋ ２ ＰＣＦ
２ ＳＭＦ
２
ｅｘｐ
由空间的波数，ｎＳｉＯ２ 为二氧化硅的折射率。 ２．２ ＰＣＦ 的 预 处 理
在实验中，ＰＣＦ２和 ＰＣＦ３在 １５５０ｎｍ 波 段 的 模
场直径分别为 ３．５９μｍ 和 １４．５３μｍ。 根据（１）式， 当 忽 略 横 向 偏 移 、轴 向 倾 斜 等 因 素 时 ，其 理 论 损 耗 是
４．２ｄＢ 和 ０．５ｄＢ，这 也 是 非 常 大 的，因 为 ＰＣＦ 和 ＳＭＦ 的模场明显不匹配，要想低损耗的熔接它们是
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｌｏｗ－ｌｏｓｓ ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ （ＰＣＦ）ａｎｄ ｎｏｒｍａｌ ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ （ＳＭＦ）ｉｓ ａ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＣＦ．Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｌｏｗ ｌｏｓｓ
在对 ＰＣＦ空气 孔 实 现 塌 缩 操 作 过 程 中，由 于 光 纤波导结构的改变将会引入额外的损耗。但是只要 控制好空气孔塌缩区域的结构，让其满足 波 导 的 渐
变 条 件［１５］。 这 种 形 变 在 光 纤 中 引 起 的 损 耗 就 可 以 忽 略 。 在 实 验 中 我 们 通 过 设 置 拉 锥 速 度 为 ０，起 始 扫 距 为１５ｍｍ，最终扫距为１０ｍｍ，每次增量为０．２ ｍｍ， 扫描速度为 ３ ｍｍ／ｓ等熔 融 拉 锥 参 数 来 实 现 这 种 渐 变 的 扫 描 。 火 焰 扫 描 路 径 如 图 ２（ｂ）所 示 ，在 实 验 中 ， 火焰移动的距离会渐渐减小，最后得到大约５ｍｍ 的 渐 变 区 域 ，实 验 结 束 后 ，在 渐 变 的 区 域 切 开 ，最 终 获 得 两个锥形部分，如图３（ｃ）所示。
１００６００１－２
杨 清 等 ： 基 于 光 纤 拉 锥 模 场 匹 配 技 术 的 光 子 晶 体 光 纤 低 损 耗 熔 接
２．２．１ ＰＣＦ２ 模 场 直 径 的 扩 大 方 法 基于精确控制空气孔塌陷来扩大 ＰＣＦ２ 模场直
径的原理如图 ２（ｂ）所 示。 实 验 中 通 过 控 制 氢 气 流 量和火焰来回扫描的速度可以控制加热区的温度， 从而实现 ＰＣＦ 空气孔的精确塌缩。
的器件制作提供了有价值的参考。
２ ＰＣＦ 和 ＳＭＦ 的熔接
２．１ 光 纤 参 数 表１描绘了 本 实 验 用 到 的 三 种 不 同 ＰＣＦ 的 具
体 参 数。 这 三 种 不 同 ＰＣＦ 分 别 标 注 为 ＰＣＦ１、 ＰＣＦ２、ＰＣＦ３，其 相 应 的 横 截 面 如 图 １ 所 示 。
表１ ＰＣＦ 参数，包含１５５０ｎｍ 波段的模场直径 Ｔａｂｌｅ １ ＰＣＦ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ（ＭＦＤ）ａｔ １５５０ｎｍ
ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ＰＣＦ ａｎｄ ＳＭＦ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ
ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ＰＣＦ ａｎｄ ＳＭＦ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃｓ；ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ；ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｌｏｓｓ；ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ０６０．２３１０；０６０．４５１０；０６０．２３６０；０６０．５２９５；０６０．２４３０１
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｑｉｎｇ５＠ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 导 师 简 介 ：施 解 龙 （１９６０— ），男 ，博 士 ，副 教 授 ，主 要 从 事 光 纤 光 栅 、光 通 信 器 件 等 方 面 的 研 究 。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｊｌｏｎｇ＠ｓｔａｆｆ．ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（通 信 联 系 人 ）
１００６００１－１
ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｙ ｆｕｓｉｏｎ ｔａｐｅｒ ｒｉｇ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｈａｔ ｃｈａｎｇｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅ－ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ （ＭＦＤ）ｉｓ ｆｉｒｓｔ ｄｏｎｅ ｂｙ ｆｕｓｉｏｎ ｔａｐｅｒ ｒｉｇ．Ｕｓｉｎｇ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｒｃ－ｆｕｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｆｕｓｉｏｎ ｔａｐｅｒ ｒｉｇ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｌｏｓｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＰＣＦ ａｎｄ ＳＭＦ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＰＣＦ ａｎｄ ＳＭＦ ｉｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｆｕｓｉｏｎ ｔａｐｅｒ ｒｉｇ′ｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｌｏｓｓ ｃａｎ ｄｒｏｐ ｔｏ ｂｅｌｏｗ０．３ ｄＢ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｉｎ ｒｅｔｕｒｎ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｅｔｓ ｏｆ ｆｕｓｉｏｎ ｓｐｌｉｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｎｄ ｌｏｗ－ｌｏｓｓ，
第 ３２ 卷 第 １０ 期 ２０１２ 年 １０ 月
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１０ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１２
基于光纤拉锥模场匹配技术的光子晶体 光纤低损耗熔接
杨 清 施解龙 孙伟胜 黄图斌
（上海大学理学院物理系，上海 ２００４４４）
摘要 光子晶体光纤（ＰＣＦ）与普通单模光纤（ＳＭＦ）的 低 损 耗 熔 接 技 术 是 光 子 晶 体 光 纤 走 向 实 用 化 必 须 解 决 的 关 键技术问题。提出一种基于光纤拉锥模场匹配技术的光子晶体光纤低损耗熔接 的 新 方 法，利 用 熔 融 拉 锥 机 对 模 场 不匹配的两类 ＰＣＦ 进行预处理，结合常规电弧放电熔接技术对三种不同类型的 ＰＣＦ 与 ＳＭＦ 的熔接损耗 进 行 实 验 研 究。在实验中通过精确控制熔融拉锥机各种参数，实现了不同模场直径 ＰＣＦ 和 ＳＭＦ 的模场匹配，该方案同时通 过优化各种电弧放电参数，使熔接后的损耗降到了 ０．３ｄＢ 以 下，实 现 了 ＰＣＦ－ＳＭＦ 之 间 低 损 耗、高 强 度 的 熔 接，满 足了不同模场 ＰＣＦ 实际应用的要求，具有很好的潜在应用价值。 关 键 词 光 纤 光 学 ；光 子 晶 体 光 纤 ；熔 接 损 耗 ；电 弧 放 电 ；单 模 光 纤 中 图 分 类 号 ＴＮ９２９．１１ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１２３２．１００６００１
光 学 学 报
模 式 传 输［３］；包 层 区 气 孔 的 排 列 方 式 能 够 极 大 地 影 弧多次放 电 技 术，虽 然 可 以 控 制 ＰＣＦ 空 气 孔 的 塌
响模式性质；排列不 对 称 的 气 孔 使 其 也 可 以 产 生 很 缩，但是不能精确地 控 制 空 气 孔 的 塌 缩 长 度 和 塌 缩
大的双折射效应等。
程 度 ，这 样 导 致 获 得 的 最 低 熔 接 损 耗 仍 然 较 大 ；其 他
随着 ＰＣＦ 应用的不断推广，近来人们对于小芯 径和大模场 ＰＣＦ 也产生了广泛的兴趣，如气体和液 体传感器［４］、表面 等 离 子 体 共 振 传 感 器 和 ［５］ 高 非 线 性应用 等 ［６］ 。然而，现实中大量的光学设备，如 激 光 光源、光 学 检 测 器 件 和 光 学 开 关 等 ［７］ 都 用 传 统 单 模 光纤（ＳＭＦ）作为连 接，考 虑 到 这 种 特 殊 应 用 和 传 统
Ｆｉｂｅｒ ＰＣＦ１ ［Ｆｉｇ．１（ａ）］ ＰＣＦ２ ［Ｆｉｇ．１（ｂ）］ ＰＣＦ３ ［Ｆｉｇ．１（ｃ）］
Ｃｌａｄｄｉｎｇ／μｍ １２５ １２５ １２５
Ｈｏｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ／μｍ ５．２３ ２．５６ ２．１１
Ｈｏｌｅ ｐｉｔｃｈ／μｍ ８．１０ ４．１３ ３．５８
ＭＦＤ／μｍ １０．４０ ３．５９ １４．５３
一 些 方 法 存 在 成 本 过 高 、系 统 复 杂 、或 光 纤 结 构 受 限 等缺点。基于这些 原 因，提 出 基 于 光 纤 拉 锥 模 场 匹 配技术的 ＰＣＦ 低损耗熔接的新方法，这种方法不但 不限制光纤尺寸，即 可 以 同 时 缓 解 小 芯 径 和 大 模 场 ＰＣＦ 与 ＳＭＦ 的 模 场 失 配 问 题；同 时 还 能 精 确 控 制 空气孔的塌缩长度 和 塌 缩 程 度，这 为 不 同 模 场 ＰＣＦ
Ｌｏｗ－Ｌｏｓｓ Ｓｐｌｉｃｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｍｏｄｅ－Ｆｉｅｌｄ Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｙ Ｆｕｓｉｏｎ Ｔａｐｅｒ Ｒｉｇ
Ｙａｎｇ Ｑｉｎｇ Ｓｈｉ Ｊｉｅｌｏｎｇ Ｓｕｎ Ｗｅｉｓｈｅｎｇ Ｈｕａｎｇ Ｔｕｂｉｎ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４４４，Ｃｈｉｎａ）