基于侧边抛磨光纤的侧面熔粘耦合的光纤耦合器

·８９８· 光 电 子 · 激 光 ２０１３年 第２４卷
１ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ引 言
光 子 晶 体 光 纤 （ＰＣＦ）或 椭 芯 保 偏 光 纤 （ＥＣＰＭＦ）等 特 种 光 纤 在 光 纤 传 感 、光 纤 通 信 领 域 受 到 广 泛 的 关 注 。 ［１，２］ 但 是 对 ＰＣＦ 等 特 种 光 纤 耦 合 器 研 究 多 为 理 论 基 础 研 究 ［３］，实 际 应 用 中 仍 缺 少 可 靠 的 ＰＣＦ 耦 合 器 件 。 光 纤 耦 合 器 的 传 统 制 作 方 法 主 要 有 熔 融 拉 锥 法 和 ［４～６］ 研 磨 胶 合 法 。 ［７～９］ 前 者 制 作 工 艺 简 单 、成 本 低 和 性 能 结 构 稳 定 ，但 其 熔 融 拉 锥 过 程 会 对 ＰＣＦ 造 成 空 气 孔 塌 缩 或 椭 圆 芯 变 形 ，所 以 不 适 用 于 ＰＣＦ 耦 合 器 的 制 作 。 ［４］ 后 者 制 作 光 纤 耦 合 器 的 耦 合 效 率 可 调 、偏 振 不 敏 感 和 方 向 性 好 ，目 前 报 道 的 ＰＣＦ 耦 合 器 就 是 用 此 方 法 制 作 的 ［８，９］，但 其 制 作 工 艺 复 杂 ，特 别 是 胶 合 热 稳 定 性 和 机 械 稳 定 性 较 差 ，主 要 还 是 在 实 验 室 中 使用。 针 对 目 前 对 于 特 种 光 纤 耦 合 器 的 需 求 ，本 文 融 合 熔 融 拉 锥 法 和 研 磨 胶 合 法 的 优 点 ，提 出 一 种 光 纤 侧 边 抛 磨 、侧 面 熔 粘 （ＦＳＡ）耦 合 的 光 纤 耦 合 器 制 作 方 法 。 首 先 采 用 特 殊 工 艺 将 ＰＣＦ 等 特 种 光 纤 进 行 轴 向 姿 态 控 制 下 的 侧 边 抛 磨 ，保 证 抛 磨 形 状 的 对 称 性 ；再 将 两 根 经 特 殊 侧 边 抛 磨 的 ＰＣＦ 抛 磨 面 平 行 粘 合 ，使 用 石 英 粉 作 为 助 粘 剂 ，用 火 焰 加 热 石 英 粉 形 成 ＦＳＡ 层 ，使 两 根 光 纤 熔 融 粘 合 在 一 起 制 成 光 纤 耦 合 器 。 此 技 术 过 程 不 需 要 拉 锥 ，因 此 可 减 少 空 气 孔 结 构 塌 缩 ；同 时 不 用 传 统 的 光 学 胶 ，因 此 增 强 了 器 件 的 机 械 稳 定 性 。 作 为 可 行 性 的 验 证 ，本 文 利 用 单 模 光 纤 （ＳＭＦ）替 代 昂 贵 的 ＰＣＦ 制 作 出 光 纤 侧 边 抛 磨 、侧 面 ＦＳＡ 的 光 纤 耦 合 器 ，并 测 试 了 耦 合 器 的 相 关 特 性 参 数 。
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６３２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ，Ｊｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａ ｆｕｓｅｄ ｓｉｄｅ－ａｄｈｅｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｄｅ－ｐｏｌｉｓｈｅｄ ｆｉｂｅｒｓ
ＹＵ Ｊｉｎ－ｂｏ１，ＣＨＥＮ Ｚｈｅ１，２，ＬＵＯ Ｙｕｎ－ｈａｎ１，２＊ ，ＧＥ Ｊｉａ１，ＴＡＮＧ Ｊｉｅ－ｙｕａｎ１，２，ＹＵ Ｊｉａｎ－ｈｕｉ １，２
摘 要 ：针 对 熔 融 拉 锥 法 难 以 应 用 于 制 作 特 种 光 纤 耦 合 器 的 情 况 ，研 究 设 计 了 一 种 适 用 于 光 子 晶 体 光 纤 （ＰＣＦ）或 椭 芯 保 偏 光 纤 （ＥＣＰＭＦ）等 特 种 光 纤 耦 合 器 制 作 的 光 纤 侧 边 抛 磨 、侧 面 熔 粘 （ＦＳＡ） 耦 合 方 法 。 通 过 建 立 仿 真 模 型 优 化 了 光 纤 侧 边 抛 磨 的 抛 磨 区 包 层 剩 余 厚 度 等 关 键 参 数 ，利 用 侧 边 抛 磨 单 模 光 纤 （ＳＭＦ）成 功 制 作 出 ＦＳＡ 侧 边 抛 磨 光 纤 耦 合 器 ，并 测 试 了 光 纤 耦 合 器 的 相 关 特 性 参 数 。 实 验 结 果 显 示 ，侧 面 ＦＳＡ 耦 合 方 法 可 制 作 耦 合 比 （ＣＲ）为 ０～９０％ 的 特 种 光 纤 耦 合 器 ；所 制 作 的 光 纤 耦 合 器 附 加 损 耗 （ＥＬ）小 于０．５ｄＢ；在 １００ｎｍ光 波 长 范 围 内 ，波 长 相 关 损 耗 （ＷＤＬ）小 于 １ｄＢ；耦 合 输 出 端 的 偏 振 相 关 损 耗 （ＰＤＬ）在 光 波 长１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍ 处 分 别 为０．３０ｄＢ、０．４５ｄＢ。 研 究 结 果 验 证 了 光 纤 侧 边 抛 磨 、侧 面 ＦＳＡ 耦 合 方 法 制 作 特 种 光 纤 耦 合 器 的 可 行 性 ，为 有 特 殊 要 求 的 ＰＣＦ 或 ＥＣＰＭＦ 等 特 种 光 纤 耦 合 器 制 作 奠 定 了 方 法 基 础 。 关 键 词 ：侧 边 抛 磨 光 纤 ；熔 粘 （ＦＳＡ）耦 合 ；光 子 晶 体 光 纤 （ＰＣＦ）；光 纤 耦 合 器 ；纳 米 石 英 粉 中 图 分 类 号 ：ＴＮ９２９．１１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００５－００８６（２０１３）０５－０８９７－０６
光电子·激光 第２４卷 第５期 ２０１３年５月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ·Ｌａｓｅｒ Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１３
基于侧边抛磨光纤的侧面熔粘耦合的光纤耦合器
余金波１，陈 哲１，２，罗云瀚１，２＊ ，葛 嘉１，唐洁媛１，２，余健辉１，２
（１．暨南大学 理工学院 光电工程系，广东 广州 ５１０６３２；２．暨南大学 光电信息与传感技术广东普通高校重点实 验室，广东 广州 ５１０６３２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｆｕｓｅｄ ｔａｐｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｐｅｃｉａｌ ｆｉｂｅｒｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ （ＰＣＦ）ａｎｄ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｃｏｒｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ （ＥＣＰＭＦ），ａ ｎｅｗ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｕｓｅｄ ｓｉｄｅ－ａｄｈｅｒｅｄ（ＦＳＡ）ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｐａｉｒ ｏｆ ｓｉｄｅ－ｐｏｌ－ ｉｓｈｅｄ ｆｉｂｅｒｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｉｄｅ ｐｏｌｉｓｈｅｄ ｆｉｂｅｒ，ｌｉｋｅ ｔｈｅ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｌｉｓｈｅｄ ａｒｅａ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏ－ ｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｅ ｃｏｎｄｕｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｆａｂｒｉｃａｔｅ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｆｒｏｍ ０％ｔｏ ９０％ ｃａｎ ｂｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＦＳＡ ｍｅｔｈｏｄ，ｅｘｃｅｓｓ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｒｔｓ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｅ－ ｐｅｎｄｅｎｃｅ ｌｏｓｓ ａｒｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．５ｄＢ，ａｎｄ １ｄＢ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｏｒｔ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅ－ ｐｅｎｄｅｎｃｅ ｌｏｓｓ ｉｓ ０．３ｄＢ ａｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ １３１０ｎｍ ａｎｄ ０．４５ｄＢ ａｔ １５５０ｎｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＦＳＡ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅ，ａｎｄ ｓｕｐｐｌｉｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｉｎ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｏｐｔｉ－ ｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｐｅｃｉａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ｓｐｅｃｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｄｅ－ｐｏｌｉｓｈｅｄ ｆｉｂｅｒ；ｆｕｓｅｄ ｓｉｄｅ－ａｄｈｅｒｅｄ（ＦＳＡ）ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ（ＰＣＦ）；ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒ；ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｓｉｌｉｃａ ｐｏｗｄｅｒ
与 包 层 几 乎 一 样 ，因 此 可 以 有 效 地 实 现 两 根 侧 边 抛 磨 光 纤 的 机 械 粘 合 ；并 且 ，由 于 熔 融 过 程 不 需 要 拉 锥 ，不 会 破 坏 特 殊 光 纤 的 导 光 结 构 ，因 此 可 减 少 空 气 孔 结 构 塌 缩 ；同 时 不 用 传 统 光 学 胶 ，因 此 也 增 强 了 器 件 的 机 械 稳 定 性 。 所 以 ，ＦＳＡ 方 法 适 用 于 制 作 ＰＣＦ 等 特 种 光 纤 耦 合 器 。
２ 耦合器制作原理及模型仿真计算
２．１ ＦＳＡ 侧边抛磨光纤耦合器工作原理 当 两 根 平 行 光 纤 的 纤 芯 相 互 靠 近 至 几 μｍ 时 ，依 靠 倏 逝 场 的 作 用 ，可 以 实 现 光 场 的 相 互 耦 合 。 ［１０］ 如 图 １（ａ）所 示 ，用 侧 边 抛 磨 方 法 将 光 纤 的 包 层 抛 磨 至 距 纤 芯 表 面 仅 几 μｍ，使 两 根 侧 边 抛 磨 光 纤 抛 磨 面 平 行 贴 近 ，保 证 两 根 纤 芯 平 行 靠 近 ，由 于 倏 逝 场 的 作 用 ，就 会 产 生 光 功 率 耦 合 效 应 。 为 了 保 证 光 功 率 耦 合 效 应 的 长 期 稳 定 ，在 两 根 侧 边 抛 磨 光 纤 耦 合 位 置 涂 覆 石 英 粉 ，形 成 两 个 侧 边 抛 磨 光 纤 与 纳 米 石 英 粉 的 夹 芯 结 构 ，如 图 １（ｂ）、（ｃ） 所 示 。 使 用 Ｈ·Ｏ 焰 熔 融 石 英 粉 ，形 成 两 根 侧 边 抛 磨 光 纤 间 的 ＦＳＡ 层 ，可 使 两 根 纤 芯 熔 粘 在 一 起 形 成 机 械 结 构 稳 定 的 ＦＳＡ 侧 边 抛 磨 光 纤 耦 合 器 。 由于所用石英粉的折射率与光纤包层的折射率相 近 ，而 且 由 石 英 粉 熔 融 形 成 的 ＦＳＡ 层 的 机 械 特 性