空芯光子晶體光纖熔接技術(shù)研究

李曉倩, 高壽飛, 汪瀅瑩, 王 璞

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 100124)

空芯光子晶體光纖熔接技術(shù)研究

李曉倩, 高壽飛, 汪瀅瑩, 王 璞

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 100124)

空芯光子晶體光纖(HC-PCF)因其利用纖芯的空氣導(dǎo)光而具有高損傷閾值、低損耗、低色散、低非線性等優(yōu)點。此外，HC-PCF纖芯中空氣的折射率溫度系數(shù)、Verdet系數(shù)、Kerr系數(shù)遠小于石英，在光纖陀螺中有獨特的優(yōu)勢。但是在向?qū)嶋H應(yīng)用邁進的過程中，必須要解決HC-PCF與普通單模光纖以及自身簡便、低損耗的熔接問題?；跓嶂聰U芯技術(shù)和過渡光纖兩種模場匹配方法，研究了HC-PCF和普通單模光纖之間的熔接問題，將兩者的熔接損耗由直接熔接的1.4dB降至0.73dB。此外，研究了HC-PCF與其自身的熔接，通過兩步放電熔接法，得到高強度低損耗的熔點，熔接損耗為0.52dB。

光子晶體光纖；空芯光纖；光纖陀螺；熔接損耗；模場匹配

0 引言

與傳統(tǒng)光纖相比，光子晶體光纖(PCF)由于其獨特的光學(xué)特性引起人們的廣泛關(guān)注，其具有色散可調(diào)、非線性特性可調(diào)、可以實現(xiàn)無截止單模等優(yōu)點[1]。其中空芯光子晶體光纖(HC-PCF)因其利用纖芯的空氣導(dǎo)光而具有一些顯著的優(yōu)點。相比實芯光纖，HC-PCF可以利用空氣超低的瑞利散射和非線性系數(shù)(比所有玻璃材料低幾個數(shù)量級)，原則上實現(xiàn)超低損耗和低非線性的光傳輸[2-3]。此外，HC-PCF還可以提供更高的傳播速度(即更小的延遲)和激光損傷閾值[4]。在光纖傳感、光纖通信、非線性光學(xué)、高能激光傳輸?shù)阮I(lǐng)域扮演著越來越重要的角色[5-8]。

光纖陀螺具有高可靠性、長壽命、高精度、小體積等特點[9]，被廣泛用于海陸空等領(lǐng)域的角度測量。但在實際應(yīng)用中，光纖陀螺存在溫度敏感、噪聲大、抗輻射性能差等問題。由于HC-PCF纖芯中空氣的折射率溫度系數(shù)、Verdet系數(shù)、Kerr系數(shù)遠小于石英，將HC-PCF用于光纖陀螺，尤其是諧振式光纖陀螺的光纖線圈，可以很好地降低上述環(huán)境因素導(dǎo)致的陀螺誤差。然而實際使用中，需要考慮HC-PCF與常用單模光纖(SMF28)的熔接以及與自身的熔接。由于HC-PCF的特殊空氣孔結(jié)構(gòu)在熔接過程中容易塌陷，以及不同于SMF28的模場直徑，直接熔接會導(dǎo)致?lián)p耗很大甚至無法使用。所以實現(xiàn)熔接后HC-PCF結(jié)構(gòu)完整、損耗較小、傳輸特性不變是其走向?qū)嵱没仨毥鉀Q的一個關(guān)鍵問題。

目前市場上大部分商業(yè)化光纖熔接機都是針對普通光纖的熔接設(shè)計的，這些熔接機程序很難識別HC-PCF，因此需要尋找其他熔接方法。2001年，J.T.Lizier 和 G.E.Town[11]首次對多孔光纖與常規(guī)階躍折射率光纖之間的熔接損耗進行研究，研究中采用時域有限差分法模擬仿真了多孔光纖與常規(guī)階躍折射率光纖之間的熔接損耗；2003年，加拿大B.Bourlianguet等[12]對HC-PCF和SMF28的熔接問題進行了研究，熔接損耗集中在1.1dB左右，HC-PCF空氣孔有塌陷；2005年，A.D.Yablon和R.T.Bise[13]在實驗中引入階躍折射率光纖透鏡，實現(xiàn)了PCF之間、PCF和SMF28之間的低損耗熔接，熔接損耗最低為0.44dB；2008年，丹麥科技大學(xué)J.T.Kristensen等[14]報告了單模保偏光纖和HC-PCF的低損耗熔接，熔接損耗為(0.62±0.24)dB；2016年，法國里摩日大學(xué)的Zheng等[15]第一次將內(nèi)擺型Kagome光纖拉錐與SMF熔接，得到的最低損耗為0.48dB。

近些年來，國內(nèi)學(xué)者對HC-PCF熔接問題的研究也取得了一定的成果。2006年清華大學(xué)的張巍等[16]對高非線性PCF與SMF間的熔接問題進行研究，通過調(diào)整熔接條件將兩光纖的熔接損耗降到1dB以下；2011國防科技大學(xué)的周旋風(fēng)等[17]研究了模場不匹配的PCF和SMF的熔接問題，通過光纖拉錐機加熱控制PCF空氣孔塌縮，解決了兩待熔光纖模場失配問題，得到最低損耗值為0.64dB；2013年重慶大學(xué)的朱濤等[18]通過對HC-PCF空氣孔填充N2，控制空氣孔的塌陷程度，得到了1.05dB的低損耗熔接；2014年，北京工業(yè)大學(xué)高飛等[19]對HC-PCF與SMF28光纖熔接損耗作了理論分析和實驗研究，得到最低熔接損耗為0.73dB。

本文對HC-PCF的熔接問題進行了詳細研究，首先從理論上分析了影響HC-PCF熔接損耗的因素。實驗中通過引入一段高V值的過渡光纖，采用熱致擴芯技術(shù)匹配模場，實驗探索了HC-PCF與常用的單模光纖的熔接損耗。通過采用兩步放電加熱的方法，實現(xiàn)了HC-PCF和其自身高強度、低損耗熔接。

1 熔接損耗分析

由于HC-PCF特殊的空氣孔包層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熔接相當困難，因此了解影響熔接損耗的因素是實現(xiàn)低損耗熔接的必要前提。影響熔接損耗的因素有許多[12]，其中主要因素如下。

1.1 光纖之間的對準

這是影響光纖熔接損耗的首要前提條件。精確的對準能夠減小光纖端面的散射損耗以及保證兩光纖中傳輸光很好的耦合。熔接系統(tǒng)夾具夾持力的大小對光纖的幾何形狀的影響，夾具夾持光纖的位置，以及光纖放置的位置都會影響光纖之間的對準。其次，光纖端面的切割質(zhì)量和熔接系統(tǒng)對光纖的對準精度，也是影響光纖之間對準的關(guān)鍵因素。目前市面上出售的熔接機和切割刀在正確的使用前提下，基本可以實現(xiàn)無角度或小角度切割和精確對準。

1.2 HC-PCF包層空氣孔的塌陷

這是影響光纖熔接損耗的關(guān)鍵因素。熔接機在熔接光纖時，先預(yù)放電加熱融化兩光纖端面，再輕輕推壓光纖形成一個節(jié)點，然后再在節(jié)點位置主放電，增加節(jié)點機械強度。由于HC-PCF的包層是由壁厚幾百微米的空芯毛細管構(gòu)成，熔點要小于普通單模光纖。在加熱熔接過程中，包層毛細管受熱容易塌陷，導(dǎo)致HC-PCF波導(dǎo)結(jié)構(gòu)破壞，引起熔接點傳輸光的泄露，使熔接損耗過高。Limin Xiao等[20]通過優(yōu)化熔接參數(shù)，使HC-PCF與普通單模光纖的端面偏離電極中心一定位置，優(yōu)化放電電流和時間，采用小電流多次放電方法，將對HC-PCF包層結(jié)構(gòu)的破壞降至最低，得到了低的熔接損耗。

1.3 模場失配

這是影響光纖熔接損耗的主要因素。模場失配引起的損耗如下[21]

(1)

式中,2ωPCF和2ωSMF分別為HC-PCF和單模光纖的模場直徑。由式(1)可知，當兩光纖模場直徑相等或者相差較小時，模場失配引起的損耗最小。由此可得，對于模場直徑相近的兩光纖，合理調(diào)整熔接參數(shù)，盡量保持待熔光纖包層結(jié)構(gòu)的完整，就可以將熔接損耗降到最小。然而熔接模場直徑相差較大的光纖，盡管沒有破壞HC-PCF包層空氣孔結(jié)構(gòu)，但熔接損耗仍然很大，主要是兩光纖模場失配導(dǎo)致傳輸光泄露引起。Zheng等[15]通過光纖拉錐模場匹配技術(shù)，實現(xiàn)了HC-PCF與SMF的低損耗熔接。

1.4 光纖端面的影響

由于光子晶體光纖和普通單模光纖端面的折射率分布不同，光在端面?zhèn)鬏敃r，會引起菲涅爾反射，同時光子晶體光纖與普通單模光纖連接處的波導(dǎo)介質(zhì)不均勻，引起瑞利散射，都會導(dǎo)致熔接損耗的增大。所以在熔接過程中光纖端面切割、清潔等預(yù)處理環(huán)節(jié)也非常的重要。

2 實驗

實驗中所使用的空芯光子晶體光纖為1.55μm導(dǎo)光的7芯HC-PCF(HC-PCF,NKT,丹麥),其截面照片如圖1(a)所示。纖芯直徑約為10μm，氣孔間距約為3.8μm，空氣填充率為0.97。光纖在波長1550nm處表現(xiàn)出單模傳輸如圖1(b)所示，采用模場直徑測量儀測得模場直徑約為8.8μm，與NKT公司提供的數(shù)據(jù)接近(9μm±1μm)[22]。

圖1 光子晶體光纖:(a)光纖端面;(b)光纖模場Fig.1 PCF:(a)Schematic fiber cross section; (b)Mode field

2.1 HC-PCF和SMF28的熔接

現(xiàn)實中大量的光學(xué)設(shè)備，如激光光源都用傳統(tǒng)SMF28作為連接，考慮HC-PCF特殊應(yīng)用和傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備相結(jié)合時，HC-PCF和SMF28的低損耗熔接顯得非常必要。本文采用一段高V值的過渡光纖SM1950，將HC-PCF與SMF28的熔接損耗由直接熔接1.4dB降低至0.73dB。

利用一個自由空間望遠系統(tǒng)和和一個商用的光束質(zhì)量分析儀(BP209，Thorlabs，美國)，分別測量三種光纖(SMF28、SM1950和HC-PCF)在波長1550 nm處傳輸模式輪廓，如圖2所示。模場直徑取最大功率強度的1/e2，三種光纖SMF28、SM1950和HC-PCF的模場直徑分別為10.6μm、7.8μm和8.8μm，誤差為±1μm。對比三種光纖的模場直徑，SM1950的模場直徑更接近HC-PCF，兩者更容易實現(xiàn)模場匹配，進而降低熔接損耗，所以選擇SM1950作為過渡光纖。此外，SM1950光纖的V=2.836，離光纖的單模標準V=2.405不是很遠，通過與SMF28光纖進行絕熱熔接，可相對容易地工作在單模狀態(tài)；再者，目前實芯光纖的熔接技術(shù)已經(jīng)非常成熟，SM1950和SMF28之間的熔接損耗可以很容易降至很小。

圖2 不同光纖模式輪廓：SMF28(綠色);SM1950(紅色);HC-PCF(黑色)Fig.2 Mode profiles of SMF-28(green);SM1950(red);HC-PCF(black)

測量熔接損耗所用光源是穩(wěn)定的ASE光源，中心波長為1550nm，光譜帶寬為5nm，輸出功率為(24±0.01)mW。測量功率所用的是靈敏的光敏功率計(818IR，Newport，美國)。測得SMF28和HC-PCF的直接熔接損耗為1.4dB。

實驗第一步是實現(xiàn)SMF28到SM1950的低損耗絕熱熔接。兩者直接熔接損耗為0.87dB。使用光纖拉錐機在1350℃的氫氧焰下對SM1950光纖一端約10mm長的區(qū)域掃描加熱25min后，模場直徑擴大至10μm，接近SMF28光纖的模場直徑。在此熱致擴芯過程中，沒有測量到明顯的插入損耗。使用熔接機(FSM-60s，藤倉，日本)將處理后的SM1950光纖和SMF28光纖熔接，測得熔接損耗減小至0.1dB。為檢測模式純度，測量了SM1950輸出端光束的M2為1.02。證實在此段高V值光纖中幾乎都是基模。

實驗第二步是使用熔接機將SM1950另一端和HC-PCF低損耗熔接。多次實驗摸索到最優(yōu)參數(shù)為：兩光纖熔接點偏離電極30μm，間隙值為10μm，重疊值為7μm，熔接機放電功率為-55bit，放電時間為100ms。通過10次熔接實驗測試，測得熔接損耗為0.63dB±0.05dB。圖3所示為熔接后熔點圖像，HC-PCF沒有觀察到明顯的塌陷。對比其他組使用階躍折射率光纖得到的最低熔接損耗0.79dB[14]，該實驗結(jié)果更低。最后加上SMF28光纖到SM1950之間約0.1dB的損耗，得到從SMF28到HC-PCF總的熔接損耗為0.73dB。這一結(jié)果優(yōu)于先前報道的結(jié)果[23]

圖3 (a)SMF28和SM1950熔接點;(b)SM1950和HC-PCF熔接點Fig.3 Splice point of (a)SMF28 and SM1950;(b)SM1950 and HC-PCF

2.2 PCF和自身的熔接

在實際使用過程中HC-PCF發(fā)生斷裂，需要在斷點將其熔接。但由于HC-PCF的多孔結(jié)構(gòu)，使用普通光纖的熔接方法直接熔接HC-PCF是行不通的，會存在孔洞塌縮、熔接損耗大、強度低等問題。本文通過使用特種光纖熔接機(GPX-3600，Vytran，美國)，采用兩步放電熔接的方法，自主編輯程序優(yōu)化熔接過程，完成了HC-PCF和HC-PCF之間低損耗高強度的熔接。

實驗中在一根HC-PCF端面連接光源，另一根端面連接光敏功率計。熔接具體過程分為兩步：第一步采用小電流、短時間放電，保證光纖結(jié)構(gòu)盡量不塌陷、熔接損耗低于對接損耗條件下將兩光纖初步熔接；第二步通過再次放電掃描燒結(jié)熔點的方法提高熔接點的強度。

第一步具體過程為：先將待熔的2根HC-PCF端面剝?nèi)ネ扛矊?、清潔、切割，此過程中清潔不干凈，端面切割質(zhì)量不好都會影響光纖熔接損耗。然后，將待熔HC-PCF處理過的端面固定在熔接機夾具上，設(shè)置光纖間距，粗調(diào)光纖中心線使其對準，再微調(diào)對準，同時監(jiān)測功率計示數(shù)，待功率達到最大時，停止對準。最后，設(shè)置放電量、放電時間、兩光纖重疊量，進行放電將光纖端面融化、推進，完成熔接過程。

通過第一步的熔接，熔接點只是輕微的粘在一起，沒有很好的熔合，光纖的微小彎曲就會導(dǎo)致熔點的斷裂。在第二步中，設(shè)置一定的重疊量，調(diào)整放電時間和放電量，對熔接點進行再次放電。此過程中需要保證光纖由外向內(nèi)熱量衰減快，到達纖芯區(qū)域的熱量很小，減小對纖芯結(jié)構(gòu)的影響，同時又能有足夠的熱量將光纖外壁區(qū)域融化，使其熔接。圖4所示為最終熔接后接點圖像，可以看到纖芯區(qū)域沒有明顯的塌陷。通過10次熔接實驗測試，測得熔接損耗為0.52dB±0.05dB，遠小于先前國內(nèi)報道結(jié)果[24]。并且熔點強度增大，光纖彎曲半徑為5cm時，熔點還可以保持不斷裂。

圖4 HC-PCF和HC-PCF的熔接點:(a、c)放電前;(b、d)放電后Fig.4 Splice point of HC-PCF and HC-PCF: (a,c)befor reheating; (b,d)after reheating

3 結(jié)論

HC-PCF由于其優(yōu)異的性能在光纖陀螺中具有獨特的優(yōu)勢，但在實際使用中需要解決HC-PCF與普通實芯光纖的熔接及其與自身的熔接問題。先分析了影響光纖熔接質(zhì)量的因素，指出模場失配是造成兩光纖熔接損耗高的主要因素。實驗中通過采用過渡光纖和熱致擴芯技術(shù)，解決了待熔光纖模場失配問題，將普通單模光纖和空芯光子晶體光纖之間熔接損耗將至0.73dB。通過使用特種光纖熔接機，優(yōu)化熔接過程，自主編輯熔接程序，提出采用兩步放電熔接的新方案，完成HC-PCF和HC-PCF的相互熔接，該方法得到的熔點損耗為0.52dB±0.05dB，且熔接點強度有所提高。

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FusionSpliceTechniqueofHollow-CorePhotonicCrystalFiber

LI Xiao-qian, GAO Shou-fei, WANG Ying-ying, WANG Pu

(Institute of Laser Engineering,Beijing University of Technology，Beijing 100124, China)

In a hollow core photonic crystal fiber(HC-PCF), light is guided in the hollow air core with the merits of low transmission loss, low dispersion, low nonlinearity and high damage threshold. The thermal coefficients of refractive index, Verdetconstant and Kerrconstant of the air core are much smaller than those of the sillica, making HC-PCF a promising candidate for fiber optical gyro. However, when marching towards practical applications,the issue of fusion splicing a HC-PCF with a single mode fiber, and with HC-PCF itself must be solved properly.In this paper, a low-loss fusion splice between a HC-PCF and a conventional single mode fiber is achieved by introduction of an intermediate fiber and thermal expansion core technique.Compared to the direct splicing technique, which yields a splice loss of 1.4dB, the overall insertion loss using the intermediate fiber technique has a loss of only 0.73dB. What’s more, the self-splice technique of HC-PCF is also presented.Through two steps of arc-splice,the splice strength of HC-PCF to itself is guaranteed and the splice loss is reduced to 0.52dB.

Photonic crystal fibers; Hollow-core fiber;Fiber optical gyro;Splice loss;Mode field match*

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.06.017

TN252；TN253

A

2095-8110(2017)06-0102-05

2017-09-22；

2017-10-31

國家自然科學(xué)基金(61377098)

李曉倩(1992-)，女，碩士研究生，主要從事光子晶體光纖的研究。E-mail：15201327054@163.com

汪瀅瑩(1983-)，女，博士，副研究員，主要從事光子晶體光纖、非線性光纖光學(xué)、光纖激光器的研究。

E-mail:wangyingying@bjut.edu.cn