孟令知 苑立波

1) (哈爾濱工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

2) (桂林電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院,桂林 541004)

1 引言

1.1 離散光學(xué)與離散光學(xué)系統(tǒng)

光纖集成光學(xué)是指利用石英光纖為基底材料,將各種簡單的光路和光學(xué)元件微縮集成到一根光纖中,在光纖上構(gòu)建一個具有多種功能的微光學(xué)系統(tǒng).這種光纖集成技術(shù),一方面為微光學(xué)器件提供了一種新型集成方式和解決方案,可獲得具有不同集成度或不同功能的纖維集成光纖器件,從而實(shí)現(xiàn)光子學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化和微型化[1];另一方面,集成在光纖中的緊鄰的光學(xué)器件之間也構(gòu)成了一個相互影響的光學(xué)系統(tǒng)[2],有望實(shí)現(xiàn)熱波模式調(diào)控[3].

離散光學(xué)則是研究不同的光路與分立的光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng),及其相互影響和相互關(guān)系的光學(xué)分支.光纖中的離散光學(xué)是指集成在光纖中的離散光學(xué)系統(tǒng),即研究如何在一根光纖中構(gòu)建彼此分立的光學(xué)元件,同時研究如何改變和調(diào)控這些離散光學(xué)元件及其光場的相互作用.

光纖集成的光學(xué)系統(tǒng)為離散光學(xué)的研究提供了一個理想的實(shí)驗(yàn)平臺.在離散光學(xué)系統(tǒng)中,可以通過多種光場之間的耦合和關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中光場的調(diào)控.例如,可以通過對集成在一根光纖中的陣列波導(dǎo)進(jìn)行特殊設(shè)計,實(shí)現(xiàn)各個離散波導(dǎo)的模式耦合與模場調(diào)控[4].離散光學(xué)系統(tǒng)中的另一個問題是,如何在單根光纖中實(shí)現(xiàn)調(diào)控橫向多個離散陣列波導(dǎo)之間的模場和耦合.

1.2 離散光學(xué)的熱擴(kuò)散調(diào)控方法

離散光學(xué)中的調(diào)控,是指改變或調(diào)整分立波導(dǎo)的模場之間彼此的耦合與關(guān)聯(lián).即,波導(dǎo)模場之間耦合時強(qiáng)度發(fā)生改變,或者在相位中加入可控的調(diào)整.在離散光學(xué)系統(tǒng)中,由于空間緊湊,各個分立的波導(dǎo)之間的相互耦合和關(guān)聯(lián)較強(qiáng).通過對這種關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的深入認(rèn)識,借助于其規(guī)律和特性,實(shí)現(xiàn)對離散光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)特種功能并達(dá)成需求的目標(biāo).

為此,本課題組[5]通過研究鍺摻雜實(shí)現(xiàn)高折射率波導(dǎo)的材料物理過程,構(gòu)建光纖中的摻雜劑在高溫時從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散的物理模型.熱擴(kuò)散對單根光纖內(nèi)部的三維折射率分布進(jìn)行二次調(diào)整,能夠?qū)崿F(xiàn)光纖中陣列波導(dǎo)之間的模場轉(zhuǎn)換與調(diào)控.同時,這種對光纖進(jìn)行高溫加熱使摻雜劑擴(kuò)散的方法,也能夠?qū)崿F(xiàn)或改進(jìn)陣列波導(dǎo)之間的模場耦合.

本文研究了離散波導(dǎo)熱擴(kuò)散調(diào)控機(jī)理,給出了摻雜劑的熱擴(kuò)散物理模型.基于摻雜劑的熱擴(kuò)散方程,構(gòu)建了陣列波導(dǎo)的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型.對多芯光纖進(jìn)行不同時間的熱擴(kuò)散,來驗(yàn)證熱擴(kuò)散方法調(diào)控陣列波導(dǎo)折射率的可行性.并結(jié)合數(shù)字全息層析重建技術(shù),測量了熱擴(kuò)散后的多芯光纖的三維折射率分布.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明熱擴(kuò)散是一種比熔融拉錐技術(shù)更穩(wěn)定可控的調(diào)控波導(dǎo)折射率的一種方式.應(yīng)用熱擴(kuò)散方法調(diào)控陣列波導(dǎo)之間的耦合,可以制備多芯光纖耦合器.采用熱擴(kuò)散方法制備的多芯光纖耦合器與逐芯刻寫光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)傳感器相結(jié)合,可以省去扇入/扇出器件,實(shí)現(xiàn)單通道多參量感測.應(yīng)用熱擴(kuò)散技術(shù)制作的多芯光纖傳感器,不僅能夠降低多芯光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用成本,也能大幅提高光纖光學(xué)系統(tǒng)的集成度.

2 離散波導(dǎo)的熱擴(kuò)散模型

2.1 陣列波導(dǎo)的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型

在同一個包層內(nèi)置入多個波導(dǎo),可以在單根光纖中構(gòu)成多光路集成的典型器件.通過對多個波導(dǎo)的折射率分布和幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,這種器件可以通過增大摻雜面積從而提高激光功率,構(gòu)成鎖相多芯光纖激光陣列[6,7];也可以用于構(gòu)建長距離通信的空分復(fù)用多芯光纖,解決光通信容量問題[8,9].以圖1所示的典型的線性分布多波導(dǎo)為例,建立了分立波導(dǎo)集成器件的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型.通過分析熱擴(kuò)散后分立的離散波導(dǎo)之間的耦合調(diào)控機(jī)理,構(gòu)建了這類離散陣列波導(dǎo)在熱擴(kuò)散后相互的關(guān)聯(lián).

圖1 典型的線性分布離散波導(dǎo)[10] (a) 多個離散波導(dǎo)按線性分布在一個包層中的光纖;(b) 線性陣列多芯光纖的橫截面顯微圖;(c) 線性陣列多芯光纖的折射率剖面示意圖Fig.1.A typical linear distributed discrete waveguide[10]:(a) Optical fiber with multiple discrete waveguides linearly distributed in the same cladding;(b) micrograph of the cross-section of the linear array multicore fiber;(c) schematic diagram of the refractive index profile of the linear array multicore fiber.

陣列波導(dǎo)的折射率特性依賴于局部摻雜劑的濃度.高溫加熱陣列波導(dǎo)使摻雜劑從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,從而調(diào)控陣列波導(dǎo)的折射率分布.以石英光纖為基底的陣列波導(dǎo)中的摻雜劑擴(kuò)散服從菲克擴(kuò)散定律.因此,可以應(yīng)用熱傳導(dǎo)方程解決摻雜劑在陣列波導(dǎo)中的擴(kuò)散問題.從菲克擴(kuò)散定律可以推導(dǎo)出反映局部摻雜濃度梯度與時間相關(guān)摻雜濃度的三維熱擴(kuò)散偏微分方程[11]:

其中U是局部摻雜劑濃度,單位為mol/m3;D是摻雜劑擴(kuò)散系數(shù),單位為m2/s;t為加熱時間,單位為s.D取決于局部溫度、摻雜劑種類和基體材料.(1)式中的偏微分方程描述了任意幾何波導(dǎo)中摻雜劑擴(kuò)散的一般情況.對于陣列波導(dǎo)來說,軸向的濃度梯度很小,且軸向溫度也較小時,可以忽略摻雜劑在軸向的擴(kuò)散.此外,加熱陣列波導(dǎo)的溫度相對于徑向位置r幾乎是均勻的.此時,可以合理地假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D相對于徑向位置r為常數(shù).若忽略軸向擴(kuò)散和方位角向的擴(kuò)散,則擴(kuò)散方程(1)在柱坐標(biāo)下可以簡化為

摻雜物質(zhì)的摻雜濃度U是徑向位置r和加熱時間t的函數(shù).熱擴(kuò)散系數(shù)D描述了在一定范圍內(nèi)的溫度依賴性,并服從Arrhenius關(guān)系式,表示為[12]

其中Q是以J/mol為單位的活化能;D0是以m2/s為單位的主導(dǎo)系數(shù);R是理想氣體常數(shù),為8.3145 J/(mol·K);T(z)是加熱陣列波導(dǎo)時軸向z處的開爾文溫度(1000—l650 ℃).參數(shù)D0和Q通常由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得.

高溫加熱陣列波導(dǎo)改變了波導(dǎo)中的摻雜劑濃度分布.對于鍺摻雜的陣列波導(dǎo),折射率分布與摻雜劑濃度分布成正比.因此,通過求解熱擴(kuò)散后的濃度分布可以得到陣列波導(dǎo)熱擴(kuò)散后的折射率分布:

其中nco為纖芯折射率;ncl為包層折射率,初始摻雜濃度為0.

2.2 單芯光纖熱擴(kuò)散模場調(diào)控模型

當(dāng)包層中僅有一個波導(dǎo)時,即為單芯光纖.首先構(gòu)建這種簡單的單芯光纖熱擴(kuò)散模場調(diào)控模型.假設(shè)單芯光纖從r=0到r=a的纖芯中僅摻雜一種摻雜劑,初始濃度為U0.并且光纖表面r=b保持為零濃度,即需要滿足的邊界條件表示為

利用傅里葉級數(shù)展開和格林函數(shù)可以得到任意徑向位置r和加熱時間t的摻雜劑濃度分布[13]:

其中U(r,t) 為單芯光纖熱擴(kuò)散后的摻雜濃度分布,a是纖芯半徑,I0為0階改進(jìn)的第一類貝塞爾函數(shù),r′為一個虛擬的積分變量.

(6)式給出了單芯光纖熱擴(kuò)散后摻雜劑濃度分布的結(jié)果.為了得到解析解,假設(shè)加熱區(qū)域無限大,并且是線性源,初始摻雜濃度為δ函數(shù),摻雜劑保持質(zhì)量守恒.通過相似變換[14],偏微分方程(2)可以簡化為常微分方程,從而得到解析解,其初始條件為

最終得到

其中a為初始纖芯半徑;定義為熱擴(kuò)散后的纖芯半徑大小.由(4)式和(9)式,單芯光纖熱擴(kuò)散后的折射率分布為

(10)式表明,初始折射率分布為階躍分布的單芯光纖,經(jīng)過熱擴(kuò)散后,截面折射率分布趨近于高斯分布.熱擴(kuò)散過程中,摻雜劑從單芯光纖的纖芯中擴(kuò)散到包層中,此時包層與纖芯沒有明確的界面.熱擴(kuò)散后,單芯光纖的模場半徑為

其中k為自由空間波數(shù).

類比平方率分布徑向梯度折射率光纖的歸一化頻率計算公式,熱擴(kuò)散后單芯光纖的歸一化頻率V為[15]

由(11)式和(12)式,可以得到模場半徑和歸一化頻率V之間的關(guān)系:

單芯光纖熱擴(kuò)散后,其模場直徑隨著加熱時間或傳輸波長增加而增加,并且與摻雜劑的濃度分布的寬度有關(guān).最終,傳播基模的傳播常數(shù)為

一旦知道w和β,即可確定單芯光纖在熱擴(kuò)散區(qū)(r≤A)的傳輸場.

2.3 雙芯、三芯光纖熱擴(kuò)散耦合調(diào)控機(jī)理

當(dāng)包層中含有兩個波導(dǎo)時,即為雙芯光纖.其中一個波導(dǎo)位于圓包層的中心軸線上.假設(shè)雙芯光纖的兩個纖芯的摻雜濃度相同,熱擴(kuò)散后雙芯光纖的截面折射率分布可以近似表示為

其中r1和r2分別為雙芯光纖的兩個纖芯的徑向距離,由雙芯光纖的幾何結(jié)構(gòu)可以得到r1=r,r2=;d為邊芯與中間纖芯的距離;θ為r與d夾角的角度.

熱擴(kuò)散后,雙芯光纖的中間芯和邊芯的模場分布Ψ1和Ψ2分別為[16]

其中ω1和ω2分別為雙芯光纖的中間芯和邊芯的模場直徑.

熱擴(kuò)散后雙芯光纖的中間芯和邊芯的耦合系數(shù)C為[17]

其中N1為歸一化常數(shù);ε0和μ0分別為介電常數(shù)和磁導(dǎo)率.

在弱導(dǎo)近似和弱耦合近似條件下,熱擴(kuò)散后,雙芯光纖的中間芯和邊芯的光功率分別為[18]

其中P1(0)和P2(0)分別為中間芯和邊芯的初始光功率;β1和β2分別為中間芯和邊芯的縱模傳播常數(shù);F={1+[(β1-β2)2/4C2}-1/2.

當(dāng)包層中含有三個波導(dǎo)時,即為三芯光纖.其中一個波導(dǎo)位于圓包層的中心軸線上,另兩個波導(dǎo)沿中心軸線對稱分布.假設(shè)三芯光纖的每個纖芯的摻雜濃度相同,熱擴(kuò)散后三芯光纖的截面折射率分布可以近似表示為

其中r1,r2和r3分別為三芯光纖的三個纖芯的徑向距離,由三芯光纖的幾何結(jié)構(gòu)可以得到r1=r,

熱擴(kuò)散后,三芯光纖的中間芯和兩個邊芯的模場分布ΨT1,ΨT2和ΨT3為

其中ωT1,ωT2和ωT3分別為三芯光纖的中間芯和兩個邊芯的模場直徑.

熱擴(kuò)散后三芯光纖中相鄰兩個纖芯的耦合系數(shù)CT為

其中C12和C13分別為中間芯與兩個邊芯的耦合系數(shù).

在弱導(dǎo)近似和弱耦合近似條件下,熱擴(kuò)散后,三芯光纖的中間芯和兩個邊芯的光功率分別為

其中P1(0),P2(0)和P3(0)分別為中間芯和兩個邊芯的初始光功率;β1,β2和β3分別為中間芯和兩個邊芯的縱模傳播常數(shù);

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在構(gòu)建了陣列波導(dǎo)的熱擴(kuò)散折射率調(diào)控模型之后,通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證熱擴(kuò)散的可行性.分別對雙芯、三芯、四芯、七芯光纖進(jìn)行熱擴(kuò)散.雙芯、三芯、四芯和七芯光纖的纖芯直徑為8.5 μm.雙芯光纖的兩個纖芯的距離為27 μm.三芯光纖的纖芯成一字排列,邊芯到中間芯的距離為27.5 μm.四芯光纖的三個邊芯成正三角分布,邊芯到中間芯的距離為35 μm.七芯光纖的六個邊芯成正六邊形分布,邊芯到中間芯的距離為37.5 μm.熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的裝置如圖2(a)所示.帶有氫氣和氧氣火焰加熱功能的火頭用于加熱多芯光纖,如圖2(a)中的插圖所示.氫氧流量分別為70,30 mL/min.使用光束分析儀在電腦上實(shí)時監(jiān)測熱擴(kuò)散時光纖的功率變化.測試使用光源的波長為1550 nm.加熱時間分別為0,30,60,90 min時,光束分析儀測量的雙芯、三芯、四芯和七芯光纖端面強(qiáng)度分布如圖2(b)—(e)所示.隨著加熱時間的增加,邊芯的功率逐漸增大.在加熱90 min后,四芯光纖和七芯光纖的邊芯中功率較低,這是因?yàn)槲覀冞x擇的火頭寬度為8 mm,溫區(qū)較窄.通過增加加熱時間、提高加熱溫度或增大加熱溫區(qū)的長度,可以提高邊芯中功率的耦合比例.

圖2 (a) 用于熱擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;(b) 雙芯、(c) 三芯、(d) 四芯和 (e) 七芯光纖加熱不同時間后的端面強(qiáng)度分布Fig.2.(a) Schematic diagram of the experimental setup for thermal diffusion;(b)-(e) the end face light intensity distribution of the (b) twin-core,(c) three-core,(d) four-core,and (e) seven-core optical fiber after heating at different times.

3.2 折射率變化測量

基于數(shù)字全息層析成像技術(shù)[19],通過測量熱擴(kuò)散后多芯光纖的三維折射率分布,來驗(yàn)證熱擴(kuò)散對離散波導(dǎo)的折射率改變是緩慢可控的.圖3顯示了基于Mach-Zehnder干涉原理的實(shí)驗(yàn)裝置.

圖3 折射率分布測量系統(tǒng)的示意圖Fig.3.Schematic diagram of the refractive index distribution measurement system.

實(shí)驗(yàn)室搭建的折射率測量裝置的位移臺的行程為4 mm.為了測量整個熱擴(kuò)散溫區(qū)的折射率變化,熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)選用的是8 mm長度的小火頭.圖4(a)—(d)分別為加熱時間為0,30,60,90 min時,雙芯光纖的y-z方向的折射率分布.軸向上的折射率分布存在梯度變化,這是由于氫氧火焰的軸向上的溫度分布是梯度的.隨著加熱時間的增加,光纖發(fā)生了頸縮現(xiàn)象[20].這是由于表面張力通過擠壓熔融玻璃遠(yuǎn)離熱擴(kuò)散區(qū)的中心,從而減小了熱擴(kuò)散區(qū)的光纖直徑.圖4(e)—(h)分別為加熱時間為0,30,60,90 min時,雙芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布.從三維視圖可以看出,隨著加熱時間的增加,纖芯直徑逐漸擴(kuò)展,纖芯間距逐漸減小,而纖芯的折射率逐漸降低.隨著纖芯間距的減小,雙芯光纖兩個纖芯間的耦合系數(shù)增大,因此更多的中間芯的能量耦合到邊芯中.折射率測量結(jié)果表明,通過控制加熱溫度和加熱時間的方式,熱擴(kuò)散技術(shù)對折射率的調(diào)控是緩慢穩(wěn)定的,能夠?qū)崿F(xiàn)對芯間耦合系數(shù)的精確調(diào)控.

圖4 加熱時間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時,雙芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時,雙芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.4.Refractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the twin-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the twin-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

三芯、四芯和七芯光纖經(jīng)過不同時間熱擴(kuò)散后的折射率測量結(jié)果,如圖5、圖6和圖7所示.從折射率測量結(jié)果分析,四芯光纖和七芯光纖的纖芯距離較雙芯光纖和三芯光纖更大.因此,相同的熱擴(kuò)散條件下,四芯光纖和七芯光纖的邊芯與中間芯的耦合系數(shù)更小,邊芯中耦合的能量較少.通過增加擴(kuò)散時間、提高加熱溫度或擴(kuò)大加熱溫區(qū),即可提高四芯光纖和七芯光纖的邊芯與中間芯的能量耦合比例.

圖5 加熱時間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時,三芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時,三芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.5.Refractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the three-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the three-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

圖6 加熱時間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時,四芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時,四芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.6.Refractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the four-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the four-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

圖7 加熱時間分別為 (a) 0,(b) 30,(c) 60,(d) 90 min時,七芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)y-z方向的折射率分布;加熱時間分別為 (e) 0,(f) 30,(g) 60,(h) 90 min時,七芯光纖熱擴(kuò)散區(qū)的三維折射率分布Fig.7.Rfractive index distribution in the y-z direction of the thermally diffused zone of the seven-core fiber when the heating time is (a) 0,(b) 30,(c) 60 and (d) 90 min,respectively.The three-dimensional refractive index distribution of the thermally diffused zone of the seven-core fiber when the heating time is (e) 0,(f) 30,(g) 60 and (h) 90 min.

七芯光纖經(jīng)過90 min熱擴(kuò)散后,六個邊芯的折射率改變大小不同,如圖7(h)中的三維折射率所示.部分邊芯中的摻雜劑擴(kuò)散的更快,導(dǎo)致折射率改變的更大.邊芯的摻雜劑擴(kuò)散速度不同,即邊芯與中間芯的耦合系數(shù)不同,會影響六個邊芯的能量耦合比例.造成這一問題可能的原因?yàn)?一個是拉制的七芯光纖的每個邊芯中摻雜濃度不等;另一個是,加熱溫區(qū)的溫度梯度較大,不同纖芯處的溫度存在差異,導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)不同.

4 應(yīng) 用

4.1 多芯光纖內(nèi)集成耦合器

使用多芯光纖制作全光纖集成耦合器,體現(xiàn)了器件集成化、小型化趨勢.目前常見的多芯光纖耦合器制作方法包括熔融拉錐[21]和拋磨[22].采用熔融拉錐技術(shù)制作多芯光纖內(nèi)集成耦合器最為普遍.然而,熔融拉錐技術(shù)制作的多芯光纖耦合器,存在機(jī)械強(qiáng)度低、對軸向應(yīng)變和外部折射率敏感、封裝要求高等缺點(diǎn)[23].基于熱擴(kuò)散技術(shù)制作的多芯光纖內(nèi)集成耦合器,不改變光纖外形結(jié)構(gòu)與尺寸.通過控制加熱溫度和加熱時間能夠精確調(diào)控芯間耦合系數(shù),因此熱擴(kuò)散技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)勢.

選擇16 mm的火頭,使用熱擴(kuò)散技術(shù)制作了三芯光纖耦合器,如圖8(a)所示.氫氧流量分別為140,40 mL/min.加熱時間分別為0,30,60,90 min時,光束分析儀測量的三芯光纖端面強(qiáng)度分布如圖8(b)—(e)所示.隨著加熱時間的增加,中間纖芯的功率逐漸減小,邊芯的功率逐漸增加.通過控制加熱時間,能夠獲得不同耦合比例的三芯光纖內(nèi)集成的耦合器.

圖8 (a) 熱擴(kuò)散制備的三芯光纖耦合器的示意圖;不同加熱時間的三芯光纖端面的強(qiáng)度分布,其中(b) 0 min;(c) 30 min;(d) 60 min;(e) 90 minFig.8.(a) Schematic diagram of a three-core fiber fabricated by thermal diffusion.The intensity distribution at the end face of the three-core fiber coupler with different heating times: (b) 0 min;(c) 30 min;(d) 60 min;(e) 90 min.

熱擴(kuò)散技術(shù)通過調(diào)控離散陣列波導(dǎo)的折射率,制備的纖維集成的耦合器,具有操作簡單、集成度高的特點(diǎn).熱擴(kuò)散制備的多芯光纖耦合器,具有易于與單模光纖連接,機(jī)械強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn).相比熔融拉錐技術(shù),雖然熱擴(kuò)散技術(shù)制造多芯光纖耦合器花費(fèi)的時間更多,但是熱擴(kuò)散技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多芯光纖耦合器的批量生產(chǎn).此外,通過對耦合器測試,表明熱擴(kuò)散技術(shù)制作的多芯光纖耦合器具有較高的機(jī)械強(qiáng)度[24].

4.2 多芯光纖光柵彎曲傳感器

多芯光纖由于具有多個傳輸通道為矢量彎曲傳感提供了更多的可能性.在多芯光纖上逐芯刻寫不同波長的FBGs,制作的矢量彎曲傳感器,能夠成倍提高彎曲傳感的靈敏度[25].然而,常見的基于多芯光纖FBG的矢量彎曲傳感器必須使用昂貴的定制扇入/扇出耦合器[26],降低了彎曲傳感器測量系統(tǒng)的集成度和實(shí)用性.

結(jié)合熱擴(kuò)散技術(shù)和逐芯刻寫FBG技術(shù),能夠制作單根光纖集成的矢量彎曲傳感器.彎曲傳感器集成熱擴(kuò)散耦合器不僅能夠省去扇入/扇出耦合器,而且能夠?qū)崿F(xiàn)單通道測量.以三芯光纖為例,使用熱擴(kuò)散技術(shù)制作了三芯光纖耦合器.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的三芯光纖存在串?dāng)_,因此我們制備的彎曲傳感器結(jié)構(gòu)為單模光纖-三芯光纖熱擴(kuò)散耦合器-對稱雙芯光纖,如圖9(a)所示.將三芯光纖熱擴(kuò)散耦合器與對稱雙芯光纖進(jìn)行纖芯對準(zhǔn)熔接.通過控制加熱時間,使得三芯光纖熱擴(kuò)散耦合器的中間芯的光全部耦合進(jìn)入到邊芯中.對稱雙芯光纖的兩個纖芯中分別刻寫不同中心波長的FBGs.對制作的雙芯光纖彎曲傳感器進(jìn)行測試.對雙芯光纖的芯2與芯1的FBG波長隨彎曲方向改變的響應(yīng)進(jìn)行差分和線性擬合,得到的靈敏度隨彎曲方向的雷達(dá)圖如圖9(b).圖9(b)顯示彎曲傳感器的曲率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的角度依賴.結(jié)果顯示,僅用一根光纖即可實(shí)現(xiàn)多芯光纖光柵彎曲傳感的單通道測量.

圖9 (a) 應(yīng)用熱擴(kuò)散技術(shù)的彎曲傳感器的示意圖;(b) 不同彎曲方向(從0°到360°)對應(yīng)的雙芯光纖兩個纖芯中FBGs的差分的彎曲靈敏度Fig.9.(a) Schematic diagram of the bending sensor structure using thermal diffusion technology;(b) differential bending sensitivity of FBGs in the two cores of a twin-core fiber plotted for various bending directions (from 0° to 360°).

多芯光纖刻寫不同波長的光柵,結(jié)合熱擴(kuò)散技術(shù)來制備耦合器,在彎曲傳感應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.這種技術(shù)不僅能大幅提高傳感系統(tǒng)的集成度,也能降低傳感系統(tǒng)的應(yīng)用成本.

5 結(jié)論

通過對熱擴(kuò)散調(diào)控離散波導(dǎo)機(jī)理的研究,構(gòu)建了多芯光纖熱擴(kuò)散耦合調(diào)控模型.對多種多芯光纖進(jìn)行不同時間的高溫加熱,驗(yàn)證了熱擴(kuò)散調(diào)控離散波導(dǎo)耦合的可行性.使用數(shù)字全息層析成像技術(shù),測量多芯光纖熱擴(kuò)散后多芯光纖的三維折射率分布.結(jié)果表明,熱擴(kuò)散對多芯光纖的三維折射率分布改變是緩慢可控的.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了熱擴(kuò)散對離散波導(dǎo)的折射率調(diào)控比熔融拉錐更穩(wěn)定可靠,易于操控.借助于熱擴(kuò)散技術(shù)制備了三芯光纖耦合器.結(jié)合逐芯刻寫光柵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了雙芯光纖彎曲傳感單通道測量.熱擴(kuò)散對離散波導(dǎo)的折射率調(diào)控方法,能夠提高多芯光纖系統(tǒng)的集成度,同時大幅降低多芯光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用成本.熱擴(kuò)散技術(shù)帶來的高集成度、高穩(wěn)定性和批量化制造的優(yōu)點(diǎn),對于促進(jìn)離散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖在光通信、光感測、人工智能、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要的價值.