光子晶体光纤的耦合技术

光子晶体光纤的耦合技术

刘承香1，张 力2，吴 旭3，杨海丽1，阮双琛1

（1. 深圳市激光工程重点实验室，深圳大学电子科学与技术学院，深圳 518060；2. 深圳大学信息工程学院，深圳

518060； 3. 西安工业大学数理系，西安 710032）

摘要：光子晶体光纤与普通单模光纤的低损耗熔接是影响光子晶体光纤实用化的重要技术。针对自行设计的光子晶体光纤，对其与普通单模光纤的熔接损耗机制进行了理论和实验研究。首先分析了影响熔接损耗的主要因素，然后理论计算了光子晶体光纤与普通单模光纤之间的耦合损耗，最后采用常规电弧放电熔接技术对光子晶体光纤与单模光纤的熔接损耗进行了实验研究，通过优化放电参数，使熔接损耗可以降到0.7 dB以下，满足了实际应用的要求。该方法为其他类型的光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接提供了借鉴。

关 键 词：光子晶体光纤；单模光纤；耦合技术；熔接损耗

中图分类号：U666.1 文献标志码：A

Coupling technique of photonic crystal fiber

LIU Cheng-xiang1, ZHANG Li2, WU Xu3, YANG Hai-li1, RUAN Shuang-chen1

(1. Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering, College of Electronic Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 2. College of Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 3. Department of Mathematics and Physics, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China) Abstract：The low-loss splice between photonic crystal fibers (PCFs) and normal single-mode fibers is an important technique that influences the application of PCFs. Based on the self-designed PCF, the splice loss mechanism between PCFs and single-mode fibers was studied theoretically and experimentally. The main factors that affect the splice loss was analyzed, and the splice loss between the two types of fibers was calculated. Using traditional arc-fusion method, the experiment study on splice loss between the PCFs and single-mode fibers was performed. The splice loss can drop to below 0.7 dB by optimizing the discharge parameters, and then satisfy the application request. This method can provide the reference for other similar splicing between PCFs and single-mode fibers.

Key words：photonic crystal fiber; single-mode fiber; coupling technique; splice loss

光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤。光纤纤芯周围含有沿着轴向规则排列的微小空气孔，从端面看，存在周期性的二维结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失则会出现缺陷，光就会被在这一缺陷内传播。光子晶体光纤分为全内反射光子晶体光纤和带隙光子晶体光纤两类，可以通过改变空气孔的尺寸、间距、层数和排列形状等几何参数灵活设计光子晶体光纤并获得独特的光学特性，例如无限单模特性、奇异的色散特性、高非线性及高双折射性等特性，引起了国内外学者的极大关注。

随着光子晶体光纤各种特性研究的深入，人们开始广泛探索它的应用。在开发这些应用时，都要考虑普通光纤与光子晶体光纤之间的耦合效率问题，有的采用端面耦合技术，可以提高耦合效率，但这样会造成器件的尺寸太大，调试也不方便，实际使用中通常会采用两种光纤直接熔接的方法。由于光子晶体光纤结构与普通单模光纤的结构不同，使得熔接工作非常困难，为了保证熔接后的光子晶体光纤结构完整，损耗较小，耦合效率较大，传输特性不变，国内外学者对收稿日期：2009-03-23；修回日期：2009-04-10

基金项目：武器装备预研基金项目（9140A09010208QT5101）；深圳市科技计划资助项目（200618）

作者简介：刘承香（1976—），女，副教授、博士，主要从事光机电一体化、光源等技术研究。E-mail：chxliu@szu.edu.cn 联系人：阮双琛（1963—），男，教授、博士。 E-mail：scruan@szu.edu.cn

第3

期

刘承香等：光子晶体光纤的耦合技术 367 图1 光子晶体光纤结构及参数

Fig.1

The structure and parameters of PCF (a) 光纤端面电子显微镜照片 (b) 光纤模场直径测量数据

光子晶体光纤与普通光纤的耦合损耗理论展开了较多研究[1-7]，也有一些学者对光子晶体光纤熔接机理[8-9]和低损耗熔接进行了实验研究[10-12]。

本文根据实际应用，对自行定制的光子晶体光纤与普通单模光纤之间的耦合损耗进行了分析计算，同时对熔接过程中影响光子晶体光纤与普通单模光纤之间的主要因素进行了分析，对降低光子晶体光纤与普通光纤的熔接损耗进行相应的研究。实验研究表明，光子晶体光纤与普通单模光纤之间的接续损耗主要由两个方面引起：模场不匹配以及熔接过程中对光纤结构的破坏[10]，本文通过大量的熔接实验获得了它们之间的熔接优化参数，所获得的熔接损耗与理论计算基本一致。

1 影响实际熔接损耗的因素

由于光子晶体光纤特殊的周期性多孔包层结构，导致其与普通单模光纤的熔接相当困难，因此了解影响二者熔接损耗的因素是实现低损耗熔接的必要前提。影响熔接损耗的因素有许多[8]，其中主要包括：

① 光纤之间的对准问题，这是熔接的主要前提因素。首先，熔接系统光纤夹具的夹持力大小（影响光纤的几何形状），熔接系统的光纤夹具夹持光纤的位置和光纤的摆放位置都会影响光纤之间的对准。其次，对于光纤端面的切割角度（平整度）和熔接系统对光纤的对准精度，也是影响对准的关键因素之一。总之，精确对准是保证良好熔接的关键因素，准确对接能够减小光纤端面的散射损耗。

② 熔接系统采用不同的熔接源（如电弧熔接或CO 2激光熔接），不同的熔接手段及方式会影响熔接后光子晶体光纤空气孔的完整程度。适当的熔接源，选择恰当的熔接时间和放电强度在很大程度上可以改善和避免空气孔的塌陷，保证PCF 的完整性，从而降低熔接损耗。对熔接时间和放电强度的优化设定也很关键，我们做了大量的熔接实验，最终才得到了较理想的参数。

③ 熔接时光子晶体光纤与普通单模光纤的耦合损耗，是决定熔接损耗大小的本质因素。首先，PCF 和单模光纤的模场失配是影响熔接耦合损耗的主要因素。其次，由于光子晶体光纤和普通单模光纤端面的折射率分布不同，在连接处，会引起菲涅尔反射，同时PCF 和普通单模光纤连接处的波导介质不均匀，引起瑞利散射，这是另一个影响耦合损耗的主要因素，所以在熔接过程中光纤端面处理如切割、清洁等环节也非常重要。

2 光子晶体光纤与普通光纤的耦合损耗理论计算

2.1 光子晶体光纤

实验使用的光子晶体光纤为武汉烽火藤仓有限公司按照我们的设计拉制，其截面的扫描电子显微镜（SEM ）照片如图1(a)所示。光纤包层含有七层空气孔，纤芯直径约4.0 μm ，气孔直径约为2.0 μm ，气孔间距约为4.0 μm 。采用全矢量有限元法计算得到该光子晶体光纤在1550 nm 波长的基模模场等效模场约为4.5 μm ，同时我们用模场直径测量仪测量的模场直径约为4.34 μm ，见图1(b)，与理论计算基本一致。

2.2 与普通光纤的耦合损耗理论计算

光子晶体光纤与普通单模光纤之间的耦合损耗主要由模场失配引起，其计算公式如下[13]：

1222122loss 20log dB ωωωω⎛⎞=−⎜⎟+⎝⎠ （1）

368 中国惯性技术学报

第17卷

(a) 测量单模光纤到PCF 的熔接损耗 (b) 测量PCF 到单模光纤的熔接损耗

图2 实验装置图

Fig.2 The schematic diagram of experiment setup

其中，1ω、2ω分别为PCF 和普通单模光纤的模场半径。()[]2121222012neff n n k −=ρω，ρ为光子晶体光纤的等效纤芯半径，

这里取ρ=0.625Λ。由于所设计的光子晶体光纤主要与980 nm / 1550 nm 的WDM 尾纤相熔接，而WDM 尾纤采用HI-1060，其模场半径约ω2=3.1 μm ，而光子晶体光纤的模场半径ω1=2.17 μm ，代入方程（1）进行估算，得到HI-1060和光子晶体光纤之间由模场失配引起的耦合损耗为0.54 dB 。从计算结果看，所设计的光子晶体光纤从理论上符合单模传输下的低损耗熔接条件。

3 实验结果及分析

3.1 实验装置

实验装置如图2(a)(b)所示。

其中图2(a)用来测量从HI-1060到PCF 的熔接损耗，光源采用1310 nm 激光源，用FC/APC 接头输出，另一端接上法兰盘与HI-1060裸光纤连接，用光功率计分别测量熔接前后输出的1310 nm 激光的功率，然后计算相应的熔接损耗。图2(b)是用来测量PCF 到普通单模光纤（包括HI-1060和SMF28）的熔接损耗，其中光源采用Bookham 的980 nm LD 泵浦源，其最大输出功率250 mW ，LD 的驱动电源为自行研制，还有其它无源器件均由国内器件生产商提供，泵浦源与光子晶体光纤熔接的尾纤为HI-1060，模场直径为6.2 μm 。测量光子晶体光纤与普通单模光纤熔接前后的输出功率，然后计算相应的熔接损耗。

实验所用光纤熔接机有古河S175和滕仓60S 两种，分别采用了古河S175熔接机的手动对准、滕仓60S 自动对准和手动对准三种熔接方法，用多组参数进行了对照和优化实验，测量了包括HI-1060→ PCF 、

PCF

→ HI-1060

以及PCF →SMF28共三种熔接损耗。

由于光子晶体光纤包层有空气孔，熔接过程看不到光子晶体光纤的纤芯，滕仓60S 的自动对准模式采用包层对准技术；而手动对准是在熔接过程中采用功率最大值对准调芯，也即：加上固定的泵浦电流，通过手动方式把普通光纤与光子晶体光纤之间的横向错位、角度偏差和端面间隙等机械误差导致的耦合损耗降到最低，使得输出功率最大，然后调节放电强度、放电时间等参数，最后放电熔接，测量输出功率。

3.2 实验现象

普通单模光纤与光子晶体

光纤熔接点无包层气孔塌陷或

气泡是降低熔接损耗的首要条

件。为了研究熔接参数和测试光

纤的性能，在实验中，固定泵浦

功率，通过测量输出端的功率来

确定耦合效率的高低，并进行参数的调整。影响PCF 与普通单模光纤之间损耗的主要参数是放电时间、放电强度和Z 轴推向距离。当放电强度和放电时间都比普通单模光纤熔接的设置参数降低之后，也要适当减小Z 轴推向距离。

放电时间、放电强度对包层空气孔的影响很大，图3给出了熔接端面照片。图3(a)由于放电强度太大，空气孔明显塌陷；图3(b)是在优化的放电参数下得到的熔接点的照片，可见熔接点处两段光纤的端面均保持平整，光子晶体光纤包层气孔没有塌陷，也没有出现气泡。

第3期 刘承香等：光子晶体光纤的耦合技术 369

3.3 实验结果

经过多次反复实验，通过优化调节各种参

数如放电强度、放电时间、Z 轴推向距离等，

共获得了三种情况下较低的熔接损耗，见表1。

从表1可以看出，手动熔接比自动熔接相对较

好，正确设置两种熔接机的参数都可以将PCF

与单模光纤的熔接损耗降低到0.7 dB 以下。与

模场失配引起的理论损耗计算值0.54 dB 相比，差别不是特别大，已把其它影响因素基本降到很低，且熔接点是经过拉力检查的，可以满足实际应用。但是由于放电时间和放电强度、Z 轴推向距离都较小，光纤熔接点比较容易折断，最好加上热缩管进行保护。

4 结 论

对自行设计的光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接损耗机制进行了理论和实验研究，指出理论上模场失配是造成两者直接熔接损耗的主要因素。熔接实验过程中，放电电流过大或放电时间过长会导致光子晶体光纤包层气孔的塌陷或形成气泡，对光纤的熔接将产生致命的影响。通过优化放电参数和手动调节功率最大的方法对准纤芯，有效避免了光子晶体光纤包层气孔的塌陷，保持了波导结构的完整性，实现了光子晶体光纤与单模光纤的低损耗熔接。如果选用具有一定拉锥效果的熔接机，可以将熔接损耗降到更低。

参考文献(References)：

[1] Francesco Prudenzano. Erbium-doped hole-assisted optical fiber amplifier: Design and optimization[J]. Journal of Lightwave Technology, 2005, 23(1): 330-340.

[2] Bayle F, Meunier J P, Marin E. Theoretical study on the butt joint coupling between monomode holey and standard fibers[C] // Proceedings of 2002 IEEE/LEOS Workshop on Fibre and Optical Passive Components, 2002: 225-227.

[3] Jesper Lægsgaard, Anders Bjarklev. Reduction of coupling loss to photonic crystal fibers by controlled hole collapse: a numerical study[J]. Optics Communications, 2004, 237: 431–435.

[4] Meunier J P, Hosain S I. An accurate splice loss analysis for single-mode graded-index fibers with mismatched parameters[J].

Journal of Lightwave Technology, 1992, 10(11): 1521-1526.

[5] 王润轩. 光子晶体光纤耦合损耗的数值研究[J]. 激光技术，2007，31(5)：493-495，521.

WANG Run-xuan. Number study on the coupling loss of the photonic crystal fiber[J]. Laser Technology, 2007, 31(5): 493-495, 521.

[6] 陈丽颖，孙军强. 光子晶体光纤的耦合分析[J]. 光学与光电技术，2006，1(3)：6-9.

CHEN Li-ying, SUN Jun-qiang. Coupling of photonic crystal fibers[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2006, 1(3): 6-9.

[7] 陈波，

杨广强，张霞，等. 光子晶体光纤与普通单模光纤之间耦合损耗的理论分析[J]. 光通信技术，2005, 29(5)：49-51. CHEN Bo, YANG Guang-qiang, ZHANG Xia, et al. Theoretical analysis on coupling losses between photonic crystal fibers and single-mode fiber[J]. Optical Communication Technology, 29(5): 49-51.

[8] 付广伟，郭璇，毕卫红. 光子晶体光纤熔接机理的研究[J]. 燕山大学学报，2007，31(2)：117-120.

FU Guang-wei, GUO Xuan, BI Wei-hong. Stdudy on photonic crystal fiber fusion mechanism[J]. Journal of Yanshan University, 2007, 31(2): 117-120.

[9] 陈明桂，赵尚弘，董淑福，等. 光子晶体光纤接续方法研究[J]. 光通信技术，2004，28(7)：23-25.

CHENG Ming-gui, ZHAO Shang-hong, DONG Shu-fu, et al. Study on splicing method of photonic crystal fiber[J]. Optical Communication Technology, 2004, 28(7): 23-25.

[10] 张巍，张磊，陈实，等. 高非线性光子晶体光纤与单模光纤低损耗熔接实验[J]. 中国激光，2006，33(10)

：13-1392. ZHANG Wei, ZHANG Lei, CHEN Shi, et al. Low loss splicing experiment of high nonlinearity photonic crystal fiber and single mode fiber[J]. Chinese Journal of Lasers, 2006, 33(10): 13-1392.

[11] 桑新柱，余重秀，Islam M K. 高非线性光子晶体光纤与单模光纤之间的熔接及其损耗分析[J]. 半导体光电，2005，

26(6)：535-537.

SANG Xin-zhu, YU Chong-xiu, Islam M K. Splicing between high nonlinearity photonic crystal fiber and single-mode fiber and its loss analysis[J]. Semiconductor Optoectronics, 2005, 26(6): 535-537.

[12] 方宏. 光子晶体光纤理论模型、结构设计及制作工艺的研究[D]. 北京：北京交通大学博士学位论文，2008：134-141.

FANG Hong. Research on theoretical model, structural designing and fabricating technique for photonic crystal fibers[D]. Beijing: Doctor dissertation of BeiJing JiaoTong University, 2008: 134-141.

[13] 靳伟，阮双琛. 光纤传感技术新进展[M]. 北京：科学出版社，2005.