李晓倩, 高寿飞, 汪滢莹, 王 璞

(北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124)

空芯光子晶体光纤熔接技术研究

李晓倩, 高寿飞, 汪滢莹, 王 璞

(北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124)

空芯光子晶体光纤(HC-PCF)因其利用纤芯的空气导光而具有高损伤阈值、低损耗、低色散、低非线性等优点。此外，HC-PCF纤芯中空气的折射率温度系数、Verdet系数、Kerr系数远小于石英，在光纤陀螺中有独特的优势。但是在向实际应用迈进的过程中，必须要解决HC-PCF与普通单模光纤以及自身简便、低损耗的熔接问题。基于热致扩芯技术和过渡光纤两种模场匹配方法，研究了HC-PCF和普通单模光纤之间的熔接问题，将两者的熔接损耗由直接熔接的1.4dB降至0.73dB。此外，研究了HC-PCF与其自身的熔接，通过两步放电熔接法，得到高强度低损耗的熔点，熔接损耗为0.52dB。

光子晶体光纤；空芯光纤；光纤陀螺；熔接损耗；模场匹配

0 引言

与传统光纤相比，光子晶体光纤(PCF)由于其独特的光学特性引起人们的广泛关注，其具有色散可调、非线性特性可调、可以实现无截止单模等优点[1]。其中空芯光子晶体光纤(HC-PCF)因其利用纤芯的空气导光而具有一些显著的优点。相比实芯光纤，HC-PCF可以利用空气超低的瑞利散射和非线性系数(比所有玻璃材料低几个数量级)，原则上实现超低损耗和低非线性的光传输[2-3]。此外，HC-PCF还可以提供更高的传播速度(即更小的延迟)和激光损伤阈值[4]。在光纤传感、光纤通信、非线性光学、高能激光传输等领域扮演着越来越重要的角色[5-8]。

光纤陀螺具有高可靠性、长寿命、高精度、小体积等特点[9]，被广泛用于海陆空等领域的角度测量。但在实际应用中，光纤陀螺存在温度敏感、噪声大、抗辐射性能差等问题。由于HC-PCF纤芯中空气的折射率温度系数、Verdet系数、Kerr系数远小于石英，将HC-PCF用于光纤陀螺，尤其是谐振式光纤陀螺的光纤线圈，可以很好地降低上述环境因素导致的陀螺误差。然而实际使用中，需要考虑HC-PCF与常用单模光纤(SMF28)的熔接以及与自身的熔接。由于HC-PCF的特殊空气孔结构在熔接过程中容易塌陷，以及不同于SMF28的模场直径，直接熔接会导致损耗很大甚至无法使用。所以实现熔接后HC-PCF结构完整、损耗较小、传输特性不变是其走向实用化必须解决的一个关键问题。

目前市场上大部分商业化光纤熔接机都是针对普通光纤的熔接设计的，这些熔接机程序很难识别HC-PCF，因此需要寻找其他熔接方法。2001年，J.T.Lizier 和 G.E.Town[11]首次对多孔光纤与常规阶跃折射率光纤之间的熔接损耗进行研究，研究中采用时域有限差分法模拟仿真了多孔光纤与常规阶跃折射率光纤之间的熔接损耗；2003年，加拿大B.Bourlianguet等[12]对HC-PCF和SMF28的熔接问题进行了研究，熔接损耗集中在1.1dB左右，HC-PCF空气孔有塌陷；2005年，A.D.Yablon和R.T.Bise[13]在实验中引入阶跃折射率光纤透镜，实现了PCF之间、PCF和SMF28之间的低损耗熔接，熔接损耗最低为0.44dB；2008年，丹麦科技大学J.T.Kristensen等[14]报告了单模保偏光纤和HC-PCF的低损耗熔接，熔接损耗为(0.62±0.24)dB；2016年，法国里摩日大学的Zheng等[15]第一次将内摆型Kagome光纤拉锥与SMF熔接，得到的最低损耗为0.48dB。

近些年来，国内学者对HC-PCF熔接问题的研究也取得了一定的成果。2006年清华大学的张巍等[16]对高非线性PCF与SMF间的熔接问题进行研究，通过调整熔接条件将两光纤的熔接损耗降到1dB以下；2011国防科技大学的周旋风等[17]研究了模场不匹配的PCF和SMF的熔接问题，通过光纤拉锥机加热控制PCF空气孔塌缩，解决了两待熔光纤模场失配问题，得到最低损耗值为0.64dB；2013年重庆大学的朱涛等[18]通过对HC-PCF空气孔填充N2，控制空气孔的塌陷程度，得到了1.05dB的低损耗熔接；2014年，北京工业大学高飞等[19]对HC-PCF与SMF28光纤熔接损耗作了理论分析和实验研究，得到最低熔接损耗为0.73dB。

本文对HC-PCF的熔接问题进行了详细研究，首先从理论上分析了影响HC-PCF熔接损耗的因素。实验中通过引入一段高V值的过渡光纤，采用热致扩芯技术匹配模场，实验探索了HC-PCF与常用的单模光纤的熔接损耗。通过采用两步放电加热的方法，实现了HC-PCF和其自身高强度、低损耗熔接。

1 熔接损耗分析

由于HC-PCF特殊的空气孔包层结构，导致熔接相当困难，因此了解影响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[12]，其中主要因素如下。

1.1 光纤之间的对准

这是影响光纤熔接损耗的首要前提条件。精确的对准能够减小光纤端面的散射损耗以及保证两光纤中传输光很好的耦合。熔接系统夹具夹持力的大小对光纤的几何形状的影响，夹具夹持光纤的位置，以及光纤放置的位置都会影响光纤之间的对准。其次，光纤端面的切割质量和熔接系统对光纤的对准精度，也是影响光纤之间对准的关键因素。目前市面上出售的熔接机和切割刀在正确的使用前提下，基本可以实现无角度或小角度切割和精确对准。

1.2 HC-PCF包层空气孔的塌陷

这是影响光纤熔接损耗的关键因素。熔接机在熔接光纤时，先预放电加热融化两光纤端面，再轻轻推压光纤形成一个节点，然后再在节点位置主放电，增加节点机械强度。由于HC-PCF的包层是由壁厚几百微米的空芯毛细管构成，熔点要小于普通单模光纤。在加热熔接过程中，包层毛细管受热容易塌陷，导致HC-PCF波导结构破坏，引起熔接点传输光的泄露，使熔接损耗过高。Limin Xiao等[20]通过优化熔接参数，使HC-PCF与普通单模光纤的端面偏离电极中心一定位置，优化放电电流和时间，采用小电流多次放电方法，将对HC-PCF包层结构的破坏降至最低，得到了低的熔接损耗。

1.3 模场失配

这是影响光纤熔接损耗的主要因素。模场失配引起的损耗如下[21]

(1)

式中,2ωPCF和2ωSMF分别为HC-PCF和单模光纤的模场直径。由式(1)可知，当两光纤模场直径相等或者相差较小时，模场失配引起的损耗最小。由此可得，对于模场直径相近的两光纤，合理调整熔接参数，尽量保持待熔光纤包层结构的完整，就可以将熔接损耗降到最小。然而熔接模场直径相差较大的光纤，尽管没有破坏HC-PCF包层空气孔结构，但熔接损耗仍然很大，主要是两光纤模场失配导致传输光泄露引起。Zheng等[15]通过光纤拉锥模场匹配技术，实现了HC-PCF与SMF的低损耗熔接。

1.4 光纤端面的影响

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，光在端面传输时，会引起菲涅尔反射，同时光子晶体光纤与普通单模光纤连接处的波导介质不均匀，引起瑞利散射，都会导致熔接损耗的增大。所以在熔接过程中光纤端面切割、清洁等预处理环节也非常的重要。

2 实验

实验中所使用的空芯光子晶体光纤为1.55μm导光的7芯HC-PCF(HC-PCF,NKT,丹麦),其截面照片如图1(a)所示。纤芯直径约为10μm，气孔间距约为3.8μm，空气填充率为0.97。光纤在波长1550nm处表现出单模传输如图1(b)所示，采用模场直径测量仪测得模场直径约为8.8μm，与NKT公司提供的数据接近(9μm±1μm)[22]。

图1 光子晶体光纤:(a)光纤端面;(b)光纤模场Fig.1 PCF:(a)Schematic fiber cross section; (b)Mode field

2.1 HC-PCF和SMF28的熔接

现实中大量的光学设备，如激光光源都用传统SMF28作为连接，考虑HC-PCF特殊应用和传统光学设备相结合时，HC-PCF和SMF28的低损耗熔接显得非常必要。本文采用一段高V值的过渡光纤SM1950，将HC-PCF与SMF28的熔接损耗由直接熔接1.4dB降低至0.73dB。

利用一个自由空间望远系统和和一个商用的光束质量分析仪(BP209，Thorlabs，美国)，分别测量三种光纤(SMF28、SM1950和HC-PCF)在波长1550 nm处传输模式轮廓，如图2所示。模场直径取最大功率强度的1/e2，三种光纤SMF28、SM1950和HC-PCF的模场直径分别为10.6μm、7.8μm和8.8μm，误差为±1μm。对比三种光纤的模场直径，SM1950的模场直径更接近HC-PCF，两者更容易实现模场匹配，进而降低熔接损耗，所以选择SM1950作为过渡光纤。此外，SM1950光纤的V=2.836，离光纤的单模标准V=2.405不是很远，通过与SMF28光纤进行绝热熔接，可相对容易地工作在单模状态；再者，目前实芯光纤的熔接技术已经非常成熟，SM1950和SMF28之间的熔接损耗可以很容易降至很小。

图2 不同光纤模式轮廓：SMF28(绿色);SM1950(红色);HC-PCF(黑色)Fig.2 Mode profiles of SMF-28(green);SM1950(red);HC-PCF(black)

测量熔接损耗所用光源是稳定的ASE光源，中心波长为1550nm，光谱带宽为5nm，输出功率为(24±0.01)mW。测量功率所用的是灵敏的光敏功率计(818IR，Newport，美国)。测得SMF28和HC-PCF的直接熔接损耗为1.4dB。

实验第一步是实现SMF28到SM1950的低损耗绝热熔接。两者直接熔接损耗为0.87dB。使用光纤拉锥机在1350℃的氢氧焰下对SM1950光纤一端约10mm长的区域扫描加热25min后，模场直径扩大至10μm，接近SMF28光纤的模场直径。在此热致扩芯过程中，没有测量到明显的插入损耗。使用熔接机(FSM-60s，藤仓，日本)将处理后的SM1950光纤和SMF28光纤熔接，测得熔接损耗减小至0.1dB。为检测模式纯度，测量了SM1950输出端光束的M2为1.02。证实在此段高V值光纤中几乎都是基模。

实验第二步是使用熔接机将SM1950另一端和HC-PCF低损耗熔接。多次实验摸索到最优参数为：两光纤熔接点偏离电极30μm，间隙值为10μm，重叠值为7μm，熔接机放电功率为-55bit，放电时间为100ms。通过10次熔接实验测试，测得熔接损耗为0.63dB±0.05dB。图3所示为熔接后熔点图像，HC-PCF没有观察到明显的塌陷。对比其他组使用阶跃折射率光纤得到的最低熔接损耗0.79dB[14]，该实验结果更低。最后加上SMF28光纤到SM1950之间约0.1dB的损耗，得到从SMF28到HC-PCF总的熔接损耗为0.73dB。这一结果优于先前报道的结果[23]

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

2.2 PCF和自身的熔接

在实际使用过程中HC-PCF发生断裂，需要在断点将其熔接。但由于HC-PCF的多孔结构，使用普通光纤的熔接方法直接熔接HC-PCF是行不通的，会存在孔洞塌缩、熔接损耗大、强度低等问题。本文通过使用特种光纤熔接机(GPX-3600，Vytran，美国)，采用两步放电熔接的方法，自主编辑程序优化熔接过程，完成了HC-PCF和HC-PCF之间低损耗高强度的熔接。

实验中在一根HC-PCF端面连接光源，另一根端面连接光敏功率计。熔接具体过程分为两步：第一步采用小电流、短时间放电，保证光纤结构尽量不塌陷、熔接损耗低于对接损耗条件下将两光纤初步熔接；第二步通过再次放电扫描烧结熔点的方法提高熔接点的强度。

第一步具体过程为：先将待熔的2根HC-PCF端面剥去涂覆层、清洁、切割，此过程中清洁不干净，端面切割质量不好都会影响光纤熔接损耗。然后，将待熔HC-PCF处理过的端面固定在熔接机夹具上，设置光纤间距，粗调光纤中心线使其对准，再微调对准，同时监测功率计示数，待功率达到最大时，停止对准。最后，设置放电量、放电时间、两光纤重叠量，进行放电将光纤端面融化、推进，完成熔接过程。

通过第一步的熔接，熔接点只是轻微的粘在一起，没有很好的熔合，光纤的微小弯曲就会导致熔点的断裂。在第二步中，设置一定的重叠量，调整放电时间和放电量，对熔接点进行再次放电。此过程中需要保证光纤由外向内热量衰减快，到达纤芯区域的热量很小，减小对纤芯结构的影响，同时又能有足够的热量将光纤外壁区域融化，使其熔接。图4所示为最终熔接后接点图像，可以看到纤芯区域没有明显的塌陷。通过10次熔接实验测试，测得熔接损耗为0.52dB±0.05dB，远小于先前国内报道结果[24]。并且熔点强度增大，光纤弯曲半径为5cm时，熔点还可以保持不断裂。

图4 HC-PCF和HC-PCF的熔接点:(a、c)放电前;(b、d)放电后Fig.4 Splice point of HC-PCF and HC-PCF: (a,c)befor reheating; (b,d)after reheating

3 结论

HC-PCF由于其优异的性能在光纤陀螺中具有独特的优势，但在实际使用中需要解决HC-PCF与普通实芯光纤的熔接及其与自身的熔接问题。先分析了影响光纤熔接质量的因素，指出模场失配是造成两光纤熔接损耗高的主要因素。实验中通过采用过渡光纤和热致扩芯技术，解决了待熔光纤模场失配问题，将普通单模光纤和空芯光子晶体光纤之间熔接损耗将至0.73dB。通过使用特种光纤熔接机，优化熔接过程，自主编辑熔接程序，提出采用两步放电熔接的新方案，完成HC-PCF和HC-PCF的相互熔接，该方法得到的熔点损耗为0.52dB±0.05dB，且熔接点强度有所提高。

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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

国家自然科学基金(61377098)

李晓倩(1992-)，女，硕士研究生，主要从事光子晶体光纤的研究。E-mail：15201327054@163.com

汪滢莹(1983-)，女，博士，副研究员，主要从事光子晶体光纤、非线性光纤光学、光纤激光器的研究。

E-mail:wangyingying@bjut.edu.cn