CN108646341B - 一种基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子(SNAP)结构微腔及其制备方法和应用，该方法是将单模光纤两端固定在两个精密运动平移台上，分别对剥去涂覆层光纤的光纤区域进行电弧放电加热，同时平移台对光纤进行位移拉伸，最终在放电区域之间形成基于单模光纤的大尺度SNAP结构微腔。本发明利用光纤的残余应力释放效应和光纤拉伸引起的微小凹陷，在常规光纤上制作SNAP结构微腔，具有装置简单、制作成本低和成功率高的优势，有利于促进SNAP结构微腔在更多领域中的应用。

Description

一种基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔及其 制备方法和应用
技术领域
本发明属于微纳光学元件技术领域，更具体地，涉及一种基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔及其制备方法和应用。
背景技术
表面纳米轴向光子结构微腔(Surface nanoscale axial photonics,SNAP)是近几年新被提出的微光学器件，作为一种回音壁模式光学微谐振腔，相较于传统的微球腔、微盘腔和瓶口腔等，具有谐振谱规律、模式易识别的优点，同时，其形状特征使得谐振模式场在微腔轴向分布范围很广，可以用于微型光学延迟线器件、高精度光学频率梳器件、窄线宽激光器以及高灵敏度传感器件等，将来在光通讯、航空航天、传感、科学研究等很多领域有重要应用前景。目前SNAP结构微腔的制作主要基于二氧化碳激光照射光纤维的方法，由于光纤维是在受热受拉条件下制作，因此内部会有热应力和机械应力残留，而激光照射光纤维会导致部分残余应力的释放，引起光纤维尺寸和折射率的微小改变，进而形成SNAP结构。这种方法制作出的SNAP结构微腔具有尺寸控制精度高的优点，但限于材料特性，仅靠残余应力释放获得的SNAP结构有效半径变化难以超过20nm，使得该微腔难以激发出更多阶的轴向模式，限制了其应用范围。因此，需要一种新的SNAP结构微腔制作方法解决该问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔的制备方法。该方法基于电弧放电效应加热受拉光纤，通过光纤受热拉伸引入形变，增大SNAP结构有效半径变化的范围，制作SNAP结构微腔。
本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔。
本发明的再一目的在于提供一种上述基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将单模光纤的中间剥去涂覆层并擦拭干净，利用V形槽光纤夹持装置，将单模光纤的两端分别固定在两个运动平移台上；
S2.用电极对去除涂覆层的光纤区域进行放电加热，不同放电点间的间隔距离为0.3～1mm，同时，两运动平移台对光纤进行位移拉伸，在光纤表面产生凹陷，最终在上述光纤区域形成基于单模光纤的表面纳米轴向光子结构微腔。
优选地，步骤S1中所述运动平移台的定位精度小于2μm，所述V形槽光纤夹持装置中V形槽的直线度和平行度小于5μm。
优选地，步骤S2中所述电极的端部距单模光纤的距离为0.5～1mm。
优选地，步骤S2中所述位移拉伸的距离为10～100μm。
优选地，步骤S2中所述放电的时间为0.5～1.5s。
上述的方法制备的基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔。
优选地，所述微腔的有效半径为50～100nm，所述微腔的轴向长度为0.5～1.5mm。
所述基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔在微型光学延迟线器件、高精度光学频率梳器件、窄线宽激光器以及高灵敏度传感器件领域中的应用。
本发明基于电弧放电效应加热受拉光纤制作SNAP结构微腔原理为：首先，电弧放电加热光纤，使光纤自身原有的残余应力得到部分释放，改变其受热区域的折射率分布；其次，光纤在电弧放电加热的同时受到拉伸，分别在光纤区域及其临近区域进行放电加热时产生微小的尺寸变化并形成凹陷区域；最后，考虑到光纤受热对其折射率分布变化的影响，光纤受拉产生的两凹陷区域之间的区域具有类似瓶口状的有效半径变化轮廓，形成SNAP结构，可以通过控制光纤拉伸量以及电弧放电参数，实现SNAP结构微腔轮廓尺寸的控制，使微腔的轴向长度达到0.5～1.5mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出了一种基于单模光纤的可以实现大尺度(0.5～1.5mm)SNAP结构微腔制备的方法，该方法采用电弧放电效应加热受拉光纤，利用光纤拉伸产生的微小凹陷和光纤受热产生的折射率分布微小变化，制作基于单模光纤的SNAP结构微腔。避免了复杂的光路调整装置，具有装置简单、制作成本低和成功率高的优势。
2.本发明通过引入拉伸形变制作SNAP结构微腔的方法，能够获得毫米级SNAP结构，该毫米级SNAP结构能够支持更多阶的纯净轴向模式激发，有利于促进SNAP结构微腔在更多领域中的应用。
3.本发明的基于单模光纤的SNAP结构微腔可以实现轴向长度毫米级(0.5～1.5mm)。
附图说明
图1是本发明中制备SNAP结构微腔的装置示意图。
图2是本发明中基于电弧放电效应加热受拉光纤制作SNAP结构微腔的工艺流程图。
图3是实施例1制得的SNAP结构微腔的谐振谱图。
图中标号：1-第一精密运动平移台、2-第二精密运动平移台、3-第一光纤夹持装置、4-第二光纤夹持装置、5-第一电极、6-第二电极、7-单模光纤、8-SNAP结构微腔。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
图1是本发明中制备SNAP结构微腔的装置示意图。为了更清楚表达系统原理，图1中所有器件的尺寸和比例均不遵从真实比例，特此说明。该装置包括：精密运动平移台、光纤夹持装置和电极，所述精密运动平移台包括第一精密运动平移台1和第二精密运动平移台2，所述光纤夹持装置包括第一光纤夹持装置3和第二光纤夹持装置4，所述电极包括第一电极5和第二电极6。其中所述精密平移台1和2用来拉伸单模光纤，所述光纤夹持装置3和4用来夹持单模光纤，所述电极5和6用来产生电弧对单模光纤进行加热，单模光纤7是制作SNAP结构微腔的基体。考虑光纤残余应力释放引起的折射率分布变化，最终在单模光纤7的放电区域之间形成SNAP结构微腔8。
实施例1
本实施例中，精密平移台利用步进电机驱动实现，最小步距和定位精度小于2μm；光纤夹持装置利用高精度V形槽实现，安装时保证两V形槽的直线度和平行度小于5μm；电极放电利用光纤熔接机实现，所用熔接机型号为Fujikura FSM-40S；单模光纤在电弧放电加热下，进行微小范围拉伸，通过控制电弧和拉伸参数，制备SNAP结构微腔，放电参数采用FujikuraFSM-40S熔接机内置的熔接常规单模光纤所用放电模式，放电时间为1s。
图2是本发明中基于电弧放电效应加热受拉光纤制作SNAP结构微腔的工艺流程图，包括以下具体步骤：
1.将一根常规单模光纤7的中间剥去涂覆层并擦拭干净；
2.利用V形槽光纤夹持装置3和4，将剥去涂覆层光纤的两端分别固定在两个精密运动平移台1和2上，保证两V形槽的直线度和平行度小于5μm；
3.将电极的端部调整到距离光纤0.5～1mm范围，对去除涂覆层光纤区域进行放电加热，同时，两精密运动平移台1和2对光纤进行小位移拉伸10～100μm，在光纤表面产生凹陷；
4.沿光纤轴向调整电极位置，对步骤3中光纤加热区域进行放电，不同放电点间的距离为0.3～1mm，同时两平移台对光纤进行小位移拉伸10～100μm，在单模光纤表面产生凹陷；
5.考虑光纤残余应力释放引起的折射率分布变化，最终在上述光纤放电区域之间形成SNAP结构微腔。
图3为本实施例制作的SNAP结构微腔的谐振谱图，包含前18阶(q＝0～17)轴向模式，从图3可以看出，各轴向模式具有非常高的品质因子，其构成的谐振谱非常规律、纯净。相对于传统方法制作出的SNAP结构微腔，该SNAP结构微腔为毫米级(0.5～1.5mm)，能够激发出更多阶的纯净轴向模式，对于基于此类微腔的诸多应用有重要意义。另外，利用耦合位置扫描法测得，该SNAP结构微腔的有效半径变化最大值约为80nm，轴向范围约500μm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将单模光纤的中间剥去涂覆层并擦拭干净，利用V形槽光纤夹持装置，将单模光纤的两端分别固定在两个运动平移台上；所述运动平移台的定位精度小于2μm；所述V形槽光纤夹持装置中V形槽的直线度和平行度小于5μm；
S2.用电极对步骤S1中去除涂覆层的光纤区域进行放电加热，所述电极的端部距单模光纤的距离为0.5～1mm；不同放电点间的距离为0.3～1mm，同时，两运动平移台对光纤进行位移拉伸，所述位移拉伸的距离为10～100μm，在光纤表面产生凹陷，最终在上述光纤区域形成基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔。
2.根据权利要求1所述的基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述放电的时间为0.5～1.5s。
3.根据权利要求1或2所述的方法制备的基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔。
4.根据权利要求3所述的基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔，其特征在于，所述微腔的有效半径变化范围为50～100nm，所述微腔的轴向长度为0.5～1.5mm。
5.权利要求3或4所述基于单模光纤的大尺度表面纳米轴向光子结构微腔在微型光学延迟线器件、高精度光学频率梳器件、窄线宽激光器以及高灵敏度传感器件领域中的应用。
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