韩国光州科技学院信息与通信系
Jung Won Moon, Kwang-Taek Kim
Honam大学光电系
Joo Beom Eom
韩国光子技术研究院

摘要：本文介绍了一种基于边研磨技术的可调光子晶体光纤（PCF）耦合器的制作方法。这种耦合器通过将两根边研磨过的PCF配对植入石英块的内部形成。通过调整这些石英块的匹配角度就可以调节耦合率了——范围从0%到90%不等。耦合光的光谱也相当平坦，大约有400nm的波长范围且仅有小小波纹。
关键词：耦合器 PCF 耦合率

1、 简介

近来，光子晶体光纤（PCF）凭借其优异的性能而引起人们越来越多的关注。其中一些引人注目的特征包括能在很宽波长范围内提供单模传输[1]，具有奇异的色散特性[2]以及很大的模场直径[3]。这些PCF光纤仅由单一材料构成，而不像传统光纤那样纤芯和包层均由不同材料组成。PCF的中心是一些缺陷或缺失，而周围区域则由均匀排列的空气孔扮演包层角色。光纤耦合器则是光通讯系统中的最基本元件之一。它的作用是将一条光纤的光耦合进另外一条光纤里。利用传统单模光纤制作光纤耦合器的技术已经相当成熟了，不过对于利用光子晶体光纤来制作光纤耦合器的技术，如今则刚刚起步。我们仅看到利用FTB(熔融拉锥)技术制作这种耦合器的报道[4]。

在我们的研究过程中，我们是利用边研磨（side-polishing）[5] 技术来制作可调PCF耦合器的。这种PCF耦合器通过将两根边研磨过的PCF配对（mating）植入石英块的内部形成.当这两根PCF的纤芯*的很近的时候，在这些PCF导模之间就会发生渐消场耦合。这种边研磨技术制成的光纤耦合器的最主要特征就是其耦合率具有可调性。下面我们就向大家介绍一下基于边研磨技术的PCF耦合器制造工艺及其性能。

2、实验结果

对PCF的预加工是通过将90个内直径为2mm、外直径为3mm的硅毛细管环绕一个直径为3mm的硅棒堆栈而成，然后在给它们套上一个内直径为34mm，外直径为38mm的套管。

图1 (a)边研磨过的PCF示意图（b）边研磨过表面的显微图片

通过研磨，PCF上的保护膜层将被去掉。光纤接着就被内嵌到带有凹槽（curved groove）的石英块中。凹槽的弯曲半径和宽度分别是250mm和144mm。内嵌的光纤通过UV胶（NOA 61）固定。首先，将埋入PCF的石英块放在一个黄铜盘子上，用Al2O3粉末进行粗磨。接着再放到一个聚亚安酯制成的盘子上，用CeO2粉末进行细磨。相关的结构示意图和研磨后的显微图象参看图1。我们可以看到在PCF上出现数个空气孔，这主要是由于边研磨所致。通过对暴露区域的长短可以大体了解研磨的厚度。按照我们的经验，当暴露的长度在10mm时，我们估计研磨的厚度能达到50μm。

  图2：（a）耦合率测量示意图（b）可调方案的侧面图

通过将这根两个PCF耦合进石英模块中，PCF耦合器就算是制作完成了。相关的耦合器的横截面示意图参见图2（a）（沿着光纤方向）和图2（b）（光纤横切面）。我们在耦合器的输入端注入宽带光波，在调整两个模块之间的倾斜角度的同时也测试两个输出端口的光谱。这两个模块可以沿着研磨表面进行移动。主轴位于模块的一端，而另一端则通过一个螺丝钮来控制旋转。因而我们可以从图2（b）看到石英块所出现的横向位移。我们在实验中所用到的PCF直径约116 μm，空气孔的长度为5-6μm，核心直径约16μm。
  

图3在1300nm和1550nm处耦合率的可调范围

图3显示了通过调节倾斜角度所测试的输出端口的耦合率。最大的倾斜角度一般很小，不超过几度。从图三我们可以看到耦合率最高可以达到90%。较长波长的耦合率一般比那些较短波长的耦合率要大，这个现象可以由如下理论来解释，PCF中核心模的有效模场直径随着波长的增加而增大。但是为了核实上述现象还需要更多的实验和测试。

图4耦合器两端口相关的输出功率（a）发生20%耦合的时候（b）发生90%耦合的时候

我们分别测量了耦合率为20%和90%的两输出端口的光谱，见图4（a）（b）。耦合可以发生在很宽的波段内，但无法评估所有耦合率的改变。然而，光谱中存在一些不容忽视的波纹（ripples），可能是由干涉造成的。我们将这两个边研磨PCF放在一起的时候没有使用任何匹配液（matching fluid），这会导致研磨表面的接触不良，而我们之所以没使用任何匹配液是因为PCF中的空气孔由于经过边研磨后已经暴露在外面（见图1b）。而使用匹配液后会使匹配液渗透到空气孔中，从而导致PCF传导特性的改变。

3、结论
我们向大家示范了利用边研磨技术制造的可调PCF耦合器。我们向石英模块植入两根PCF后再进行研磨。通过调节这些集成PCF石英块的横向阵列来控制耦合率，耦合率最高可达到90%。当在进行边研磨的时候一部分空气孔会暴露在外面，这时候研磨粉末和匹配液会渗透到空气孔中，我们采用超声波清洗和烘干工艺来驱除这些杂物。PCF耦合器的耦合率也可以通过调整匹配模块上的压力来调节，这种方法可以减少PCF间的空隙，从而增大耦合率。

4、参考文献
[1] T. A. Birks, J. C. Knight, P. St. J. Russell, “Endlessly single-mode photonic crystal fiber”, Opt. Lett., 22, pp. 961-963 (1997).
[2] T. A. Birks, D. Mogilevtsev, J. C. Knight, P. St. J. Russell, “Dispersion compensation using single-material fibers”, IEEE Photon. Techno. Lett., 11, pp. 674-676(1999).
[3] J. C. Knight, T. A. Birks, R. F. Cregan, P. St. J. Russell, and J. P. de Sandro, “Large mode area photonic crystal fiber”, Electron. Lett., 34(13), pp. 1347-1348(1998).
[4] Byeong Ha Lee, Joo Beom Eom, Jinchae Kim, Dae Seung Moon, Un-Chul Paek and Gil-Ho Yang, “Photonic crystal fiber coupler”, Opt. Lett., 27, pp. 812-814(2002).
[5] M. J. F. Digonnet and H. J. Shaw, “Analysis of a tunable single mode optical fiber coupler” IEEE J. Quantum Electron. QE-18, pp. 746-754(1982).