光纖器件

光纖器件有光纖型、棒透鏡型和平面型等結(jié)構(gòu)。光纖型器件是光纖經(jīng)過研磨拋光、熱熔拉錐或鍍膜等工藝制成的。加工較為簡便，無需特殊材料，因而成本較低。棒透鏡型器件是用棒透鏡或配以必要的其他微光學(xué)元件制成。棒透鏡是橫斷面折射率呈拋物型分布、對傳輸光束有自聚焦作用的圓柱形透鏡，又稱自聚焦透鏡(圖1)。這種透鏡的特點(diǎn)是焦距小、數(shù)值孔徑大、像差小、加工和連接方便、調(diào)準(zhǔn)容易。由兩根長度為1/4節(jié)距的棒透鏡所構(gòu)成的準(zhǔn)直-聚焦平行光路適用于多種光纖器件。平面型器件以鈮酸鋰等作襯底材料，用集成電路工藝制成。其特點(diǎn)是體積小、抗外界干擾性能好，是集成光學(xué)器件的一種初級形式，又稱薄膜光波導(dǎo)無源器件。

玻恩和沃耳夫著，楊葭蓀等譯:《光學(xué)原理》，科學(xué)出版社,北京，1978。(M.Born and E.Wolf,Principles of Optics,Pergamon Press,Oxford,1975.) A.Yariv, Introduction to Optical Electronics,Holt Rinehart and Winston,New York,1976.

光纖器件有兩個基本參數(shù)，即插入損耗和隔離度。光纖傳輸系統(tǒng)要求插入損耗小、隔離度大。

插入損耗 光纖器件插入光纖傳輸系統(tǒng)所引起的光功率損耗。通常用器件輸出功率與輸入功率 Pi之比的對數(shù)值來表示，即對于多端輸出的器件，應(yīng)是各輸出端功率之和。產(chǎn)生插入損耗的主要原因是器件中光的漏泄、輻射、散射和像差等。插入損耗通常采用截斷法、臨時接點(diǎn)法(或兩點(diǎn)法)來測量，測量在穩(wěn)態(tài)模式分布的條件下進(jìn)行。

隔離度 某些光纖元件插入光纖傳輸系統(tǒng)后，引起光從一個光路漏泄到另一個光路，常稱串音。通常用漏泄到另一個光路的功率P1與主光路輸入功率Pi之比的對數(shù)值來表示: 產(chǎn)生串音的主要原因是器件中光纖端面的菲涅爾反射、各光路之間的包層厚度不當(dāng)以及對漏泄和輻射模的吸收性能不佳等。

光纖器件按功能分類，有光連接器、光耦合器、光開關(guān)、波分復(fù)用器和波分解復(fù)用器、光衰減器、光環(huán)行器、光隔離器和光調(diào)制器等。

光連接器 實(shí)現(xiàn)光纖與光纖或光纖與其他器件光學(xué)連接的器件。它的主要參數(shù)是插入損耗。光連接器品種甚多,按插孔的結(jié)構(gòu)型式分，有O型、C型和V型等;按光纖種類和芯數(shù)分，有多模、單模光纖連接器，多芯、單芯光纜連接器等;按應(yīng)用場合分，有通用式、現(xiàn)場裝配式、密封式和穿墻式等。通用的多模單芯光纜連接器的插入損耗一般為 0.5~1分貝(圖2)。單模光纖連接器的最低插入損耗可達(dá) 0.3分貝。

光定向耦合器 使光路之間按比例實(shí)現(xiàn)能量耦合,且分光路線與傳輸方向有關(guān)，可作成三端口或四端口器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝的不同，可分為拼接式、拉錐式、棱鏡式、平面式等(圖3)。光定向耦合器的主要參數(shù)是插入損耗、分光比和隔離度。主要用于單線雙向傳輸及數(shù)據(jù)網(wǎng)等。 星形耦合器 使一個或幾個光路中的光能耦合到同一邊(或另一邊)一個或幾個光路中的近似星形器件。將能量耦合到同一邊光路的稱為反射式星形耦合器;將能量耦合到另一邊光路的稱非反射式星形耦合器。按其對稱性又可分為1×n型和n×n型等。按結(jié)構(gòu)與工藝的不同，星形耦合器可分為拉錐式、攪模棒式等(圖4)。星形耦合器的主要參數(shù)與光定向耦合器相同。它主要用于星形光纖網(wǎng)絡(luò)。

T 形耦合器 使兩個端機(jī)接到一個主傳輸線路上去的器件。主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)與星形耦合器相同，主要用于母線網(wǎng)絡(luò)。

光開關(guān) 使一個或幾個光路中的光能接通、切斷或轉(zhuǎn)換到另一個或幾個光路中去的器件。按轉(zhuǎn)換型式可分為1×n型和n×n型(矩陣開關(guān));按轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為機(jī)械式和折射率式(圖5)。光開關(guān)的主要參數(shù)是插入損耗、隔離度、重復(fù)性、轉(zhuǎn)換時間和壽命。它主要用于光路的切換。

波分復(fù)用器 使兩個或兩個以上不同波長的光載波共用一個光路的器件。按色散元件分有棱鏡式、光柵式和干涉模式等。其主要參數(shù)是插入損耗、隔離度等。它主要用于單線雙向傳輸和光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。

波分解復(fù)用器 使共用一個光路的不同波長的多個光載波分到各自光路中去的器件。其主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)和用途均與波分復(fù)用器相同。

光衰減器 使光路的光能按一定比例衰減的器件。按衰減量的可調(diào)性可分為固定式、分級可調(diào)式和連續(xù)可調(diào)式(圖6)。其主要參數(shù)是衰減量及其精度。它主要用于調(diào)整中繼區(qū)間的損耗、評價光纖傳輸系統(tǒng)損耗和校正光功率計等。

光纖器件除應(yīng)用于光纖通信外，還可應(yīng)用于非通信領(lǐng)域，如傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和計算技術(shù)等。特別是光纖傳感器尤其受到人們注意，它的進(jìn)展將會促進(jìn)光纖器件的發(fā)展。此外為了適應(yīng)單模光纖傳輸系統(tǒng)的需要，光纖器件將在平面型器件的基礎(chǔ)上向混合集成光路方向發(fā)展，對光纖傳輸系統(tǒng)會產(chǎn)生重要的影響。

利用微納光纖操作簡單、 倏逝波耦合等特性，目前研究者們成功研制出多種基于微納光纖的諧振腔。根據(jù)諧振腔結(jié)構(gòu)大致可分為 三類 : 圈型諧 振腔(loopresonators)、結(jié)型諧振腔(knot resonators)和卷型 諧振腔(coil resonators)。 Sumetsky 等首先報道了將微納光纖繞圈形成諧振腔的方法:將微納光纖兩端通過拉錐端與單模光纖相連，借助光學(xué)顯微鏡操作形成圈型結(jié)構(gòu)。微納光纖圈型諧振腔的耦合區(qū)依靠靜電力、范德瓦爾力和摩擦力相互作用維持，諧振腔的自由光譜區(qū)取決于微納光纖圈的大小，諧振峰的形狀則與耦合系數(shù)有關(guān)，通過微調(diào)節(jié)光纖圈尺寸從而改變諧振腔的自由光譜區(qū)和諧振峰形狀 。

由于圈型結(jié)構(gòu)耦合區(qū)是通過相互作用力來保持，容易受到外界環(huán)境干擾，結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，童利民等對結(jié)型諧振腔耦合區(qū)進(jìn)行改進(jìn) ，通過將微納光纖相互纏繞，增加微納光纖間的摩擦力，形成結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定的結(jié)型諧振腔。 Jiang 等所制作的結(jié)型諧振腔的品質(zhì)因子可達(dá) 10000 以上。 結(jié)型諧振腔可通過拉拽微納光纖的一端來改變諧振腔的大小，而且諧振腔可以在低折射率襯底表面或者液體中穩(wěn)定工作。Sumetsky 等報道了微納光纖卷型諧振腔，它是多圈微納光纖間通過倏逝波耦合形成的三維結(jié)構(gòu)諧振腔。由于微納光纖諧振腔具有高品質(zhì)因子、小尺寸等特點(diǎn)，研究者們實(shí)現(xiàn)了多種微型光纖激光器。 Jiang 等用結(jié)型諧振腔實(shí)現(xiàn)了稀土摻雜的微型激光器。 實(shí)驗(yàn)使用 975nm 波長激光作為泵浦光，當(dāng)最大泵浦功率為12.8mW時，最大輸出功率約為 8μW。 此后他又實(shí)現(xiàn)了基于倏逝波增益的微納光纖結(jié)型染料激光器。 近期，肖堯等在光學(xué)顯微鏡下將單根 CdS 納米線折疊成微環(huán)反射鏡，形成耦合的復(fù)合諧振腔結(jié)構(gòu)，并通過游標(biāo)效應(yīng)選模，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定的低閾值單模激光輸出 。

微納光纖具有小尺寸、大表面體積比、強(qiáng)倏逝波傳輸特性等特點(diǎn)， 使它們對外界環(huán)境表現(xiàn)出高靈敏、快響應(yīng)速度和較低的探測極極限等優(yōu)勢，因此在光學(xué)傳感方面具有潛在應(yīng)用價值。 Polynkin 等報道了一款基于微納光纖的微流折射率傳感器，并用其測量不同濃度的甘油水溶液的折射率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其測量精度約為 10-4 。Villatoro 等設(shè)計了一個用于測量氫氣濃度的微納光纖傳感器， 實(shí)驗(yàn)中氫氣濃度為 3.9%時，該傳感器的響應(yīng)時間約為 10s， 這比其它光學(xué)氫氣傳感器快了 3~5 倍。 谷付星等直接從摻雜的高分子溶液中拉制出具有特定功能的高分子納米線，并通過微納光纖倏逝波耦合的方式將光有效地輸入 、 輸出納米線，研制成了用來檢測濕度和氣體濃度的光學(xué)傳感器。 實(shí)驗(yàn)中，單根聚丙烯酰胺(PAM)納米線可以檢測35%~88%的相對濕度，響應(yīng)時間約為 30ms，比現(xiàn)有的電學(xué)濕度傳感器快 1~2 個量級; 單根溴百里香酚藍(lán)(BTB)摻 雜 的 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 脂 (PMMA) 納 米 線 對NH3 氣 體 的 靈 敏 度 可 以 達(dá) 到 3ppm， 響 應(yīng) 時 間 約 為1.8s，這比傳統(tǒng)薄膜傳感器快很多。 此外，微納光纖在冷原子的俘獲與傳導(dǎo)、量子光學(xué)等領(lǐng)域也具有潛在應(yīng)用價值 。