微纳米光纤腐蚀动力学及其光学特性研究

张劲超， 周瑞雪， 刘绍静， 陈依琳， 程煜鹏， 张俊优， 何赛灵， 邢晓波,2,*

(1. 华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州 510006；2. 华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学教育部重点实验室，广州 510631； 3. 华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006)

微纳米光纤腐蚀动力学及其光学特性研究

张劲超1， 周瑞雪1， 刘绍静3， 陈依琳3， 程煜鹏1， 张俊优1， 何赛灵1， 邢晓波1,2,3*

(1. 华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州 510006；2. 华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学教育部重点实验室，广州 510631； 3. 华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006)

利用氢氟酸(HF)腐蚀石英光纤法制备出微纳米光纤，并研究了微纳米光纤的光学特性. 实验中，利用CCD和数据采集卡，对腐蚀中的石英光纤进行实时监控. 结果发现，微纳米光纤的光功率损耗随直径的减小，而呈指数增加. 通过OptiFDTD软件模拟微纳米光纤的电场矢量分布，发现随着直径减小，微纳米光纤的倏逝场越来越强. 当微纳米光纤的直径与输入光波的波长相近时，光波几乎只沿着光纤的表面传播. 结果表明，微纳米光纤具有制备简单、尺寸小、倏逝场大等优良特性，在传感器等领域具有很好的应用前景.

微纳米光纤; 氢氟酸; 倏逝场; OptiFDTD8.0软件

近几十年来，直径远大于传导光波波长的普通光纤已被广泛应用于光通信、传感、功率传输和非线性光学等方面[1-4]. 随着纳米技术的发展，光纤和光纤器件的微型化、集成化已经成为一种发展趋势[5-7]，微纳尺度的光纤和光纤器件受到了越来越多的重视. 微纳米光纤(MNF)是指直径在几十纳米至几微米之间的特种光纤[8]，作为未来微纳米量级光子器件和设备的基石，以及微观光学的研究工具，MNF的制备和应用引起了研究者们的广泛关注. MNF表面的强倏逝场极易受周围环境的影响，从而造成倏逝场能量的衰减或波长的漂移. 因此，基于倏逝场效应，可制作各种各样的光纤倏逝波传感器. 目前，光纤倏逝波传感器已在水质监测、医疗卫生、生物化学和军工等领域得到了广泛的应用[9-12].

MNF有多种制作方法，其中拉锥法[13]和刻蚀法[14]是典型的MNF制造方法. 2003年，TONG等[13]首次提出了利用两步拉伸法制备MNF. 拉锥法制作的MNF具有直径均匀、表面光滑等优点，但拉锥法的可控性差，难以制备具有特定尺寸要求的MNF. 因此，在制备特定尺寸的MNF时，拉锥法并非最佳选择. 刻蚀法主要通过氢氟酸(HF)等化学试剂腐蚀光纤来制备MNF，虽然刻蚀法制备的MNF表面不够光滑，但其可控性强，能定量控制MNF的直径和长度. 为了能够更好地研究MNF的直径与光功率损耗的关系，本文采用HF刻蚀法制备MNF，并结合软件OptiFDTD8.0研究其光学特性.

1 理论模拟与实验系统

1.1 微纳光纤的倏势场理论模拟

研究表明，MNF的大部分能量以倏逝场的形式在纤芯外部传输. TONG等[15]从理论上证明了：随着MNF直径的减小，其以倏逝场形式传输的能量将增强，相应约束在光纤内的能量将减弱. 本实验研究在HF溶液腐蚀条件下，随着时间越长，1 550 nm的单模光纤的直径越来越小，其折射率可由Sellmeier 色散公式决定[15]. 实验时，将光纤浸入折射率约为1.33的HF溶液中，并通入波长为1 070 nm的光信号. 采用软件OptiFDTD8.0对上述过程进行模拟，发现总光场能量中，倏逝场能量的比率会随光纤直径的减少而增大. 当工作波长为1 070 nm，光纤直径分别为0.2、0.5、1.0、2.0m时，MNF的光场分布如图1所示. 结果表明，MNF倏逝场的有效透射深度分别为1.413、0.837、0.389、0.318m，倏逝场随着光纤直径的减小而增大. 此外，当光纤直径约为0/5(其中0为入射光波波长)时，MNF的光场分布将会发生突变，光场的能量集中在MNF的表面.

图1 当工作波长为1 070 nm时不同光纤直径的电场矢量分布模拟图

在普通光纤中倏逝场的穿透深度

其中，n1、n2分别是纤芯和包层的折射率，θi是光纤的入射角，是入射光波长. 当一定时，普通光纤的倏逝场穿透深度是一定值，即随着MNF直径的增大，MNF倏逝场的穿透深度将趋向于一定值.而在现实情况中，随着MNF直径的不断减小，倏逝场的穿透深度并不会无穷增大，因此，随着MNF直径的减小，MNF倏逝场的穿透深度必然也趋向于一定值. MNF倏逝场的穿透深度与其直径的关系应当符合玻尔兹曼函数模型：

y=A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x0)/dx))，

(1)

其中，y是倏逝场的穿透深度，x是光纤的直径，A1、A2、x0、dx均为常数，A2是普通光纤倏逝场的穿透深度，在光纤的直径远大于时，A2随的增大而增大.

图2 不同工作波长的光纤倏逝场深度与直径的关系模拟

Figure 2 Simulation of relationship between evanescent optical field and fiber diameter at different working wavelength

ΔP=A0exp(-x/x0)+y0，

(2)

其中，ΔP是光功率损耗，x是光纤的直径,A0、x0、y0均为常数. 通过减小光纤的直径可以增强倏逝场，但也会导致光纤的光功率相应衰减. 因此，通过监测MNF的光功率损耗变化，可以获得MNF的倏逝场特性.

图3 光功率损耗与直径的关系模拟(=1 070 nm)

Figure 3 Simulation of relationship between optical power loss and fiber diameter(=1 070 nm)

1.2 实验装置、原理和过程

SiO2+ 4HF → SiF4↑+ 2H2O，

(3)

SiO2+ 6HF → H2SiF6+ 2H2O.

(4)

研究表明，室温下HF溶液的腐蚀速率与HF的质量分数密切相关[17]. 在低质量分数的HF溶液(2%～24%)中，反应(3)、(4)同时进行，而在高质量分数的HF溶液中只有反应(3)进行. 因此，为了使HF腐蚀光纤的过程更加稳定，选取质量分数分别为30%、35%和40%的HF溶液作为腐蚀剂.

实验采用自主设计的HF腐蚀光纤系统(图4). 系统主要由腐蚀反应器、激光光源、数据采集卡、计算机、光学显微镜及CCD等部分组成. 反应器材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，容积为40 mm×20 mm×10 mm，壁厚为5 mm，底部厚为1 mm，其两端中间开有宽1 mm深10 mm的小槽. 激光光源的工作波长为1 070 nm. 数据采集卡的前端带有光电转换模块，每0.2 s进行一次采样. 利用计算机控制CCD与数据采集卡，对光纤的直径与光功率损耗进行实时监控.

图4 HF腐蚀石英光纤的实验原理图

Figure 4 Schematic of experimental setup for HF etching quartz fiber

实验前，用剥线钳剥除15 mm长的光纤涂覆层，利用无水乙醇溶液与去离子水清洗光纤和腐蚀反应器. 然后用石蜡将光纤固定在腐蚀反应器内，输入2 mW、1 070 nm的激光. 在腐蚀反应器内滴满HF溶液后，迅速盖上边缘涂满凡士林的PMMA板(45 mm×25 mm×1 mm)进行密封. 最后，打开数据采集卡与CCD对光纤进行监控. 该实验过程中温度严格控制在27 ℃.

2 器件的性能及应用

在高质量分数的HF溶液中，光纤的直径与腐蚀时间呈线性关系(图5)，腐蚀速率分别为0.021 5、0.027 1、0.039 9m/s时，HF对光纤的腐蚀速率随HF溶液质量分数的增加而增大. 由图6可知，光纤的光功率损耗随腐蚀时间的增加呈指数增大，其关系曲线符合式(2)的函数模型. 此外，由于光纤的直径与腐蚀时间呈线性关系，其光功率损耗与直径的关系也符合式(2)的函数模型(图7). 实验与模拟所得的MNF光功率损耗与直径的函数关系模型相同. 因此，可以使用该函数模型表征MNF的光功率损耗与直径的关系.

图5 HF溶液中光纤直径与腐蚀时间的关系

Figure 5 Relationship between fiber diameter and etching time in HF solutions

图6 HF溶液中光功率损耗与腐蚀时间的关系

Figure 6 Relationship between optical power loss and etching time in HF solutions

图7 通过曲线延伸法得到的光功率损耗与光纤直径的关系

Figure 7 Relationship between optical power loss and fiber diameter using curve extension method

注：KOH溶液质量分数为40%.

但实验测量的MNF光损耗与直径的关系曲线与OptiFDTD8.0的模拟结果并不重合，实验的关系曲线明显高于模拟(图8A). 当MNF的直径远小于或远大于时，实验值与模拟值差异较小. 这是因为在实验中MNF的光功率损耗除了倏逝场造成的损耗外，还存在着耦合损耗. 如图8B可知，在腐蚀过程中，光纤的模型可视为由2个光纤光锥与MNF的耦合，实验测得的光功率损耗包含了MNF的倏逝场损耗和耦合损耗.

图8 光功率损耗与直径的关系及光纤腐蚀模型

Figure 8 Relationship between optical power loss and fiber diameter, and fiber etching model

实验中MNF的光功率损耗虽然包含了倏逝场损耗和耦合损耗，但其与直径的关系模型依然符合式(2)的函数模型. 而光纤光锥与MNF的耦合损耗随腐蚀时间的变化可表示为：

(5)

P=Cek1t，

(6)

其中，P是耦合损耗，t是腐蚀时间，k1是耦合损耗变化的一阶系数，C是常数.

由于光纤的直径与腐蚀时间呈线性关系，因而耦合损耗与光纤直径的关系可表示为：

P=C0e-k2D，

(7)

其中，P是耦合损耗，D是光纤直径，k2、C0均为常数.

由函数模型式(2)与式(7)可知，当光纤的直径远大于入射光波波长时，耦合损耗与MNF的倏逝场传输损耗都较低，实验测得的关系曲线与模拟的结果在该部分的差异较小；但是在光功率损耗与光纤直径的关系模型中，系数1/x0>k2，随着光纤直径的减小，在一定范围内，耦合损耗远大于倏逝场损耗，MNF的光功率损耗以耦合损耗为主，实验测得的关系曲线与模拟的结果差异增大. 实验所用的是长度为15 mm的单模光纤，腐蚀的长度较长. 随着光纤直径的持续减小，倏逝场传输损耗的增长速率急速增大，整根光纤的损耗以倏逝场损耗为主，使得实验的关系曲线与模拟结果差异减小.

由实验所得的MNF光损耗与直径的关系曲线可知，当光纤被腐蚀到仅剩下纤芯时，MNF光功率迅速增大. 当光纤的直径为14.5m时，光功率只有0.1 dB/mm. 但是，当光纤被腐蚀到直径为10m时，光损耗却达到13.6 dB/mm. 虽然随着光纤直径的减小，倏逝场能量占光场总能量的比率增大，但光纤的光功率损耗也增加，即倏逝场对光纤导光能力的影响增大. 而通过OptiFDTD8.0的模拟结果可知，当MNF的直径在一定范围内时，MNF倏逝场的穿透深度会随着入射光波长的增大而增加. 因此，制作基于MNF倏逝场效应的光纤传感器时，可选用直径较大的MNF和波长较长的激光光源. 此外，增大MNF的直径可以降低光功率损耗，选用发光功率更低的激光器作为光源便可以满足实验要求，从而降低传感器的制作成本.

3 结论

利用HF刻蚀法可制备各种尺寸的MNF. 通过刻蚀法与软件OptiFDTD8.0研究MNF光学特性发现：当MNF的直径与入射光波的波长在同一数量级时，具有较强的倏逝场，可用于制作光纤传感器. 由于MNF具有优异的光学性能，是微纳米领域研究的重要方向. MNF的强倏逝场使其可成为具有高灵敏度的光学传感器件，在通信和传感领域均有较大的研究价值和应用前景.

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【中文责编：谭春林 英文审校：肖菁】

Study on Corrosion Kinetics and Optical Properties of Micro/Nano Fiber

ZHANG Jinchao1, ZHOU Ruixue1, LIU Shaojing3, CHEN Yilin3, CHENG Yupeng1, ZHANG Junyou1, HE Sailing1, XING Xiaobo1,2,3*

(1. Centre for Optical and Electromagnetic Research, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 2. Education Ministry’s Key Laboratory of Laser Life Science & Institute of Laser Life Science, College of Biophotonics, South China Normal University, Guangzhou 510631, China; 3. School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

Micro/nano fiber can be obtained by corrosion of optical fiber using hydrofluoric acid (HF) and its optical property is studied. In this work, a CCD and a data acquisition card are used for monitoring the corrosion of optical fiber in real time. The results of experiment have showed that the optical power loss of micro/nano fiber increases exponentially with the decrease of diameter. The mode fields of micro/nano fibers are analyzed by OptiFDTD software. It is found that the evanescent optical field of micro/nano fiber increases with the decrease of the diameter. When the ratio between the fiber diameter and the incident wavelength is smaller, the light wave mainly propagates in the surface of optical fiber. The results show that the micro/nano fiber affords several advantages, such as simple sample preparation, small size, large evanescent optical field, which has the alluring foreground of application in the field of sensors.

micro/nano optical fiber; hydrofluoric acid; Evanescent optical field; OptiFDTD8.0 software

2015-06-09 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(61177077,81371877)；广东省创新团队项目(2011D039)；广东省自然科学基金项目(2013B090500123,2014A030313432,2016A020221030,2013B090500034);长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT13064)

O363;O43

A

1000-5463(2017)01-0062-05

*通讯作者:邢晓波，副教授，Email:xingxiaobo@scnu.edu.cn.