微米光子回路中能量的荧光显示与调节

梁定鑫， 李梦洁， 张亚平， 贾洪一， 佘淋淋， 林志立， 戴 昊，张奚宁 *， 吴志军， 蒲继雄

(1. 华侨大学信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室， 福建 厦门 361021；2. 厦门大学海洋与地球学院 海洋观测技术研发中心， 福建 厦门 361005)

1 引 言

近年来，以微纳光纤、聚合物微米或纳米线等为代表的各类微纳光波导由于具有优异的光学特性，广泛地用于搭建多种波导光子器件回路[1-2]。而微纳光波导之间的耦合条件极大地影响了诸如耦合器[3]、环形腔[4-5]和微型激光器[6]等经典光子器件的性能。许多理论模拟研究工作已经揭示了在单根弯曲纳米线[7]、双平行纳米线[8-9]和自耦合纳米线[10-11]中的能量传输行为。然而，研究表明，在直径为微米量级的光波导中，光束以多模形式传输，使微米光波导中的能量分布更加复杂[12-13]。同时，为了在实验上直接观测到波导的能量分布，便于器件及回路的性能调节，有些研究者将不同的荧光染料覆盖在金属纳米线[14-15]的表面上，或在微米线中掺入稀土元素[16]进行远场成像。这些研究大多集中在对直线型微米(纳米)线中能量分布的直接成像上，而对由弯曲波导构成的回路中光能量分布情况的讨论十分有限。

本研究首先在聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)微米线中掺杂罗丹明B(Rhodamin B，RhB)，通过波导直接耦合的方式激发微米线中的荧光，对弯曲的微米光波导中的能量分布进行表征；利用荧光指示，对基于弯曲掺杂微米线的多种光子回路的输出能量进行调节；通过荧光指示，可以在光学显微镜下直接观测到基于微环回路中的能量传输。在确定的耦合条件下，根据可视化的荧光路径，可以改变传输距离来调整光输出特性。染料掺杂的聚合物微米线中周期振荡的荧光光路可用于显示弯曲光子回路中的能量传输和指导光学调节。本文的结果为调节弯曲光子回路和耦合结构的光学特性提供了一种简便的方法。

2 实验材料与装置

将2.4 mg RhB掺杂到溶解了750 mg PMMA的氯仿溶液中，并通过溶液拉伸法制备荧光物质掺杂的聚合物微米线(Polymer microfiber，PMF)[17]。由该方法得到的RhB掺杂PMF典型直径在1.0～1.8 μm之间。

实验装置如图1所示。在光学显微镜下，将RhB掺杂PMF放置到氟化镁(MgF2)衬底上，用微纳操作将其弯曲组装成光子回路[18]。通过使用火焰拉锥法，从标准光纤中拉制锥形光纤[19]。将一束波长为532 nm的连续激光导入该锥形光纤，通过倏逝波耦合的方法，实现RhB掺杂PMF中的光束传输及荧光激发[20]。

图1 锥形光纤和弯曲RhB掺杂PMF间的倏逝波耦合示意图，绿色箭头为入射光的方向。

通过置于光学显微镜上的CCD相机，记录光激发时弯曲微米线或光子回路的光学显微图像。截取结构输出端光点的暗场光学图像(64×64像素)，并将其转化为灰度值来表示弯曲微米线或光子回路的输出光强[21-22]。

3 结果与讨论

3.1 单根弯曲微米线的荧光激发

通过微操作，将直径为1.5 μm的RhB掺杂PMMA微米线一端弯曲，其曲率半径～35.5 μm。通过锥形光纤直接将波长为532 nm的激发光耦合进微米线中部，如图2(a)所示。

当入射光进入弯曲微米线时(如图2(b)所示)，激发微米线中RhB荧光，使微米线在轴线方向上出现明显的荧光光路，且随着光束传输距离的增加，荧光强度逐渐变弱。通过弯曲部分前端的直线波导放大图(图2(c))可知，在直线波导部分，光能量以周期性振荡的方式向前传输，周期为～4.0 μm。而弯曲部分的放大图(图2(d))显示，波导中能量分布的波形发生跃变。这主要是由于微米线中的光束在弯折部分发生相位跃变、能量泄露形成的。由此可知，将聚合物微米线进行荧光掺杂后，可通过倏逝波耦合的激发方式，在实验上直接观测到直线型波导和弯曲波导中的能量分布的不同特点。

图2 单根RhB掺杂PMF中荧光的波导激发。(a)明场光学图像，绿色箭头为入射光的方向；(b)对应的暗场光学图像；(c)～(d)(b)图中所示直线部分与弯曲部分对应的放大图。

3.2 基于掺杂微米线的弯曲光子回路器件

3.2.1 弯曲Y型分束器

Y型分束器是构成光子回路系统的重要光子结构之一。如图3所示，利用两根直径相同(～1.2 μm)的RhB掺杂PMMA微米线，可组装成Y型分束器。弯曲的输入端(曲率半径～16.1 μm)有利于缩小回路的整体尺寸。弯曲波导的两端分别为输入端和输出端O1，另一短分支的输出端为O2，分支与弯曲微米线的耦合长度～2.0 μm，耦合角度～30°。

入射光(532 nm)从左端通过锥形光纤耦合到弯曲Y分束器的输入端，沿Y型分束器输入端的水平部分移动锥形光纤，可改变输入端到弯曲点的距离(L)。通过激光激发得到的荧光光路，可以观测到弯曲Y型分束器内部的能量传输并调节其光学特性。图3(b)显示了L≈7.0 μm时通光后分束器的暗场显微图像。根据微米线中荧光的激发情况直接观察到，光束经输入分支传输后，能量在分束器耦合区分光(图3(b)虚线框)，且O1和O2端有明显的输出光斑。这表明尽管波导存在较大程度的弯曲，但分束器的分束效果仍较为明显。当将锥形光纤缓慢向右水平移动到L≈5.1 μm时(图3(c))，分束器耦合区的荧光光路显示，几乎没有能量耦合进入短分支，且O1端光斑强度有所增加，而O2端已无明显光斑。这是由于锥形光纤的移动，输入耦合点的位置发生了改变，使掺杂PMF中光束传播的相位发生了变化，从而影响了弯曲Y型分束器的分光效果[16]。由此说明通过荧光光路可直接反映回路的耦合状态，且传输距离的改变可以调整简单回路的输出强度

图3 弯曲Y型分束器的光强调节。(a)弯曲Y型分束器的明场光学显微图像，绿色箭头为入射光输入方向，黄色箭头为锥形光纤的移动方向；L=7.0 μm(b)和L=5.1 μm(c)时该分束器的暗场显微图像；(d)分光比随L的变化曲线。

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为了进一步分析弯曲分束器的分光特性与传输距离的关系，图3(d)计算了不同L时，该分束器两输出端的分光比(O1/O2)。对数据点进行正弦函数拟合，发现当L在0.8～8.0 μm范围变化时，分光比随L的增加呈周期变化(周期为～5 μm)，变化范围为1.3～2.4。这种振荡变化主要是由于在水平输入分支中传输能量的相位发生改变，从而导致弯曲分束器耦合区耦合效率的变化[16]。

3.2.2 微米线-环形腔耦合结构

利用RhB掺杂PMF中的荧光指示，还可在实验上直接对复杂光子回路中的能量分布特点进行成像。

以单根光波导与环形腔的耦合结构为例。使用直径为350 nm的纳米线PMMA微环水平耦合(图4(a)),组成该微环的微米线直径为1 μm，微环直径为16 μm。通过COMSOL计算该结构中的能量，发现当输入光波长为532 nm时，在PMMA环腔内能量会形成稳定振荡。

类似地，在实验上搭建的基于RhB掺杂PMF的环形光子回路，如图4(b)所示。直径为1.8 μm的掺杂PMF弯曲成自耦合长度为8.0 μm的环形腔后，与另一根直径相同的直线型掺杂PMF水平耦合，两者耦合长度为～4.0 μm。在该单根微米线-环形腔回路中，激发光(532 nm)通过锥形光纤从直线型PMF左侧耦合进入环形腔回路。

单根PMF-环形腔回路在通光时的典型暗场光学图像如图4(c)所示，此时输入点与耦合点之间的距离L≈13.5 μm。根据发射出的荧光可以看出，回路中传导的能量首先沿单根PMF传输，随后在耦合区分成两部分：一部分能量传导到环形腔中，并形成了振荡的荧光光路，这种能量分布形式与图4(a)的模拟结果相似；另一部分能量继续沿单根PMF向前振荡，最终从输出端O输出。

单根微米线-环形腔回路中的分束效应也与传输距离有关。截取并计算L不同时，输出端O的强度，得到如图4(d)所示的关系曲线变化图。锥形光纤沿单根微米线移动时，耦合条件不变[21]。

通过图4(d)中实线所示的光强拟合曲线可知，输出光强随着L呈现正弦曲线变化。特别地，当L从11.5 μm变化到13.5 μm时，环形耦合结构的输出光强急剧衰减。这表明更多的能量耦合到环形腔中。因此，通过RhB掺杂PMF结构中的荧光指示，可以调整锥形光纤的耦合位置，控制能量在环形腔中的传输，且只需要移动～2 μm即可实现输出光强的大幅度改变。

除了可利用回路发射的荧光，通过移动锥形光纤实现环形腔回路中的能量调节外，回路中的荧光还可以直观地表征环形腔内部的能量传输。图5为多根直径为～1.5 μm 的RhB掺杂的PMF搭建成多根微米线与环形腔耦合的光子回路结构。图5(a)的光学明场图像中，带尾纤的环形腔直径和自耦合长度分别为～38.0 μm和～12.0 μm。两个分支由耦合到该微环的两根微米线(PMF1和PMF2)构成，其与环腔的耦合长度分别为～7.5 μm和～6.0 μm，输出分别为O1和O2。由锥形光纤将连续激光(532 nm)导入到环形腔的尾纤中。输入端与环形腔自耦合点之间的距离(CL)可以通过沿尾纤水平移动锥形光纤来改变。

图5 多根微米线-环形腔光子回路的光强度调节。(a)多根微米线-环形腔光子回路的明场光学显微图像，两根微米线分别为PMF1和PMF2，红色箭头指示锥形光纤的移动方向；(b)多根微米线-环形腔光子回路通光时的暗场光学图像，绿色箭头指示入射光方向；(c)与图(b)对应反相差分图像；(d)～(e)PMF1 和PMF2输出光强与CL的关系曲线，标尺为20 μm。

由通光后的暗场光学图像(图5(b)，CL≈41.0 μm)可知，多根微米线-环形腔回路中尾纤部分的荧光被充分激发，能量沿波导振荡向前传输。由发射荧光的强度推知，回路中大部分能量绕行于环形腔内，少部分能量耦合进入两分支中。为了更清楚地观测两个输出分支中的能量分布情况，将图5(b)进行反相处理，得到的差分反相图如图5(c)所示。两个分支整体亮度较低，输出强度较弱，说明两分支中用于激发荧光的入射光能量较低，回路中能量较少。

通过沿尾纤的水平部分缓慢推动锥形光纤，PMF1和PMF2的输出强度会随CL变化。采用公式I=A+Be-Cxsin(Dx+E)，对O1和O2的光强变化进行拟合，其中，x为实验中的CL，A、B、C、D和E分别为拟合系数。O1的输出强度变化如图5(d)所示。根据拟合曲线(红色实线)，O1振荡的周期约为12.5 μm。这种周期性振荡主要是由于环形腔内传输能量的相位变化导致的[16]。当CL≈23.1 μm时，O1的强度最大，此时一个周期内的强度峰谷比达到～2.1。随着CL的增加，O1的峰值逐渐减小(拟合系数C≈0.038)，我们认为这主要是由于传输损耗增加引起的。类似的强度振荡现象在O2中也有所体现。如图5(e)所示，根据拟合线(红色虚线)，O2的输出强度以～12.3 μm周期改变，一个周期内强度的最大峰谷比为～1.6。与O1相比，O2的峰谷比较低主要是由两者与环形腔结构的耦合条件不同引起的[8，23]。而比较O1和O2的拟合曲线可知，O2峰值随传输长度增加而衰减的趋势较O1的小(拟合系数C=0.018)。 说明O2分支中能量衰减明显小于O1分支。

4 结 论

本文通过锥形光纤的波导耦合方式激发掺杂PMF中的RhB荧光。通过荧光发射，可直接从远场观测波导微光子回路中的能量分布特点及耦合状态。弯曲Y型分束器、微米线-环形腔耦合结构等典型光子回路的输出光强随光束传输长度的减小呈周期性变化，周期小于10 μm；利用发射荧光的显示及这种变化特征，可在小范围调整回路通光长度(通常在半个周期内)，实时观测回路的耦合状态，并使回路输出得到大范围调节。利用波导中的荧光显示，可在远场直观、实时反映回路耦合状态，对其光学性能进行调整，为微光子回路的搭建、集成与性能调节提供了一种灵活的方法。