微米光子回路中能量的熒光顯示與調節

梁定鑫， 李夢潔， 張亞平， 賈洪一， 佘淋淋， 林志立， 戴 昊，張奚寧 *， 吳志軍， 蒲繼雄

(1. 華僑大學信息科學與工程學院 福建省光傳輸與變換重點實驗室， 福建 廈門 361021；2. 廈門大學海洋與地球學院 海洋觀測技術研發中心， 福建 廈門 361005)

1 引 言

近年來，以微納光纖、聚合物微米或納米線等為代表的各類微納光波導由于具有優異的光學特性，廣泛地用于搭建多種波導光子器件回路[1-2]。而微納光波導之間的耦合條件極大地影響了諸如耦合器[3]、環形腔[4-5]和微型激光器[6]等經典光子器件的性能。許多理論模擬研究工作已經揭示了在單根彎曲納米線[7]、雙平行納米線[8-9]和自耦合納米線[10-11]中的能量傳輸行為。然而，研究表明，在直徑為微米量級的光波導中，光束以多模形式傳輸，使微米光波導中的能量分布更加復雜[12-13]。同時，為了在實驗上直接觀測到波導的能量分布，便于器件及回路的性能調節，有些研究者將不同的熒光染料覆蓋在金屬納米線[14-15]的表面上，或在微米線中摻入稀土元素[16]進行遠場成像。這些研究大多集中在對直線型微米(納米)線中能量分布的直接成像上，而對由彎曲波導構成的回路中光能量分布情況的討論十分有限。

本研究首先在聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)微米線中摻雜羅丹明B(Rhodamin B，RhB)，通過波導直接耦合的方式激發微米線中的熒光，對彎曲的微米光波導中的能量分布進行表征；利用熒光指示，對基于彎曲摻雜微米線的多種光子回路的輸出能量進行調節；通過熒光指示，可以在光學顯微鏡下直接觀測到基于微環回路中的能量傳輸。在確定的耦合條件下，根據可視化的熒光路徑，可以改變傳輸距離來調整光輸出特性。染料摻雜的聚合物微米線中周期振蕩的熒光光路可用于顯示彎曲光子回路中的能量傳輸和指導光學調節。本文的結果為調節彎曲光子回路和耦合結構的光學特性提供了一種簡便的方法。

2 實驗材料與裝置

將2.4 mg RhB摻雜到溶解了750 mg PMMA的氯仿溶液中，并通過溶液拉伸法制備熒光物質摻雜的聚合物微米線(Polymer microfiber，PMF)[17]。由該方法得到的RhB摻雜PMF典型直徑在1.0～1.8 μm之間。

實驗裝置如圖1所示。在光學顯微鏡下，將RhB摻雜PMF放置到氟化鎂(MgF2)襯底上，用微納操作將其彎曲組裝成光子回路[18]。通過使用火焰拉錐法，從標準光纖中拉制錐形光纖[19]。將一束波長為532 nm的連續激光導入該錐形光纖，通過倏逝波耦合的方法，實現RhB摻雜PMF中的光束傳輸及熒光激發[20]。

圖1 錐形光纖和彎曲RhB摻雜PMF間的倏逝波耦合示意圖，綠色箭頭為入射光的方向。

通過置于光學顯微鏡上的CCD相機，記錄光激發時彎曲微米線或光子回路的光學顯微圖像。截取結構輸出端光點的暗場光學圖像(64×64像素)，并將其轉化為灰度值來表示彎曲微米線或光子回路的輸出光強[21-22]。

3 結果與討論

3.1 單根彎曲微米線的熒光激發

通過微操作，將直徑為1.5 μm的RhB摻雜PMMA微米線一端彎曲，其曲率半徑～35.5 μm。通過錐形光纖直接將波長為532 nm的激發光耦合進微米線中部，如圖2(a)所示。

當入射光進入彎曲微米線時(如圖2(b)所示)，激發微米線中RhB熒光，使微米線在軸線方向上出現明顯的熒光光路，且隨著光束傳輸距離的增加，熒光強度逐漸變弱。通過彎曲部分前端的直線波導放大圖(圖2(c))可知，在直線波導部分，光能量以周期性振蕩的方式向前傳輸，周期為～4.0 μm。而彎曲部分的放大圖(圖2(d))顯示，波導中能量分布的波形發生躍變。這主要是由于微米線中的光束在彎折部分發生相位躍變、能量泄露形成的。由此可知，將聚合物微米線進行熒光摻雜后，可通過倏逝波耦合的激發方式，在實驗上直接觀測到直線型波導和彎曲波導中的能量分布的不同特點。

圖2 單根RhB摻雜PMF中熒光的波導激發。(a)明場光學圖像，綠色箭頭為入射光的方向；(b)對應的暗場光學圖像；(c)～(d)(b)圖中所示直線部分與彎曲部分對應的放大圖。

3.2 基于摻雜微米線的彎曲光子回路器件

3.2.1 彎曲Y型分束器

Y型分束器是構成光子回路系統的重要光子結構之一。如圖3所示，利用兩根直徑相同(～1.2 μm)的RhB摻雜PMMA微米線，可組裝成Y型分束器。彎曲的輸入端(曲率半徑～16.1 μm)有利于縮小回路的整體尺寸。彎曲波導的兩端分別為輸入端和輸出端O1，另一短分支的輸出端為O2，分支與彎曲微米線的耦合長度～2.0 μm，耦合角度～30°。

入射光(532 nm)從左端通過錐形光纖耦合到彎曲Y分束器的輸入端，沿Y型分束器輸入端的水平部分移動錐形光纖，可改變輸入端到彎曲點的距離(L)。通過激光激發得到的熒光光路，可以觀測到彎曲Y型分束器內部的能量傳輸并調節其光學特性。圖3(b)顯示了L≈7.0 μm時通光后分束器的暗場顯微圖像。根據微米線中熒光的激發情況直接觀察到，光束經輸入分支傳輸后，能量在分束器耦合區分光(圖3(b)虛線框)，且O1和O2端有明顯的輸出光斑。這表明盡管波導存在較大程度的彎曲，但分束器的分束效果仍較為明顯。當將錐形光纖緩慢向右水平移動到L≈5.1 μm時(圖3(c))，分束器耦合區的熒光光路顯示，幾乎沒有能量耦合進入短分支，且O1端光斑強度有所增加，而O2端已無明顯光斑。這是由于錐形光纖的移動，輸入耦合點的位置發生了改變，使摻雜PMF中光束傳播的相位發生了變化，從而影響了彎曲Y型分束器的分光效果[16]。由此說明通過熒光光路可直接反映回路的耦合狀態，且傳輸距離的改變可以調整簡單回路的輸出強度

圖3 彎曲Y型分束器的光強調節。(a)彎曲Y型分束器的明場光學顯微圖像，綠色箭頭為入射光輸入方向，黃色箭頭為錐形光纖的移動方向；L=7.0 μm(b)和L=5.1 μm(c)時該分束器的暗場顯微圖像；(d)分光比隨L的變化曲線。

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為了進一步分析彎曲分束器的分光特性與傳輸距離的關系，圖3(d)計算了不同L時，該分束器兩輸出端的分光比(O1/O2)。對數據點進行正弦函數擬合，發現當L在0.8～8.0 μm范圍變化時，分光比隨L的增加呈周期變化(周期為～5 μm)，變化范圍為1.3～2.4。這種振蕩變化主要是由于在水平輸入分支中傳輸能量的相位發生改變，從而導致彎曲分束器耦合區耦合效率的變化[16]。

3.2.2 微米線-環形腔耦合結構

利用RhB摻雜PMF中的熒光指示，還可在實驗上直接對復雜光子回路中的能量分布特點進行成像。

以單根光波導與環形腔的耦合結構為例。使用直徑為350 nm的納米線PMMA微環水平耦合(圖4(a)),組成該微環的微米線直徑為1 μm，微環直徑為16 μm。通過COMSOL計算該結構中的能量，發現當輸入光波長為532 nm時，在PMMA環腔內能量會形成穩定振蕩。

類似地，在實驗上搭建的基于RhB摻雜PMF的環形光子回路，如圖4(b)所示。直徑為1.8 μm的摻雜PMF彎曲成自耦合長度為8.0 μm的環形腔后，與另一根直徑相同的直線型摻雜PMF水平耦合，兩者耦合長度為～4.0 μm。在該單根微米線-環形腔回路中，激發光(532 nm)通過錐形光纖從直線型PMF左側耦合進入環形腔回路。

單根PMF-環形腔回路在通光時的典型暗場光學圖像如圖4(c)所示，此時輸入點與耦合點之間的距離L≈13.5 μm。根據發射出的熒光可以看出，回路中傳導的能量首先沿單根PMF傳輸，隨后在耦合區分成兩部分：一部分能量傳導到環形腔中，并形成了振蕩的熒光光路，這種能量分布形式與圖4(a)的模擬結果相似；另一部分能量繼續沿單根PMF向前振蕩，最終從輸出端O輸出。

單根微米線-環形腔回路中的分束效應也與傳輸距離有關。截取并計算L不同時，輸出端O的強度，得到如圖4(d)所示的關系曲線變化圖。錐形光纖沿單根微米線移動時，耦合條件不變[21]。

通過圖4(d)中實線所示的光強擬合曲線可知，輸出光強隨著L呈現正弦曲線變化。特別地，當L從11.5 μm變化到13.5 μm時，環形耦合結構的輸出光強急劇衰減。這表明更多的能量耦合到環形腔中。因此，通過RhB摻雜PMF結構中的熒光指示，可以調整錐形光纖的耦合位置，控制能量在環形腔中的傳輸，且只需要移動～2 μm即可實現輸出光強的大幅度改變。

除了可利用回路發射的熒光，通過移動錐形光纖實現環形腔回路中的能量調節外，回路中的熒光還可以直觀地表征環形腔內部的能量傳輸。圖5為多根直徑為～1.5 μm 的RhB摻雜的PMF搭建成多根微米線與環形腔耦合的光子回路結構。圖5(a)的光學明場圖像中，帶尾纖的環形腔直徑和自耦合長度分別為～38.0 μm和～12.0 μm。兩個分支由耦合到該微環的兩根微米線(PMF1和PMF2)構成，其與環腔的耦合長度分別為～7.5 μm和～6.0 μm，輸出分別為O1和O2。由錐形光纖將連續激光(532 nm)導入到環形腔的尾纖中。輸入端與環形腔自耦合點之間的距離(CL)可以通過沿尾纖水平移動錐形光纖來改變。

圖5 多根微米線-環形腔光子回路的光強度調節。(a)多根微米線-環形腔光子回路的明場光學顯微圖像，兩根微米線分別為PMF1和PMF2，紅色箭頭指示錐形光纖的移動方向；(b)多根微米線-環形腔光子回路通光時的暗場光學圖像，綠色箭頭指示入射光方向；(c)與圖(b)對應反相差分圖像；(d)～(e)PMF1 和PMF2輸出光強與CL的關系曲線，標尺為20 μm。

由通光后的暗場光學圖像(圖5(b)，CL≈41.0 μm)可知，多根微米線-環形腔回路中尾纖部分的熒光被充分激發，能量沿波導振蕩向前傳輸。由發射熒光的強度推知，回路中大部分能量繞行于環形腔內，少部分能量耦合進入兩分支中。為了更清楚地觀測兩個輸出分支中的能量分布情況，將圖5(b)進行反相處理，得到的差分反相圖如圖5(c)所示。兩個分支整體亮度較低，輸出強度較弱，說明兩分支中用于激發熒光的入射光能量較低，回路中能量較少。

通過沿尾纖的水平部分緩慢推動錐形光纖，PMF1和PMF2的輸出強度會隨CL變化。采用公式I=A+Be-Cxsin(Dx+E)，對O1和O2的光強變化進行擬合，其中，x為實驗中的CL，A、B、C、D和E分別為擬合系數。O1的輸出強度變化如圖5(d)所示。根據擬合曲線(紅色實線)，O1振蕩的周期約為12.5 μm。這種周期性振蕩主要是由于環形腔內傳輸能量的相位變化導致的[16]。當CL≈23.1 μm時，O1的強度最大，此時一個周期內的強度峰谷比達到～2.1。隨著CL的增加，O1的峰值逐漸減小(擬合系數C≈0.038)，我們認為這主要是由于傳輸損耗增加引起的。類似的強度振蕩現象在O2中也有所體現。如圖5(e)所示，根據擬合線(紅色虛線)，O2的輸出強度以～12.3 μm周期改變，一個周期內強度的最大峰谷比為～1.6。與O1相比，O2的峰谷比較低主要是由兩者與環形腔結構的耦合條件不同引起的[8，23]。而比較O1和O2的擬合曲線可知，O2峰值隨傳輸長度增加而衰減的趨勢較O1的小(擬合系數C=0.018)。 說明O2分支中能量衰減明顯小于O1分支。

4 結 論

本文通過錐形光纖的波導耦合方式激發摻雜PMF中的RhB熒光。通過熒光發射，可直接從遠場觀測波導微光子回路中的能量分布特點及耦合狀態。彎曲Y型分束器、微米線-環形腔耦合結構等典型光子回路的輸出光強隨光束傳輸長度的減小呈周期性變化，周期小于10 μm；利用發射熒光的顯示及這種變化特征，可在小范圍調整回路通光長度(通常在半個周期內)，實時觀測回路的耦合狀態，并使回路輸出得到大范圍調節。利用波導中的熒光顯示，可在遠場直觀、實時反映回路耦合狀態，對其光學性能進行調整，為微光子回路的搭建、集成與性能調節提供了一種靈活的方法。