基于拉錐光纖優化的光纖環鏡濾波器特性研究

吳雪梅，董興法，姜 莉，呂正兵

(蘇州科技學院電子與信息工程學院，蘇州215011)

引 言

光纖環鏡濾波器(fiber loop mirror，FLM)是光學濾波器［1-5］的一種，其主要濾波原理是將一束激光經耦合器分成兩束，分別沿順時針和逆時針方向在環鏡內傳播，之后于耦合器處相遇產生疊加干涉效應，輸出相干光，實現濾波效應。與其它濾波器相比，FLM結構簡單、穩定性能高、設計靈活、成本低等［6-8］，這些優點使其得到廣泛的應用［9-13］。目前成為廣大學者研究新熱點之一的拉錐光纖，由于其獨特的幾何結構特性，從而引發了一系列光學性質的變化，因此其研究和應用領域也非常廣泛［14-16］。

本文中提出一種在級聯2階高雙折射光纖環鏡(high-birefrigence fiber loop mirror，HBFLM)中加拉錐光纖的新型結構，新的濾波器結構與兩個級聯2階HBFLM結構相比，壓窄了3dB帶寬，提高了品質因數，波形更穩定、可調范圍廣、靈活性能強。

1 結構原理與分析

1．1 級聯2階HBFLM濾波器

2階HBFLM濾波器［7］結構示意圖如圖1所示。它由1個3dB耦合器(optical fiber coupler，OC)、2段高雙折射光纖(high-birefrigence fiber，HBF)、1個偏振控制器(polarization controller，PC)和普通單模光纖(single mode fiber，SMF)組成。濾波器透過率函數為:

式中，θ表示信號光在經過兩段HBF之間的SMF和PC時偏振態轉過的角度，λ為信號光波長，β=2πLΔn/λ02，是對 2πLΔn/λ 做的 1 階近似，可認為 β不隨λ的改變而改變，其中L是HBF的長度，Δn是HBF快軸和慢軸折射率之差。

Fig.1 Schematic configuration of second-order HBF Sagnac-loop mirror

級聯1階HBFLM濾波器［16］結構示意圖如圖2所示。它由2個3dB耦合器(OC)、2段高雙折射光纖(HBF)、2個偏振控制器(PC)和普通單模光纖(SMF)組成。濾波器透過率函數為:

式中，t1和t2、r1和r2分別表示圖2中兩個環鏡的透射率和反射率。

Fig.2 Schematic configuration of two cascaded HBF Sagnac-loop mirrors

級聯2階HBFLM濾波器結構示意圖如圖3所示。它由 2個 3dB耦合器(OC)、4段高雙折射光纖(HBF)、2個偏振控制器(PC)和普通單模光纖(SMF)連接而成。其透過率函數同(2)式，其中:

Fig.3 Schematic configuration of two cascaded second-order HBF Sagnacloop mirrors

當4段HBF長度一樣、Δn一樣時，則 β1=β2=β3=β4=β，令 x=λ/2，(5)式可化簡為:

式中，A1，A2，A3，C1，C2，C3和 C4均為常數，由 θ決定。由(6)式可知，此透射光譜是以π/β為周期的類似于一系列余弦函數的乘積。

1．2 拉錐光纖光纖

1.2.1 拉錐光纖的結構 常見的錐形光纖的加工方法有化學腐蝕法、研磨法和熔拉法。腐蝕法是將裸光纖的包層用化學試劑腐蝕掉，此方法形成的錐形光纖難以形成一致性工藝，且損耗大、熱穩定性差;研磨法是用化學研磨、拋光的方法去掉包層，此方法形成的錐形光纖易斷、熱穩定性差;熔拉法首先是將光纖涂覆層剝去一小段長度，用酒精將去除涂覆層部分擦拭干凈，然后將剝去涂覆層部分的光纖加熱至熔融狀態，同時在光纖兩端沿光纖軸向施加拉力，使加熱區包層和纖芯逐漸變細，從而形成對稱的雙錐形結構。此方法優于前兩種方法，所以熔拉法制作的拉錐光纖應用更為廣泛。本文中所研究的光纖指熔拉法制成的拉錐光纖。圖4為單模拉錐光纖結構模式圖，橫坐標z表示拉錐光纖錐區長度，縱坐標a表示光纖半徑。光纖錐區纖芯半徑表達式為:

Fig.4 Schematic configuration of SMF tapered fiber

式中，l為熔錐區長度，r1，r2分別為錐區腰部始端和中部的纖芯半徑，v為電機拉錐速率。當加熱時間、火焰溫度、加熱時的火焰位置一定時，錐區長度與電機拉錐速率關系式為l=αv，其中α為一常數。由(7)式可知，在其它條件一定時，拉錐速率越大，纖芯半徑變化越大。因此，可以通過控制拉錐光纖的速率拉制出不同的錐區錐度。

1.2.2 拉錐光纖的光學特性 模式是信號光在光纖中的傳播方式，模式的多少取決于光纖的結構參量［14］，即歸一化頻率 ν，其表達式為:

式中，λ表示真空中的光波長，在纖芯中，n1表示纖芯折射率，n2表示包層折射率，a表示z值處的纖芯半徑，由(8)式可知，在纖芯中n1，n2不變，當λ一定時，ν與a成線性關系。

另一方面，光功率在光纖中的分配又與模場半徑相關，其表達式為:

式中，Pc表示纖芯光功率，P表示纖芯光功率和包層光功率之和，w表示模場半徑。模場半徑與歸一化頻率ν有關，其表達式為:

將(10)式帶入(9)式可得光功率在纖芯和包層的分配與歸一化頻率ν的關系式:

其對應的光功率在光纖的分布如圖5所示。橫坐標表示歸一化ν值的大小，縱坐標表示芯層輸出的光功率Pc占輸出總光功率P的比值。由圖5可知，ν的減小會導致光功率在纖芯中的分配比例減少，在包層中的分配比例增大。因此在錐形光纖中，由于越靠近錐腰，纖芯半徑a越小，ν值也跟著變小，光波從一開始主要以纖芯模傳播逐漸變為部分轉化成包層模傳播，出現錐區光功率滲透到包層中的現象，基于錐形光纖這一光學特性可以制成許多光纖器件。同時，錐形光纖還有濾波特性，信號光最初以基模形式在纖芯中傳播，經過錐區時會有部分基模能量耦合到包層中以高階模形式傳輸，在纖芯中傳播的光與在包層中傳播的光由于所處的環境不同(不同的折射率環境，不同的邊界條件)，使得兩路光產生相位差，最終耦合疊加時會產生干涉濾波效應。

Fig.5 Power distribution of fiber

2 實驗結果與分析

2．1 錐形光纖的制作

實驗中選用東捷光電0.25單模裸光纖G652D，其包層直徑為124.8μm，纖芯直徑為9.2μm。應用全自動光纖拉錐機，使用火焰加熱方法將光纖拉錐。實驗時首先剝去光纖的包層約2cm長度，打開氫氣發生器、拉錐機和控制拉錐機的計算機。調試并設置好拉錐機各參量，然后將要拉錐的單模光纖固定在光纖兩個夾具上，將剝去包層的部分放在兩夾具中間。兩端的夾具上各加一小段單模光纖以確保夾緊所需拉錐的光纖，然后進行拉錐。拉錐光纖在顯微鏡下的拍攝圖如圖6所示，圖6a為錐區束腰處，圖6b為去涂覆層光纖未拉錐區，通過顯微鏡測量得到實驗拉制的錐形光纖的錐區長度為約8.2mm，束腰直徑約為40μm。錐區長度遠大于束腰直徑，所以屬于緩錐度光纖工作模式。

Fig.6 Micrograph of tapered fibera—waist region b—untapered region

2．2 錐形光纖對環鏡濾波器濾波特性的影響

圖7 是拉錐光纖優化級聯2階HBFLM濾波器結構示意圖，它由2個3dB耦合器、4段高雙折射光纖(HBF)、2個拉錐光纖、2個偏振控制器(PC)和普通單模光纖(SMF)連成。

Fig.7 Schematic configuration of two cascaded second-order HBF Sagnacloop mirrors with tapered fiber

為了研究接入拉錐光纖的光纖環鏡濾波器特性，做了一組對比實驗，圖3和圖7分別為接入拉錐光纖前后的級聯2階HBFLM濾波器結構。先后將這兩種結構的裝置的輸入端接入寬帶光源(broadband source，BBS)作為入射光，環鏡的輸出端接入光譜儀(optical spectrum analyzer，OSA)。實 驗 中 選 用 Agilent(86140B)光譜分析儀，實驗時 HBF1，HBF2，HBF3，HBF4，SMF1和SMF2長度均為1.5m。

定義品質因數Q=λt/λs，其中 λt為總透過光譜的周期，λs為總透過光譜單峰的3dB帶寬。實驗中得到接入拉錐光纖前后的級聯2階HBFLM濾波器透射光譜分別為圖8a和圖8b。不含拉錐光纖時，光譜周期λt≈2.75nm，主峰的 3dB 帶寬 λs≈1nm，品質因子Q≈2.75，調制深度約為27dB;含拉錐光纖時，光譜周期λt≈2.79nm，主峰的3dB 帶寬 λs≈0.54nm，品質因子Q≈5.2，調制深度約為27dB。通過對比圖8a和圖8b可知，接入拉錐光纖后，3dB帶寬明顯被壓縮且品質因子提高，從而改變了濾波器的選頻范圍。

Fig.8 Output spectrum of two cascaded second-order HBF Sagnac-loop mirrors with or without tapered fibera—without tapered fiber b—with tapered fiber

實驗中還得到接入拉錐光纖后級聯2階HBFLM濾波器透射譜可在10dB～35dB范圍內穩定連續可調，如圖9所示。圖9a為最小調制深度約10dB，光譜周期 λt≈1.37nm，主峰的3dB 帶寬 λs≈0.68nm，品質因數Q≈2.01;圖9b為最大調制深度約35dB，光譜周期 λt≈2.75nm，主峰的3dB 帶寬 λs≈1.37nm，品質因數Q≈2.0。通過對比圖9a和圖9b可以看出，最小調制深度時對應的濾波光譜周期為最大調制深度時的一半，此時的光譜都為均勻的余弦濾波形式。

Fig.9 Variation of output spectrum modulation depth of two cascaded second-order HBF Sagnac-loop mirrors with tapered fibera—modulation depth of 10dB b—modulation depth of 35dB

錐區被引入光纖后，會對在光纖中傳播的模式產生顯著影響，入射光在經過錐區時，隨著纖芯半徑a的減小，光波從一開始主要以纖芯模傳播逐漸變為部分轉化成包層模傳播，在纖芯中傳播的光與在包層中傳播的光由于所處的環境不同使得兩路光產生相位差，最終在耦合疊加時會產生干涉濾波效應。本實驗中將拉錐光纖接入環鏡后，3dB帶寬得到了明顯的壓縮，品質因子提高，從而改變了濾波器的選頻范圍，通過調節偏振控制器，濾波器可在10dB至35dB調制深度范圍靈活調制，與不加錐形光纖相比，輸出波形更為穩定，抗外界干擾能力增強。

3 小結

將拉錐光纖的光學特性和光纖環鏡的濾波特性相結合，提出了在級聯2階HBFLM的結構中加拉錐光纖的新型結構，該結構改善了高雙折射光纖環鏡梳狀濾波器特性:濾波器輸出譜的主峰3dB帶寬得到顯著壓縮，品質因數進一步提高，其Q值很容易達到5.2;在10dB～35dB調制深度范圍內調諧更靈活，輸出波形更加穩定。

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