基于拉錐光纖優(yōu)化的光纖環(huán)鏡濾波器特性研究

吳雪梅，董興法，姜 莉，呂正兵

(蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，蘇州215011)

引 言

光纖環(huán)鏡濾波器(fiber loop mirror，F(xiàn)LM)是光學(xué)濾波器［1-5］的一種，其主要濾波原理是將一束激光經(jīng)耦合器分成兩束，分別沿順時針和逆時針方向在環(huán)鏡內(nèi)傳播，之后于耦合器處相遇產(chǎn)生疊加干涉效應(yīng)，輸出相干光，實(shí)現(xiàn)濾波效應(yīng)。與其它濾波器相比，F(xiàn)LM結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能高、設(shè)計靈活、成本低等［6-8］，這些優(yōu)點(diǎn)使其得到廣泛的應(yīng)用［9-13］。目前成為廣大學(xué)者研究新熱點(diǎn)之一的拉錐光纖，由于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)特性，從而引發(fā)了一系列光學(xué)性質(zhì)的變化，因此其研究和應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛［14-16］。

本文中提出一種在級聯(lián)2階高雙折射光纖環(huán)鏡(high-birefrigence fiber loop mirror，HBFLM)中加拉錐光纖的新型結(jié)構(gòu)，新的濾波器結(jié)構(gòu)與兩個級聯(lián)2階HBFLM結(jié)構(gòu)相比，壓窄了3dB帶寬，提高了品質(zhì)因數(shù)，波形更穩(wěn)定、可調(diào)范圍廣、靈活性能強(qiáng)。

1 結(jié)構(gòu)原理與分析

1．1 級聯(lián)2階HBFLM濾波器

2階HBFLM濾波器［7］結(jié)構(gòu)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(shù)為:

式中，θ表示信號光在經(jīng)過兩段HBF之間的SMF和PC時偏振態(tài)轉(zhuǎn)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(rèn)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(lián)1階HBFLM濾波器［16］結(jié)構(gòu)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(shù)為:

式中，t1和t2、r1和r2分別表示圖2中兩個環(huán)鏡的透射率和反射率。

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

級聯(lián)2階HBFLM濾波器結(jié)構(gòu)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(shù)同(2)式，其中:

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

當(dāng)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(shù)，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(shù)的乘積。

1．2 拉錐光纖光纖

1.2.1 拉錐光纖的結(jié)構(gòu) 常見的錐形光纖的加工方法有化學(xué)腐蝕法、研磨法和熔拉法。腐蝕法是將裸光纖的包層用化學(xué)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(wěn)定性差;研磨法是用化學(xué)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(wěn)定性差;熔拉法首先是將光纖涂覆層剝?nèi)ヒ恍《伍L度，用酒精將去除涂覆層部分擦拭干凈，然后將剝?nèi)ネ扛矊硬糠值墓饫w加熱至熔融狀態(tài)，同時在光纖兩端沿光纖軸向施加拉力，使加熱區(qū)包層和纖芯逐漸變細(xì)，從而形成對稱的雙錐形結(jié)構(gòu)。此方法優(yōu)于前兩種方法，所以熔拉法制作的拉錐光纖應(yīng)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(jié)構(gòu)模式圖，橫坐標(biāo)z表示拉錐光纖錐區(qū)長度，縱坐標(biāo)a表示光纖半徑。光纖錐區(qū)纖芯半徑表達(dá)式為:

Fig.4 Schematic configuration of SMF tapered fiber

式中，l為熔錐區(qū)長度，r1，r2分別為錐區(qū)腰部始端和中部的纖芯半徑，v為電機(jī)拉錐速率。當(dāng)加熱時間、火焰溫度、加熱時的火焰位置一定時，錐區(qū)長度與電機(jī)拉錐速率關(guān)系式為l=αv，其中α為一常數(shù)。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(qū)錐度。

1.2.2 拉錐光纖的光學(xué)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(jié)構(gòu)參量［14］，即歸一化頻率 ν，其表達(dá)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(dāng)λ一定時，ν與a成線性關(guān)系。

另一方面，光功率在光纖中的分配又與模場半徑相關(guān)，其表達(dá)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(guān)，其表達(dá)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(guān)系式:

其對應(yīng)的光功率在光纖的分布如圖5所示。橫坐標(biāo)表示歸一化ν值的大小，縱坐標(biāo)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(dǎo)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?yōu)椴糠洲D(zhuǎn)化成包層模傳播，出現(xiàn)錐區(qū)光功率滲透到包層中的現(xiàn)象，基于錐形光纖這一光學(xué)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(jīng)過錐區(qū)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(huán)境不同(不同的折射率環(huán)境，不同的邊界條件)，使得兩路光產(chǎn)生相位差，最終耦合疊加時會產(chǎn)生干涉濾波效應(yīng)。

Fig.5 Power distribution of fiber

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2．1 錐形光纖的制作

實(shí)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(yīng)用全自動光纖拉錐機(jī)，使用火焰加熱方法將光纖拉錐。實(shí)驗時首先剝?nèi)ス饫w的包層約2cm長度，打開氫氣發(fā)生器、拉錐機(jī)和控制拉錐機(jī)的計算機(jī)。調(diào)試并設(shè)置好拉錐機(jī)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?nèi)グ鼘拥牟糠址旁趦蓨A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(jìn)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(qū)束腰處，圖6b為去涂覆層光纖未拉錐區(qū)，通過顯微鏡測量得到實(shí)驗拉制的錐形光纖的錐區(qū)長度為約8.2mm，束腰直徑約為40μm。錐區(qū)長度遠(yuǎn)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(huán)鏡濾波器濾波特性的影響

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

定義品質(zhì)因數(shù)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(shí)驗中得到接入拉錐光纖前后的級聯(lián)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(zhì)因子Q≈2.75，調(diào)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(zhì)因子Q≈5.2，調(diào)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(zhì)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(shí)驗中還得到接入拉錐光纖后級聯(lián)2階HBFLM濾波器透射譜可在10dB～35dB范圍內(nèi)穩(wěn)定連續(xù)可調(diào)，如圖9所示。圖9a為最小調(diào)制深度約10dB，光譜周期 λt≈1.37nm，主峰的3dB 帶寬 λs≈0.68nm，品質(zhì)因數(shù)Q≈2.01;圖9b為最大調(diào)制深度約35dB，光譜周期 λt≈2.75nm，主峰的3dB 帶寬 λs≈1.37nm，品質(zhì)因數(shù)Q≈2.0。通過對比圖9a和圖9b可以看出，最小調(diào)制深度時對應(yīng)的濾波光譜周期為最大調(diào)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(qū)被引入光纖后，會對在光纖中傳播的模式產(chǎn)生顯著影響，入射光在經(jīng)過錐區(qū)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?yōu)椴糠洲D(zhuǎn)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(huán)境不同使得兩路光產(chǎn)生相位差，最終在耦合疊加時會產(chǎn)生干涉濾波效應(yīng)。本實(shí)驗中將拉錐光纖接入環(huán)鏡后，3dB帶寬得到了明顯的壓縮，品質(zhì)因子提高，從而改變了濾波器的選頻范圍，通過調(diào)節(jié)偏振控制器，濾波器可在10dB至35dB調(diào)制深度范圍靈活調(diào)制，與不加錐形光纖相比，輸出波形更為穩(wěn)定，抗外界干擾能力增強(qiáng)。

3 小結(jié)

將拉錐光纖的光學(xué)特性和光纖環(huán)鏡的濾波特性相結(jié)合，提出了在級聯(lián)2階HBFLM的結(jié)構(gòu)中加拉錐光纖的新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)改善了高雙折射光纖環(huán)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(zhì)因數(shù)進(jìn)一步提高，其Q值很容易達(dá)到5.2;在10dB～35dB調(diào)制深度范圍內(nèi)調(diào)諧更靈活，輸出波形更加穩(wěn)定。

［1］ FENG D Q，SHENG Q Q，CHEN K，et al.Character of several frequent filters［J］.Optical Communication Technology，2001，26(1):46-53(in Chinese).

［2］ WU G F.Several new tunable narrowband optical filters［J］.Photon Technology，2006(2):64-68(in Chinese).

［3］ LIU Z L，ZHANG W G，JANG M，et al.Configuration and development of fiber optical filter［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36(3):540-546(in Chinese).

［4］ XI C L.Study on S+C+L ultra broadband light sources［J］.Laser Technology，2012，36(6):822-824(in Chinese).

［5］ LUO J，JIANG S，XIONG Y.Demodulation technique of fiber grating vibration sensor based on the edge filter method［J］.Laser Technology，2013，37(4):469-472(in Chinese).

［6］ SHI N N，GU Y Y，HU J J，et al.Study of the tunable optical comb filter based on sagnac interferometer loop［J］.Acta Optica Sinica，2014，34(3):0306001(in Chinese).

［7］ ZHOU G，ZHAO Q D，LIU Y G，et al.Filtering characteristics of fiber loop mirror filter composed of multi-stage high birefringent fibers［J］.Acta Optica Sinica，2004，24(3):341-345(in Chinese).

［8］ DONG B，ZHAO Q D，HUANG G L，et al.Analysis of cascade filter characteristics with high birefringence fiber loop mirror［J］.Acta Photonica Sinica，2007，36(7):1289-1293(in Chinese).

［9］ MA X R，WU Z F，LIU Y G，et al.Polarization independent all fiber narrow bandpass comb filter［J］.Journal of Optoelectronics ·Laser，2004，15(8):885-887(in Chinese).

［10］ ZHAO Y，SONG T T，WANG Q，et al.Recent developments and applications of polarization-maintaining fiber loop mirrors［J］.Instrumentation Science＆ Technology，2012，40(4):239-261.

［11］ LIU F，YE Q，PANG F F，et al.Application of fiber loop mirror in fiber communication［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2005，42(11):22-27(in Chinese).

［12］ QIAO G R，CAO Z G，WANG R，et al.Theory and experiment of flat-top all-fiber comb filter based on two high birefringence fiber Sagnac loop filters［J］.Optics Communications，2012，285(12):2836-2839.

［13］ WANG T S，MIAO X F，ZHOU X F，et al．Tunable multiwavelength fiber laser based on a double Sagnac HiBi fiber loop［J］.Applied Optics，2012，51(10):C111-C116.

［14］ XUE C R，ZHU S X，XIAO Z G，et al．The study for transforming property of right cone fiber［J］.Applied Optics，2004，25(3):45-49(in Chinese).

［15］ JING T，WANG Y F.Application of tapered fiber in sensor and fiber laser［J］.Information Technology，2010(10):113-117(in Chinese).

［16］ ZHOU Y W.Experimentally study on high-sensitivity fiber-optic refractometers based on mach-zehnder interference［J］.Acta Photonica Sinica，2012，41(7):841-844(in Chinese).