1 引言

随着信息光学的快速发展,长周期光纤光栅(LPFGs)在光纤传感、滤波、光通信等方面的应用受到人们越来越广泛的关注^[1-7]。近年来,微锥型长周期光纤光栅(MT-LPFGs)成为光栅传感和通信领域的研究热点^[8-12],它由于具有制作简单、传感灵敏度高、偏振不敏感,光谱不退化等优点而备受关注^[11-13]。MT-LPFGs基于物理形变产生周期性有效折射率调制,具有结构简单、不需要载氢或光敏光纤、光谱特性好且性能不退化等众多优点,在解决光纤光栅传感器、滤波器以及其他无源器件的应力疲劳与衰减、高温性能退化等方面具有重要应用^[14-20]。

相比于应用广泛的二氧化碳(CO₂)激光刻写方法制备的LPFGs,MT-LPFGs具有结构对称、对入射光偏振不敏感、基于物理形变的光谱性能更稳定、制备简单等优点^[1-2]。然而,在MT-LPFGs的制备过程中,加热和软化光纤方式的选择对光栅质量和物理特性有着重要影响。其中,电弧放电法因其简单高效、成本较低,广泛地用于MT-LPFGs制备过程中的光纤加热及软化^[8-9,20]。但是制作MT-LPFGs的过程中需要多次放电加热以形成几十到几百个周期性微锥结构,其电极随时间的推移逐渐氧化,导致电弧持续时间和电流大小不稳定等问题,从而影响所制备光栅的均一性和质量。与电弧放电法相比,CO₂激光加热法具有清洁高效、稳定性好、聚焦光束尺寸小等优点^[3,10,16],对提高所制备LPFGs的质量具有重要意义。但需要注意的是,通常使用CO₂激光制备光栅的过程是使用单光束激光聚焦刻写或加热软化光纤,存在光纤加热不均匀、应力不对称、偏振敏感等问题,从而影响光栅光谱质量^{[3, 18]}。全光纤型带阻滤波器与光纤通信系统具有高度兼容性,在光通信器件方向具有重要意义^[21-22]。然而,目前的滤波器的带宽很窄(几纳米工作波长)且功率不平坦,这不仅会降低系统的频谱效率、通信容量、探测精度以及适用性,而且存在工作波段随环境的变化发生偏移、最终导致器件功能丧失的问题^[16],这些因素限制了滤波调制器作为成熟的器件在全光通信、传感以及调制系统中的应用。与传统LPFGs类似,MT-LPFGs的阻带带宽也较窄,在宽带滤波应用方面颇受限制。为实现全光纤宽带滤波,2007年,Shin等^[21]通过级联一对具有相反螺旋的螺旋型LPFGs构成具有较大带宽的带阻滤波器,但所制得的滤波器阻带深度较小,无法满足实际应用需求。2017年,Zhu等^[22]通过级联两个具有相反旋向的螺旋型LPFGs,并在其一端应用一个光纤反射镜,有效地产生了两次耦合,由此显著提升了滤波器的阻带深度。与此同时,该方案不可避免地增加了系统的成本和结构复杂度。

本文提出基于双光束CO₂激光的加热技术,以实现高精度、低成本的MT-LPFGs制备。该方案通过双侧同时加热软化光纤使得待拉锥区域均匀加热,能够有效降低所制备光栅的插入损耗;通过高精度地控制周期性微锥,能够精确地控制和提高谐振峰处的消光比。进一步地,基于制备的高精度MT-LPFGs,进行了宽带滤波应用研究。通过级联具有微小周期差的MT-LPFGs,显著地提高了滤波带宽,同时能够保证较高的消光比,最后研究了光栅弯曲对滤波器性能的影响。结果表明:光栅弯曲曲率小于1.183 m^-1时,滤波器性能基本不变,而当光栅弯曲曲率大于1.183 m^-1后,级联光栅光谱发生畸变,滤波性能大幅下降。该研究为级联LPFGs在宽带滤波方面的应用提供了参考。

2 MT-LPFGs制备与分析

采用双光束CO₂激光加热制备MT-LPFG的实验系统如图1(a)所示。该实验系统主要包含两个部分,即MT-LPFG制作部分以及光谱监测部分。其中光谱监测部分由宽带光源(Superk Extreme EXW-6,NKT Phonics)和光谱分析仪(OSA,AQ6370C,YOKOGAWA)组成,用于制作过程中的光谱实时监测。MT-LPFGs制作部分如图1中虚线框内所示,主要包括一对光纤夹具、CO₂激光器、左右平移电机和一个用于精确控制整个制作系统的计算机。CO₂激光光束被平均分为两束,二者构成170°夹角,分别从光纤上、下两侧同时加热软化光纤,以确保光纤被均匀软化。值得注意的是,整个光栅制作部分都集成于一个可编程的商用熔接机(LZM-100,Fujikura)内,因此该系统具有高度的准直性及稳定性,并且能够根据需要随时改变所制作光纤光栅的参数,通过自主设计程序可实现高质量的MT-LPFGs制作。实验中使用的单模光纤(SMF)型号为康宁SMF-28e(R),具体参数为:工作波长为1260~1625 nm(最大损耗为0.35 dB/km@1310 nm),截止波长λ_ccf≤1260 nm,模场直径为(8.6±0.4) μm@1310 nm、(9.8±0.5) μm@1550 nm,纤芯折射率为1.4682,包层折射率为1.4628,纤芯半径为4.15 μm,包层半径为62.5 μm。

图 1. 制备MT-LPFG的实验系统示意图和基于周期性拉锥SMF制备的MT-LPFG的显微镜图。(a)制备MT-LPFG的实验系统示意图;(b)基于周期性拉锥SMF制备的MT-LPFG的显微镜图

Fig. 1. Experimental system diagram for fabricating MT-LPFG, and micrograph of MT-LPFG based on periodically tapered SMF. (a) Experimental system diagram for fabricating MT-LPFG; (b) micrograph of MT-LPFG based on periodically tapered SMF

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在MT-LPFG制备过程中,首先将去除涂覆层的单模光纤固定于光纤夹持器,CO₂激光器的输出功率设定为6 W,将输出光束分为两束从两侧对单模光纤进行加热软化,聚焦光束直径约为0.3 mm,加热持续时间为800 ms。由于该激光器采用激光采样反馈技术,加热软化过程可有效避免采用电极或电阻丝加热时的不稳定性。在光纤软化后,设定左、右平移电机以相同速度向左同向移动;同时设定左、右电机的移动时间不同,左平移电机移动时间略大于右平移电机。在左、右平移电机进行一次移动后,左、右平移电机由于设定的工作时间不同而产生移动距离差,因此光纤受到轴向拉伸而形成微锥形结构。设定的左平移电机的移动距离为一个光栅周期的距离,所以在完成拉锥的同时,固定于左、右光纤夹持器的光纤被移动一个周期的距离以等待下一个微锥的制作。设定重复次数及平移电机移动时间,可以制备任意周期大小及数目的MT-LPFG。实验中设置的左、右电机移动距离差仅为15 μm,因此光纤在受到轴向拉伸时发生的形变量较小,可确保所制备的MT-LPFGs具有较低的插入损耗。图1(b)是基于周期性拉锥单模光纤所制备的MT-LPFG显微镜图,实验测得其拉锥光栅周期为400 μm,拉锥锥腰为115 μm。表1给出了周期为400 μm的MT-LPFG的制作参数。CO₂激光器的功率、加热持续时间以及电机的移动速度都极大地影响所制备MT-LPFGs的光谱性能,经过大量实验寻找的最佳制作参数如表1所示。

MT-LPFGs的周期折射率调制主要是由光纤的周期性锥形变化和残余应力的释放所引起的^[16,18],MT-LPFGs的耦合特性类似于传统LPFGs,其相位匹配条件为^[18]

λm=(nco-ncln)Λ,(1)

式中:λ_m为谐振光波长;Λ为MT-LPFGs的周期;n_co为纤芯基模的有效折射率; nncl为n阶包层模的有效折射率。图2所示为所制备的周期为400 μm的MT-LPFG的透射谱,在1100 ~1700 nm的波长范围内共观测到4个不同的谐振峰波长,分别位于1125.1,1178.5,1280.8,1550.2 nm处,对应的消光比分别为2.8 dB、9.6 dB、22.7 dB和34.1 dB。根据损耗峰的位置及相位匹配条件可以确定谐振峰模式从左到右依次为LP₀₄、LP₀₅、LP₀₆、LP₀₇模式^[16]。此外,可观察到通带的插入损耗小于1 dB。由此可得,基于双光束CO₂激光加热系统及同向拉锥技术,可成功制备出高消光比、低插入损耗的高质量MT-LPFG,接下来对其宽带带阻滤波应用进行研究。对于LP₀₇模式而言,MT-LPFG的谐振波长为1550.2 nm,正好位于通信波段,且在该波长下消光比大于30 dB。考虑到带阻滤波器应用的高消光比需求,在接下来的研究中,本文选择具有高消光比的LP₀₇模式作为研究对象,忽略耦合效率较低的其他模式。

图 2. 周期为400 μm 的MT-LPFG的透射谱

Fig. 2. Transmission spectrum of MT-LPFG with grating period of 400 μm

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3 级联MT-LPFGs的滤波特性

为实现宽带带阻滤波器,实验研究了MT-LPFGs的级联特性。利用前文所述制备方案制备出周期略微不同的高质量MT-LPFGs。将不同周期的MT-LPFGs进行级联,研究其实现的滤波器的带宽和消光比变化规律。为了明确应用中存在的光栅弯曲对滤波器特性的影响,进一步研究弯曲参量与级联MT-LPFGs的滤波带宽和消光比的变化规律,以获得滤波器的弯曲容限。

3.1 双级联MT-LPFGs

由于级联MT-LPFGs的宽带滤波基于两个MT-LPFGs的光谱的直接叠加,因此其带宽及消光比很大程度取决于两个MT-LPFG的谐振峰间隔及各自的消光比大小。两光栅消光比差距过大会导致级联后的光谱不对称。另外,为使阻带深度增加,需要通过减小两个光栅的周期差距,使其谐振峰位置更加接近,但这样会导致带宽减小;反之,通过增大光栅周期差距会增大带宽,阻带深度也会减小,且阻带顶部平坦性下降。因此必须在阻带深度和带宽之间找到平衡,这就要求本文制造出两个具有特定周期的MT-LPFGs。

本节中,通过调整MT-LPFG的制备参数,分别制备出周期为397 μm和400 μm的MT-LPFG1和MT-LPFG2,两光栅都为120个周期性拉锥光栅。级联MT-LPFG1和MT-LPFG2,并连接宽带光源及光谱分析仪,图3实线所示为观察到的光谱特性。同时,图中虚线为周期为400 μm的单个MT-LPFG的光谱。由图3可知,在30 dB消光比范围内的双级联MT-LPFGs的阻带带宽约为15 nm,而单个MT-LPFG在相同消光比的阻带宽度只有2 nm,通过双光栅级联,阻带带宽有效提升至单个MT-LPFG的7.5倍。显然,两束入射光在两光栅中分别耦合,相互间并没有产生模式干扰,其原因是:当级联光栅距离过短时,会发生复杂的模式串扰耦合,这对于级联光栅的宽带滤波作用有着不利的影响;当级联光栅距离足够大时,两束入射光在两光栅中分别耦合,相互间并没有产生有效的模式干扰。级联的两个MT-LPFGs具有足够的间距,且中间无光栅部分的光纤并未去除涂覆层,所以MT-LPFG1的包层模式光束会由于涂覆层的吸收而快速损耗,只有纤芯基模光束能够到达MT-LPFG2参与第二次的模式耦合。本实验中,当级联MT-LPFGs的距离大于15 cm时,这种模式耦合作用基本消失。尽管级联MT-LPFGs的阻带有微小的波动,但在波动顶端,其消光比仍然可超过-30 dB,即滤波效率超过99.9%。因此,将消光比转换为功率变化时,阻带的轻微波动对滤波性能的影响可以忽略不计。

图 3. 双级联MT-LPFGs (周期为397 μm和400 μm)和周期为400 μm的MT-LPFG的透射谱

Fig. 3. Transmission spectra of two cascaded MT-LPFGs with periods of 397 μm and 400 μm and MT-LPFG with period of 400 μm

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3.2 三级联MT-LPFGs

研究了双级联MT-LPFGs的宽带滤波特性后,接下来将三个具有微小周期差距的MT-LPFG进行级联以得到阻带宽度更大的带阻滤波器。与双级联MT-LPFGs相似,首先调节光栅制作参数,分别制备出周期为400,401,402.5 μm的MT-LPFGs,依次记为MT-LPFG1、MT-LPFG2和MT-LPFG3并将其级联,其各自的光谱如图4所示,谐振峰从左往右分别对应于400,401,402.5 μm的光栅周期,其级联光谱如图5所示,图中虚线为周期为400 μm的光栅光谱。可以看到,三级联MT-LPFGs在25 dB的带阻消光比下的阻带带宽可达到25.2 nm,这个数值接近于双级联MT-LPFGs在同等带阻水平下带宽的2倍,是单个MT-LPFG的12.6倍。注意到,三级联实验中采用了周期大小更为接近的三个MT-LPFGs,其最大光栅周期差距为2.5 μm,略小于双级联光栅周期差距,因此其最大有效阻带深度增加至25 dB左右,滤波效率超过99.7%,阻带带宽为25.2 nm。实验结果表明,通过双级联及三级联MT-LPFGs,阻带带宽有了大幅增加。级联累加导致插入损耗也略微增加。然而,高质量的光栅制备保证了每个光栅的插入损耗都控制在1 dB以内,所以对于双级联和三级联MT-LPFGs,总损耗在可控范围内。通过实验发现,级联光栅个数最好控制在三级以内,多级联光栅会导致叠加的插入损耗过大。

图 4. 不同周期MT-LPFGs的透射谱

Fig. 4. Transmission spectra of MT-LPFGs with different periods

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图 5. 三级联MT-LPFGs和周期为400 μm的MT-LPFG的透射谱

Fig. 5. Transmission spectra of 3 cascaded MT-LPFGs and MT-LPFG with period of 400 μm

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接下来,将三级联MT-LPFGs进行部分弯曲,并研究其对宽带滤波性能的影响。如图6所示,将三级联MT-LPFGs中周期为401 μm的MT-LPFG2固定于光纤夹持器中,其他部分平稳地放置于稳定的平台上且不施加任何外力,左平移电机保持不动,控制右平移电机向左平移。在移动的过程中MT-LPFG2会因受到两个平移电机的挤压而产生弯曲。

图 6. 测量三级联MT-LPFGs弯曲特性的实验装置

Fig. 6. Experimental setup for measuring bending characteristics of three cascaded MT-LPFGs

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从图6中可以看到,h表示光纤弯曲后的弧形高度,d表示两个平移电机光纤夹具之间的实时距离,光纤夹具的初始间距L为固定值70 mm,若以s表示右平移电机的实时移动距离,则显然有d=L-s。值得注意的是,本实验中电机移动距离非常小,因此在计算曲率时可将三角形斜边近似为L/2。根据几何关系可以得到弯曲之后的MT-LPFG2的曲率半径R与h和d之间的关系为

(R-h)2+d22=R2。(2)

曲率C可表示为^[13]

C=1R=8hd2+4h2。(3)

设定右电机向左移动的距离为0.6 mm,每移动0.02 mm记录一次光谱数据。利用(3)式可以计算出MT-LPFG2的曲率大小,从而获得波长移动量与曲率的变化关系。实验发现,曲率在0~1.16 m^-1范围内,波长没有明显的变化,只有该光栅曲率大于1.16 m^-1后,波长移动随曲率的变化比较明显,并且在1.16~2.82 m^-1曲率范围内有比较好的线性度,如图7(a)所示。不同曲率下的三级联MT-LPFGs的传输谱如图7(b)所示,随着MT-LPFG2曲率的增加,中间的尖峰出现微小红移。在弯曲曲率小于1.183 m^-1时,阻带宽度保持不变,仅阻带顶部发生了微小调整。随着曲率的继续增大,中间的尖峰由于弯曲的影响继续向长波长方向移动,并与右边尖峰合并,导致阻带顶部出现大幅度变化,平坦度下降,有效阻带深度下降至15 dB左右,这对带阻滤波器的性能产生不利影响。其主要原因为光栅弯曲导致其横截面产生了不对称的应变分布,由此引发的弹光效应使光栅形成了非对称的折射率调制,造成了相位失配,从而使得谐振波长发生偏移且耦合效率降低。因此,对于MT-LPFGs级联宽带滤波而言,应尽量避免光栅弯曲,为保证宽带滤波效果,弯曲曲率应小于1.183 m^-1。MT-LPFGs与CO₂激光刻写的LPFGs具有类似的温度敏感度(~49.6 pm/℃),其温度敏感度比其他类型LPFGs低一个数量级,所以在实际应用中具有更小的温度串扰 ^[1-2]。

图 7. 在MT-LPFG2曲率大于1.16 m^-1时波长移动与曲率的线性关系,以及曲率对三级联MT-LPFGs透射谱的影响。(a)在MT-LPFG2曲率大于1.16 m^-1时波长移动与曲率的线性关系;(b)曲率对三级联MT-LPFGs透射谱的影响

Fig. 7. Linear relationship between wavelength shift and curvature when curvature of MT-LPFG2 is larger than 1.16 m^-1, and influence of curvature on transmission spectra of 3 cascaded MT-LPFGs. (a) Linear relationship between wavelength shift and curvature when curvature of MT-LPFG2 is larger than 1.16 m^-1; (b) influence of curvature on transmission spectra of 3 cascaded MT-LPFGs

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4 结论

基于双光束CO₂激光加热及同向拉锥技术成功制备出插入损耗小于1 dB、消光比大于30 dB的高质量MT-LPFGs,进一步研究了双级联及三级联MT-LPFGs的带阻滤波特性。实验结果表明,在25 dB带阻深度下,级联MT-LPFGs的阻带宽度较单个MT-LPFG提升了7.5~12.6倍,且三级联MT-LPFGs的最大有效阻带宽度可达-25 dB,阻带效率为99.7 %,克服了LPFGs在宽带滤波应用中的限制。此外,对三级联MT-LPFGs进行了部分弯曲实验。对于级联MT-LPFGs的宽带滤波来说,存在一个光栅弯曲临界点使得其阻带发生大幅度畸变,从而影响滤波性能。结果表明:当光栅弯曲曲率超过1.183 m^-1时,阻带顶部由于尖峰光谱的红移而产生畸变,因此,在实际应用中应充分考虑外力致使光栅弯曲的情况,避免弯曲曲率大于临界点而导致的滤波性能下降。