1 引言

光纤梳状滤波器以其设计带宽较宽、插入损耗低、与光纤兼容等特点广泛应用于光纤通信系统、光纤传感^[1]以及多波长激光器和传感器^[2-3]等领域。光纤多通道滤波的结构主要有Sagnac双折射环(SBL)、Lyot双折射滤波器(LBF)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和光纤光栅(FG)等^[4-8]。Yu等^[5]利用单模光纤(SMF)和光子晶体光纤级联组成的Fabry-Perot谐振腔实现了300~1200 ℃范围内的温度测量; Huang等^[6]提出了基于反射LBF滤波器的角度传感器,其传感器的灵敏度可以达到-6.39×10^-6 rad/με。MZI由于具有响应快、灵敏度高等优点,广泛用于传感器测量,至今已经有多种结构的MZI被报道^[9-12]。2016年He等^[2]利用保偏光纤和SMF熔接的方法制作MZI,将其应用于掺铥光纤激光器中实现了1857~1897 nm的波长调谐。Xu等^[12]利用电弧放电法和蓝宝石掺杂光纤制成具有MZI结构的温度不敏感滤波器。近年来,基于微光纤结构的MZI具有与光波长可相比拟的光纤直径和较强的表面波与倏逝场,能有效地提高传感器的灵敏度,从而成为研究热点^[13]。Liao等^[14]利用微光纤制成由MZI和Sagnac环组合构成的多通道滤波器,将其应用于传感器后可以同时测量海水温度和盐度。Xian等^[15]利用放电法制成葫芦状MZI的温度传感器,其灵敏度可以达到17.15 pm/℃。Shin等^[16]将传统MZI中光纤耦合器的一臂用单模微光纤替代,大大提高温度和拉伸的测量精度。Tan等^[17]报道了对称的、具有微长周期光纤光栅(LPG)的MZI溶液质量浓度传感器,虽然其灵敏度可以达到2225 nm/RIU,但是其在微光纤上刻写LPG的制作工艺相对复杂、成本较高。在一些特殊应用中,如锁模激光器、孤子探测等实际应用中,需要光谱带宽可调谐的滤波器件,但是目前关于光谱带宽可调谐微光纤MZI的报道较少。

本文报道了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)拉锥的新型MZI。利用氢氧焰对普通FBG直接进行拉锥,通过控制光纤锥区长度改变滤波器带宽(B)和通道个数。理论分析和实验表明MZI通道的个数以及通道的对比度与光栅锥区密切相关。随着光栅锥区长度的增加,干涉仪的通道个数增加,带通宽度变窄。当光栅的锥区长度为12.031 mm时,共有13个通道在C波段,每个通道的3 dB带宽为1.6842 nm,最大消光比为18.717 dB。通过对拉锥后的FBG折射率进行分析和仿真,可确定这种新型微MZI是一种两端为对称锥形微啁啾长周期光栅(CLPG)的结构。利用不同质量浓度的NaCl溶液改变环境有效折射率,实现对MZI的带通宽度的调谐,调谐精度可以达到0.64318 nm^-1·RIU^-1。

2 制作方法

实验通过氢氧焰熔融拉锥方法实现MZI的制备,其实验装置如图1所示。去除FBG(反射峰中心波长为1550.291 nm,3 dB带宽为0.223 nm,边模抑制比为20 dB)表面的涂覆层后,将其放置在氢氧火焰拉锥机的移动台上,设置氢气流量为110.1 SCCM(SCCM即气压为1 Pa、温度为25℃条件下1 mL/min的流量),氧气流量为8.0 SCCM,火焰扫描宽度为3 mm,扫描速度为0.09 mm/s,利用控制软件对移动台的移动长度进行控制。实验利用宽带光源(ASE)作为检测光源,拉锥过程中通过光谱分析仪(OSA)对拉锥光栅进行实时监测。

图 1. 氢氧焰熔融拉锥实验装置原理图

Fig. 1. Schematic of experimental setup for fused tapering by hydrogen oxygen flame

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当移动台开始移动以及火焰靠近FBG时,通过氢氧流速控制火焰温度,经过一段时间的烧制,FBG的反射峰逐渐消失。保持移动台移动速度并继续烧制光纤,当锥区长度达到6.78 mm、锥形腰间宽度为34.09 μm时,透射谱出现一个宽度为20 nm的光谱通道。继续拉锥至7.43 mm,当锥形腰间宽度为28.4 μm时,透射光谱通道数增加为2个,通道间隔约为10 nm。随着锥区长度的增加,透射光谱通道间隔减小,同时通道个数增加。当锥区长度为12.031 mm时,停止拉锥并移去火焰。经过拉锥后的FBG结构如图2所示。由于受到熔融拉锥,FBG的光栅折射率和光栅周期随着光纤拉锥长度的变化而发生改变,光栅的中心位置由于受到高温烧制,折射率发生退火而逐渐变为普通锥形光纤(TF),两侧逐渐变为具有对称结构的CLPG,即CLPG-TF-CLPG结构。

图 2. 拉锥光栅的结构

Fig. 2. Structure of tapered grating

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图3为FBG熔融拉锥后MZI透射光谱图。由图可知,13个透射光谱通道均匀分布在1528~1563 nm光谱范围内,每个通道的3 dB带宽(B_{3 dB})为1.6842 nm,自由光谱范围(FSR)为3.32 nm,透射通道最大隔离度为18.717 dB。由于其具有良好的隔离特性,因此可以作为良好的梳状滤波器件应用于光通信和传感领域。

图 3. FBG熔融拉锥后MZI透射光谱图

Fig. 3. Transmission spectrum of MZI with FBG after fused tapering

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3 结构分析

经过熔融拉锥的FBG具有良好的多通道透射光谱特性,可以作为性能良好的多通道梳状滤波器,现对其原理进行理论分析。经紫外曝光法制成的FBG,其有效折射率的变化值满足

δneff(z)=δ-neff[1+vcos(2πz/Λ0)],(1)

式中: δ-neff为平均有效折射率的变化值;z为横坐标位置;v为干涉条纹的可见度;光栅周期Λ₀=λ_d/(2n_eff),λ_d为反射峰中心波长。FBG的折射率分布n(z)=n_core+δ_neff(z) ,其中n_core为原SMF纤芯的有效折射率。

拉锥过程中,由于受到火焰温度的影响, δ-neff将不再是定值,其变化与受热时间有关。FBG两端受移动台应力的影响,Λ₀由均匀分布变成非线性分布。因此FBG不再具有对λ_d波长光的反射能力,在实验中的表现为透射谱中峰值凹陷逐渐消失。

为了分析拉锥后微光纤光栅(MFG)的结构,需要对拉锥后折射率的分布进行分析。根据(1)式,假设拉锥后的MFG折射率变化为

δ'neff=Δδneff(z){1+cos[2πz/Λ(z)]},(2)

式中:Δδ_neff(z)为拉锥后的平均有效折射率;Λ(z)为光栅周期函数。不考虑Δδ_neff(z)的情况下,可以用等体积法分析Λ(z)。 以MFG双锥形最窄处为横轴中心点,则半径r'(z)与横坐标位置z的关系满足^[18]

r'(z)=rexpLt2πdLFsin2πzLt-π2-1,(3)

式中:r为FBG原半径;L_F为初始熔融长度;双锥区总长度L_t=L_F+L_s,其中L_s为拉伸长度;退缩因子d= -LtπLFlnmin[r'(z)]/r,其中min[r'(z)]为MFG的最小半径,用于调节函数使其满足实际形状。由于L_F大于原FBG栅区的总长度L_G,因此在原熔融区两尾端包含SMF。根据体积不变的原则,可以推导出拉锥前后光栅周期函数Λ(z)满足

∫-Lg/2Lg/2π[r'(z)]2dΛ(z)=πLGr2,(4)2∫-Lt/2-Lg/2π[r'(z)]2dz=LFπr2-LGπr2,(5)

式中L_g为拉锥后栅区长度。(4)式表示栅区体积拉锥前后保持不变,L_g是未知量;为了求解L_g,必须利用(5)式。(5)式表示熔融区中SMF段的总体拉锥前后保持不变。为计算方便,将(4)、(5)式进行简化,即将原FBG的一个周期长度Λ₀分为k等份,每一份长度Δl=Λ₀/k。当k足够小时,第j个周期满足

Λi=∑i=1kΔlπr2πr'-Lg2+∑j=1i-1Λj2=∑i=1kΔlr2r'-Lg2+∑j=1i-1Λj2。(6)

将熔融区内非FBG的部分均匀分为2k'份,同样k'足够小时L_g满足

Lg=Lt-2∑i=1k'a'i=Lt-2∑i=1k'Δar2r'-Lt2+∑j=1i-1a'j2,(7)

式中Δa=(L_F-L_G)/(2k')。根据(6)、(7)式求得拉锥后Λ(z)的曲线,如图4所示。从图4可以看出,在不考虑折射率分布的情况下,经过拉锥以后的光栅周期分布呈现类高斯分布,即光栅中心周期大,光栅两端周期小。

图 4. 拉锥后Λ(z)的分布

Fig. 4. Λ(z) after tapering

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由于FBG各部分所受的火焰温度相同,则影响δ_neff(z)的唯一因素是熔融时长。当z=z₀时,Δδ_neff(z)与 δ-neff的关系^[19]为

Δδneff(z0)=δ-neff11+expkBTln(v0t)-ΔEkBT0, (8)

式中:k_B为玻尔兹曼常数;T为温度;T₀为光纤光栅退化速率;v₀为电子初始热释放速率;t为熔融时长;ΔE为电子在连续能量阱中初始分布概率最大处的能量。根据(8)式,在温度一定的情况下,时间越长调制深度越小。拉锥光栅的折射率应满足:1)z→0,Δδ_neff(z)→0;2)z→±L_t,Δδ_neff(z)→ δ-neff。因此,根据(3)式,设Δδ_neff(z)为

Δδneff(z)=δ-neffexpLt2πdnLFsin2πzLt-π2-1,(9)

式中d_n= -LtπLFlnmin[Δδneff(z)]/δ-neff,其中min[Δδ_neff(z)]为MFG中的最小调制深度。

因此拉锥后的折射率分布满足

n(z)=ncore+Δδneff(z)1+cos[2πz/Λ(z)]。(10)

图5为拉锥后MFG的折射率函数n(z)与z的关系曲线。

图 5. n(z)与z的关系曲线

Fig. 5. Relationship between n(z) and z

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光经过微CLPG时,在传输过程中会受到纤芯折射率调制的影响,发生纤芯之间、纤芯与包层的耦合,当光经过中心光纤锥区,由于微光纤直径小,传输光还会与包层和自由空间发生耦合。由于该微光光栅具有对称结构,从CLPG段产生的不同传输模式的光经过普通TF及自由空间后,再进入相同结构的CLPG段发生多模干涉,即MZI。

基模和包层各模式之间的干涉光强满足^[20]

I=Icore+∑Icladding+2∑IcoreIcladdingcos2πΔneffLλ,(11)

式中:I_core为基模光强;I_cladding为包层中各模式光强度;Δn_eff为两种模式传输介质的折射率之差;λ为特征波长。FSR的定义为

FSR=λ2ΔneffL。(12)

4 实验及讨论

在一些实际应用中,尤其是锁模激光器中,需要具有光谱通道可调谐的梳状滤波器。经过以上理论分析得到,经过熔融拉锥的FBG是一种新型的MZI,其两端为对称的CLPG,因此,可以通过前后两端光栅进行前后两种光栅模式的相互耦合,实现具有特殊应用的滤波器件。由(11)式可知,通过改变光纤折射率Δn_eff的取值,可以改变透射光谱的光谱带宽,因此通过改变环境折射率可以实现光谱带宽的可调谐。通过改变NaCl溶液的质量浓度来改变环境的折射率,从而实现梳状滤波器带宽的可调谐。图6为不同质量浓度的NaCl溶液下MZI的透射光谱图。

图 6. MZI在不同质量浓度的NaCl溶液下的透射光谱图。(a) 1%; (b) 5.76%; (c) 7.88%; (d) 10.16%; (e) 13.11%; (f) 16.22%

Fig. 6. Transmission spectra of MZI under different NaCl solution concentrations. (a) 1%; (b) 5.76%; (c) 7.88%; (d) 10.16%; (e) 13.11%; (f) 16.22%

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对折射率的光谱带宽进行分析。如图6(a)所示,当MZI沉浸在质量浓度为1%的NaCl溶液时,在光谱范围1523~1573 nm内,透射光谱数为5个,带宽为8.92 nm。继续增加液体折射率,即NaCl溶液质量浓度由1%增加到16.22%,在光谱范围1523~1573 nm内,透射光谱的个数由5个变为4个,带宽由8.92 nm变为10.64 nm。由图6(a)~6(f)可以看出,通过增大NaCl溶液的质量浓度,梳状滤波器实现了可调谐的透射光谱带宽。此外,当溶液质量浓度为1%,透射谱的对比度为5.672 dB。当溶液质量浓度从1%增大到16.22%时,透射谱的对比度为2.348 dB。为了进一步分析对比度减小的原因,对图6中的光谱进行傅里叶变换,分析传输模式随溶液折射率的变化情况。图7为光谱的傅里叶变换分布。当溶液质量浓度为1%时,较强的高阶模式有3个;当溶液质量浓度为16.22%时,较强的高阶模式为2个。随着溶液折射率的增加,传输光强逐渐向低阶模式集中,梳状透射谱的对比度逐渐减小。因此在实际应用中,针对不同的应用需求,需要控制外界环境的折射率,使其具有满足实际需要的多波长滤波光谱。

图 7. 不同NaCl溶液质量浓度下的透射谱

Fig. 7. Transmission spectra under different solution concentrations of NaCl

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在1550 nm波长范围内测量透射光谱带宽随外界环境折射率的变化,得到MZI带宽随NaCl溶液质量浓度变化的调谐精度为0.64318 nm^-1·RIU^-1,如图8所示。通过分析图8,发现滤波器带宽的倒数1/B与NaCl溶液有效折射率N具有较好的线性关系。当NaCl溶液质量浓度在1%~16.22%内时,1/B与N的关系可表示为

图 8. 带宽与折射率的关系曲线与线性拟合曲线

Fig. 8. Relationship between bandwidth and refractive index as well as its corresponding linear fitting curve

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1B=0.9633-0.63418×N。(13)

根据B与N的关系曲线与线性拟合曲线[(13)式],可以得到线性拟合优度R²=0.98897。可以看出1/B与N有良好的线性关系。

由于光纤光栅的折射率变化非常小,很难通过显微镜观察其结构,因此必须通过模拟仿真和实验来验证新型滤波器的结构。对于FBG,经过熔融拉锥后的可能结构为:1)具有CLPG-TF-CLPG的新型MZI结构; 2)受到高温影响,光栅结构完全遭到破坏并发生退火,FBG变为普通TF; 3)FBG中间受到高温影响变为SMF,两端仍保留原有均匀FBG光栅结构,即FBG-TF-FBG结构; 4)拉锥后的光栅两端不是啁啾的LPG,而是均匀的LPG,即LPG-TF-LPG结构。根据实验拉锥后光栅的尺寸和图5中所描述的折射率分布和光栅周期,利用有限元法对CLPG-TF-CLPG结构进行模拟仿真。根据(10)式,光栅周期在1 ~2 μm之间变化,折射率在1.4681~1.470之间变化,均为啁啾改变。TF长度为10.03 mm,两端CLPG长度各为1 mm(与实验一致)。其透射光谱图如图9(a)所示。由图可知,在光谱范围为1525~1565 nm内,经过CLPG-TF-CLPG仿真后的透射谱也同样实现了多通道的梳状滤波器,其光谱3 dB带宽为1.6914 nm,通过与实验得到的透射谱进行比较,可以发现两者吻合得很好。图9(b)为SMF经过拉锥后,光纤锥区长度在0~22.244 mm变化时的透射光谱图,由图可知,随着拉锥长度的增加,光功率减小,但是透射谱形状没有较大的改变,因此通过改变TF腰间直径无法得到多通道梳状滤波峰。图9(c)为同等条件下对光栅栅区较长FBG经过熔融拉锥的反射光谱图。由于FBG栅区较长,火焰对两端FBG接触较少。从图中可以看出,FBG经过拉锥后反射谱的带宽明显展宽,带宽由拉锥前的0.612 nm变为2.952 nm,这表明光栅周期经过拉锥发生了变化,由均匀FBG变成啁啾FBG。通过实验也说明:只要光栅两侧有FBG结构,就会形成反射光谱,不会形成在前述实验中得出的多通道透射光谱。图9(d)为SMF长度为10 mm的LPG-SMF-LPG仿真透射光谱图。由图可知,经过LPG-SMF-LPG结构的MZI后透射谱为类sinc函数,这与相关文献报道吻合^[21],但是,其透射光谱和实验得到的结果明显不同。由图9可知,通过对4种不同光纤结构进行模拟仿真和实验验证,得出经过拉锥以后的FBG(即CLPG-TF-CLPG结构)是一种新型MZI结构的结论。

图 9. 4种假设结构的透射谱。(a)拉锥光栅实验及仿真透射谱; (b)当SMF拉锥长度为0, 19.831, 22.244 mm时的透射谱; (c)较长栅区FBG拉锥前后的反射谱; (d) LPG-SMF-LPG仿真透射谱

Fig. 9. Transmission spectra of four hypothetical structures. (a) Simulated and experimental transmission spectra of tapered-drawing fiber grating; (b) transmission spectra of SMF with tapering lengths of 0, 19.831, 22.244 mm; (c) reflectance spectra of long grating FBG before and after tapering; (d) simulated transmission spectrum of LPG-SMF-LPG

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5 结论

提出了一种简单的、具有带宽可调的微MZI制备方法。通过氢氧焰拉锥技术对FBG进行拉锥,当锥区长度达到12.031 mm时, 在C波段范围内共有1~3个通道,每个通道的3 dB带宽为1.6842 nm,FSR为3.32 nm,透射通道最大隔离度为18.717 dB。通过模拟仿真和实验对比,发现这种梳状滤波器件是一种新型的MZI,其结构为中间束腰为SMF、两端为对称的CLPG。利用不同质量浓度的NaCl溶液改变折射率,实现了MZI带宽的可调谐。当溶液质量浓度从1%变化到16.22%时,透射峰带宽实现了从8.92 nm到10.64 nm的变化,其调谐精度达到0.64318 nm^-1·RIU^-1。由于该滤波器具有较好的带宽可调谐特性,因此可以作为特殊的光纤器件应用于光纤激光、传感等领域。