1 引言

π相移光纤光栅(FBG)是指纤芯的折射率变化在某些位置存在大小为π的相位突变,从而改变光谱的分布,形成极窄的透射窗口,广泛应用于分布式反馈激光器^[1]、窄带滤波器^[2]、全光开关^[3]和高精度传感^[4-6]等领域。通过刻写过程中的热处理法或控制光栅的温度、应力等,可实现π相移光纤光栅的波长调谐,在应用中具有重要意义。其中,热处理法是指均匀光栅刻写完成后,对光栅的局部进行加热从而引进相移,相移的大小决定了透射窗口的位置,停止加热则相移消失,因此可以通过控制相移大小实现相移光纤光栅的调谐^[7]。还可以通过压电转换器^[8]、局部加压^[9]等方式使光纤轴向发生形变,进而改变光纤光栅的局部折射率分布,引入非永久性相移,控制形变量即可实现相移光纤光栅的调谐^[10]。此外, Liao等^[11]提出结合飞秒激光器和熔接技术制作可调谐相移光纤光栅,通过向光栅中的球形孔充入不同折射率的液体,从而在此处引入相移,即可实现相移光栅的调谐。纤芯温度的改变会导致光纤光栅的有效折射率和周期发生变化^[12-13],因此可以通过改变π相移光纤光栅的温度,使光栅传输谱及中心波长发生漂移,从而实现π相移光纤光栅的波长调谐,该方法具有成本低、易操作、无损伤等优点。结合π相移光纤光栅的窄带滤波特性,可以实现可调谐的窄线宽光纤激光器。

本文理论分析了π相移光纤光栅的温度调谐特性,利用半导体制冷器(TEC)和制冷片控制π相移光纤光栅的温度,实验验证了其温度调谐特性,并将其应用于窄线宽光纤激光器,实现了窄线宽激光器的可调谐输出。

2 理论分析与仿真

π相移光纤光栅中纤芯的折射率变化沿轴向不连续,且存在一个大小为π的相位突变,导致光栅传输谱存在一个极窄的透射窗口,如图1所示。π相移光纤光栅长度为2L+Δl,其中,Δl为光栅周期Λ_g的一半的奇数倍。

图 1. π相移光纤光栅示意图

Fig. 1. Schematic of a π phase-shifted fiber Bragg grating

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π相移光纤光栅的布拉格波长对应透射窗口的中心波长为

λBragg=2neffΛg,(1)

式中n_eff为纤芯的有效折射率。

当光栅温度改变时,由于热光效应和热膨胀效应,光纤的折射率和光栅周期会发生变化,进而改变光栅的布拉格波长和传输谱。由于光纤的热光系数α和热膨胀系数β沿轴向不变,且在测量的温度范围内为常数,所以光栅不同位置的折射率和周期改变量相同,因此,变化后相移点的长度仍为半周期的奇数倍,π相移光纤光栅的传输谱形保持不变,整体向短波或长波方向移动。

设n₀,Λ₀分别为温度为T₀时的折射率和光栅周期,则任一温度T时的折射率和光栅周期为

n=n0[1+α(T-T0)],(2)Λ=Λ0[1+β(T-T0)]。(3)

光栅布拉格波长为

λ'Bragg=2n0·[1+α(T-T0)]·Λ0·[1+β(T-T0)]。(4)

石英光纤的热光系数α≈+1.1×10^-5/℃,热膨胀系数β≈+5.2×10^-7/℃^[14]。由于α和β均远小于1,取一阶近似(4)式可以简化为

λ'Bragg≈λ0[1+γ(T-T0)],(5)

式中λ₀=2n₀Λ₀是温度为T₀时的布拉格中心波长,γ=α+β是包含热光效应与热膨胀效应的温度系数,因此温度为T时波长变化量为

Δλ≈λ0γ(T-T0),(6)

可见,光栅布拉格波长即π相移光栅透射窗口的中心波长漂移与温度变化呈线性关系。

结合理论分析,利用传输矩阵理论进行了π相移光纤光栅的仿真,探究随温度改变折射率和周期变化后光栅的透射谱。仿真光纤为SMF-28光纤,常温下,纤芯半径为4 μm,折射率为1.45205,包层半径为62.5 μm,折射率为1.44681,基模的有效折射率为1.44899。设置光栅长度为50 mm,光栅周期为Λ=534.614 nm,对应光栅布拉格波长为1549.3 nm。取光纤的热光系数为1.1×10^-5/℃,热膨胀系数为5.2×10^-7/℃。对温度为5,35,65,95 ℃的情况进行仿真,π相移光栅透射谱如图2所示。从图2中可以看出,光栅波长改变量与温度改变量成正比,与理论相符。

图 2. 温度分别为5,35,65,95 ℃时π相移光纤光栅仿真结果

Fig. 2. Simulation of π phase-shifted fiber Bragg grating at temperatures of 5, 35, 65, 95 ℃

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3 实验及结果

3.1 π相移光纤光栅的温度调谐特性

π相移光纤光栅温度调谐及测试实验装置如图3所示,将π相移光纤光栅放置在与制冷片贴合的铝板上,用导热胶进行固定与导热,制冷片与TEC相连,控制器通过调控TEC来改变制冷片的温度,从而改变光栅的温度。测试系统中采用放大自发辐射(ASE)光源,中心波长为1565 nm,光谱宽度为74 nm,与π相移光纤光栅的一端相连,光栅的另一端连接光谱仪(OSA,日本横河,AQ6317)测试透射谱。

图 3. π相移光纤光栅温度调谐及测试实验装置

Fig. 3. Experimental setup of temperature tuning and test of π phase-shifted fiber Bragg grating

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实验中,以5 ℃为步长,控制π相移光纤光栅的温度从0 ℃变化到95 ℃,选取温度分别为5,35,65,95 ℃时π相移光纤光栅的透射谱,如图4所示,随温度升高,π相移光纤光栅的透射谱带宽及深度保持不变。中心波长随温度的变化如图5所示,从图中可以看出,随着光栅温度的升高,中心波长向长波方向呈线性移动,从1548.921 nm移动到1550.664 nm,单位温度下移动范围为18.35 pm,同理论与仿真结果相吻合。

图 4. 温度分别为5,35,65,95 ℃时π相移光纤光栅透射谱

Fig. 4. Transmission spectra of π phase-shifted fiber Bragg grating at temperatures of 5, 35, 65, 95 ℃

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图 5. π相移光纤光栅中心波长随温度变化曲线

Fig. 5. Central wavelength changing curve of π phase-shifted fiber Bragg grating with temperature

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3.2 π相移光纤光栅实现可调谐窄线宽激光器

基于π相移光纤光栅,搭建了窄线宽环形腔光纤激光器实验系统,如图6所示。系统由掺铒光纤放大器(EDFA)、耦合器、环形器、π相移光纤光栅和与之相匹配的高反(HR)光纤光栅构成。其中,EDFA使用980 nm半导体激光器(LD)作为抽运源,EDFA输出的激光进入耦合器,耦合器输出的一端作为激光器输出,连接光谱仪监测其输出光谱,另一端作为环形腔反馈,与环形器1口相连,进入2口的光被高反光栅反射,位于高反光栅反射带内的光经环形器3口输出通过π相移光纤光栅,利用π相移光纤光栅极窄的透射窗口作为窄带滤波器,获得窄线宽激光输出。当高反光栅的反射带宽小于π相移光纤光栅的透射带宽且覆盖π相移光纤光栅的透射窗口时,输出激光的中心波长即为π相移光纤光栅透射窗口的中心波长。

使用图3中的温度调谐装置控制π相移光纤光栅的温度进而改变其中心波长,使用同样的装置控制高反光栅的温度使其与π相移光纤光栅相匹配,在不同温度下获得了不同波长的激光输出,实现了窄线宽光纤激光器的可调谐。控制π相移光纤光栅的温度从5 ℃变化到95 ℃,得到的不同温度下的激光器输出光谱如图7所示,可见,输出激光中心波长随π相移光纤光栅温度呈线性变化,与π相移光纤光栅的温度调谐特性相吻合。

图 6. 基于π相移光纤光栅的窄线宽光纤激光器实验装置

Fig. 6. Experimental setup of narrow linewidth fiber laser based on π phase FBG-shifted fiber Bragg grating

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图 7. 不同π相移光纤光栅温度下的激光器输出光谱

Fig. 7. Output spectra of laser at different temperatures of π phase-shifted fiber Bragg grating

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4 结论

理论和实验研究了π相移光纤光栅的温度调谐特性,利用TEC和制冷片控制温度,实现了1.55 μm波段π相移光纤光栅的温度调谐。当温度从0 ℃变化到95 ℃时,中心波长改变了1.743 nm,灵敏度约为18.35 pm/℃。相比其他波长调谐方式,温度调谐具有成本低、易操作、无损伤等特点。结合π相移光纤光栅的窄带滤波特性,搭建了窄线宽环形腔光纤激光器,利用π相移光纤光栅的温度调谐特性实现了1.55 μm波段窄线宽激光波长的连续调谐输出,为实现可调谐窄线宽光纤激光器提供了一条简单可行的技术途径。

致谢 感谢加拿大瑞尔森大学的顾锡嘉教授在光纤光栅刻写方面的指导。