1 引言

普通单模光纤通过拉锥可获得单模-多模-单模双锥形光纤结构,这种光纤结构的多模段直径小、倏逝场强,在空气中传输的包层模能量较高,对外界参量十分敏感,可广泛应用于传感、数据存储等领域^[1-5]。此外,锥形光纤插入环形腔内可实现光纤激光器的调谐,美国联合技术研究中心的Ball等^[6]提出了可调谐激光器理论,通过改变激光器腔长、腔内有效折射率和选择纵模序数来实现激光器中心波长的可调谐。2010年,加拿大渥太华大学的Wang等^[7]通过热处理去除锥形光纤的内应力,令其构成马赫-曾德尔滤波器,接入到掺铒光纤激光器中,机械弯曲其中一个锥形,获得了C波段和L波段(1550~1565 nm)的可调谐范围,其激光的边模抑制比为50 dB。2017年,日本东京大学的Wang等^[8]将单层石墨烯覆盖锥形光纤的锥腰,使倏逝波与石墨烯相互作用,实现了脉冲宽度为0.98 ps,3 dB谱宽为4.6 nm,单脉冲能量为544 pJ的孤子脉冲输出。2017年,北京邮电大学的Lan等^[9]利用双芯双锥光纤制备对波长、折射率等参数不敏感的模式复用/解复用器,实现了LP₀₁和LP₁₁在760 nm波长范围内耦合率超过90%,LP₀₁和L P21在320 nm波长范围内耦合率超过85%。2017年,南京邮电大学的蔡宇等^[10]利用8字形激光腔和微纳光纤环构成锁模光纤激光器,通过增加抽运功率和调节偏振控制器获得了双波长的锁模脉冲。

本文采用熔融拉锥系统制备双锥形光纤,在锥形光纤的制备过程中,由于存在应力或形状效应等缺陷,锥形光纤中H Ex11和H Ey11的传播常数是不等的,将锥形光纤接入环形腔,通过偏振控制器控制通过锥形光纤光信号的偏振态,进而改变光纤内有效折射率,实现了1563.828~1565.444 nm范围内的波长可调谐以及1.48 nm间隔的双波长输出。

2 FBT系统制备锥形光纤

2.1 锥形光纤的理论分析

本实验和理论分析中采用长飞的G.652单模光纤,芯层折射率n₁=1.4513,包层折射率n₂=1.4468,标准光纤纤芯半径为4.5 μm。

光线在一个直径从大至小变化的光纤锥体中传播,纤芯导模的模场半径则逐渐增大,由V=πd×n12-n22/λ(其中:V为归一化工作频率;d为纤芯直径;λ为工作波长)可知,归一化工作频率逐渐从大变小,当归一化工作频率降至1时,纤芯已不能约束导模的传输,光线由纤芯透入到包层传输,形成包层中的传导模和辐射模。

由V=πdn12-n22/λ可知:当纤芯直径d>4.32 μm时,归一化工作频率为1<V_core<2.405,光线在锥形光纤中单模传播;当d=4.32 μm时,V_core=1,此时光线不再受纤芯约束,开始向包层扩散;当d<4.32 μm时,基模场将扩散到包层,此时产生了新包层(光纤外的介质)和新纤芯(光纤包层),使得 n12-n22增大,则新介质波导的归一化工作频率V也增大,因此,新波导光中可以传输的模式数增加,此时包层中含有基模和高阶模式。继续减小锥形光纤过渡区域的直径,使得归一化工作频率小于2.405时,光线在锥形光纤内为单模传输(如图1所示)。

图 1. 锥形光纤光线传播模式

Fig. 1. Light propagation mode in the tapered fiber

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当V=1时,基模场开始扩散到包层进行传输,从而形成以原包层为纤芯,光纤周围空间介质为包层的新波导。新波导的芯层-包层折射率差很大,如果新空间为空气,则Δn=0.45,当归一化工作频率V_clad>2.405时,新波导是多模波导;当V_clad<2.405时,锥形光纤中则只存在单一的传播模式,即HE₁₁模,称为光纤的基模。由V_clad=πd_newn1new2-n2new2/λ可导出,满足单模传输条件的锥形光纤新波导的直径与工作波长之间的关系为

dnew=2.405λ/πn1new2-n2new2,(1)

式中:n_1new为原包层折射率;n_2new为光纤周围空间介质折射率。

由(1)式可以看出,当新波导纤芯与包层的折射率一定时,即光纤周围空间介质确定时,V只随纤芯直径与波长的变化而变化,当直径与波长的差值达到一定程度时,锥形光纤就可以实现单模传输。当光纤周围空间介质为空气时,锥形光纤实现单模传输临界条件下,光纤直径与工作波长之间的关系如图2所示。

图 2. 光纤直径随工作波长的变化

Fig. 2. Fiber diameter changes with operating wavelength

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从图2可以看出,当锥形光纤置于空气时,在通信波段1550 nm处,若锥腰直径小于1.135 μm,光线在锥形光纤中单模传输;若锥腰直径大于1.135 μm,纤芯直径小于4.32 μm(此时锥腰直径为60 μm),光线在锥形光纤中多模传输,出现多模干涉现象。

通过分析锥形光纤中光线的传输模式,制备锥腰直径为1.135~60 μm的锥形光纤,以实现基于锥形光纤的可调谐光纤激光器。

2.2 锥形光纤的制备过程

使用KF-FBT(熔融拉锥)系统制备双锥形光纤,如图3所示,从左到右依次是SPDH-400型高纯氢气发生器、氮气瓶气动控制系统(容积为40 L,工作压力为15 MPa)和拉锥机主机(火头马达,主拉伸平台)。其中,主拉伸平台的拉伸精度为0.38 nm,拉伸速度为0~0.5 mm/s,火头马达的移动精度为0.38 nm。

图 3. KF-FBT系统

Fig. 3. System of KF-FBT

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对单根标准单模光纤的去涂敷层区域进行加热,待光纤在熔融状态时,通过拉伸加热区域两端的光纤,得到所需要的锥形光纤。在拉伸过程中,从标准光纤到过渡区再到锥腰,包层和纤芯的比例基本保持不变^[11-12]。

2.3 锥形光纤参数的监测与分析

标况下,氢气流量分别为f_l=30,40,50 mL/min,拉锥速度分别为v=1000p,3000p,6000p s^-1的实验条件下进行光纤拉锥,其中p=0.08 μm。采用光学显微镜XSP-02观察各拉锥条件下得到的锥形光纤,通过多次实验结果的对比,可以得出当f_l=40 mL/min,v=3000p s^-1时,锥形光纤质量最佳。在此实验条件下,将拉锥后的光纤固定在载玻片上,并且使其处于紧绷状态,用光学显微镜电子目镜(500倍)观察锥形光纤的拉伸区,其图像如图4所示。

图 4. 锥形光纤光学电子目镜图像

Fig. 4. Optics electronic eyepiece image of tapered fiber

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通过光学显微镜测量出锥形光纤的锥腰直径和光纤长度,记录整理数据,运用Origin画图软件绘制锥形光纤锥腰直径和光纤长度随拉锥时间的变化曲线(如图5所示)。

图 5. 锥形光纤锥腰直径和光纤长度随拉锥时间的变化关系

Fig. 5. Waist diameter and length of tapered fiber changes with stretching time

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从图5可以看出,随着拉锥时间的增加,锥形光纤长度逐渐增大,锥腰直径逐渐减小,锥形光纤长度为拉伸长度l_x与火焰宽度L₀的和。将图5中实验数据进行拟合得锥腰直径随拉伸长度的变化曲线,如图6所示,锥腰直径2w和拉伸长度l_x之间的关系为^[13-14]

2w=28.4lx+0.216-9。(2)

图 6. 锥腰直径随拉伸长度的变化关系

Fig. 6. Waist diameter of tapered fiber changes with stretching length

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通过以上分析,拉锥时间设置为95 s,即可获得锥腰直径为2.475 μm的锥形光纤。

3 锥形光纤传输特性的仿真模拟及实验测量

3.1 BeamPROP模拟锥形光纤传输特性

工作波长λ=1550 nm,锥腰直径2w=2.475 μm时,锥形光纤中能量分布如图7所示。从图7可以看出,在锥腰部分由于多模干涉使得光强呈现周期性分布。

图 7. 锥腰直径为2.475 μm时锥形光纤中能量分布。(a)能量分布图;(b)归一化能量曲线图

Fig. 7. Energy distributions in tapered fiber with 2.475 μm tapered waist diameter. (a) Chart of energy distribution; (b) profile of normalized energy

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扫描范围选为1530~1580 nm,扫描间隔为1 nm,仿真模拟锥腰直径为2.475 μm时,锥形光纤输出归一化光功率随波长的变化关系如图8所示。从图8可以看出,当锥腰直径为2.475 μm时,锥形光纤输出光功率随波长变化表现出明显的振荡特性,这是因为当纤芯归一化工作频率降到1时,纤芯已不能约束导模的传输,光束进入包层传输,外界环境为空气,此时光束相当于在一个多模波导中传输,因而会出现多模干涉现象。

图 8. 锥腰直径为2.475 μm时锥形光纤输出归一化光功率随波长的变化关系

Fig. 8. Normalized output optical power changes with wavelength when the tapered waist diameter is 2.475 μm

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3.2 锥形光纤传输特性的实验测量

采用放大自发辐射(ASE)光源,选取1530~1580 nm波段,实验测量锥形光纤输出光功率随波长的变化关系。设定输入光源光功率为12.3 dBm,锥腰直径为2.475 μm时,锥形光纤透射光谱如图9所示。从图9可以看出,锥形光纤具有明显的滤波特性。这主要是因为仿真时选用单模光纤的本征模作为锥形光纤的输入光源,同时为了保证计算的准确性,选取的计算步长为0.001 μm,但由于计算量大,故缩小了计算区域,如图7所示。另外,利用BeamPROP模拟时,锥形光纤的模型在标准单模光纤到锥腰间的过渡区是斜线连接,而不是平滑的曲线连接,因此,模拟锥形光纤和实际锥形光纤的模式不相同,故实验测得的结果与仿真结果有一些差别,但都表明锥形光纤具有滤波特性。

图 9. 锥腰直径为2.475 μm时锥形光纤透射光谱

Fig. 9. Transmission spectrum of tapered fiber with 2.475 μm tapered waist diameter

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4 基于锥形光纤的可调谐光纤激光器

4.1 实验装置

基于锥形光纤的可调谐光纤激光器如图10所示,该光纤激光器以980 nm激光二极管(LD)作为抽运源,抽运光通过980 nm/1550 nm波分复用器(WDM)耦合进入环形腔;3.2 m长的掺铒光纤(EDF)作为增益介质,在1530 nm的吸收峰为28.81 dB/m,数值孔径为0.251,当抽运功率为47 mW时,EDF的增益谱如图11所示;隔离器用于保证光在环形腔内单向传输;熔融拉锥光纤用来实现波长可调谐;腔内插入偏振控制器(PC)控制偏振态;10/90的耦合器中,10%的光输出连接到光谱分析仪,用来记录数据并分析输出激光特性,90%回到环形腔形成反馈。

图 10. 基于锥形光纤的可调谐光纤激光器

Fig. 10. Tunable fiber laser based on tapered fiber

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图 11. 抽运功率为47 mW时掺铒光纤的增益谱

Fig. 11. Gain spectrum of erbium-doped fiber at 47 mW pump power

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4.2 实验结果及分析

将拉锥时间设为95 s,锥腰直径为2.475 μm的锥形光纤插入激光器环形腔,增加抽运功率到10 mW时,实现激光激射,继续增加抽运功率到30 mW,使激光具有较大的边模抑制比,保持抽运功率不变,通过偏振控制器改变腔内进入锥形光纤光的偏振态,使得腔内有效折射率发生改变,进而影响激射激光的中心波长,实现输出激光中心波长的可调谐^[15]。

由光谱分析仪(分辨率为0.02 nm)观察可得:激光中心波长在1563.828~1565.444 nm(1.616 nm)范围内连续可调谐,输出激光峰值功率为-13.365 dBm,边模抑制比为51.4 dB;同时,在调谐过程中可以得到波长间隔最大为1.48 nm的双波长激射,边模抑制比为49.8 dB,如图12所示。

图 12. 锥腰直径为2.475 μm时可调谐激光与双波长激光功率

Fig. 12. Power of tunable laser and dual-wavelength laser when the tapered waist diameter is 2.475 μm

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调节偏振控制器,使激光中心波长为1564.5 nm,以10 min为间隔,在1 h内通过分辨率为0.02 nm的光谱分析仪观察输出激光功率的稳定性,结果显示峰值功率抖动小于0.7 dB,中心波长几乎没有偏移。

同一根锥形光纤,多次实验结果显示:单波长激射时,调谐范围在1563.828 nm和1565.444 nm处的变化均小于0.1 nm;双波长激射时,最大波长间隔变化小于0.06 nm。

5 结论

由理论分析可知:当锥形光纤锥腰直径为1.135~60 μm时,纤芯已不能约束导模的传输,光束进入包层传输,外界环境为空气,此时实现多模传输,光线通过锥形光纤时,出现多模干涉现象。采用仿真模拟和实验测量两种方法分析了锥腰直径为2.475 μm时锥形光纤输出光功率随波长的变化关系。另外,将锥形光纤接入环形腔中,通过偏振控制器改变腔内进入锥形光纤的光的偏振态,实现了1563.828~1565.444 nm范围内的波长可调谐以及1.48 nm间隔的双波长输出。