拉锥光纤长周期光栅模式分裂与折射率特性

周 超,石 磊,邹 芳, 刘云启

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200072)

长周期光纤光栅(long-period f i ber grating,LPFG)作为一种基本的光无源器件,因其插入损耗小、灵敏度高、后向反射低等优点,在光纤通信以及光纤传感中已得到广泛研究与应用[1-2].为了增强LPFG的传感特性,通常会将其他光纤微结构与LPFG相结合,如腐蚀LPFG的光纤包层[3]、在LPFG包层镀高折射率纳米薄膜[4]等.光纤熔锥作为基础性光纤元件,可以制成光纤耦合器[5]、迈克尔逊干涉仪[6]等光学器件,还可以利用光纤熔锥制作基于倏逝波的高灵敏度传感器[7].因此,结合长周期光栅与光纤熔锥,在拉锥光纤中写入长周期光栅,不仅具有基础研究意义,还可以制备高灵敏度的光纤折射率传感器.由于拉锥需要将光纤加热至熔融状态,该操作对LPFG有擦除作用,因此本工作采用先拉锥后写入光栅的方法,后续仿真也是基于这种情况,从而使得拉锥区域光栅的周期是均匀的.

1 锥形光纤长周期光栅的模式分裂

在仿真过程中,本工作选取的光纤型号是康宁的G625D光纤.基本仿真参数如下:光纤的纤芯直径为8.5µm,折射率为1.467 1;包层直径为125.0µm,折射率为1.462 8.光栅部分的折射率变化区域为矩形,该区域在光纤方向的长度为固定的,其占空比的大小根据光栅周期的变化而变化.如图1所示,在光纤熔锥区域,光纤的纤芯尺寸随光纤包层的大小等比例变化,其包层的形貌函数[8]为

式中:a0表示未拉锥时光纤的包层直径,对于普通单模光纤为125µm;lt,lf分别表示锥区总长度和有效熔融区长度,此处lf=5 000µm;a(z)表示在z位置处光纤的包层直径,z的取值范围为整个坐标系以锥区中心位置为0点,与光纤同轴的水平方向为z轴建立.

图1 拉锥光纤形貌示意图Fig.1 Schematic diagram of the shape of the tapered f i ber

依据图1的仿真模型,在模型左侧通入波长为1 200～1 900 nm的单模光束.在拉锥区域的纤芯中,加入周期性的折射率变化以仿真长周期光栅,光栅充满整个拉锥区域且不延伸到非拉锥区域.在模型右侧检测光谱的变化,仿真的光栅周期范围为250～600µm,间隔为10µm.同一拉锥程度光纤仿真36个不同周期的光栅,作为一组数据.处理每一透射峰结果,通过观测透射峰在谐振波长位置的能量分布来确定包层模传输模式,如图2中各箭头所标注的图形所示.对所得的同一包层传输模的分布点选取对应的曲线进行计算,进而得到连续的不同阶次包层模谐振波长随周期变化的曲线,具体结果如图2所示.

图2(a)为普通LPFG包层模分布图,(b)～(f)为随着拉锥程度的加深,锥区直径依次为110,100,90,55,50µm时LPFG谐振波长随光栅周期的变化.从图2中可以清晰地发现,随着锥区直径的减小,同阶模的分布曲线存在分裂的情况,LP04～LP07模都会发生一定程度的分裂,且分裂后的同阶模强度分布规律是相同的,即越靠近纤芯的能量环能量越强.图3(a)和(b)分别表示图2(d)中1 419 nm和1 531 nm波长两个LP06模在拉锥光纤长周期光栅中沿着传播方向(z轴)的能量分布,直至锥区直径减小到50µm时,分裂现象消失,同一模式回归到对应一条分布曲线.随着拉锥程度的加深,光纤在写入光栅之后包层模沿半径方向模场分布强度[9-10]不再持续减小,如图2(c)中1 479 nm及图2(d)中1 530 nm波长处光栅包层模的能量分布;且包层模模场分布变得不具有圆对称性,如图2(e)中1 430 nm及图2(f)中1 435 nm波长处的能量分布,因此包层模不再是严格的LP0m模.模式发生分裂的机理可以归因于光纤拉锥引起的光纤结构的变化导致光纤波导色散的改变.这一原理已被广泛应用于色散补偿光纤、色散位移光纤等的设计中,即通过改变光纤的波导结构来改变光纤的波导色散,以得到不同的光纤色散补偿.

图2 普通LPFG包层模及不同锥区直径下的LPFG包层模分布Fig.2 Cladding mode distributions of conventional LPFG and LPFGs with diあerent taper diameters

图3 锥区直径90µm,周期为450µm的拉锥光纤长周期光栅在不同波长的光能量沿传输方向的分布Fig.3 Optical energy distributions along the transmission direction of the LPFG with a period of 450µm written in the tapered f i ber with a thinnest diameter of 90µm

2 拉锥光纤长周期光栅折射率特性

根据上述分析,在一定拉锥情况下,同一阶光栅包层模分布曲线会由最初的一条连续曲线分裂成多条不连续的曲线.为了确定分裂后同阶模的谐振峰对外界折射率的灵敏度是否相同,同时为了消除其他因素的影响,本工作选择同一拉锥程度、同一周期的拉锥光纤长周期光栅,比较其在不同波长位置的同阶包层模对折射率的影响.

选择拉锥锥区直径为100µm的拉锥光纤,光栅周期为500µm,比较包层模式为LP06模(图2(c)中虚线框部分)的两个谐振峰对外界折射率的灵敏度,结果如图4和5所示.

图4 锥区直径为100µm,周期为500µm的拉锥光纤长周期光栅在不同外界折射率下的透射谱及LP06模对应的两个谐振峰随折射率的变化Fig.4 Transmission spectra of the LPFG written in the tapered f i ber with a thinnest diameter of 100 µm with a period of 500 µm at diあerent surrounding refractive index and dependence of the resonance wavelengths of LP06mode on the surrounding refractive index

图5 锥区直径为90µm,周期为450µm的拉锥光纤长周期光栅在不同外界折射率下的透射谱及LP06模对应的两个谐振峰随折射率的变化Fig.5 Transmission spectra of the LPFG written in the tapered f i ber with a thinnest diameter of 90 µm with a period of 450 µm at diあerent surrounding refractive index and dependence of the resonance wavelengths of LP06mode on the surrounding refractive index

图4(a)和图5(a)为不同外界折射率下,锥形光纤长周期光栅透射谱的变化,图中虚线框分别标出了LP06模分裂后的两个透射峰.图4(b)和图5(b)表示LP06阶包层模对外界折射率的敏感特性,图中曲线表示LP06模谐振峰的相对位置.

从图4中可明显发现,当锥区直径为100µm,光栅周期为500µm时,LPFG的LP06模由于分裂而形成的两个透射峰对外界折射率的灵敏度差异很大,波长较长的谐振峰在外界折射率从1.000改变到1.458时,谐振波长漂移了204.6 nm,在外界折射率从1.456改变到1.458时,波长漂移了26.7 nm,灵敏度达到13 350 nm/RIU,其中RIU表示单位折射率(refractive index unit).而波长较短的谐振峰在外界折射率从1.000改变到1.458时,波长仅漂移了73.0 nm,在外界折射率从1.456改变到1.458时,波长漂移了12.1 nm,灵敏度为6 050 nm/RIU,可见长波位置的谐振峰对外界折射率更加灵敏.

从图5中可以发现,当锥区直径为90µm,光栅周期为450µm时,LP06模(图2(d)中虚线框部分)波长较长位置的谐振峰在外界折射率从1.000改变到1.458时,谐振波长漂移了114.2 nm,在外界折射率从1.456改变到1.458时,波长漂移了16.2 nm,灵敏度达到8 100 nm/RIU;波长较短位置的谐振峰在外界折射率从1.000改变到1.458时,波长漂移了63.5 nm,在外界折射率从1.456改变到1.458时,波长漂移了7.6 nm,灵敏度为3 800 nm/RIU.同样得出,波长较长位置的谐振峰比波长较短位置的谐振峰对外界折射率的敏感度更大.

因此,对于LP06模,在一定的拉锥程度及相应的光栅周期下,可以得到两个不同波长的谐振峰,但是这两个同阶包层模的谐振峰对折射率的敏感程度差别很大,波长较长位置的谐振峰对外界折射率更加灵敏.根据光纤长周期光栅对外界折射率灵敏程度的相关理论[2]:长周期光栅谐振峰所在模式分布图位置的切线斜率越大,该点所对应的光纤长周期光栅对外界折射率越灵敏.从图2可以看出,波长较长的谐振峰所在位置的切线斜率明显大于波长较短位置,所以波长较长位置的谐振峰对外界折射率更加灵敏.

3 结束语

本工作通过仿真建模将长周期光纤光栅结构与光纤的熔融拉锥结构相结合,分析了不同程度拉锥光纤长周期光栅包层模的分裂情况及其折射率敏感特性.仿真结果表明:在一定拉锥范围内,LP04,LP05,LP06以及LP07阶包层模曲线都会出现一定程度的分裂现象;对于LP06模,两个同阶包层模的谐振峰对折射率的敏感程度差别很大,波长较长位置的谐振峰对外界折射率更加灵敏.

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