拉錐光纖長周期光柵模式分裂與折射率特性

周 超,石 磊,鄒 芳, 劉云啟

(上海大學特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室,上海200072)

長周期光纖光柵(long-period f i ber grating,LPFG)作為一種基本的光無源器件,因其插入損耗小、靈敏度高、后向反射低等優(yōu)點,在光纖通信以及光纖傳感中已得到廣泛研究與應用[1-2].為了增強LPFG的傳感特性,通常會將其他光纖微結構與LPFG相結合,如腐蝕LPFG的光纖包層[3]、在LPFG包層鍍高折射率納米薄膜[4]等.光纖熔錐作為基礎性光纖元件,可以制成光纖耦合器[5]、邁克爾遜干涉儀[6]等光學器件,還可以利用光纖熔錐制作基于倏逝波的高靈敏度傳感器[7].因此,結合長周期光柵與光纖熔錐,在拉錐光纖中寫入長周期光柵,不僅具有基礎研究意義,還可以制備高靈敏度的光纖折射率傳感器.由于拉錐需要將光纖加熱至熔融狀態(tài),該操作對LPFG有擦除作用,因此本工作采用先拉錐后寫入光柵的方法,后續(xù)仿真也是基于這種情況,從而使得拉錐區(qū)域光柵的周期是均勻的.

1 錐形光纖長周期光柵的模式分裂

在仿真過程中,本工作選取的光纖型號是康寧的G625D光纖.基本仿真參數(shù)如下:光纖的纖芯直徑為8.5μm,折射率為1.467 1;包層直徑為125.0μm,折射率為1.462 8.光柵部分的折射率變化區(qū)域為矩形,該區(qū)域在光纖方向的長度為固定的,其占空比的大小根據(jù)光柵周期的變化而變化.如圖1所示,在光纖熔錐區(qū)域,光纖的纖芯尺寸隨光纖包層的大小等比例變化,其包層的形貌函數(shù)[8]為

式中:a0表示未拉錐時光纖的包層直徑,對于普通單模光纖為125μm;lt,lf分別表示錐區(qū)總長度和有效熔融區(qū)長度,此處lf=5 000μm;a(z)表示在z位置處光纖的包層直徑,z的取值范圍為整個坐標系以錐區(qū)中心位置為0點,與光纖同軸的水平方向為z軸建立.

圖1 拉錐光纖形貌示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shape of the tapered f i ber

依據(jù)圖1的仿真模型,在模型左側通入波長為1 200～1 900 nm的單模光束.在拉錐區(qū)域的纖芯中,加入周期性的折射率變化以仿真長周期光柵,光柵充滿整個拉錐區(qū)域且不延伸到非拉錐區(qū)域.在模型右側檢測光譜的變化,仿真的光柵周期范圍為250～600μm,間隔為10μm.同一拉錐程度光纖仿真36個不同周期的光柵,作為一組數(shù)據(jù).處理每一透射峰結果,通過觀測透射峰在諧振波長位置的能量分布來確定包層模傳輸模式,如圖2中各箭頭所標注的圖形所示.對所得的同一包層傳輸模的分布點選取對應的曲線進行計算,進而得到連續(xù)的不同階次包層模諧振波長隨周期變化的曲線,具體結果如圖2所示.

圖2(a)為普通LPFG包層模分布圖,(b)～(f)為隨著拉錐程度的加深,錐區(qū)直徑依次為110,100,90,55,50μm時LPFG諧振波長隨光柵周期的變化.從圖2中可以清晰地發(fā)現(xiàn),隨著錐區(qū)直徑的減小,同階模的分布曲線存在分裂的情況,LP04～LP07模都會發(fā)生一定程度的分裂,且分裂后的同階模強度分布規(guī)律是相同的,即越靠近纖芯的能量環(huán)能量越強.圖3(a)和(b)分別表示圖2(d)中1 419 nm和1 531 nm波長兩個LP06模在拉錐光纖長周期光柵中沿著傳播方向(z軸)的能量分布,直至錐區(qū)直徑減小到50μm時,分裂現(xiàn)象消失,同一模式回歸到對應一條分布曲線.隨著拉錐程度的加深,光纖在寫入光柵之后包層模沿半徑方向模場分布強度[9-10]不再持續(xù)減小,如圖2(c)中1 479 nm及圖2(d)中1 530 nm波長處光柵包層模的能量分布;且包層模模場分布變得不具有圓對稱性,如圖2(e)中1 430 nm及圖2(f)中1 435 nm波長處的能量分布,因此包層模不再是嚴格的LP0m模.模式發(fā)生分裂的機理可以歸因于光纖拉錐引起的光纖結構的變化導致光纖波導色散的改變.這一原理已被廣泛應用于色散補償光纖、色散位移光纖等的設計中,即通過改變光纖的波導結構來改變光纖的波導色散,以得到不同的光纖色散補償.

圖2 普通LPFG包層模及不同錐區(qū)直徑下的LPFG包層模分布Fig.2 Cladding mode distributions of conventional LPFG and LPFGs with diあerent taper diameters

圖3 錐區(qū)直徑90μm,周期為450μm的拉錐光纖長周期光柵在不同波長的光能量沿傳輸方向的分布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 拉錐光纖長周期光柵折射率特性

根據(jù)上述分析,在一定拉錐情況下,同一階光柵包層模分布曲線會由最初的一條連續(xù)曲線分裂成多條不連續(xù)的曲線.為了確定分裂后同階模的諧振峰對外界折射率的靈敏度是否相同,同時為了消除其他因素的影響,本工作選擇同一拉錐程度、同一周期的拉錐光纖長周期光柵,比較其在不同波長位置的同階包層模對折射率的影響.

選擇拉錐錐區(qū)直徑為100μm的拉錐光纖,光柵周期為500μm,比較包層模式為LP06模(圖2(c)中虛線框部分)的兩個諧振峰對外界折射率的靈敏度,結果如圖4和5所示.

圖4 錐區(qū)直徑為100μm,周期為500μm的拉錐光纖長周期光柵在不同外界折射率下的透射譜及LP06模對應的兩個諧振峰隨折射率的變化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

圖5 錐區(qū)直徑為90μm,周期為450μm的拉錐光纖長周期光柵在不同外界折射率下的透射譜及LP06模對應的兩個諧振峰隨折射率的變化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

圖4(a)和圖5(a)為不同外界折射率下,錐形光纖長周期光柵透射譜的變化,圖中虛線框分別標出了LP06模分裂后的兩個透射峰.圖4(b)和圖5(b)表示LP06階包層模對外界折射率的敏感特性,圖中曲線表示LP06模諧振峰的相對位置.

從圖4中可明顯發(fā)現(xiàn),當錐區(qū)直徑為100μm,光柵周期為500μm時,LPFG的LP06模由于分裂而形成的兩個透射峰對外界折射率的靈敏度差異很大,波長較長的諧振峰在外界折射率從1.000改變到1.458時,諧振波長漂移了204.6 nm,在外界折射率從1.456改變到1.458時,波長漂移了26.7 nm,靈敏度達到13 350 nm/RIU,其中RIU表示單位折射率(refractive index unit).而波長較短的諧振峰在外界折射率從1.000改變到1.458時,波長僅漂移了73.0 nm,在外界折射率從1.456改變到1.458時,波長漂移了12.1 nm,靈敏度為6 050 nm/RIU,可見長波位置的諧振峰對外界折射率更加靈敏.

從圖5中可以發(fā)現(xiàn),當錐區(qū)直徑為90μm,光柵周期為450μm時,LP06模(圖2(d)中虛線框部分)波長較長位置的諧振峰在外界折射率從1.000改變到1.458時,諧振波長漂移了114.2 nm,在外界折射率從1.456改變到1.458時,波長漂移了16.2 nm,靈敏度達到8 100 nm/RIU;波長較短位置的諧振峰在外界折射率從1.000改變到1.458時,波長漂移了63.5 nm,在外界折射率從1.456改變到1.458時,波長漂移了7.6 nm,靈敏度為3 800 nm/RIU.同樣得出,波長較長位置的諧振峰比波長較短位置的諧振峰對外界折射率的敏感度更大.

因此,對于LP06模,在一定的拉錐程度及相應的光柵周期下,可以得到兩個不同波長的諧振峰,但是這兩個同階包層模的諧振峰對折射率的敏感程度差別很大,波長較長位置的諧振峰對外界折射率更加靈敏.根據(jù)光纖長周期光柵對外界折射率靈敏程度的相關理論[2]:長周期光柵諧振峰所在模式分布圖位置的切線斜率越大,該點所對應的光纖長周期光柵對外界折射率越靈敏.從圖2可以看出,波長較長的諧振峰所在位置的切線斜率明顯大于波長較短位置,所以波長較長位置的諧振峰對外界折射率更加靈敏.

3 結束語

本工作通過仿真建模將長周期光纖光柵結構與光纖的熔融拉錐結構相結合,分析了不同程度拉錐光纖長周期光柵包層模的分裂情況及其折射率敏感特性.仿真結果表明:在一定拉錐范圍內,LP04,LP05,LP06以及LP07階包層模曲線都會出現(xiàn)一定程度的分裂現(xiàn)象;對于LP06模,兩個同階包層模的諧振峰對折射率的敏感程度差別很大,波長較長位置的諧振峰對外界折射率更加靈敏.

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