改進(jìn)型Sagnac干涉系統(tǒng)刻寫光纖光柵的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鄒林兒， 熊凱鑫， 劉天翔， 邱 昱， 沈 云

（南昌大學(xué)物理系，南昌 330031）

0 引 言

光纖光柵廣泛應(yīng)用于光纖通信和傳感器等領(lǐng)域［1-3］，在光電信息科學(xué)與工程本科專業(yè)和光學(xué)類碩士研究生專業(yè)中開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是非常重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。光纖光柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高精度、高靈敏度和快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，是激光器件與技術(shù)、光電子學(xué)、傳感技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)課程中重要的光子器件。因此，刻寫光纖光柵，并基于此開發(fā)新型光纖光子器件［4-6］，是必備的專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能。光纖光柵的刻寫方法有很多種，最開始是1978 年，Hill 等［7］通過駐波干涉法在具有光敏性的摻鍺光纖纖芯上刻寫；1989年，Meltz等［8］提出雙光束全息曝光法刻寫光纖光柵，使得寫入效率有較大提高。但由于橫向全息曝光法的機(jī)械穩(wěn)定性不高，使得光柵光譜質(zhì)量不高，1993 年，Anderson 等［9］提出了機(jī)械穩(wěn)定性相對(duì)較高的相位掩模法，大力推動(dòng)了光纖光柵制備的發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)搭建了基于相位掩模法的改進(jìn)型Sagnac干涉系統(tǒng)刻寫光纖光柵的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其＋1 和－ 1 級(jí)衍射光分開后通過反射鏡反射在空間處發(fā)生干涉，且只需調(diào)整反射鏡改變干涉角度就可獲得不同光柵中心波長。該平臺(tái)可用于本科生科研訓(xùn)練開放綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)和碩士研究生專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的能力［10］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 光纖光柵

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制成，其沿軸向折射率呈一種空間周期性分布的結(jié)構(gòu)。均勻周期性光纖光柵的折射率分布［11］為

式中：n0為纖芯折射率；ΔnDC為纖芯折射率的平均增量；Δnmax為纖芯的最大折射率變化量；v為折射率的調(diào)制幅度；Λ為光柵周期；光束沿z軸傳播。

光纖光柵沿軸向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，實(shí)現(xiàn)模式間的功率轉(zhuǎn)移。在單模光纖中，入射的基?？梢员获詈铣汕跋騻鬏斈Ｊ剑部杀获詈铣珊笙騻鬏斈Ｊ?。為了將一個(gè)前向傳輸模式耦合成一個(gè)后向傳輸基模，其滿足相位條件［12］為

式中，β01是單模光纖中傳輸模式的傳播常數(shù)。在這種情況下得到的短周期光柵稱為光纖布拉格光柵（Λ 一般小于1 μm），其基本特性表現(xiàn)為一個(gè)光學(xué)濾波器，其布拉格波長λB表示為

式中，neff是光纖中傳輸模式的有效折射率。

此外，在均勻光纖光柵中，由于折射率突變而引起的法布里-珀羅效應(yīng)，使得光柵光譜中會(huì)出現(xiàn)分布在諧振峰兩邊的一些旁瓣［13］。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與工作原理

圖1 所示為帶＋1/－ 1 衍射級(jí)相位掩模版的改進(jìn)型Sagnac干涉寫入光柵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。寫入光源（激光器）發(fā)出光束經(jīng)過由擴(kuò)束透鏡組、衰減片、光圈、反射鏡3 和快門組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴(kuò)束后，由柱面透鏡形成線光斑進(jìn)入相位掩模版，在相位掩模版后產(chǎn)生＋1、0、－ 1 三級(jí)衍射光（其中0 級(jí)光束被擋?。?，＋1 和－ 1 級(jí)衍射光束分開后再經(jīng)一對(duì)反射鏡1、2 分別兩次反射后，最后聚焦在光纖樣品上形成呈高斯輪廓強(qiáng)度分布有一定尺寸的光斑，兩束光斑疊加在樣品上形成干涉條紋。光柵寫入時(shí)間由電子快門控制。光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，選用帶寬1 520 ～1 570 nm的放大自發(fā)輻射光源作為測(cè)試光，由高數(shù)值孔徑單模光纖端面耦合進(jìn)出光纖樣品，最后進(jìn)入光譜儀，用它監(jiān)測(cè)光柵透射率。該實(shí)驗(yàn)裝置置放于氣墊精密隔振光學(xué)平臺(tái)，保證刻寫光柵時(shí)光路穩(wěn)定性，防止微小振動(dòng)破壞光路而影響光柵質(zhì)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2所示為用于分析改進(jìn)型Sagnac 干涉系統(tǒng)寫入光柵原理的干涉結(jié)構(gòu)圖。圖中，α是＋1 和－ 1 衍射級(jí)與相位掩膜版表面法線的夾角，其值固定為α ＝arcsin（λw/Λm），其中，λw為激光器的工作波長，Λm是相位掩膜版矩形槽的周期。在光纖樣品表面上兩束光的半干涉角θ ＝π － 2φ1－ 2φ2－ α，其中φ1和φ2分別是干涉系統(tǒng)的兩個(gè)反射鏡1 和2 的角度。兩束光干涉圖形的周期Λ，即光柵周期，取決于兩束光的干涉角度2θ，控制著光柵布拉格波長λB。根據(jù)式（3），光纖布拉格光柵公式可寫為：

圖2 改進(jìn)型Sagnac干涉系統(tǒng)的干涉結(jié)構(gòu)圖

式中，φ1＝φ2＝φ。從式（4）和（5）得知，neff和φ（或θ）是兩個(gè)主要影響光柵布拉格波長λB的參數(shù)，可以通過調(diào)整反射鏡1 和2 的角度φ改變干涉角度2θ，從而改變周期Λ來設(shè)置光柵布拉格波長。

該系統(tǒng)有幾個(gè)特點(diǎn)（或優(yōu)點(diǎn)）：①與傳統(tǒng)的相位掩膜法不同，＋1 和－ 1 級(jí)衍射光是分開后再通過反射鏡兩次反射在空間處疊加干涉，這樣光纖樣品不需要緊靠掩膜版，使得放置光纖時(shí)操作方便，還可置放特制的光纖夾具制備其他光柵，如相位光柵；②改變光柵λB，不需更換相位掩模版，只需調(diào)整反射鏡1 和2 改變干涉角度2θ，就可以獲得不同λB。而傳統(tǒng)的相位掩膜法相位掩膜版緊密置于光纖上，寫入周期跟相位掩膜版的周期有關(guān)，使用＋1 和－ 1 衍射級(jí)時(shí)為掩膜版周期一半，如需改變?chǔ)薆，則需要更換不同周期的相位掩膜版；③刻寫的光柵長度一定程度上可通過改變光圈大小來實(shí)現(xiàn)；④由于利用相位掩膜版的＋1 和－ 1 級(jí)衍射光，這兩束光強(qiáng)均等性好，得到干涉條紋的對(duì)比度高，刻寫出的光柵質(zhì)量好。

在設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試該系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)：①為了保證各光學(xué)器件有足夠調(diào)整空間，應(yīng)選擇長焦距柱面透鏡增長光路，在該系統(tǒng)中我們選擇了長70 cm 焦距的柱面透鏡；②由于兩束光在反射鏡1 和2 分別經(jīng)兩次反射，落在反射鏡上光斑不能重疊，有較大的分開距離，應(yīng)選擇較大尺寸的反射鏡，在該系統(tǒng)中我們選擇了直徑約15 cm的反射鏡；③調(diào)試時(shí)，在光纖樣品處置放一白屏，通過觀察其上兩束光重疊形狀，來判斷兩光束重合度。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用纖芯折射率為2.415 的商業(yè)化As2S3硫系玻璃光纖，利用其高的光敏性［14-15］（其光致折射率變化高達(dá)0.006）探究光纖光柵的制備。在圖1 中采用連續(xù)波倍頻的Nd：YAG激光器作為寫入光源，選用工作波長為532 nm，其處于As2S3硫系玻璃材料的準(zhǔn)帶隙光波段。調(diào)整反射鏡1 和2 使得雙光束干涉角2θ約為111.31°，得到光柵周期Λ約為322.17 nm，其中心波長λB≈1 556 nm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在光纖樣品上形成寬7 mm、高1.2 mm 呈高斯輪廓強(qiáng)度分布的光斑。下面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過改變寫入光功率和寫入時(shí)間探索高質(zhì)量的As2S3光纖布拉格光柵制備。

（1）改變寫入光功率。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：寫入時(shí)間保持為90 s，調(diào)節(jié)衰減片改變寫入光功率，使得＋1/－ 1級(jí)衍射光功率分別在4、6 和8 mW。測(cè)量觀察光柵透射譜質(zhì)量，如圖3 所示。在小寫入功率下，隨著寫入光功率增大，光柵透射峰（即對(duì)應(yīng)的布拉格波長）深度增加，光譜質(zhì)量良好；寫入功率增加，如8 mW，光柵透射峰深度反而減小，光譜質(zhì)量變差，出現(xiàn)多峰；寫入功率約6 mW時(shí)，光譜質(zhì)量?jī)?yōu)良，透射峰值約為－ 6.7 dB，反射率可高達(dá)78.6%，光柵帶寬約為0.46 nm。

圖3 不同寫入功率下的As2S3 光纖布拉格光柵透射譜

（2）改變寫入時(shí)間。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：保持＋1/－ 1級(jí)衍射光為6 mW，電子快門控制寫入時(shí)間分別為60、80 和100 s，測(cè)量觀察光柵透射譜質(zhì)量，如圖4 所示。圖4 顯示，隨著寫入時(shí)間積累，光柵透射峰深度增大，光譜質(zhì)量良好，但寫入時(shí)間積累到100 s時(shí)，光譜質(zhì)量變差，出現(xiàn)次峰，同時(shí)光柵透射峰深度回落減小。寫入時(shí)間約80 s 時(shí)，光譜質(zhì)量?jī)?yōu)良，透射峰值約為－ 6.6 dB，反射率達(dá)到78.1%，光柵帶寬約為0.45 nm。

圖4 不同寫入時(shí)間下As2S3 光纖布拉格光柵透射譜

綜上，寫入時(shí)間和寫入光功率都會(huì)影響到刻寫光纖光柵的光譜質(zhì)量，特別是隨著寫入功率增大和寫入時(shí)間的積累會(huì)導(dǎo)致光誘導(dǎo)光纖發(fā)生不均勻的微結(jié)構(gòu)變化，使得光譜出現(xiàn)多峰或次峰等情況，光譜質(zhì)量變差，這些可通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件參量獲得最優(yōu)刻寫光柵的參數(shù)。本實(shí)例中，因As2S3硫系玻璃光纖光敏性強(qiáng)，寫入光功率不需要太強(qiáng)，同時(shí)又可縮短寫入時(shí)間，故對(duì)于As2S3硫系玻璃光纖獲得高質(zhì)量布拉格光柵光譜最優(yōu)參量是在寫入光功率6 mW、寫入時(shí)間為80 ～90 s時(shí)，如圖3（b）和圖4（b）所示。另外，由于As2S3硫系玻璃光纖在準(zhǔn)帶隙光誘導(dǎo)下，其平均折射率會(huì)發(fā)生改變，而導(dǎo)致透射峰出現(xiàn)一定偏移（見圖3、4），向短波長方向偏移約0.39 nm，這在設(shè)計(jì)光柵布拉格波長時(shí)應(yīng)考慮，允許在公差范圍內(nèi)。

3 結(jié) 語

結(jié)合開展的科研工作需要，同時(shí)面向教學(xué)需開拓光電工程類本科和碩士專業(yè)實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)并搭建了改進(jìn)型Sagnac干涉系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，用于刻寫光纖光柵的開放綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目［16］。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使得學(xué)生深入理解光纖光柵的基礎(chǔ)理論，掌握改進(jìn)型Sagnac干涉系統(tǒng)寫入光柵的裝置、原理和操作技能，以及運(yùn)用于光纖光柵刻寫的實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得了良好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生參與科研訓(xùn)練課程積極性，以及增強(qiáng)他們對(duì)科研的興趣。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)有很好的科研應(yīng)用性，能培養(yǎng)啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，結(jié)合其他結(jié)構(gòu)掩膜版，可研制其他類型光纖光柵，如相位光柵，還可以利用光柵中心波長位移研究樣品的光敏性等，這將為學(xué)生開展相關(guān)科研工作打下良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。