呂正兵，董興法，丁祥霞，姜 莉，吳 婧（.蘇州科技學(xué)院光電與信息技術(shù)研究所，江蘇 蘇州250；2.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通226400）

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基于光纖級聯(lián)緩錐的M-Z干涉儀研究

呂正兵1，2，董興法1，丁祥霞1，姜 莉1，吳 婧1
（1.蘇州科技學(xué)院光電與信息技術(shù)研究所，江蘇 蘇州215011；2.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通226400）

摘要：研究了基于光纖級聯(lián)緩錐的馬赫-曾德爾（M-Z）干涉儀。通過改變包層外介質(zhì)折射率，實(shí)現(xiàn)了輸出譜調(diào)制特性的變化。該干涉儀具有插入損耗低、性能穩(wěn)定、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：光纖光學(xué)；干涉儀；級聯(lián)緩錐；可調(diào)諧

0　引言

拉錐光纖作為光纖后處理技術(shù)［1］，具有插入損耗低、重量輕、性能穩(wěn)定和光纖兼容等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光纖耦合器、超連續(xù)光源和濾波器等領(lǐng)域。錐形光纖通過改變光纖的物理參數(shù)使得光纖的光學(xué)特性發(fā)生變化［2］。錐形結(jié)構(gòu)的單模光纖通過改變光纖外徑使得其傳輸模式沿著軸向分布發(fā)生變化，部分在纖芯中傳輸?shù)墓饽芰恳再渴艌鲂问今詈系桨鼘又校?，4］，從而改變光信號在單模光纖中的傳播特性。本文在單模光纖中級聯(lián)兩個錐形光纖構(gòu)成全光纖馬赫-曾德爾 （M-Z）濾波器［5］，在單模光纖上拉錐兩個對稱錐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有多通道梳狀濾波器的特性。

1　錐形光纖特性分析

光纖的錐形結(jié)構(gòu)分為包層錐結(jié)構(gòu)（纖芯半徑不變包層半徑變細(xì)）和纖芯錐結(jié)構(gòu)（纖芯半徑和包層半徑同時改變）。拉制光纖的常用方法可分為：物理器件研磨法、化學(xué)試劑腐蝕法以及熔融拉錐法?；瘜W(xué)腐蝕法和物理研磨法是舊時拉錐光纖的制作方法，其優(yōu)點(diǎn)可以制作不同形狀的錐型結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)就是只能制作成包層錐、性能不穩(wěn)定以及很難制作小芯徑的錐。熔融拉錐法制作拉錐光纖的優(yōu)點(diǎn)是［6］：可制作纖芯錐（包層和纖芯半徑沿著光軸方向是漸變的）；可制作小芯徑錐（整個錐區(qū)中包層纖芯的比值保持不變）。綜上對比可知，熔融拉錐方法有諸多優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用的是熔融拉錐法，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。拉錐光纖的形狀結(jié)構(gòu)分為錐腰區(qū)（錐均勻區(qū)）、過渡區(qū)（錐區(qū)）和未拉錐光纖區(qū)（原始光纖區(qū)）［7］。本文選用的拉錐機(jī)是基隆公司的OC-2020，使用的光纖是康寧公司的SMF-28單模光纖［8］，其各項(xiàng)參數(shù)如下：纖芯直徑為8.3μm，光纖外徑為125μm，ncore為1.4677，ncald為1.4633。實(shí)驗(yàn)中錐形光纖的錐腰區(qū)直徑約為25μm，過渡區(qū)約為5mm。過渡區(qū)長度遠(yuǎn)大于錐腰區(qū)直徑，此時拉錐光纖為緩錐光纖結(jié)構(gòu)。

圖1　熔融法拉制光纖示意圖

2　干涉儀原理理分析

錐形結(jié)構(gòu)的光纖已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域（耦合器、分插復(fù)用器和濾波器）以及光傳感領(lǐng)域（傳感器）。當(dāng)光纖外徑變小時，有部分光能將被耦合到包層中，最后通過涂覆層衰減消失。如果在一根光纖上拉制兩個錐形結(jié)構(gòu)，第二個錐結(jié)構(gòu)在第一個錐結(jié)構(gòu)后一段距離（如圖2所示），那么耦合到包層的光能將會再次被耦合到纖芯中，從而產(chǎn)生干涉。纖芯的基模和包層模式之間將產(chǎn)生相位差φ，此時形成馬赫-曾德爾（M-Z）干涉［9］。

基模的光程為：X1=L1·ncore，包層模的光程為：X2= L2·ncald，光信號通過光纖時兩者之間的光程差為：ΔX= X1-X2=L1·ncore-L2·ncald，L1≈L2≈L，則 ΔX=L·Δn，Δn= ncore-ncald，此時基模跟包層模之間的相位差為：

L表示兩個錐形結(jié)構(gòu)之間距離，λ為輸入光的波長。

當(dāng)寬帶光源（BBS）通過對稱錐時，其輸出譜可以通過光譜分析儀（OSA）顯示。其光強(qiáng)增強(qiáng)點(diǎn)的波長相位為：

圖2　級聯(lián)兩個錐形光纖

當(dāng)m為整數(shù)時，由式（1）和式（2）可得出波長間隔：

由式（3）可知，波峰間隔和錐間隔成反比。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3　透射譜曲線

實(shí)驗(yàn)中所用光源是AT公司的寬帶光源（BBS），采用的光譜分析儀是Agilent86140B。拉錐機(jī)拉制的對稱錐結(jié)構(gòu)光纖的錐腰直徑D為25μm，錐間隔L為131mm。通過分析可知，錐間隔不同，得到的透射譜也不相同，波峰間隔跟錐間隔成反比。圖3是兩錐之間間隔為131mm的透射譜曲線，波峰間隔為4nm，調(diào)制深度為4.2dB，實(shí)驗(yàn)所得波峰間隔與理論值吻合。圖4是可調(diào)諧激光器輸入間隔為131mm對稱錐后得到的透射譜曲線，波峰間隔Δλ為4nm左右，調(diào)制深度為4dB左右。圖4、圖5和圖6分別為可調(diào)諧激光器通過錐間隔L為131mm、176mm和85mm的透射譜曲線，從圖中可推導(dǎo)出：Δλ∝1L 。當(dāng)錐間隔L較大時，因?yàn)橄喔砷L度問題，本文選用可調(diào)諧激光器代替寬帶光源輸入，功率計(jì)代替光譜分析儀測量輸出。

圖4　L為131　mm時透射譜曲線

圖5　L為176　mm時透射譜曲線

圖6　L為85　mm時透射譜曲線

4　結(jié)束語

本文提出一種新型對稱錐結(jié)構(gòu)的全光纖M-Z干涉儀［10］。基于SMF的雙錐形結(jié)構(gòu)，光信號通過第一個錐結(jié)構(gòu)時纖芯中的模場向包層中擴(kuò)散，經(jīng)過第二個錐結(jié)構(gòu)時包層模向基模耦合，包層模跟基模光信號干涉產(chǎn)生M-Z干涉效果，不同錐間隔長度可得到不同波峰間隔Δλ。該結(jié)構(gòu)為波分復(fù)用以及濾波器提供一種全光纖器件，其具有可調(diào)諧、性能穩(wěn)定、重量輕、價格便宜和插入損耗低等優(yōu)點(diǎn)，將會在光通信以及光纖傳感領(lǐng)域中得到廣泛運(yùn)用。

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中圖分類號：TN913.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0053-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.016

收稿日期：2016-01-19。

基金項(xiàng)目：江蘇省青藍(lán)工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目（2010-101）資助；江蘇省企業(yè)研究生工作站資助項(xiàng)目（2012-0819）資助；蘇州科技學(xué)院?；痦?xiàng)目（XKQ201307）資助。

作者簡介：呂正兵（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娦畔⑻幚怼?/p>

Study of the M-Z interferometer based on fiber cascading slowly taper

LV Zheng-bing1，2，DONG Xing-fa1，DING Xiang-xia1，JIANG Li1，WU Jing1
（1.College of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215011，China；2.Jiangsu Zhongtian Technology Co.Ltd.，Nantong Jiangsu 226400，China）

Abstract：The paper studies Mach-Zehnder（M-Z）interferometer，which based on fiber cascading slowly taper. It changed the interval between two cones，the output spectrum of the interferometer can be tuned cycle.The interferometer has a low insertion loss，stable performance，compatibility，etc.，which can be used in optical fiber communication and fiber sensing field.

Key words：fiber optics，interferometer，cascade slowly taper，tunable