基于拉锥光纤优化的光纤环镜滤波器特性研究

吴雪梅，董兴法，姜 莉，吕正兵

(苏州科技学院电子与信息工程学院，苏州215011)

引 言

光纤环镜滤波器(fiber loop mirror，FLM)是光学滤波器［1-5］的一种，其主要滤波原理是将一束激光经耦合器分成两束，分别沿顺时针和逆时针方向在环镜内传播，之后于耦合器处相遇产生叠加干涉效应，输出相干光，实现滤波效应。与其它滤波器相比，FLM结构简单、稳定性能高、设计灵活、成本低等［6-8］，这些优点使其得到广泛的应用［9-13］。目前成为广大学者研究新热点之一的拉锥光纤，由于其独特的几何结构特性，从而引发了一系列光学性质的变化，因此其研究和应用领域也非常广泛［14-16］。

本文中提出一种在级联2阶高双折射光纤环镜(high-birefrigence fiber loop mirror，HBFLM)中加拉锥光纤的新型结构，新的滤波器结构与两个级联2阶HBFLM结构相比，压窄了3dB带宽，提高了品质因数，波形更稳定、可调范围广、灵活性能强。

1 结构原理与分析

1．1 级联2阶HBFLM滤波器

2阶HBFLM滤波器［7］结构示意图如图1所示。它由1个3dB耦合器(optical fiber coupler，OC)、2段高双折射光纤(high-birefrigence fiber，HBF)、1个偏振控制器(polarization controller，PC)和普通单模光纤(single mode fiber，SMF)组成。滤波器透过率函数为:

式中，θ表示信号光在经过两段HBF之间的SMF和PC时偏振态转过的角度，λ为信号光波长，β=2πLΔn/λ02，是对 2πLΔn/λ 做的 1 阶近似，可认为 β不随λ的改变而改变，其中L是HBF的长度，Δn是HBF快轴和慢轴折射率之差。

Fig.1 Schematic configuration of second-order HBF Sagnac-loop mirror

级联1阶HBFLM滤波器［16］结构示意图如图2所示。它由2个3dB耦合器(OC)、2段高双折射光纤(HBF)、2个偏振控制器(PC)和普通单模光纤(SMF)组成。滤波器透过率函数为:

式中，t1和t2、r1和r2分别表示图2中两个环镜的透射率和反射率。

Fig.2 Schematic configuration of two cascaded HBF Sagnac-loop mirrors

级联2阶HBFLM滤波器结构示意图如图3所示。它由 2个 3dB耦合器(OC)、4段高双折射光纤(HBF)、2个偏振控制器(PC)和普通单模光纤(SMF)连接而成。其透过率函数同(2)式，其中:

Fig.3 Schematic configuration of two cascaded second-order HBF Sagnacloop mirrors

当4段HBF长度一样、Δn一样时，则 β1=β2=β3=β4=β，令 x=λ/2，(5)式可化简为:

式中，A1，A2，A3，C1，C2，C3和 C4均为常数，由 θ决定。由(6)式可知，此透射光谱是以π/β为周期的类似于一系列余弦函数的乘积。

1．2 拉锥光纤光纤

1.2.1 拉锥光纤的结构 常见的锥形光纤的加工方法有化学腐蚀法、研磨法和熔拉法。腐蚀法是将裸光纤的包层用化学试剂腐蚀掉，此方法形成的锥形光纤难以形成一致性工艺，且损耗大、热稳定性差;研磨法是用化学研磨、抛光的方法去掉包层，此方法形成的锥形光纤易断、热稳定性差;熔拉法首先是将光纤涂覆层剥去一小段长度，用酒精将去除涂覆层部分擦拭干净，然后将剥去涂覆层部分的光纤加热至熔融状态，同时在光纤两端沿光纤轴向施加拉力，使加热区包层和纤芯逐渐变细，从而形成对称的双锥形结构。此方法优于前两种方法，所以熔拉法制作的拉锥光纤应用更为广泛。本文中所研究的光纤指熔拉法制成的拉锥光纤。图4为单模拉锥光纤结构模式图，横坐标z表示拉锥光纤锥区长度，纵坐标a表示光纤半径。光纤锥区纤芯半径表达式为:

Fig.4 Schematic configuration of SMF tapered fiber

式中，l为熔锥区长度，r1，r2分别为锥区腰部始端和中部的纤芯半径，v为电机拉锥速率。当加热时间、火焰温度、加热时的火焰位置一定时，锥区长度与电机拉锥速率关系式为l=αv，其中α为一常数。由(7)式可知，在其它条件一定时，拉锥速率越大，纤芯半径变化越大。因此，可以通过控制拉锥光纤的速率拉制出不同的锥区锥度。

1.2.2 拉锥光纤的光学特性 模式是信号光在光纤中的传播方式，模式的多少取决于光纤的结构参量［14］，即归一化频率 ν，其表达式为:

式中，λ表示真空中的光波长，在纤芯中，n1表示纤芯折射率，n2表示包层折射率，a表示z值处的纤芯半径，由(8)式可知，在纤芯中n1，n2不变，当λ一定时，ν与a成线性关系。

另一方面，光功率在光纤中的分配又与模场半径相关，其表达式为:

式中，Pc表示纤芯光功率，P表示纤芯光功率和包层光功率之和，w表示模场半径。模场半径与归一化频率ν有关，其表达式为:

将(10)式带入(9)式可得光功率在纤芯和包层的分配与归一化频率ν的关系式:

其对应的光功率在光纤的分布如图5所示。横坐标表示归一化ν值的大小，纵坐标表示芯层输出的光功率Pc占输出总光功率P的比值。由图5可知，ν的减小会导致光功率在纤芯中的分配比例减少，在包层中的分配比例增大。因此在锥形光纤中，由于越靠近锥腰，纤芯半径a越小，ν值也跟着变小，光波从一开始主要以纤芯模传播逐渐变为部分转化成包层模传播，出现锥区光功率渗透到包层中的现象，基于锥形光纤这一光学特性可以制成许多光纤器件。同时，锥形光纤还有滤波特性，信号光最初以基模形式在纤芯中传播，经过锥区时会有部分基模能量耦合到包层中以高阶模形式传输，在纤芯中传播的光与在包层中传播的光由于所处的环境不同(不同的折射率环境，不同的边界条件)，使得两路光产生相位差，最终耦合叠加时会产生干涉滤波效应。

Fig.5 Power distribution of fiber

2 实验结果与分析

2．1 锥形光纤的制作

实验中选用东捷光电0.25单模裸光纤G652D，其包层直径为124.8μm，纤芯直径为9.2μm。应用全自动光纤拉锥机，使用火焰加热方法将光纤拉锥。实验时首先剥去光纤的包层约2cm长度，打开氢气发生器、拉锥机和控制拉锥机的计算机。调试并设置好拉锥机各参量，然后将要拉锥的单模光纤固定在光纤两个夹具上，将剥去包层的部分放在两夹具中间。两端的夹具上各加一小段单模光纤以确保夹紧所需拉锥的光纤，然后进行拉锥。拉锥光纤在显微镜下的拍摄图如图6所示，图6a为锥区束腰处，图6b为去涂覆层光纤未拉锥区，通过显微镜测量得到实验拉制的锥形光纤的锥区长度为约8.2mm，束腰直径约为40μm。锥区长度远大于束腰直径，所以属于缓锥度光纤工作模式。

Fig.6 Micrograph of tapered fibera—waist region b—untapered region

2．2 锥形光纤对环镜滤波器滤波特性的影响

图7 是拉锥光纤优化级联2阶HBFLM滤波器结构示意图，它由2个3dB耦合器、4段高双折射光纤(HBF)、2个拉锥光纤、2个偏振控制器(PC)和普通单模光纤(SMF)连成。

Fig.7 Schematic configuration of two cascaded second-order HBF Sagnacloop mirrors with tapered fiber

为了研究接入拉锥光纤的光纤环镜滤波器特性，做了一组对比实验，图3和图7分别为接入拉锥光纤前后的级联2阶HBFLM滤波器结构。先后将这两种结构的装置的输入端接入宽带光源(broadband source，BBS)作为入射光，环镜的输出端接入光谱仪(optical spectrum analyzer，OSA)。实 验 中 选 用 Agilent(86140B)光谱分析仪，实验时 HBF1，HBF2，HBF3，HBF4，SMF1和SMF2长度均为1.5m。

定义品质因数Q=λt/λs，其中 λt为总透过光谱的周期，λs为总透过光谱单峰的3dB带宽。实验中得到接入拉锥光纤前后的级联2阶HBFLM滤波器透射光谱分别为图8a和图8b。不含拉锥光纤时，光谱周期λt≈2.75nm，主峰的 3dB 带宽 λs≈1nm，品质因子Q≈2.75，调制深度约为27dB;含拉锥光纤时，光谱周期λt≈2.79nm，主峰的3dB 带宽 λs≈0.54nm，品质因子Q≈5.2，调制深度约为27dB。通过对比图8a和图8b可知，接入拉锥光纤后，3dB带宽明显被压缩且品质因子提高，从而改变了滤波器的选频范围。

Fig.8 Output spectrum of two cascaded second-order HBF Sagnac-loop mirrors with or without tapered fibera—without tapered fiber b—with tapered fiber

实验中还得到接入拉锥光纤后级联2阶HBFLM滤波器透射谱可在10dB～35dB范围内稳定连续可调，如图9所示。图9a为最小调制深度约10dB，光谱周期 λt≈1.37nm，主峰的3dB 带宽 λs≈0.68nm，品质因数Q≈2.01;图9b为最大调制深度约35dB，光谱周期 λt≈2.75nm，主峰的3dB 带宽 λs≈1.37nm，品质因数Q≈2.0。通过对比图9a和图9b可以看出，最小调制深度时对应的滤波光谱周期为最大调制深度时的一半，此时的光谱都为均匀的余弦滤波形式。

Fig.9 Variation of output spectrum modulation depth of two cascaded second-order HBF Sagnac-loop mirrors with tapered fibera—modulation depth of 10dB b—modulation depth of 35dB

锥区被引入光纤后，会对在光纤中传播的模式产生显著影响，入射光在经过锥区时，随着纤芯半径a的减小，光波从一开始主要以纤芯模传播逐渐变为部分转化成包层模传播，在纤芯中传播的光与在包层中传播的光由于所处的环境不同使得两路光产生相位差，最终在耦合叠加时会产生干涉滤波效应。本实验中将拉锥光纤接入环镜后，3dB带宽得到了明显的压缩，品质因子提高，从而改变了滤波器的选频范围，通过调节偏振控制器，滤波器可在10dB至35dB调制深度范围灵活调制，与不加锥形光纤相比，输出波形更为稳定，抗外界干扰能力增强。

3 小结

将拉锥光纤的光学特性和光纤环镜的滤波特性相结合，提出了在级联2阶HBFLM的结构中加拉锥光纤的新型结构，该结构改善了高双折射光纤环镜梳状滤波器特性:滤波器输出谱的主峰3dB带宽得到显著压缩，品质因数进一步提高，其Q值很容易达到5.2;在10dB～35dB调制深度范围内调谐更灵活，输出波形更加稳定。

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