基于光纤级联缓锥的M-Z干涉仪研究

吕正兵，董兴法，丁祥霞，姜 莉，吴 婧（.苏州科技学院光电与信息技术研究所，江苏 苏州250；2.江苏中天科技股份有限公司，江苏 南通226400）



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基于光纤级联缓锥的M-Z干涉仪研究

吕正兵1，2，董兴法1，丁祥霞1，姜 莉1，吴 婧1
（1.苏州科技学院光电与信息技术研究所，江苏 苏州215011；2.江苏中天科技股份有限公司，江苏 南通226400）

摘要：研究了基于光纤级联缓锥的马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪。通过改变包层外介质折射率，实现了输出谱调制特性的变化。该干涉仪具有插入损耗低、性能稳定、兼容性好等优点，可应用于光纤通信及光纤传感领域。

关键词：光纤光学；干涉仪；级联缓锥；可调谐

0　引言

拉锥光纤作为光纤后处理技术［1］，具有插入损耗低、重量轻、性能稳定和光纤兼容等优点，广泛应用于光纤耦合器、超连续光源和滤波器等领域。锥形光纤通过改变光纤的物理参数使得光纤的光学特性发生变化［2］。锥形结构的单模光纤通过改变光纤外径使得其传输模式沿着轴向分布发生变化，部分在纤芯中传输的光能量以倏逝场形式耦合到包层中［3，4］，从而改变光信号在单模光纤中的传播特性。本文在单模光纤中级联两个锥形光纤构成全光纤马赫-曾德尔 （M-Z）滤波器［5］，在单模光纤上拉锥两个对称锥结构，该结构具有多通道梳状滤波器的特性。

1　锥形光纤特性分析

光纤的锥形结构分为包层锥结构（纤芯半径不变包层半径变细）和纤芯锥结构（纤芯半径和包层半径同时改变）。拉制光纤的常用方法可分为：物理器件研磨法、化学试剂腐蚀法以及熔融拉锥法。化学腐蚀法和物理研磨法是旧时拉锥光纤的制作方法，其优点可以制作不同形状的锥型结构，缺点就是只能制作成包层锥、性能不稳定以及很难制作小芯径的锥。熔融拉锥法制作拉锥光纤的优点是［6］：可制作纤芯锥（包层和纤芯半径沿着光轴方向是渐变的）；可制作小芯径锥（整个锥区中包层纤芯的比值保持不变）。综上对比可知，熔融拉锥方法有诸多优点，所以本文采用的是熔融拉锥法，其结构如图1所示。拉锥光纤的形状结构分为锥腰区（锥均匀区）、过渡区（锥区）和未拉锥光纤区（原始光纤区）［7］。本文选用的拉锥机是基隆公司的OC-2020，使用的光纤是康宁公司的SMF-28单模光纤［8］，其各项参数如下：纤芯直径为8.3μm，光纤外径为125μm，ncore为1.4677，ncald为1.4633。实验中锥形光纤的锥腰区直径约为25μm，过渡区约为5mm。过渡区长度远大于锥腰区直径，此时拉锥光纤为缓锥光纤结构。

图1　熔融法拉制光纤示意图

2　干涉仪原理理分析

锥形结构的光纤已经被广泛应用于光通信领域（耦合器、分插复用器和滤波器）以及光传感领域（传感器）。当光纤外径变小时，有部分光能将被耦合到包层中，最后通过涂覆层衰减消失。如果在一根光纤上拉制两个锥形结构，第二个锥结构在第一个锥结构后一段距离（如图2所示），那么耦合到包层的光能将会再次被耦合到纤芯中，从而产生干涉。纤芯的基模和包层模式之间将产生相位差φ，此时形成马赫-曾德尔（M-Z）干涉［9］。

基模的光程为：X1=L1·ncore，包层模的光程为：X2= L2·ncald，光信号通过光纤时两者之间的光程差为：ΔX= X1-X2=L1·ncore-L2·ncald，L1≈L2≈L，则 ΔX=L·Δn，Δn= ncore-ncald，此时基模跟包层模之间的相位差为：

L表示两个锥形结构之间距离，λ为输入光的波长。

当宽带光源（BBS）通过对称锥时，其输出谱可以通过光谱分析仪（OSA）显示。其光强增强点的波长相位为：

图2　级联两个锥形光纤

当m为整数时，由式（1）和式（2）可得出波长间隔：

由式（3）可知，波峰间隔和锥间隔成反比。

3　实验结果与分析

图3　透射谱曲线

实验中所用光源是AT公司的宽带光源（BBS），采用的光谱分析仪是Agilent86140B。拉锥机拉制的对称锥结构光纤的锥腰直径D为25μm，锥间隔L为131mm。通过分析可知，锥间隔不同，得到的透射谱也不相同，波峰间隔跟锥间隔成反比。图3是两锥之间间隔为131mm的透射谱曲线，波峰间隔为4nm，调制深度为4.2dB，实验所得波峰间隔与理论值吻合。图4是可调谐激光器输入间隔为131mm对称锥后得到的透射谱曲线，波峰间隔Δλ为4nm左右，调制深度为4dB左右。图4、图5和图6分别为可调谐激光器通过锥间隔L为131mm、176mm和85mm的透射谱曲线，从图中可推导出：Δλ∝1L 。当锥间隔L较大时，因为相干长度问题，本文选用可调谐激光器代替宽带光源输入，功率计代替光谱分析仪测量输出。

图4　L为131　mm时透射谱曲线

图5　L为176　mm时透射谱曲线

图6　L为85　mm时透射谱曲线

4　结束语

本文提出一种新型对称锥结构的全光纤M-Z干涉仪［10］。基于SMF的双锥形结构，光信号通过第一个锥结构时纤芯中的模场向包层中扩散，经过第二个锥结构时包层模向基模耦合，包层模跟基模光信号干涉产生M-Z干涉效果，不同锥间隔长度可得到不同波峰间隔Δλ。该结构为波分复用以及滤波器提供一种全光纤器件，其具有可调谐、性能稳定、重量轻、价格便宜和插入损耗低等优点，将会在光通信以及光纤传感领域中得到广泛运用。

参考文献：

［1］吴雪梅，董兴法，吕正兵，等.基于拉锥光纤优化光纤环镜滤波特性研究［J］.激光技术，2015，39（6）∶824-828.

［2］张从国.锥形光纤的理论研究［D］.北京∶北京交通大学，2010.

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［5］陈勇，王坤.马赫-曾德尔干涉仪的应用研究［J］.数字通信，2012，39 （6）∶18-20.

［7］奚小明.拉锥光纤的特性和应用研究［D］.长沙∶国防科学技术大学，2010.

［8］王先贵.光纤技术的发展及其在神华煤制油工程上的应用［D］.北京∶北京交通大学，2006.

［9］高志伟，宁继平，王俊涛，等.光纤耦合波导器件中光波导深度的研究［J］.光通信技术，2010，34（4）∶26-29.

［10］孙大伟.基于马赫-曾德尔干涉仪的全光纤梳状滤波器的研究［J］.光子技术，2005（3）∶134-137.

中图分类号：TN913.7

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0053-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.016

收稿日期：2016-01-19。

基金项目：江苏省青蓝工程中青年学术带头人项目（2010-101）资助；江苏省企业研究生工作站资助项目（2012-0819）资助；苏州科技学院校基金项目（XKQ201307）资助。

作者简介：吕正兵（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为光电信息处理。

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