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                      光纖Bragg光柵的研究--準分子激光KrF248nm應用

                      2011-11-1 10:04:27

                      0
                      光纖Bragg光柵的研究
                      郭玉彬 葛璜
                      摘 要:分析了光纖Bragg光柵的特性,討論了其結構參數。通過紫外光寫入的方式,在普通單模光纖上制備了光纖Bragg光柵。典型的光纖Bragg光柵在1.56μm波段的反射率達99%,帶寬0.6nm。
                      關鍵詞:紫外光寫入 光纖Bragg光柵 準分子激光
                      Fabrication of Fiber Bragg Grating
                      GUO Yu-Bin
                      (Department of Communication Engineering,
                      Changchun Institute of Posts and Telecommunications, Changchun 130012)
                      GE Huang
                      (Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083)
                      AbstractThe characteristics of fiber Bragg grating are analysed, and its structural parameters are discussed. The fiber Bragg gratings is fabricated on general monomode fibers by UV-writing method. Their typical performances are as follows:99reflectivity and 0.6nm bandwidth (FWHM) at 1.56μm region.
                      Key words
                      UV-writing, Fiber Bragg grating, Excimer laser
                      1 引  言
                        光纖Bragg光柵是一種用紫外激光直接寫入法在單模光纖上刻有沿光纖軸向折射率變化光柵的新型光纖器件。自從Hill小組發現了摻鍺光纖在488nm 氬離子紫外激光輻照下產生光折變效應以來,對光纖材料折變機理及應用的研究做了大量的工作。由于光纖Bragg光柵具有有效的選頻特性,與光纖通信系統易于連接且耦合損耗小。因此它在頻域中呈現出豐富的傳輸特性。使其成為光纖器件的研究熱點1,2,3。
                        本文通過對普通光纖光敏特性的研究,結合實時觀測手段,獲得了適當的增敏及曝光條件,采用相位掩模法在普通含鍺單模光纖上得到了紫外寫入的光纖Bragg光柵。
                      2 光纖Bragg光柵設計原理
                        由于光纖Bragg光柵與光場發生耦合作用,當入射波長滿足Bragg反射條件時,將有部分正向傳輸的光被耦合為反向傳輸模,并沿原光路返回。光纖Bragg光柵是在一個窄的或寬的波長范圍反射,其反射率的高低由光柵的周期、長度以及光柵與光場的作用強度(耦合系數)決定。
                      已知在光纖中傳播的導波模發生的互作用可由耦合模理論來分析4,一般情況下耦合模方程為
                        (1)
                      其中,Λ是光纖Bragg光柵周期,Ak、Al為歸一化模的復振幅,βk、βl為第k和第l模的傳播常數,K(m)kl 為第k和第l模之間的耦合系數,一般有
                       ?。?span lang=EN-US>2)
                      其中Pk、Pl為平面波的單位極化矢量,εm為周期性電介質微擾Δε(r,Z)Z方向的傅立葉級數展開式的第m個分量。由方程(1)可知模式(k,l)存在耦合的必要條件
                       ?。?span lang=EN-US>3)
                      即相位匹配條件
                      βkβl2πm/Λ0 ?。?span lang=EN-US>4)
                      由式(1)可得出模k與模l存在耦合的另一條件是k(m)kl不為零,它依賴于波的偏振和模分布等。
                        通常認為,光纖Bragg光柵的周期結構等效于一系列正弦函數的疊加,即
                        (5)
                      為簡單起見,且不失一般性,取m1,即將其看成是嚴格的正弦函數皺紋形式,如圖1所示。
                      Fig.1 Schematic of fiber Bragg grating
                         考慮光纖Bragg光柵中光波的兩個模式,一個入射模式,一個反射模式,也就是逆向耦合的模方程,Ai(Z)、Ar(Z)分別為入射波和反射波的歸一化振幅。設兩個模式的傳播常數分別為βiβr ,k為耦合系數5。
                      kπδn/λB  6
                      其中,δn為光纖Bragg光柵折射率的調制深度,即光柵幅度(一般為10-210-5量級)。λBBragg波長(δβ0時的入射波長)。neff為纖芯有效模折射率,如圖2所示,βi0,βr0
                      δββiβr2πm/Λ   (m0,1,2……)  (7)
                      此時耦合方程變為6
                        (8)
                        (9)
                      對式(8),(9)兩邊進行微商,并代入邊界條件
                      Ai(0)1,Ar(L)0   (10) 
                        (11)
                      解方程(8),(9),得到
                       ?。?span lang=EN-US>12)
                       ?。?span lang=EN-US>13)
                      其中,S2k*k-(δβ/2)2,故兩導模的歸一化功率為
                       ?。?span lang=EN-US>14)
                       ?。?span lang=EN-US>15)
                      光纖Bragg光柵的反射率為
                       ?。?span lang=EN-US>16)
                      若光柵結構適當,使δβ=0,即滿足相位匹配條件時,兩導模的功率為
                       ?。?span lang=EN-US>17)
                       ?。?span lang=EN-US>18)
                      Pi、Pr的曲線如圖2??梢?,坐標Z0變到L,正向傳輸模的功率Pi(Z) 從最大值到零;而反向傳輸模的功率Pr(Z)從零變到最大值。說明在耦合區內,正向傳輸模的功率被耦合到了反向傳輸模中。由式(15)、(17) 可以得到滿足相位匹配條件時的反射率。
                      Fig.2 Coupling schematic of transmission modes in grating coupling region
                        
                      (19)
                      將光纖Bragg光柵的耦合系數k代入式(19),得最大中心反射率
                      Rmaxtanh2(πδnL/λB)  (20)
                        (19)式表明反射率是常量為(kL)的雙曲正切函數的平方。由式(16)可知,光纖Bragg光柵可作為選頻反射器,其反射率和帶寬由δnL決定,根據反射率R的大小有強弱光柵之分。只要光柵足夠長,總可以使反射率R1。當不滿足相位匹配條件時,反射率會顯著變小。在光纖Bragg光柵反射濾波器中往往取正反向波傳輸常數相等,則由相位匹配條件可將式(4)寫為
                       ?。?span lang=EN-US>21)
                      光纖Bragg光柵可以將正向傳輸的模式向反向傳輸模式耦合,兩模式必須滿足相位匹配條件
                      βiβr2π/Λ ?。?span lang=EN-US>22)
                      將模有效折射率 代入,
                      則得其Bragg反射峰值波長λB與光纖Bragg光柵周期Λ的關系為
                        (23)
                        上式為Bragg反射條件??梢?,改變光柵周期Λ和有效折射率neff均可以改變Bragg波長。對兩個參量之一進行調制就可制成Bragg光柵。
                         反射譜由兩個重要的參數決定:Bragg光柵帶寬Δλ和峰值反射率R。這些參數是光柵長度L、折射率調制深度δnBragg波長λB的函數。Bragg波長反射峰值帶寬(FWHM)可寫為7
                       ?。?span lang=EN-US>24)
                       ?。?span lang=EN-US>25)
                      其中,νBBragg頻率。N為光柵面個數(即光柵周期數),對反射率接近100%強反射光柵S≈1,而弱反射率光柵S≈1.5。由此可見,一個光纖折射率周期性變化的光柵可以反射以Bragg波長λB為中心帶寬Δλ以內的一切波長。這里引用近似帶寬4Δβ4k|,簡單的計算可得
                       ?。?span lang=EN-US>26)
                      對強光柵,即調制度δn 較大的情況下是一種較好的近似。
                        等間隔周期光柵具有接近于1 的峰值反射率以及極窄的反射半寬。由上式可知,RΔλ主要決定于光柵長度L和折射率變化量δn,L受制作工藝影響一般不超過25mm(太長光纖光柵受環境影響較嚴重), 所以對RΔλ起決定作用的參量是折射率變化量δn。
                        表征光纖Bragg光柵性能的主要指標為:(1) 中心波長反射率R;(2)反射帶的半寬度;(3)光柵邊帶的抑制;(4)插入損耗。影響這些性能的因素很多,如剩余包層b越小,光柵刻的越深,則反射率越大;但隨著剩余包層的減小,光纖Bragg光柵損耗增加。隨著光柵深度增加,光纖Bragg光柵線寬加大。因此,同時得到高反射率和窄線寬的光纖Bragg光柵是很困難的,應以設法增加刻蝕光柵長度的方法來獲得高反射率的光纖Bragg光柵,并合理設計各結構參數,達到最優化設計。
                      3 光纖Bragg光柵制作實驗及結果
                      3.1
                       實驗裝置與方法
                        本文采用的相位掩模法8,9,10是制作光纖Bragg光柵的主要方法。根據菲涅耳近場分布計算可知,準相干光經過具有一定空間周期分布的位相光柵后可形成0級與±1級等高階衍射。利用其中的任意兩束都可以在光柵后表面附近的近場范圍內形成干涉條紋。相位掩模法利用特殊的位相掩模(即相位光柵)結合不同入射角選擇,抑制其中較強且又不需要的衍射束,留下兩個等強度的較強衍射束,可獲得對比度較高的干涉條紋。其主要方法有兩種,一種是激光垂直掩模板方向,此時0級衍射被抑制,±1級衍射相等,其能量可達37%以上;另一種方式是激光以與掩模板法向間夾角θ入射,此時0級透射光束與+1級衍射束光強相等, 通過掩模板的兩束光在菲涅爾近場區發生干涉,產生的干涉條紋周期為掩模板周期的一半。
                        這種方法所制備的光纖光柵的Bragg波長與光源的波長無關。相位掩模光柵衍射圖樣的周期不依賴于入射光波長,與輻照的角度無關,只與相位光柵的周期Λ有關。對于光纖與掩模之間的校準狀況不敏感,對光路穩定性要求也較低,對輻照光源的瞬間相干性要求也較為放松??傊?,相位掩模法工藝穩定、易于準直、重復性好,大大簡化了光纖Bragg光柵制造系統,提高了成柵的效率,提高了光柵的質量。適于大批量生產光纖Bragg光柵。
                        本實驗是在德國LAMBDA PHYSIK公司生產的COMPex 150T KrF準分子激光器上進行的,該激光器具有高輸出功率(20W),高脈沖能量(450mJ),窄線寬(<3pm),發散角小(<0.2mrad)以及高時空相干性等特點。
                        采用相位掩模法制作折射率周期分布的Bragg光柵的實驗裝置圖如圖3所示。實驗裝置制作部分由準分子激光器、準直系統、柱狀透鏡和振幅掩模板組成。為了進一步提高光的空間相干性,在光纖束后加了準直系統。光束經過準直后,由全反射鏡反射經柱形透鏡聚焦,用來進一步調解曝光能量密度,后通過相位版照射到實驗用的光纖上。
                      Fig.3 Experimental setup for the fabrication of fiber Bragg gratings
                        KrF準分子激光器的輸出波長為248nm,光斑的面積為10×20mm2,來自準分子激光器的紫外脈沖激光垂直入射到消零級衍射相位掩模板上。其±1級衍射相等,能量可達37%以上。因而準分子激光透過掩模板分成兩束(±1級衍射),相干形成一個光強分布場。這一分布場直接照射到一根摻B-Ge光敏單模石英光纖上。由于摻Ge-光纖的光致折變效應,使得纖芯折射率呈周期性的分布而形成Bragg反射光柵。
                        光纖Bragg光柵利用相位掩模板在氫載的普通光纖上制作而成。Bragg中心波長位于1550nm。實驗所用的光纖是普通商用的9μm芯徑的單模通信光纖。為提高其紫外光敏性,實驗前采用載氫增敏的方法11,12。在室溫、1.52×104Pa氫氣中處理了約7周。結果表明, 經過這樣長時間的載氫處理,纖芯中的氫溶解度已達到其飽和值,處理后的光纖在96hr內有足夠的光敏性。
                        在曝光過程中,入射到掩模上的單脈沖能量密度可以通過調節準分子激光器的放大器或諧振腔的電壓來控制。由于在振幅調制準分子激光的照射下,摻氫增敏的商用摻鍺光纖纖芯折射率會發生周期性變化。傳播于其纖芯內部的光將在特定波長附近與包層模耦合,在進一步的傳輸中損耗。光纖Bragg光柵的生長特性用寬帶光源和光譜分析儀觀測透射譜的損耗峰進行實時監測。選用機械電子工業部第十三研究所研制的GXF001型摻鉺光纖放大器(EDFA)在0dBm輸入時ASE發射譜作為寬帶光源。波長范圍15301560nm,飽和輸出功率>15dBm,輸入光功率-4+7dBm,光功率輸出穩定度<+/-0.1dB。噪聲系數<6Pin=0dBm,Pout=16 dBm,@1550nm)。增益平坦度±0.5dB/nmPin0dBm)。當泵浦功率40mW時,輸出光功率4.95mW。并采用Advantest Q8381型光纖光譜分析儀,工作波長范圍0.61.75nm,分辨率0.1nm。隨時觀測并記錄紫外寫入過程中光譜的變化,找出變化規律,得到形成光纖Bragg光柵的最佳條件??梢酝ㄟ^觀測光纖后透射光總強度來初步判定光纖Bragg光柵的形成情況,并確認光纖光柵形成的最佳時機。
                        由于纖芯折射率的改變量與照射能量在一定范圍內成線性關系。因此,通過延長曝光時間可以在一定程度上彌補吸收效率的不足。摸索最佳光纖增敏條件以及曝光強度和時間,保證光纖與光場干涉條紋嚴格垂直。同時,減小曝光中的微小震動將有助于提高其反射率,降低反射半寬。
                        利用光纖光譜分析儀測試光纖Bragg光柵的透射光譜??梢姽饫wBragg光柵已經形成,并且發生了纖芯與包層之間的明顯能量傳遞。光纖Bragg光柵的反射率隨照射時間的增加而增大。達到一定值后,在一段時間內維持不變。隨后再次隨照射時間的增加而增加,達到最大值后,反射率開始下降。由公式可推算出耦合系數k3.6×102m-1,折射率的實際變化量約為2×10-4。
                        根據應用項目的要求,所研制的光纖Bragg光柵結果如下:
                        1.用作摻鉺光纖激光器(EDFL)諧振腔的輸出選頻器,利用摻鉺光纖熒光譜的較平坦波段1540nm1560nm作為發射譜,如圖4所示。光纖Bragg光柵透射譜如圖5(a)所示。光纖Bragg光柵峰值透射率為-5dB(反射率68%),其中心波長1560.35nm,3dB帶寬為0.13nm。在大于1560nm波段,光纖Bragg光柵透射譜基線呈下降趨勢。這主要是由于熒光譜發射強度在大于1560nm波段下降所造成的。
                      Fig.4 Emission spectrum of Er3-doped fibers3.2 結果與討論
                        2.用作密集波分復用的光纖Bragg光柵濾波器,其透射譜如圖5(b)(中心波長1559.84nm,帶寬0.399nm)和圖5(c)(中心波長1558.6nm, 帶寬為0.285nm)所示。光纖Bragg光柵峰值透射率均<-20dB(反射率>99%)。

                      Fig.5 Transmission spectrum of fiber Bragg gratings
                        3.用作EDFL諧振腔的全反射器,其透射譜如圖5(d)所示。光纖Bragg光柵峰值透射率<-20dB(反射率>99%),中心波長1560.65nm,帶寬0.6nm。邊瓣得到充分抑制,且重復性良好。
                        感謝機械電子工業部第十三研究所光電專業部秦志強高級工程師在光纖Bragg光柵測試過程中給予的大力協助。
                      基金項目:郵電部郵電科技發展項目資助
                      作者簡介:郭玉彬 男,1962年生,長春郵電學院通信工程系副教授,博士后。主要從事光電子及光通信領域的教學和科研工作。
                      作者單位:郭玉彬(長春郵電學院通信工程系 長春 130012
                           葛璜(中國科學院半導體研究所 北京 100083)
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