基于光纖級聯緩錐的M-Z干涉儀研究

呂正兵，董興法，丁祥霞，姜 莉，吳 婧（.蘇州科技學院光電與信息技術研究所，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.蘇州科技學院光電與信息技術研究所，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緩錐的馬赫-曾德爾（M-Z）干涉儀。通過改變包層外介質折射率，實現了輸出譜調制特性的變化。該干涉儀具有插入損耗低、性能穩定、兼容性好等優點，可應用于光纖通信及光纖傳感領域。

關鍵詞：光纖光學；干涉儀；級聯緩錐；可調諧

0　引言

拉錐光纖作為光纖后處理技術［1］，具有插入損耗低、重量輕、性能穩定和光纖兼容等優點，廣泛應用于光纖耦合器、超連續光源和濾波器等領域。錐形光纖通過改變光纖的物理參數使得光纖的光學特性發生變化［2］。錐形結構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生變化，部分在纖芯中傳輸的光能量以倏逝場形式耦合到包層中［3，4］，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兩個錐形光纖構成全光纖馬赫-曾德爾 （M-Z）濾波器［5］，在單模光纖上拉錐兩個對稱錐結構，該結構具有多通道梳狀濾波器的特性。

1　錐形光纖特性分析

光纖的錐形結構分為包層錐結構（纖芯半徑不變包層半徑變細）和纖芯錐結構（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、化學試劑腐蝕法以及熔融拉錐法?；瘜W腐蝕法和物理研磨法是舊時拉錐光纖的制作方法，其優點可以制作不同形狀的錐型結構，缺點就是只能制作成包層錐、性能不穩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點是［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點，所以本文采用的是熔融拉錐法，其結構如圖1所示。拉錐光纖的形狀結構分為錐腰區（錐均勻區）、過渡區（錐區）和未拉錐光纖區（原始光纖區）［7］。本文選用的拉錐機是基隆公司的OC-2020，使用的光纖是康寧公司的SMF-28單模光纖［8］，其各項參數如下：纖芯直徑為8.3μm，光纖外徑為125μm，ncore為1.4677，ncald為1.4633。實驗中錐形光纖的錐腰區直徑約為25μm，過渡區約為5mm。過渡區長度遠大于錐腰區直徑，此時拉錐光纖為緩錐光纖結構。

圖1　熔融法拉制光纖示意圖

2　干涉儀原理理分析

錐形結構的光纖已經被廣泛應用于光通信領域（耦合器、分插復用器和濾波器）以及光傳感領域（傳感器）。當光纖外徑變小時，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構，第二個錐結構在第一個錐結構后一段距離（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，從而產生干涉。纖芯的基模和包層模式之間將產生相位差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表示兩個錐形結構之間距離，λ為輸入光的波長。

當寬帶光源（BBS）通過對稱錐時，其輸出譜可以通過光譜分析儀（OSA）顯示。其光強增強點的波長相位為：

圖2　級聯兩個錐形光纖

當m為整數時，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　實驗結果與分析

圖3　透射譜曲線

實驗中所用光源是AT公司的寬帶光源（BBS），采用的光譜分析儀是Agilent86140B。拉錐機拉制的對稱錐結構光纖的錐腰直徑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，調制深度為4.2dB，實驗所得波峰間隔與理論值吻合。圖4是可調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，調制深度為4dB左右。圖4、圖5和圖6分別為可調諧激光器通過錐間隔L為131mm、176mm和85mm的透射譜曲線，從圖中可推導出：Δλ∝1L 。當錐間隔L較大時，因為相干長度問題，本文選用可調諧激光器代替寬帶光源輸入，功率計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　結束語

本文提出一種新型對稱錐結構的全光纖M-Z干涉儀［10］?；赟MF的雙錐形結構，光信號通過第一個錐結構時纖芯中的模場向包層中擴散，經過第二個錐結構時包層模向基模耦合，包層模跟基模光信號干涉產生M-Z干涉效果，不同錐間隔長度可得到不同波峰間隔Δλ。該結構為波分復用以及濾波器提供一種全光纖器件，其具有可調諧、性能穩定、重量輕、價格便宜和插入損耗低等優點，將會在光通信以及光纖傳感領域中得到廣泛運用。

參考文獻：

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［10］孫大偉.基于馬赫-曾德爾干涉儀的全光纖梳狀濾波器的研究［J］.光子技術，2005（3）∶134-137.

中圖分類號：TN913.7

文獻標識碼：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。

基金項目：江蘇省青藍工程中青年學術帶頭人項目（2010-101）資助；江蘇省企業研究生工作站資助項目（2012-0819）資助；蘇州科技學院?；痦椖浚╔KQ201307）資助。

作者簡介：呂正兵（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為光電信息處理。

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