基于45°辐射倾斜光纤光栅的全光纤偏振相关器件 
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1 引言
光纤光栅是一种理想的全光纤器件,在众多应用中受到了广泛的关注。迄今为止,研究者们开发了多种基于光纤光栅的全光纤器件,其中包括光纤反射镜中的光纤布拉格光栅(FBG)[1]、光纤色散补偿器件中的啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)[2-3]、光纤带阻滤波器中的光纤长周期光栅(LPG)[4-5]等,已经在光纤通信、光纤传感及激光领域有着广泛的应用。以上光纤光栅具有相同的特点,即光纤光栅栅面与纤轴垂直。随着光纤光栅理论和制备技术的不断提升,研究者们提出了一种新的光栅结构,其栅面与光纤纤轴有一定夹角,称为倾斜光纤光栅(TFG)[6-7]。倾斜光纤光栅结构破坏了光纤的圆对称性,其可实现偏振相关的模式耦合特性,并且在不同倾角范围下其模式耦合特点不同。根据全内反射定律,当光纤光栅倾角小于23.1°时,其可实现前向传输纤芯模与后向传输包层模之间的耦合,并且拥有密集梳状偏振相关的包层共振模式,透射谱中仍然有布拉格反射存在,因此这种光栅称为倾斜光纤布拉格光栅(TFBG),目前主要应用于光纤生化传感领域[8]。当光纤光栅倾角为23.1°~66.9°时,其可实现前向传输纤芯模与辐射模之间的耦合,由于光谱范围内没有布拉格反射峰,这种光栅称为辐射倾斜光纤光栅(RTFG)[6]。其中当倾斜角为45°,即光纤光栅存在布儒斯特角时,RTFG可以实现单偏振态的模式耦合,即S偏振态的纤芯模以波长相关的辐射角辐射出光纤,P偏振态的纤芯模通过光栅以低损耗继续在光纤中传播。由于特殊的耦合特性,45° RTFG可作为理想的光纤偏振相关器件。当光纤光栅倾角大于66.9°,其可实现前向传输纤芯模与前向传输包层模之间的耦合,这种光栅称为超角度倾斜光纤光栅(Ex-TFG)或倾斜长周期光栅(TLPG),由于光栅结构的倾斜性,其工作光谱拥有一系列偏振相关的包层共振双峰,目前主要应用于光纤生化传感、矢量传感及应变传感领域[9-11]。
本文将主要针对45° RTFG模式耦合特性进行系统研究报道。早在2001年,Westbrook等[12]首次报道了45° RTFG,主要利用45° RTFG的单偏振分光特性实现了一种全光纤偏振分析仪。Zhou等[13-18]利用45° RTFG实现了一种具有较高偏振消光比(PER)的起偏器,并对45° RTFG的偏振特性进行了系统研究,基于此,分析了关于全光纤偏振干涉滤波器和全光纤锁模激光器的应用研究。2019年,Qin等[19-20]基于体电流法系统地研究了45° RTFG的辐射模特性,理论和实验分析了45° RTFG的辐射模角向分布和轴向分布,并理论研究了45° RTFG的分光衍射特性。Wang等[21-22]利用45° RTFG的衍射特性实现了光谱编码成像,其中45° RTFG作为光纤衍射器件将光纤内的传输光衍射至自由空间中进行图像编码与成像,后来基于45° RTFG衍射特性实现了无线光通信系统的应用。最近,本课题组[23]根据45° RTFG的衍射特性实现了光谱仪的应用。
本文将对45° RTFG的辐射、衍射及偏振特性进行系统详细的理论研究和实验研究,基于体电流法建立了RTFG的模式耦合模型,理论研究其偏振相关辐射、衍射及起偏特性。实验上制备了45° RTFG,并对其开展偏振相关性能测试研究。
2 45° RTFG理论模型
与其他光纤光栅不同,RTFG拥有更强的辐射模耦合效率。从光栅的透射传输角度分析,辐射模可以看作是一种传输损耗,并且具有很强的偏振依赖性,可以将不同光信号的S偏振态光辐射出光纤。基于这一特性,45° RTFG可作为一种理想的全光纤偏振分光器和全光纤起偏器,同时不同波长辐射光拥有不同的衍射角,可作为一种理想的全光纤偏振相关衍射器件,如
目前,光纤光栅理论主要包括耦合模理论、体电流法等。其中耦合模理论[24-25]主要用于研究波导的传输损耗和模式转换等问题,但无法详细分析RTFG辐射模场特性。体电流法[26-27]是众多波导辐射问题的经典分析方法,它可以利用由波导扰动导出的矢量势来推导辐射场,非常适用于解释辐射模的角向分布和轴向分布[28]。本文主要利用体电流法构建45° RTFG辐射传输模型,系统地分析45° RTFG的偏振传输分布、辐射分布及衍射特性。
RTFG具有连续辐射特性,纤芯中的光成比例地沿光栅耦合出光纤,在研究RTFG辐射模时,可以沿光纤轴将RTFG分为若干个具有相同结构的子截面。根据体电流法理论,光栅微扰引起的场功率流密度矢量,即45° RTFG的坡印廷矢量[24]可以表示出光栅的辐射场强度。该矢量描述45° RTFG在不同偏振态下入射光沿光纤圆周的能量辐射分布,坡印廷矢量大小表示为
式中:Λ为光栅周期;a为光纤芯径;r为光纤半径;d为光栅调制深度;β为纵向传播常数;k0为传输光波矢大小;n0为纤芯折射率;δ和ϕ分别为辐射光的偏振角和方位角;Ks为光栅、入射光、出射光波矢量之间的匹配失常;c为光速;u为横向传播常数;J0(·)为0阶贝塞尔函数。
坡印廷矢量描述了单位长度45° RTFG在光纤不同角向下的辐射能量,由于光纤是圆对称结构,根据(1)式,一定长度45° RTFG偏振相关辐射能量可以表示为坡印廷矢量角向和轴向的积分叠加:
式中:I0为入射光强;l为光栅长度;α为45° RTFG的衰减系数,可以表示为
式中:γ为辐射光出射角,与入射光的波长相关。利用(2)式可以得到45° RTFG的不同偏振辐射损耗。
2.1 45° RTFG辐射分布
由于45° RTFG的辐射可认为是一种辐射损耗,对于均匀强度的光栅来说,对应的辐射光场将呈现不均匀能量分布,因此理论分析45° RTFG辐射模的轴向和角向空间分布特性。根据体电流法推导45° RTFG辐射能量,辐射能量与出射光方位角和光栅轴向长度相关,则45° RTFG沿角向和轴向的辐射场分布分别表示为
2.2 45° RTFG衍射特性
RTFG的空间辐射角与入射光波长相关,基于这一特性,45° RTFG可以作为理想的全光纤衍射器件。入射光在45° RTFG的界面处耦合并且反射,基于矢量光学分析方法[20]来研究45° RTFG的衍射特性。根据相位匹配条件,入射光波矢大小、衍射光波矢大小及光栅矢量大小满足
图 2. 45° RTFG辐射模角向分布和轴向分布仿真
Fig. 2. Simulation of 45° RTFG radiation mode angular distribution and axial distribution
式中:Kc=Kr=2πn/λ,λ为入射光波长,n为光纤有效折射率;KGx和KGy为光栅矢量在水平方向和垂直方向上的分量。由(6)式得到45° RTFG的衍射角,表示为
2.3 45° RTFG偏振消光比
RTFG辐射模实际上是纤芯中光信号的传输损耗,当光栅倾角为45°时,传输损耗表现出很强的偏振相关性,其中S偏振态的光全部被辐射出纤芯,而P偏振态的光低损耗地通过光栅区域,因此45° RTFG可以作为理想的全光纤P偏振态偏振器件。PER是评价偏振特性的一个关键参数,它定义为正交偏振态之间的光功率比,对于起偏器来说,PER越高,将输入光变为线偏振光的能力就越强[29]。由(2)式可获得45° RTFG的S偏振态和P偏振态光的传输损耗。45° RTFG的PER可以表示为
式中:αmax和αmin分别为45° RTFG中S偏振态和P偏振态透射光的衰减系数,其中它们的偏振角δ分别对应0°和90°。
图 3. 45° RTFG参数仿真。(a) S偏振态和P偏振态光的透射谱仿真;(b) PER仿真
Fig. 3. Parameter simulation of 45° RTFG. (a) Transmission spectrum simulation of light with S and P polarization states; (b) PER simulation
3 45° RTFG制备和偏振相关特性实验研究
3.1 45° RTFG的制备
实验中采用相位掩模紫外曝光法实现45° RTFG制备。具体的制备方法已经在参考文献[
11]报道。详细的制备系统构造如
式中:θG为光栅倾斜角;θM为掩模板倾斜角;nUV为紫外激光下的光纤折射率。当掩模板倾角为33.7°时,制备得到光栅倾角为45°的RTFG。
3.2 45° RTFG的辐射分布实验
为了进一步测量RTFG辐射模分布特征,搭建了RTFG辐射模测量平台,其主要包括可调谐激光器、偏振控制器、光束分析仪、光功率计及光纤旋转器,如
图 4. 45° RTFG制备。 (a)光栅制备系统;(b) 45° RTFG微观结构
Fig. 4. Preparation of 45° RTFG. (a) Grating preparation system; (b) microstructure of 45° RTFG
3.3 45° RTFG的衍射特性实验
此外,由于光栅的衍射作用,不同波长光拥有不同的光束辐射角,RTFG也是一种理想的全光纤衍射光栅。实验中需测量不同波长衍射光束的空间衍射角,具体测量平台如
图 5. 45° RTFG辐射模分布实验。(a)实验装置;(b)辐射模沿角向分布的实验和仿真结果;(c)辐射模沿轴向分布的实验和仿真结果
Fig. 5. Radiation mode distribution experiment of 45° RTFG. (a) Experimental setup; (b) experimental and simulation results of radiation mode distribution along azimuthal direction; (c) experimental and simulation results of radiation mode distribution along axial direction
图 6. 45° RTFG的衍射特性。(a)测量装置;(b)衍射角随波长的变化
Fig. 6. Diffraction characteristics of 45° RTFG. (a) Experiment setup; (b) diffraction angle versus wavelength
3.4 45° RTFG的偏振特性实验
与传统的FBG不同,45° RTFG是一种偏振相关器件,PER是评价其特性的一个重要参数,通过测量PER,可以分析45° RTFG的偏振消光特性。实验中测量了周期约为759 nm的45° RTFG光栅的PER,其工作中心波长为1550 nm。当光栅长度为24 mm时,45° RTFG在1550 nm中心波长处的PER约为22 dB,如
图 7. 45° RTFG的偏振特性。(a)透射光谱;(b)偏振分布;(c) PER光谱轮廓;(d) PER与光栅长度的关系
Fig. 7. Polarization characteristics of 45° RTFG. (a) Transmission spectra; (b) polarization distribution; (c) PER spectrum profile; (d) relationship between PER and grating length
4 结论
展示了一种基于全光纤偏振器件的45° RTFG,其可作为全光纤分光、色散及偏振器件。从光栅耦合理论、制备过程和实验角度,系统地分析了45° RTFG的辐射、衍射及偏振特性。通过倾斜相位掩模板和紫外曝光技术,在普通单模光纤上制备了光栅周期为759 nm、倾斜角为45°的RTFG,并且研究了光栅的辐射模分布、角色散及PER特性。实验结果显示:45° RTFG的辐射模式沿角向呈高斯分布,沿轴向呈指数衰减分布;角色散为0.054 (°)/nm,在通信C波段范围内具有线性衍射特性。最后测量了具有不同长度的45° RTFG的PER,结果显示PER与光栅长度之间存在线性关系,这表明通过改变光栅长度可以实现任意PER的45° RTFG;一根长度为24 mm的45° RTFG的PER在1550 nm中心波长处约为22 dB,且具有300 nm左右3 dB带宽的PER响应,覆盖了较宽的波长范围。45° RTFG是一种理想的全光纤偏振相关器件,利用其独特的偏振耦合模特性,可以实现光纤偏振分光、色散及偏振器件,在光通信、光传感及激光系统等领域中具有广泛的应用价值。
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