π相移光纤光栅的温度调谐特性 下载: 805次
1 引言
π相移光纤光栅(FBG)是指纤芯的折射率变化在某些位置存在大小为π的相位突变,从而改变光谱的分布,形成极窄的透射窗口,广泛应用于分布式反馈激光器[1]、窄带滤波器[2]、全光开关[3]和高精度传感[4-6]等领域。通过刻写过程中的热处理法或控制光栅的温度、应力等,可实现π相移光纤光栅的波长调谐,在应用中具有重要意义。其中,热处理法是指均匀光栅刻写完成后,对光栅的局部进行加热从而引进相移,相移的大小决定了透射窗口的位置,停止加热则相移消失,因此可以通过控制相移大小实现相移光纤光栅的调谐[7]。还可以通过压电转换器[8]、局部加压[9]等方式使光纤轴向发生形变,进而改变光纤光栅的局部折射率分布,引入非永久性相移,控制形变量即可实现相移光纤光栅的调谐[10]。此外, Liao等[11]提出结合飞秒激光器和熔接技术制作可调谐相移光纤光栅,通过向光栅中的球形孔充入不同折射率的液体,从而在此处引入相移,即可实现相移光栅的调谐。纤芯温度的改变会导致光纤光栅的有效折射率和周期发生变化[12-13],因此可以通过改变π相移光纤光栅的温度,使光栅传输谱及中心波长发生漂移,从而实现π相移光纤光栅的波长调谐,该方法具有成本低、易操作、无损伤等优点。结合π相移光纤光栅的窄带滤波特性,可以实现可调谐的窄线宽光纤激光器。
本文理论分析了π相移光纤光栅的温度调谐特性,利用半导体制冷器(TEC)和制冷片控制π相移光纤光栅的温度,实验验证了其温度调谐特性,并将其应用于窄线宽光纤激光器,实现了窄线宽激光器的可调谐输出。
2 理论分析与仿真
π相移光纤光栅中纤芯的折射率变化沿轴向不连续,且存在一个大小为π的相位突变,导致光栅传输谱存在一个极窄的透射窗口,如
π相移光纤光栅的布拉格波长对应透射窗口的中心波长为
式中
当光栅温度改变时,由于热光效应和热膨胀效应,光纤的折射率和光栅周期会发生变化,进而改变光栅的布拉格波长和传输谱。由于光纤的热光系数
设
光栅布拉格波长为
石英光纤的热光系数
式中
可见,光栅布拉格波长即π相移光栅透射窗口的中心波长漂移与温度变化呈线性关系。
结合理论分析,利用传输矩阵理论进行了π相移光纤光栅的仿真,探究随温度改变折射率和周期变化后光栅的透射谱。仿真光纤为SMF-28光纤,常温下,纤芯半径为4 μm,折射率为1.45205,包层半径为62.5 μm,折射率为1.44681,基模的有效折射率为1.44899。设置光栅长度为50 mm,光栅周期为
图 2. 温度分别为5,35,65,95 ℃时π相移光纤光栅仿真结果
Fig. 2. Simulation of π phase-shifted fiber Bragg grating at temperatures of 5, 35, 65, 95 ℃
3 实验及结果
3.1 π相移光纤光栅的温度调谐特性
π相移光纤光栅温度调谐及测试实验装置如
图 3. π相移光纤光栅温度调谐及测试实验装置
Fig. 3. Experimental setup of temperature tuning and test of π phase-shifted fiber Bragg grating
实验中,以5 ℃为步长,控制π相移光纤光栅的温度从0 ℃变化到95 ℃,选取温度分别为5,35,65,95 ℃时π相移光纤光栅的透射谱,如
图 4. 温度分别为5,35,65,95 ℃时π相移光纤光栅透射谱
Fig. 4. Transmission spectra of π phase-shifted fiber Bragg grating at temperatures of 5, 35, 65, 95 ℃
图 5. π相移光纤光栅中心波长随温度变化曲线
Fig. 5. Central wavelength changing curve of π phase-shifted fiber Bragg grating with temperature
3.2 π相移光纤光栅实现可调谐窄线宽激光器
基于π相移光纤光栅,搭建了窄线宽环形腔光纤激光器实验系统,如
使用
图 6. 基于π相移光纤光栅的窄线宽光纤激光器实验装置
Fig. 6. Experimental setup of narrow linewidth fiber laser based on π phase FBG-shifted fiber Bragg grating
图 7. 不同π相移光纤光栅温度下的激光器输出光谱
Fig. 7. Output spectra of laser at different temperatures of π phase-shifted fiber Bragg grating
4 结论
理论和实验研究了π相移光纤光栅的温度调谐特性,利用TEC和制冷片控制温度,实现了1.55 μm波段π相移光纤光栅的温度调谐。当温度从0 ℃变化到95 ℃时,中心波长改变了1.743 nm,灵敏度约为18.35 pm/℃。相比其他波长调谐方式,温度调谐具有成本低、易操作、无损伤等特点。结合π相移光纤光栅的窄带滤波特性,搭建了窄线宽环形腔光纤激光器,利用π相移光纤光栅的温度调谐特性实现了1.55 μm波段窄线宽激光波长的连续调谐输出,为实现可调谐窄线宽光纤激光器提供了一条简单可行的技术途径。
致谢 感谢加拿大瑞尔森大学的顾锡嘉教授在光纤光栅刻写方面的指导。
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