改進型Sagnac干涉系統刻寫光纖光柵的實驗設計

鄒林兒， 熊凱鑫， 劉天翔， 邱 昱， 沈 云

（南昌大學物理系，南昌 330031）

0 引 言

光纖光柵廣泛應用于光纖通信和傳感器等領域［1-3］，在光電信息科學與工程本科專業和光學類碩士研究生專業中開展相關的實驗項目是非常重要的實驗教學環節。光纖光柵結構簡單，具有高精度、高靈敏度和快速響應等優勢，是激光器件與技術、光電子學、傳感技術、光電檢測技術等相關課程中重要的光子器件。因此，刻寫光纖光柵，并基于此開發新型光纖光子器件［4-6］，是必備的專業實驗技能。光纖光柵的刻寫方法有很多種，最開始是1978 年，Hill 等［7］通過駐波干涉法在具有光敏性的摻鍺光纖纖芯上刻寫；1989年，Meltz等［8］提出雙光束全息曝光法刻寫光纖光柵，使得寫入效率有較大提高。但由于橫向全息曝光法的機械穩定性不高，使得光柵光譜質量不高，1993 年，Anderson 等［9］提出了機械穩定性相對較高的相位掩模法，大力推動了光纖光柵制備的發展。

本文設計搭建了基于相位掩模法的改進型Sagnac干涉系統刻寫光纖光柵的實驗平臺，其＋1 和－ 1 級衍射光分開后通過反射鏡反射在空間處發生干涉，且只需調整反射鏡改變干涉角度就可獲得不同光柵中心波長。該平臺可用于本科生科研訓練開放綜合性專業實驗和碩士研究生專業基礎實驗教學，培養學生綜合運用知識進行創新實踐的能力［10］。

1 實驗部分

1.1 光纖光柵

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制成，其沿軸向折射率呈一種空間周期性分布的結構。均勻周期性光纖光柵的折射率分布［11］為

式中：n0為纖芯折射率；ΔnDC為纖芯折射率的平均增量；Δnmax為纖芯的最大折射率變化量；v為折射率的調制幅度；Λ為光柵周期；光束沿z軸傳播。

光纖光柵沿軸向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，實現模式間的功率轉移。在單模光纖中，入射的基模可以被耦合成前向傳輸模式，也可被耦合成后向傳輸模式。為了將一個前向傳輸模式耦合成一個后向傳輸基模，其滿足相位條件［12］為

式中，β01是單模光纖中傳輸模式的傳播常數。在這種情況下得到的短周期光柵稱為光纖布拉格光柵（Λ 一般小于1 μm），其基本特性表現為一個光學濾波器，其布拉格波長λB表示為

式中，neff是光纖中傳輸模式的有效折射率。

此外，在均勻光纖光柵中，由于折射率突變而引起的法布里-珀羅效應，使得光柵光譜中會出現分布在諧振峰兩邊的一些旁瓣［13］。

1.2 實驗裝置設計與工作原理

圖1 所示為帶＋1/－ 1 衍射級相位掩模版的改進型Sagnac干涉寫入光柵系統的實驗裝置示意圖。寫入光源（激光器）發出光束經過由擴束透鏡組、衰減片、光圈、反射鏡3 和快門組成的望遠鏡系統擴束后，由柱面透鏡形成線光斑進入相位掩模版，在相位掩模版后產生＋1、0、－ 1 三級衍射光（其中0 級光束被擋?。?，＋1 和－ 1 級衍射光束分開后再經一對反射鏡1、2 分別兩次反射后，最后聚焦在光纖樣品上形成呈高斯輪廓強度分布有一定尺寸的光斑，兩束光斑疊加在樣品上形成干涉條紋。光柵寫入時間由電子快門控制。光譜監測系統中，選用帶寬1 520 ～1 570 nm的放大自發輻射光源作為測試光，由高數值孔徑單模光纖端面耦合進出光纖樣品，最后進入光譜儀，用它監測光柵透射率。該實驗裝置置放于氣墊精密隔振光學平臺，保證刻寫光柵時光路穩定性，防止微小振動破壞光路而影響光柵質量。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2所示為用于分析改進型Sagnac 干涉系統寫入光柵原理的干涉結構圖。圖中，α是＋1 和－ 1 衍射級與相位掩膜版表面法線的夾角，其值固定為α ＝arcsin（λw/Λm），其中，λw為激光器的工作波長，Λm是相位掩膜版矩形槽的周期。在光纖樣品表面上兩束光的半干涉角θ ＝π － 2φ1－ 2φ2－ α，其中φ1和φ2分別是干涉系統的兩個反射鏡1 和2 的角度。兩束光干涉圖形的周期Λ，即光柵周期，取決于兩束光的干涉角度2θ，控制著光柵布拉格波長λB。根據式（3），光纖布拉格光柵公式可寫為：

圖2 改進型Sagnac干涉系統的干涉結構圖

式中，φ1＝φ2＝φ。從式（4）和（5）得知，neff和φ（或θ）是兩個主要影響光柵布拉格波長λB的參數，可以通過調整反射鏡1 和2 的角度φ改變干涉角度2θ，從而改變周期Λ來設置光柵布拉格波長。

該系統有幾個特點（或優點）：①與傳統的相位掩膜法不同，＋1 和－ 1 級衍射光是分開后再通過反射鏡兩次反射在空間處疊加干涉，這樣光纖樣品不需要緊靠掩膜版，使得放置光纖時操作方便，還可置放特制的光纖夾具制備其他光柵，如相位光柵；②改變光柵λB，不需更換相位掩模版，只需調整反射鏡1 和2 改變干涉角度2θ，就可以獲得不同λB。而傳統的相位掩膜法相位掩膜版緊密置于光纖上，寫入周期跟相位掩膜版的周期有關，使用＋1 和－ 1 衍射級時為掩膜版周期一半，如需改變λB，則需要更換不同周期的相位掩膜版；③刻寫的光柵長度一定程度上可通過改變光圈大小來實現；④由于利用相位掩膜版的＋1 和－ 1 級衍射光，這兩束光強均等性好，得到干涉條紋的對比度高，刻寫出的光柵質量好。

在設計和安裝調試該系統時應注意幾點：①為了保證各光學器件有足夠調整空間，應選擇長焦距柱面透鏡增長光路，在該系統中我們選擇了長70 cm 焦距的柱面透鏡；②由于兩束光在反射鏡1 和2 分別經兩次反射，落在反射鏡上光斑不能重疊，有較大的分開距離，應選擇較大尺寸的反射鏡，在該系統中我們選擇了直徑約15 cm的反射鏡；③調試時，在光纖樣品處置放一白屏，通過觀察其上兩束光重疊形狀，來判斷兩光束重合度。

2 實驗方案設計與結果分析

實驗選用纖芯折射率為2.415 的商業化As2S3硫系玻璃光纖，利用其高的光敏性［14-15］（其光致折射率變化高達0.006）探究光纖光柵的制備。在圖1 中采用連續波倍頻的Nd：YAG激光器作為寫入光源，選用工作波長為532 nm，其處于As2S3硫系玻璃材料的準帶隙光波段。調整反射鏡1 和2 使得雙光束干涉角2θ約為111.31°，得到光柵周期Λ約為322.17 nm，其中心波長λB≈1 556 nm。實驗測得在光纖樣品上形成寬7 mm、高1.2 mm 呈高斯輪廓強度分布的光斑。下面設計實驗方案，通過改變寫入光功率和寫入時間探索高質量的As2S3光纖布拉格光柵制備。

（1）改變寫入光功率。實驗設計為：寫入時間保持為90 s，調節衰減片改變寫入光功率，使得＋1/－ 1級衍射光功率分別在4、6 和8 mW。測量觀察光柵透射譜質量，如圖3 所示。在小寫入功率下，隨著寫入光功率增大，光柵透射峰（即對應的布拉格波長）深度增加，光譜質量良好；寫入功率增加，如8 mW，光柵透射峰深度反而減小，光譜質量變差，出現多峰；寫入功率約6 mW時，光譜質量優良，透射峰值約為－ 6.7 dB，反射率可高達78.6%，光柵帶寬約為0.46 nm。

圖3 不同寫入功率下的As2S3 光纖布拉格光柵透射譜

（2）改變寫入時間。實驗設計為：保持＋1/－ 1級衍射光為6 mW，電子快門控制寫入時間分別為60、80 和100 s，測量觀察光柵透射譜質量，如圖4 所示。圖4 顯示，隨著寫入時間積累，光柵透射峰深度增大，光譜質量良好，但寫入時間積累到100 s時，光譜質量變差，出現次峰，同時光柵透射峰深度回落減小。寫入時間約80 s 時，光譜質量優良，透射峰值約為－ 6.6 dB，反射率達到78.1%，光柵帶寬約為0.45 nm。

圖4 不同寫入時間下As2S3 光纖布拉格光柵透射譜

綜上，寫入時間和寫入光功率都會影響到刻寫光纖光柵的光譜質量，特別是隨著寫入功率增大和寫入時間的積累會導致光誘導光纖發生不均勻的微結構變化，使得光譜出現多峰或次峰等情況，光譜質量變差，這些可通過優化實驗條件參量獲得最優刻寫光柵的參數。本實例中，因As2S3硫系玻璃光纖光敏性強，寫入光功率不需要太強，同時又可縮短寫入時間，故對于As2S3硫系玻璃光纖獲得高質量布拉格光柵光譜最優參量是在寫入光功率6 mW、寫入時間為80 ～90 s時，如圖3（b）和圖4（b）所示。另外，由于As2S3硫系玻璃光纖在準帶隙光誘導下，其平均折射率會發生改變，而導致透射峰出現一定偏移（見圖3、4），向短波長方向偏移約0.39 nm，這在設計光柵布拉格波長時應考慮，允許在公差范圍內。

3 結 語

結合開展的科研工作需要，同時面向教學需開拓光電工程類本科和碩士專業實驗，本文設計并搭建了改進型Sagnac干涉系統實驗裝置，用于刻寫光纖光柵的開放綜合性實驗教學項目［16］。該實驗項目使得學生深入理解光纖光柵的基礎理論，掌握改進型Sagnac干涉系統寫入光柵的裝置、原理和操作技能，以及運用于光纖光柵刻寫的實驗研究。該實驗項目取得了良好的教學效果，提高了學生參與科研訓練課程積極性，以及增強他們對科研的興趣。同時該實驗有很好的科研應用性，能培養啟發學生創新性思維，在此實驗平臺上，結合其他結構掩膜版，可研制其他類型光纖光柵，如相位光柵，還可以利用光柵中心波長位移研究樣品的光敏性等，這將為學生開展相關科研工作打下良好的實驗基礎。