飞秒激光边缘约束复合切趾法同时增强光纤布拉格光栅（FBG）带宽与边模抑制比

《Photonics》：Femtosecond Laser Edge-Constrained Composite Apodization Method for Simultaneously Enhancing the Bandwidth and Side Mode Suppression Ratio of FBG

　　

传统光纤布拉格光栅（FBG）制备方法难以同时提升带宽与边模抑制比（SMSR），限制了其在光子系统与传感系统中的应用。研究人员提出一种飞秒激光边缘约束复合切趾方法，用于同时增强FBG的带宽与SMSR。该方法在多层复合切趾技术基础上，通过同时调控写入线的位置与长度，约束FBG两侧边缘的耦合强度，从而在扩展带宽的同时提高SMSR。写入结果表明，与未约束情形相比，边缘约束复合切趾FBG（ECAFBG）的SMSR提高约4.7 dB，同时带宽基本保持3.7 nm不变且反射率未退化，长度仅0.7 mm。研究人员对ECAFBG施加动态应变与强度解调。结果表明，ECAFBG能够在较大范围内实现动态应变测量。所提方法为同时获得短长度、宽带宽和高SMSR的FBG提供了有效途径，并在紧凑型激光器与传感器件中具有潜在应用。

论文解读文章：光纤布拉格光栅（FBG，纤芯折射率周期性调制形成的光纤无源器件）在光纤传感、光通信和激光产生中广泛应用。随着应用场景拓展，带宽和边模抑制比（SMSR，主模与最大边模的强度比）成为备受关注的参数；宽带宽有利于宽带滤波和传感，高SMSR有利于抑制边模并提高传感中波长或强度解调的稳定性。然而，现有研究多分别关注拓宽FBG带宽或增强SMSR，较少同时实现宽带宽和高SMSR。已有宽带宽方案中，倾斜FBG（TFBG）芯模反射率极低且光谱呈梳状，不适合高效光子系统；长周期光纤光栅（LPFG）对温度和应变等环境扰动高度敏感，工作稳定性受影响；啁啾FBG（CFBG）通常引入光谱纹波且制备复杂；对定制CFBG施加合适切趾函数可获得平滑、带宽可控的光谱，但器件常为厘米级长度，限制其在紧凑光子组件中的应用。研究人员所在课题组前期提出多层复合切趾FBG，可将带宽扩展至传统逐点切趾FBG的17倍，长度仅0.6 mm且反射率未退化，但该切趾FBG的SMSR略低于传统切趾FBG，需进一步研究提升SMSR。近年来发展的切趾FBG写入方法可进一步抑制旁瓣，其中逐线写入的边缘弱耦合方法通过改变写入线轨迹位置和长度使SMSR提高7.2 dB，但未考虑带宽变化。因此，研究人员提出飞秒激光边缘约束复合切趾方法，以同时增强FBG的带宽和SMSR。该方法基于多层复合切趾，将写入位置移向纤芯边缘并同时控制写入线位置和长度，对FBG两侧边缘耦合强度施加约束，获得较低边缘耦合强度，从而在扩展带宽的同时提高SMSR。研究人员模拟了不同边缘约束下复合切趾FBG的光谱，并在纤芯边缘写入四层复合切趾FBG；实验显示SMSR提高约4.7 dB，而?3 dB带宽和反射率基本不变。随后将ECAFBG用于强度解调，验证了其在较大范围内动态应变测量的可行性。该研究为同时获得短长度、宽带宽和高SMSR的FBG提供了有效途径，在紧凑激光器和传感器件中具有潜在应用。
关键技术方法：采用飞秒激光（515 nm、290 fs、最大重复频率200 kHz）结合加载灰度相位图案的空间光调制器（SLM）调制写入脉冲能量，使其按复合切趾函数B(y)变化；采用四层逐线写入，线长按G(y)变化，最小1 μm、最大7 μm，线周期1.071 μm，层间距1.5 μm，自下而上逐层写入，速度0.05 mm/s；将写入位置移向纤芯边缘并控制位置和长度以施加边缘约束；使用50×、NA=0.42聚焦物镜，光纤为锗掺杂单模石英光纤，芯径8.2 μm、包层125 μm。
3.1 ECAFBG的写入结果：通过边缘约束复合切趾法写入的ECAFBG长度约0.7 mm；两侧边缘写入轨迹较浅且靠近纤芯边缘，以实现耦合强度约束，中间轨迹较深并基本占据整个纤芯，中间位置写入脉冲能量最大约16 nJ。与未约束的复合切趾FBG相比，SMSR由17.35 dB提高到22.01 dB，提高约4.7 dB；?3 dB带宽均约3.7 nm，无显著变化；传输损耗约4.87 dB，插入损耗（IL）约0.48 dB，反射率良好。根据写入参数设置及与其他相关写入结果比较，研究人员估计实验中约束系数（α，即κ_min与κ_max之比）大致在10–20%范围内；直接实验校准α超出本文范围并留待后续研究。实际写入中α不能达到理想情况的0，受有效写入所需有限线长和截面、材料折射率调制阈值、空间光调制器有限动态范围和量化步长等实际因素限制。五次独立写入统计显示，边缘约束复合切趾FBG的SMSR约为21.79±1.09 dB（均值±标准差），稳定性良好；该方法在激光器件、滤波元件和传感中具有应用前景。
3.2 ECAFBG的强度解调应用：ECAFBG可在不退化反射率的情况下扩展带宽并进一步提高SMSR，因而适合强度解调；与传统FBG相比，其线性范围更大，并受带宽和SMSR影响，可实现更稳定有效的解调。研究人员在室温下验证：将ECAFBG轴向固定在压电陶瓷换能器（PZT）上，驱动器产生正弦电压信号驱动PZT周期振动，为ECAFBG提供近似正弦动态应变；将课题组开发的相对强度解调系统一端连接ECAFBG、另一端连接示波器显示解调信号。PZT驱动器输出频率固定为50 Hz，峰峰值驱动电压从10 V增至PZT允许最大值150 V，步进20 V，记录输出信号波形和峰峰值。解调系统采用平顶放大自发辐射（ASE）光源，发射波长范围1525–1566 nm、输出功率20 mW；ASE光经光环形器注入ECAFBG，反射光由10:90光纤耦合器分为两路：90%进入法布里–珀罗可调谐光滤波器，滤波后经50:50耦合器均分至光电探测器1（PD1）和PD2；10%直接由PD3接收作为参考光强。PD1输出经截止频率10 Hz低通滤波后以10 Hz采样，并与PD3参考值作比，作为3 dB点锁定参考；自研信号处理电路板控制高精度数模转换器生成可调谐光滤波器控制电压，使滤波器中心波长始终锁定于ECAFBG真实3 dB点；电路板以1 MHz高采样率同步采集PD2与PD3实时比值并直接输出为动态应变信号解调结果，输出接示波器观察记录。该方案消除共模光功率波动影响，并通过反馈环使滤波器中心波长保持在最佳线性区。结果显示，仅选取130 V和150 V驱动电压作代表性展示；随PZT驱动电压增加，施加于FBG的应变幅值增加；在50 Hz条件下，即使施加150 V全量程驱动电压仍可成功解调正弦信号，整个解调范围内波形质量良好、畸变小。对解调电压峰峰值进行线性拟合，R²=0.9974；各测试点非线性误差分别为2.41%、2.88%、0.14%、0.04%、0.47%、1.42%、1.51%和0.94%，最大非线性误差为2.88%。由于PZT固有迟滞效应，该非线性误差基本是PZT迟滞效应与解调系统非线性叠加的结果，测得非线性误差可能超过解调系统自身固有误差。实验表明ECAFBG可在强度解调中实现较大范围内较稳定的动态应变测量。本文动态应变实验旨在展示ECAFBG在强度解调中的潜在应用，50 Hz激励频率受实验室所用PZT驱动器限制；实际FBG传感器的频率响应主要取决于FBG与待测构件之间的连接方式，如胶层应变传递系数，而非光栅本身；封装ECAFBG传感器频率响应的系统研究将在后续工作中开展。
讨论部分总结：讨论指出，实际写入中的α受有限线长和截面、折射率调制阈值以及空间光调制器动态范围和量化步长等限制，不能达到理想0值，实验估计约10–20%，直接实验校准留待后续；五次独立写入的SMSR约21.79±1.09 dB，表明方法重复性良好；强度解调中最大非线性误差2.88%主要与PZT迟滞和解调系统非线性叠加有关，50 Hz激励频率受实验室PZT驱动器限制，实际传感器频率响应主要取决于封装和连接方式。结论翻译：本文提出一种飞秒激光边缘约束复合切趾方法，用于同时增强FBG的带宽和SMSR。该方法在多层复合切趾基础上，将写入位置移向纤芯边缘，同时控制写入线的位置和长度，对FBG两侧边缘耦合强度施加约束，以获得更低的边缘耦合强度，从而在扩展带宽的同时提高SMSR。研究人员模拟了不同边缘约束下复合切趾FBG的光谱，计算结果表明，施加边缘约束后，边缘耦合强度越小，SMSR提升越显著，而带宽和反射率基本不变。研究人员在纤芯边缘写入四层复合切趾FBG，实验结果表明，施加边缘约束后，所制备复合切趾FBG的SMSR提高约4.7 dB，?3 dB带宽约3.7 nm，传输损耗约4.87 dB，仍表现出良好反射率，插入损耗约0.48 dB；与未约束复合切趾FBG相比，其保持较宽带宽和良好反射率，长度仅0.7 mm，这是其他写入方法难以实现的，且方法重复性良好。所提ECAFBG在PZT上测试并通过强度解调进行信号解调，实验结果显示，在PZT输出频率50 Hz时，即使对FBG施加150 V全量程驱动电压仍可成功解调正弦信号；解调电压峰峰值随驱动电压呈良好线性增长趋势，最大非线性误差为2.88%。结果表明ECAFBG能够在较大范围内实现动态应变测量。所提方法为同时实现短长度、宽带宽和高SMSR的FBG提供了有效途径；除强度解调应用外，该方法在紧凑激光器件和传感器件中具有潜在应用前景。