基于周期折射率調(diào)制的高分辨率緊湊型全光纖光譜儀

01導(dǎo)讀

光譜分析技術(shù)在材料分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、空間探測(cè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)高分辨率光譜儀體積大、重量大、工作環(huán)境要求高，使其難以滿足光譜分析檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)化、快速化的發(fā)展要求。如何兼顧光譜儀微型化與高性能已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。盡管散斑檢測(cè)全光纖光譜儀在高分辨率方面顯示出巨大潛力，但多模光纖（MMF）長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)成為小型化設(shè)計(jì)的一大阻礙。

哈爾濱工程大學(xué)關(guān)春穎教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)探究光纖內(nèi)模式激發(fā)機(jī)理，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的無(wú)芯光纖（CLF）和光子晶體光纖（PCF）級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，提出一種基于周期性折射率調(diào)制的高分辨率緊湊型全光纖散斑光譜儀。僅用一根10 cm長(zhǎng)的PCF和CLF拼接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了20 nm帶寬內(nèi)0.03 nm的分辨率。該研究成果以“A high resolution compact all-fiber spectrometer based on periodic refractive index modulation”為題發(fā)表在Applied Physics Letters，哈爾濱工程大學(xué)碩士研究生陳宏洲為論文的第一作者，關(guān)春穎教授為論文的通訊作者。



封面圖：全光纖散斑光譜儀系統(tǒng)圖

02研究背景

近年來(lái)，得益于光學(xué)散射技術(shù)的發(fā)展和光譜重構(gòu)理論的建立，基于散斑檢測(cè)的光譜儀得以面世。這類光譜儀利用微小的光學(xué)散射元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)光譜儀中的色散元件，通過(guò)建立散斑與入射光波長(zhǎng)的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)光譜分析。磨砂玻璃、積分球、納米顆粒、金屬微米孔陣列、波導(dǎo)和光纖等均可用作散射元件。多模光纖作為散射元件的散斑光譜儀具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于復(fù)用、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)增加光纖長(zhǎng)度能獲得高分辨率，已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道使用100 m長(zhǎng)多模光纖獲得1 pm的光譜分辨率，但長(zhǎng)光纖不易固定，難以實(shí)現(xiàn)小型化，而且更容易受到振動(dòng)和其它外部干擾的影響。

03創(chuàng)新研究

3.1 模式激發(fā)原理

在多模光纖中，導(dǎo)模之間的干涉可以形成波長(zhǎng)相關(guān)的散斑圖。對(duì)于單色輸入光，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖末端的電場(chǎng)可以寫成每個(gè)導(dǎo)模的疊加之和：

其中，Am和φm是第m個(gè)模式的振幅和初始相位，它具有空間輪廓Ψm和傳播常數(shù)βm。散斑圖特性取決于相位偏差?φ(λ)=βl(λ)L-βm(λ)L(l≠m)，不同的輸入波長(zhǎng)λ會(huì)引起傳播常數(shù)的改變，導(dǎo)致引導(dǎo)模式在沿光纖傳播時(shí)積累不同的相位延遲βm(λ)L，造成散斑圖案的改變，從而建立起輸入波長(zhǎng)與散斑圖案的對(duì)應(yīng)關(guān)系。光纖光譜儀的光譜相關(guān)寬度表示為δλ~(λ/n)2/(2nL)/[1-cos(NA)]，δλ與光纖長(zhǎng)度L和數(shù)值孔徑NA成反比。無(wú)芯光纖的NA相比于普通多模光纖有很大提升，這有助于縮短光纖長(zhǎng)度且同時(shí)保持較高的光譜分辨率。理論上無(wú)芯光纖在波長(zhǎng)1550 nm支持約34000個(gè)模式，但從得到的散斑圖案來(lái)看這些模式并未完全被激發(fā)。因此，采用無(wú)芯光纖和光子晶體光纖周期性級(jí)聯(lián)來(lái)擾亂模式傳輸，以達(dá)到充分激發(fā)高階模式的目的來(lái)提高光譜分辨率。

全光纖散斑光譜儀系統(tǒng)如圖1(a)所示。為了兼顧全光纖式光譜儀的微型化與高性能，設(shè)計(jì)了總長(zhǎng)度為10 cm的無(wú)芯光纖（CL 0/125-0/250，在1550 nm處折射率為1.444）和全固態(tài)帶隙型光子晶體光纖級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖1(b)和1(c)為光子晶體光纖截面圖和無(wú)芯光纖與光子晶體光纖級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖。



圖1 (a) 全光纖散斑光譜儀系統(tǒng)圖；(b) PCF截面圖；(c) CLF和PCF級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

3.2光譜相關(guān)性

圖2(a)和圖2(b)分別顯示了未拼接的CLF和20段PCF拼接的CLF散斑圖，拼接PCF的CLF產(chǎn)生了更加復(fù)雜的散斑圖。仿真計(jì)算級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)出射光場(chǎng)如圖2(c)所示，計(jì)算的散斑圖也驗(yàn)證了拼接PCF對(duì)散斑圖有顯著影響。如圖2(d)為拼接不同段數(shù)的光譜相關(guān)函數(shù)。

隨著拼接段數(shù)增加，散斑圖隨著波長(zhǎng)變化而改變得更快。對(duì)于20段PCF拼接的CLF來(lái)說(shuō)，光譜相關(guān)寬度δλ為0.03 nm，表明0.03 nm的波長(zhǎng)偏移會(huì)使散斑圖相關(guān)度降低到0.5。這一性能與利用2 m長(zhǎng)多模光纖相當(dāng)。圖2(e)顯示δλ隨著拼接段數(shù)增加而變窄。PCF的引入相當(dāng)于周期性地調(diào)制CLF的折射率分布，擾亂了CLF的模式傳輸，有效地激發(fā)了更多的高階模式。



圖2 (a) CLF在1550.00 nm時(shí)的散斑圖；(b) 拼接20段PCF的CLF在不同波長(zhǎng)時(shí)的散斑圖；(c)仿真散斑圖；(d) 拼接5、10、15、20段PCF的CLF (ii-v)的光譜相關(guān)函數(shù)C(Δλ)；(e) 拼接段數(shù)對(duì)光譜相關(guān)寬度δλ的影響

3.3 光譜重構(gòu)

圖3(a)顯示了在1540-1560 nm范圍內(nèi)的重構(gòu)光譜，它準(zhǔn)確地恢復(fù)了每條譜線的位置，平均信噪比超過(guò)了25 dB。如圖3(b)所示，重構(gòu)光譜（藍(lán)色圓點(diǎn)）清楚地分辨出兩條輸入光譜線（紅色虛線），它們之間相隔0.03 nm，這與光譜相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值一致。



圖3(a)窄線寬光譜的重構(gòu)光譜；(b) 相隔0.03 nm的兩條譜線的重構(gòu)光譜，藍(lán)色表示校準(zhǔn)后的波長(zhǎng)，紅色表示輸入光譜線的中心波長(zhǎng)

對(duì)于一個(gè)連續(xù)的寬帶光譜，不同波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生不同的散斑圖，其強(qiáng)度疊加會(huì)導(dǎo)致散斑對(duì)比度下降。通過(guò)在離散余弦變換域施加稀疏性約束，可以很好地重構(gòu)連續(xù)的帶寬光譜。圖4(a)顯示了在1540-1560 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)重構(gòu)的光譜，光譜重構(gòu)誤差μ為0.04。圖4(b)顯示了μ與信噪比的函數(shù)關(guān)系，μ隨信噪比的增加而下降，然后趨于飽和。

基于CLF的光譜儀在信噪比小于20 dB時(shí)提供了更好的重構(gòu)性能，因?yàn)榇藭r(shí)的散斑圖案可以容納更多的模式信息。為了驗(yàn)證全光纖光譜儀在校準(zhǔn)誤差下的適用性，重構(gòu)了超連續(xù)光源經(jīng)過(guò)濾波后產(chǎn)生的光譜，如圖4(c)所示，重構(gòu)光譜與傳統(tǒng)的光譜分析儀(OSA)測(cè)得的光譜相匹配，光譜重構(gòu)誤差約為0.06。



圖4 (a) 隨機(jī)產(chǎn)生的連續(xù)信號(hào)(紅色)的重構(gòu)頻譜(藍(lán)色)；(b) 重構(gòu)誤差μ關(guān)于信噪比的函數(shù)；(c) 重構(gòu)的光譜(藍(lán)色)和OSA的測(cè)量結(jié)果(紅色)

04應(yīng)用與展望

本文展示了CLF和PCF級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的緊湊型全光纖散斑光譜儀，它在小型化和高性能方面顯示出巨大潛力。光譜分辨率隨拼接段數(shù)增加而提高。光纖總長(zhǎng)度只有10 cm，光譜儀在20 nm的帶寬內(nèi)可以獲得0.03 nm的光譜分辨率。與基于相同長(zhǎng)度的多模光纖光譜儀相比，分辨率提高了約20倍。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)厘米級(jí)尺寸與基于幾十米多模光纖的裝置相比，在小型化方面有了很大的改進(jìn)?；贑LF的緊湊型光譜儀有望在便攜式應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)皮米級(jí)的光譜分辨率，為微型光譜儀系統(tǒng)提供一個(gè)新的途徑。






審核編輯：劉清