01導讀

光譜分析技術在材料分析、環境監測、農業、生物醫療、空間探測等領域有重要應用。傳統高分辨率光譜儀體積大、重量大、工作環境要求高，使其難以滿足光譜分析檢測現場化、快速化的發展要求。如何兼顧光譜儀微型化與高性能已成為國內外的研究熱點。盡管散斑檢測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）長度過長成為小型化設計的一大阻礙。

哈爾濱工程大學關春穎教授團隊通過探究光纖內模式激發機理，設計了獨特的無芯光纖（CLF）和光子晶體光纖（PCF）級聯結構，提出一種基于周期性折射率調制的高分辨率緊湊型全光纖散斑光譜儀。僅用一根10 cm長的PCF和CLF拼接結構，實現了20 nm帶寬內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”為題發表在Applied Physics Letters，哈爾濱工程大學碩士研究生陳宏洲為論文的第一作者，關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圖

02研究背景

近年來，得益于光學散射技術的發展和光譜重構理論的建立，基于散斑檢測的光譜儀得以面世。這類光譜儀利用微小的光學散射元件代替傳統光譜儀中的色散元件，通過建立散斑與入射光波長的映射關系實現光譜分析。磨砂玻璃、積分球、納米顆粒、金屬微米孔陣列、波導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構簡單、易于復用、抗電磁干擾等優點，通過增加光纖長度能獲得高分辨率，已有相關文獻報道使用100 m長多模光纖獲得1 pm的光譜分辨率，但長光纖不易固定，難以實現小型化，而且更容易受到振動和其它外部干擾的影響。

03創新研究

3.1 模式激發原理

在多模光纖中，導模之間的干涉可以形成波長相關的散斑圖。對于單色輸入光，長度為L的光纖末端的電場可以寫成每個導模的疊加之和：

其中，Am和φm是第m個模式的振幅和初始相位，它具有空間輪廓Ψm和傳播常數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λ會引起傳播常數的改變，導致引導模式在沿光纖傳播時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與散斑圖案的對應關系。光纖光譜儀的光譜相關寬度表示為δλ~(λ/n)2/(2nL)/[1-cos(NA)]，δλ與光纖長度L和數值孔徑NA成反比。無芯光纖的NA相比于普通多模光纖有很大提升，這有助于縮短光纖長度且同時保持較高的光譜分辨率。理論上無芯光纖在波長1550 nm支持約34000個模式，但從得到的散斑圖案來看這些模式并未完全被激發。因此，采用無芯光纖和光子晶體光纖周期性級聯來擾亂模式傳輸，以達到充分激發高階模式的目的來提高光譜分辨率。

全光纖散斑光譜儀系統如圖1(a)所示。為了兼顧全光纖式光譜儀的微型化與高性能，設計了總長度為10 cm的無芯光纖（CL 0/125-0/250，在1550 nm處折射率為1.444）和全固態帶隙型光子晶體光纖級聯結構。圖1(b)和1(c)為光子晶體光纖截面圖和無芯光纖與光子晶體光纖級聯結構圖。



圖1 (a) 全光纖散斑光譜儀系統圖；(b) PCF截面圖；(c) CLF和PCF級聯結構圖

3.2光譜相關性

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產生了更加復雜的散斑圖。仿真計算級聯結構出射光場如圖2(c)所示，計算的散斑圖也驗證了拼接PCF對散斑圖有顯著影響。如圖2(d)為拼接不同段數的光譜相關函數。

隨著拼接段數增加，散斑圖隨著波長變化而改變得更快。對于20段PCF拼接的CLF來說，光譜相關寬度δλ為0.03 nm，表明0.03 nm的波長偏移會使散斑圖相關度降低到0.5。這一性能與利用2 m長多模光纖相當。圖2(e)顯示δλ隨著拼接段數增加而變窄。PCF的引入相當于周期性地調制CLF的折射率分布，擾亂了CLF的模式傳輸，有效地激發了更多的高階模式。



圖2 (a) CLF在1550.00 nm時的散斑圖；(b) 拼接20段PCF的CLF在不同波長時的散斑圖；(c)仿真散斑圖；(d) 拼接5、10、15、20段PCF的CLF (ii-v)的光譜相關函數C(Δλ)；(e) 拼接段數對光譜相關寬度δλ的影響

3.3 光譜重構

圖3(a)顯示了在1540-1560 nm范圍內的重構光譜，它準確地恢復了每條譜線的位置，平均信噪比超過了25 dB。如圖3(b)所示，重構光譜（藍色圓點）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，這與光譜相關函數的估計值一致。



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

對于一個連續的寬帶光譜，不同波長會產生不同的散斑圖，其強度疊加會導致散斑對比度下降。通過在離散余弦變換域施加稀疏性約束，可以很好地重構連續的帶寬光譜。圖4(a)顯示了在1540-1560 nm波長范圍內重構的光譜，光譜重構誤差μ為0.04。圖4(b)顯示了μ與信噪比的函數關系，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時提供了更好的重構性能，因為此時的散斑圖案可以容納更多的模式信息。為了驗證全光纖光譜儀在校準誤差下的適用性，重構了超連續光源經過濾波后產生的光譜，如圖4(c)所示，重構光譜與傳統的光譜分析儀(OSA)測得的光譜相匹配，光譜重構誤差約為0.06。



圖4 (a) 隨機產生的連續信號(紅色)的重構頻譜(藍色)；(b) 重構誤差μ關于信噪比的函數；(c) 重構的光譜(藍色)和OSA的測量結果(紅色)

04應用與展望

本文展示了CLF和PCF級聯結構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增加而提高。光纖總長度只有10 cm，光譜儀在20 nm的帶寬內可以獲得0.03 nm的光譜分辨率。與基于相同長度的多模光纖光譜儀相比，分辨率提高了約20倍。所設計的系統厘米級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。基于CLF的緊湊型光譜儀有望在便攜式應用中實現皮米級的光譜分辨率，為微型光譜儀系統提供一個新的途徑。






審核編輯：劉清