光纤光栅器件的制备及应用

I 光纤光栅器件的制备及应用 摘要：光纤光栅是一种重要的无源光器件，在光通信网络和光纤传感领域起着举足轻重的作用。本文介绍了光纤光栅的基本理论，总结了各种光纤光栅的制备技术，在此基础上开展了以下研究工作： 1. 搭建了倍频氩离子激光器光纤光栅制备系统和频氩离子激光器制备系统采用扫描式相位掩模写入法，集成了电动平移台、光开关、压电陶瓷等硬件，并开发了基于用两个系统，实现了均匀周期光栅、变迹光栅、相移光栅、采样光栅、倾斜光栅、长周期光栅等光纤光栅种类的制备。 2. 提出一种新型光纤光栅器件重叠写入光栅器件，将均匀周期光纤光栅（叠写入到倾斜光纤光栅（利用倍频氩离子系统在高掺锗光纤上成功写入了这种光栅器件。部分光将受到用3. 提出一种基于重叠写入光栅器件的弯曲传感器。 不同弯曲状态下，会出现不同程度的模式交叠，作强度参考以消除光源稳定性带来的影响。对曲率33外，实验验证该传感器不受温度变化的影响。 4. 提出一种基于悬臂梁结构的啁啾相移光纤光栅滤波器，利用2009分析了在悬臂梁作用下，不同啁啾系数对光栅透射谱和相移峰波长间隔的影响。 关键词：光纤光栅；重叠写入光纤光栅器件；光纤弯曲传感器；光纤滤波器 分类号：I is an a in BG a of 1. A BG a of An an a on 2. A by a BG a It in a of is by BG by of be by of 3. A on of t so it be as to of of of of 354. A of by By a of be As a be s；s； 次 摘要 . . . . . . 22光纤光栅的基本理论与模拟研究 . . . . . . 章小结 . 143光纤光栅的制备 . . . . . . . . . . . . . . 37V . . . . . 章小结 . 444重叠写入光纤光栅器件的制备及弯曲传感研究 . . . . . . . . . 555 结论与展望 . . . 56参考文献 . 58作者简历 . 64清单 按波导结构光纤光栅的分类 . 均匀布拉格光栅的透射谱和反射谱 . 啁啾光纤光栅的透射谱和反射谱 . 高斯变迹光纤光栅的透射谱与反射谱 . 相移光纤光栅的透射谱与反射谱 . 直角三角形悬臂梁的结构示意图 . 等强度梁调节原理示意图 . 啁啾相移光纤光栅的在不同啁啾系数下的反射谱 . 相移峰波长间隔与啁啾系数的关系 . 锗硅光纤中典型点缺陷示意图 . 掺锗光纤中的锗缺氧缺陷示意图 . 氢气在直径125005C） . 典型型光栅的透射谱与反射谱 . 原始光栅的消失和化学组分光栅的再生过程 . 基于驻波干涉的光纤光栅内部写入实验装置图与光栅光谱响应 . 分振幅干涉写入光栅装置及光栅的光谱响应 . 改进后的分振幅干涉装置原理图 . 基于洛埃镜干涉仪的光纤光栅写入装置原理图 . 于棱镜干涉仪的光纤光栅写入装置原理图 . 纤光栅逐点写入法原理示意图 . 频. 位掩模板结构图 . 入射光波经相位模板衍射的原理 . 位掩模接触式写入法的原理 . 于. 除0级衍射影响的. 蚀刻槽法写入的长周期光纤光栅示意图 . 械微弯形变法写入长周期光栅的结构示意图 . 31浦染色激光器光栅写入系统结构 . 频氩离子激光器光栅制备系统实验装置图 . 频氩离子激光器光纤光栅制备系统实拍图 . 纤光栅刻写软件调整模块的界面图 . . . 纤光栅刻写软件均匀光栅模块的界面图 . 匀周期光纤光栅的透射谱和反射谱 . 纤光栅刻写软件变迹光栅模块的界面图 . 斯变迹光纤光栅的透射谱和反射谱 . 纤光栅刻写软件相移光栅模块的界面图 . 移光纤光栅的透射谱 . 样光纤光栅的透射谱和反射谱 . 斜光纤光栅的透射谱和反射谱 . 周期光纤光栅的透射谱 . 重叠写入光栅器件的结构示意图 . 高反大带宽. 重叠写入光栅器件的透射谱和反射谱 . 光纤弯曲几何示意图 . 为光纤曲率半径 . . 不同弯曲状态下. 弯曲传感的实验装置 . 重叠写入光栅器件的反射谱随曲率的变化 . 件的反射光强随曲率的变化 . 件的反射光强随温度的变化 . 55中国计量学院硕士学位论文 1 1绪论 0世纪后半叶至今，光纤通信和光纤传感技术的发展深刻的改变了人们的生活。光纤通信技术提供了海量数据高速传输的媒质，是当今互联网繁荣发展的基石；光纤传感具有本质安全、不受电磁干扰、便于复用、长距离传感等优点，是未来物联网蓬勃兴起的重要技术手段。 光纤光栅作为一种的无源光器件，在光通信网络和光纤传感领域起着举足轻重的作用。光纤光栅的历史可以追溯到20世纪70年代，加拿大通信研究中心的1。之后的30年间，各种光纤光栅制备的相关技术不断涌现，1988年美国联合技术研究中心的过调整激光波长或者光束夹角就可以改变光栅波长2。1993年贝尔实验室的，这使得光纤光栅的刻写在普通通信光纤上也可以实现，不必使用价格昂贵的掺杂光敏光纤。同年，位掩模板降低了对激光光源相干性的依赖和刻写装置的复杂程度，并可以方便的通过改变模板周期来改变光栅的周期4。 随着刻写工艺的日臻完善，光纤光栅的种类不断丰富，人们先后研制出啁啾光纤光栅、长周期光纤光栅、相移光纤光栅、倾斜光纤光栅、超结构光纤光栅等一些具有特殊结构的光纤光栅。与此同时，光纤光栅的应用领域也不断延伸，在光通信领域内，已经广泛应用于在半导体激光器的稳频、光纤激光器、光纤放大器、增益平坦器、色散补偿器、光纤滤波器等。1994年，成短腔光纤激光器5。1994年，。此外，人们还利用光纤光栅的窄带反射特性并结合其他复合结构，研制了各种光纤光栅滤波器8在传感领域内，光纤光栅及其传感器已经在土木工程、石油化工、电力中国计量学院硕士学位论文 2 行业、航空航天、生物医药、环境监测等领域获得重要应用。1993年，人们在次利用光纤光栅对桥梁结构进行长期监测11。美国量和压力等参量的传感技术，并将其应用于石油和天然气工业钻井监测以及海洋石油平台的结构监测12。在电力行业中，利用光纤光栅可以直接监测高电压、大功率设备（如发电机和变压器）中的局部温度变化或者间接监测电流、电压、磁场等参量13美国宇航局采用应变和温度的光纤光栅传感网络对航天飞机进行实时健康监测17。在医学方面，光纤光栅阵列温度传感器可以监测补了传统热电偶和热敏电阻温度传感器无法在强电磁场环境下工作的空白18。在备受人们关注的核工业安全方面，光纤光栅温度传感器已经成为核反应堆安全生产中的关键检测技术19。可以肯定的是，随着时代的进步，光纤光栅在通信、传感等领域具有更光明的发展前景。 如今，光纤光栅的研究领域不断细化，包括新的成栅机理（如再生光纤布拉格光栅）、新的光纤种类（如光子晶体光纤）、新的制备方法（如利用飞秒激光器写入）、新型传感解调技术以及各种实用化的工程技术等。另一方面，光纤通信的全光网络趋势和光纤传感的实用化进程都对光纤功能器件提出了更高的要求。作为其中最重要的环节之一，新型光纤光栅器件的研发和应用有着重要的现实意义。 论文从光纤光栅的理论及特性开始，结合实际经验详尽阐述了光纤光栅器件的制备方法，提出了新型光纤光栅器件并研究了它们在通信和传感领域内的应用。本论文的主要内容可归纳如下： 1. 介绍了光纤光栅的耦合模理论和传输矩阵法，运用趾光纤光栅、相移光纤光栅、啁啾光纤光栅等光栅种类的光谱特性和色散特性。 2. 阐述了光纤的光敏性机理，概述了光纤光栅的制备方法及其发展历程，介绍了我们实验室的光纤光栅制备系统和光纤增敏方法，描述了实验室制备光纤光栅的具体方法。 3. 首次提出一种基于啁啾相移光纤光栅和悬臂梁结构的可调谐光纤滤波器。利用 变化以及相应的光谱变化情况。理论分析表明，该滤波器可以实现多通道高精细度可调谐滤波。 4. 首次提出并制备了一种重叠写入的光纤光栅器件普通布拉格光栅（叠写入到倾斜光纤光栅（。过检测可获得传感信息。由于两个光栅位于相同的位置，因而二者处在相同的温度、应力等外界环境下。因此，这种器件可以在用5. 首次提出并实现了一种基于重叠写入光纤光栅结构的光纤弯曲传感方案。利用择高反宽带的作强度参考以消除光源稳定性带来的影响。通过光谱仪检测对其做归一化处理，在曲率33外，保证了测量的结果不受温度的影响。 中国计量学院硕士学位论文 4 2光纤光栅的基本理论与模拟研究 光波在光纤中的传播可以通过求解具有合适边界条件的麦克斯韦方程组来分析。在弱导近似下，光波模式可以分解为相互正交的偏振模式，这样可以简化波导方程的求解20。这种方法可以解决包括束缚模和辐射模的波导基本的模场分布。如果波导存在周期性的相位或振幅的微扰，就可能出现特定光波模式之间的耦合。人们通常运用耦合模理论来分析这类问题，其假定波导的模场在微小扰动的条件下并未发生改变。光纤光栅是一种一维周期性折射率调制的光波导，因此，可以通过耦合模理论的求解来分析其传输特性。对于复杂的光栅结构，人们引入了数字解析法，包括有效折射率法和传输矩阵法等。本章主要介绍光纤光栅的耦合模理论，并结合传输矩阵法对各种光栅类型进行模拟分析。 1鉴于耦合模理论已经详尽阐述于诸多文献中22本章不再从麦克斯韦方程组开始推导。我们知道，电场强度的横向分量可以近似表示为一系列理想模式的组合 ( , , , )= ( ) ( ) ( , )t j j j j z i z B z i z e xy i （2- 1） 式中，()z方向缓慢变化的幅度。(, )栅中周期性的介电微扰导致模间耦合的发生，在这种情况下，() )( ) j kj kj k K K i （2- 2） ( )( ) kj kj k K K i +( )( ) j kj kj k K K i +（2- 3） ( )( ) kj kj k K K i + 在式（2（2，以中国计量学院硕士学位论文 5 用如下积分式表示 () (, ,) (, ) (, )4kt z xy e =（2- 4） 式中，表示介电微扰，当折射率变化可近似表示为2向模间耦合系数是对于光纤而言，此一般情况下纵向耦合系数可以忽略。 在紫外光曝光下，光纤的折射率发生周期性改变形成光纤光栅，对于导模，有效折射率的改变可以表示为 2( ) ( )1 ( )nz v z =+（2 式中，是光栅周期，()于大多数的光纤光栅而言，紫外光引起的折射率改变在纤芯区域内近似均匀而在纤芯以外可以忽略。因此，（2 中的可表示纤芯的折射率变化。在此基础上，定义两个新的耦合系数如下 () () (, ) (, )2kt n z e x y e x y （2- 6）() ()2kj （2- 7） 式中，为直流耦合系数，为交流耦合系数。因此，总耦合系数可表示为 2() () 2 ()()kj z z z =+（2 对于光纤布拉格光栅，模式耦合主要发生在布拉格波长附近的反向传输的模式间，对（2- 2）和（2- 3）式进行简化得到如下等式 () () z iB + += + （2() ()z i + += （2- 10） 其中，( ) ( )dA z Az i ，( ) ( )dB z Bz i +；+是直流中国计量学院硕士学位论文 6 自耦合系数，12 + ；表达式为 112 d = （2- 11） 式中，2d 是弱光栅的谐振波长（0）。 对于单模布拉格光栅，式（2- 6）和（2的直流和交流耦合系数可以简化为 2 （2 = = （2- 13） 最终，通过求解式（2（2 成的微分方程组，可以得到幅度( / 2) / ( / 2)=和2r =可以表示为 222222 22 ) ( ) ) ( ) ) ( ) + + += + （2- 14） 222 222 22 ) ( ) ) ( )+=+ （2- 15） 此外，在纤芯纤布拉格光栅的纤芯模还可能同时与多个包层模发生耦合。某些结构的光栅（如长周期光栅、倾斜光栅等）会出现较强的纤芯模与包层模的耦合24在早期耦合模理论的基础上，人们建立起了纤芯模和包层模耦合的耦合模理论26。由于理论推导非常繁琐，本章就不再展开论述。 光纤光栅按照波导结构分类 光纤光栅的光学特性本质上是由光纤轴向折射率调制的变化决定的，照波导结构不同，光纤光栅主要包括一下几种类型。 中国计量学院硕士学位论文 7 一、均匀光纤布拉格光栅，如图2.1(a)所示，特点是光栅的周期和折射率调制水平均为常数。其反射峰的边模对称分布，从傅里叶变换角度分析，这是因为矩形折射率调制分布会引起二、啁啾光纤光栅，如图2.1(b)所示，特点是光栅周期沿轴向逐渐变化。一般情况下，啁啾光栅的折射率调制大小是不变的。啁啾光栅的周期变化可以是线性的也可以是非线性的。对于常用的线性啁啾光纤光栅而言，0()z +，其中为起始周期。啁啾光栅可以作为色散补偿器用于密集波分复用通信系统中7。 (a)均匀光纤光栅(b)啁啾光纤光栅(c)高斯变迹光纤光栅(e)取样光纤光栅(d)相移光纤光栅(f)倾斜光纤光栅三、变迹光纤光栅，其有效折射调制不是均匀的，而是具有一定的函数分布，最常见的有高斯变迹光栅、升余弦变迹光栅、双曲正切变迹光栅等。图2.1(c)所示的是高斯变迹光栅，式（2- 5）中的01( ) （2- 16） 波导结构光纤光栅的分类 中国计量学院硕士学位论文 8 即可表示其折射率调制变化。变迹光栅的反射谱在长波长一侧光谱平滑，短波边缘存在边模振荡。如果经过处理使光纤平均有效折射率不变，就可以实现光栅的切趾，产生高边模抑制比光纤光栅。这种光栅在光通信和传感领域都有广泛的应用。 四、相移光纤光栅，特点是光栅在某些位置发生相位跳变，如图2.1(d)所示。相移引入了精细的相移峰，每个相移峰对应一个透射窗口，相移量大小决定了透射窗口的位置。相移光栅可用于窄带滤波器和分布反馈光纤激光器27。 五、取样光纤光栅，特点是光折变区域不连续，可以看做许多小段的光栅组成，如图2.1(e)。根据傅里叶变换原理，取样光栅具有高阶频率分量，在反射光谱中有多个反射峰。 六、倾斜光纤光栅，也称为闪耀光纤光栅，如图2.1(f)所示，特点是光栅的波矢和光纤轴向成一定的夹角。光栅条纹的倾斜导致条纹可见度的降低同时加强了包层模（反向传输）或辐射模的耦合。倾斜光栅可以用作增益平坦器24、光波模式转换器28等，同时其包层模耦合的特性也是当前光纤传感领域研究的热点之一29 上所述，在实际应用中很多光栅结构是非均匀的，如果研究这类的光栅的特性就需要引入数字解析方法。传输矩阵法是非常方便和实用的一种理论分析方法。它的基本思想是把复杂结构的光栅看做由很多个均匀的小段组成，用22矩阵来表示每个小段，整个光栅就可以用连乘矩阵来表示31。设光波经过第第光波经过第1 = （2- 17） 传输矩阵) ) ) ) )i dz i dz dz i = + （2 其中+和 表示第=22+。中国计量学院硕士学位论文 9 对于一个长度为L，分成矩阵表达式为 0110 += （2- 19） 其中作为初始条件，0A+=1，0B+=0。 本章采用2009光栅器件的制备和应用提供理论依据。 对于均匀布拉格光栅，可以直接采用耦合模理论的结论来模拟。我们选取们设置光栅具体的指标如下，栅区长度L =1均有效折射率变化110纹可见度v =1，设计波长1550(a) 透射光谱 (b) 反射光谱 对于啁啾光栅，由于其周期不是均匀的，需要利用传输矩阵法对其分析。设L =5cm，210取分段数M =500（保证每一段包含多个光栅周期），光栅啁啾系数c =计中心波长1550中可以看出啁啾光栅的带宽显著加宽。此外，透射谱底部有明显的振荡，这是因为啁啾光栅没有切趾，相应的光栅时延谱线也存在振荡，这在实际工程应用中是不允许的。因此，光通信领域中使用的啁啾光栅都是切趾光栅。 匀布拉格光栅的透射谱和反射谱 中国计量学院硕士学位论文 10 (a) 透射光