（光学专业论文）应力长周期光纤光栅特性研究(1).pdf

摘要 长周期光纤光栅( l p f g ) 是一种传输型的光栅，与布拉格光纤光栅( f b g ) 不同， 其工作原理是实现纤芯基模与同向传播的包层模之间的耦合。长周期光纤光栅具 有工艺简单、插入损耗小、无后向发射、与偏振无关和体积小等优点，可用于制 作光纤模式转换器、光纤带阻滤波器、e d f a 增益平坦器和光纤传感器等各种高性 能的光纤器件。本文主要以应力所致长周期光纤光栅为研究对象，对光栅的制作 方法、基本特性和作为平坦器应用等方面进行了实验和理论研究，主要内容如下： 1 对目前报道的制作长周期光纤光栅的方法进行了介绍和比较，分别对其成 栅机制做了分析、说明，着重介绍了几种利用机械应力制作长周期光纤光栅的方 法以及这种机制在光子晶体光纤( p c f ) 和传感方面的应用。 2 对分析长周期光纤光栅特性的基本理论分析方法进行了介绍，利用耦台模 理论( c o u p l e dm o d et h e o r y ) 年t l 传输矩阵法( f u n d a m e n t a lt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ) 分析 了长周期光纤光栅中纤芯基模和包层模的有效折射率的变化规律、模场分布规律 以及耦合系数的变化规律。并对包层半径和外界环境折射率变化对l p f g 传输谱的 影响做了简单的理论计算，介绍了在l p f g 高阶模中存在的拐点的特殊性质和相移 长周期光纤光栅的特性。 3 利用v 型槽模板，通过光弹效应，在普通单模光纤中产生了长周期光纤光 栅，分析了其成栅机理和外界压力的大小和施加位置对光栅光谱的影响，并在此 基础上，改变光栅结构，制作了啁啾、相移、级联等几种特殊的长周期光纤光栅， 有效地提高了这种光栅的可调谐能力。 4 提出了一种新颖的制作长周期光纤光栅的方法，用铜线绕制的模板代替有 凹槽的模板。这种方法更加灵活简单，可重构，成本低，可以通过调节施加压力 和引入相移来改变光栅的光谱，对这种方法制作的长周期光纤光栅进行了实验研 究。同时这种光栅可以用作掺铒光纤超荧光宽带光源的平坦器，实验中实现了光 源在3 5 n m 范围内功率波动小于2 d b ，证明了这种光栅在增益平坦方面的潜在应用 前景。 关键词：长周期光纤光栅，机械，应力，拐点，相移，增益平坦 a b s t r a c t l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p f g 、i sak i n do ft r a n s m i s s i o ng r a t i n g u n l i k ef i b e r b r a g gg r a t i n g ( f b o ) ，l p f g sc a nc o u p l ef u n d a m e n t a lg u i d e dm o d et o d i s c r e t e c o p r o p a g a t i n gc l a d d i n gm o d e s l p f g sh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha se a s yf a b r i c a t i o n ， l o wi n s e r f i o nl o s $ 1 0 wb a c k r e f l e c t i o n p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n c ea n d n t e g r a t e dv o l u m e e t c t h e yc a na c ta sf i b e rm o d ec o n v e r t e r s ，f i b e rb a n d r e j e c t i o nf i l t e r s ，e d f ag a i n f l a t t e n i n gf i l t e r sa n df i b e rs e n s o r s i nt h i st h e s i s m e c h a n i c a l l y i n d u c e dl o n g p e r i o df i b e r g r a t i n g sa r ei n v e s t i g a t e d 。i t sf a b r i c a t i o nm e t h o d g e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n sa sg a i nf l a t t e n i n gf i l t e r sa r et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l ya r ed i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i si sa sf o t l o w s ： 1 i n t r o d u c t i o n sa r eg i v e nt ot h er e c e n td e v e l o p m e n t so ff a b r i c a t i o nm e t h o do f l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g s ，e s p e c i a l l ys o n i cm e c h a n i c a lm e t h o d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n so n p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r c f ) t h e i rf a b r i c a t i o np r i n c i p l e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l 。 2 t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nw i t hc o u p l e dm o d et h e o r yo nt h el o n g * p e r i o df i b e rg r a t i n g w a sm a d e w ea n a l y z e dt h ee f f e c t i v ei n d e xo ft h ef u n d a m e n t a lg u i d em o d ea n dc l a d d i n g m o d e s ，t h ec l a d d i n gm o d ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na n dt h ev a r i a t i o no ft h ec o u p l i n g c o e f f i c i e n t s w ea l s od i s c u s s e dt h el p f g ss p e c t r a lr e s p o n s et oc l a d d i n gr a d i u sc h a n g e a n da n l b i e n tr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u m i n gp o i n ti nh i 曲o r d e r c l a d d i n gm o d ea n dp h a s e - s h i f t e dl p f ga r ea l s oi n c l u d e di nt h i st h e s i s 3 am e t h o dt om e c h a n i c a l l yi n d u c eal p f gi ns i n g em o d ef i b e rw i t hg r o o v e dp l a t e i si n t r o d u c e d 。d i s c u s s i o n sa r eg i v e no nt h ei n f l u e n c eo ft h ea p p l i e dp r e s s u r e st ot h e t r a n s m i s s i o ns p e c t r a w ea l s om e c h a n i c a l l yi n d u c e ds e v e r a ls p e c i a ll o n g p e r i o df i b e r g r a t i n g ss u c ha sc h i r p e d ，p h a s e - s h i f t e da n dc a s c a d e dl p f gg r e a t l ye n h a n c i n gt h e t u n a b i l i t yo ft h i sm e t h o d 4 。a n o v e lm e t h o dt om e c h a n i c a l l yi n d u c el o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g 硒氇b r a s sw i r e s i sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t ht h em e t h o da b o v e ，t h i sm e t h o di sm o r ef l e x i b l ea n ds i m p l e r i ti se r a s a b l e ，r e c o n f i g u r a b l ea n di n e x p e n s i v e t h e i rs p e c t r ac a l lb et u n e db yt u n i n gt h e a p p l i e dp r e s s u r e sa n db yi n t r o d u c t i o no fp h a s e - s h i f t s w ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h i sm e c h a n i c a l l y - ，i n d u c e dl p f ga n df l a t t e n e dt h es p e c t r a lv a r i a t i o no fa ne r b i u m d o p e d f i b e rs u p e r f l u o r e s e c e n tb r o a d b a n ds o u r c ew i t h i n2 d bi na s p e c t r a lr a n g eo f3 5 n m t h i s k i n do fl p f gh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa sg a i nf l a t t e n i n gf i l t e r s k e yw o r d s ：l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p f g ) ，m e c h a n i c a l l y , p r e s s u r e ，t u r n i n gp o i n t ， p h a s e - s h i f t ，g a i nf l a t t e n i n g - h ， 真旗盛鍪篓尘鳖勰逾盔 第一章绪 沧 1 1 光纤光栅技术 瑰伐毙逶繁起源鼍二2 0 澄慰6 0 年代，i 9 6 6q - ：蠢甏辩l ：番! j 途史 | ；捉渗， 带有觎聪材料的l i 英坡璃光学纤维的传输攒牦”j 噬低1 r2 0 d b k m ，i , f 以川 作通信媒质：1 9 7 0 年康宁( 美) 公司成功地州制日 损耗为2 0 d b k mf n 光纤， 麸嚣贸定了理 党越筑熬罄磷。 光纤光栅楚燃代光通信e p 的种无源器件，实矮上楚在壳纤t | 建立镌 一种周期性的折剁”率分柿，能熟对特定、被蜒的光具有臌射或者透劓作用。 1 9 7 8 年，趣拿大薮o ，h i l t 等人捌4 8 8 n m 鲺璃予激光在掺锗是纾；l ，产生驻波 干涉条纹，蕾凌域功遮写天党纾毙撵l ，此后戆| r 年触这磺援察潜力鞠技 术r 。r f 进展缓慢，r c 到1 9 8 9 印，荧f i ：! f f 门m e l t z 等人利川两束。r 涉的紫外光 从光 f 的侧碰成功地玛入了光栅| 2 l 。从此豁幽划光! r 光栅的研，i 毛逃发蛾 莛慕。经过于且年翁笈矮，党纾光疆躲写入方法不黪德爨馥善；毙纾瓣竞 敏髓被逐渐挺t ；x ；拜种特种危栅出榭继阳l = ；毙纤毙栅的菜i 麻川匕迭j ： 了商川化的程度。特5 j f j 是近，j i 来光纤光栅_ f ，| | 光她信、光 f 激光搽枷光 f 惑爨等领域熬应列越寒越受到人 | 、3 熬霍攒，墩褥了令人瞩强热成就1 3 , 4 l 。涎 着龙 毙豫技求鹃| i 臻媛热，耩j ：毙 毙勰髂嚣秘毙。f 嚣嚣鳓毙纾激鬼 器、光纤滤波器、光纤波分挝川和解复川器、光纤光栅也散补偿榭游) 层m 不穷，光纤光栅以篡造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能， 梭j 。泛寂耀予光 避信彝毙 传惑等嚣个镶壤驿；。允j # 跫它瑟j ：集艘瓣蘩 性，僚得全光纾一维光子集成成为可能，扶两在促遴光子学乃至僚惫科学 的发展中显示出越来越重要旧作1 1 j | 。人们黹遍认为光纤光栅f 内研制成功是 继掺耋 毒光纾技大嚣( e d f a ) 之霜在光纾缀域托义一次亟火嬲技求突锻，嚣蛰 成为懋纾愆蔫笈溅变土瓣叉个攀_ 程瓣 6 。 l ，2 豳内外的砌 究 l 。2 。l 惫纤嵬簸髓与竞瑟魏俸接零 光纤晌光敏你怒o ；入光栅的i 狐雅条件+ 跏| | 1 1 口为l i ：，人们舯毙纤兜暇 性的物理机理还没有完全清越，抛j i j m 一然耻沦模型都能斛释定f n 实验 理象，魏还没寄秘个模囊蕊，錾醺簿器掰霄豹实验褒象，遮方两熬磷究t 转 正在深入速章亍。京掰有瓣模型巾，毪心模缓盼彩瓣最大，它跫出h a n d 露 黧燃蠢耋翟叁警磐鲨塞 r u s s e l 旋港翡1 7 i ，研究证嘲积心模蘩爨商定瓣赍嚣瞧嘲。餐跫织心羧帮没 法解群_ i 川类型光2 r 刷掺杂材利的光敏帆制，特刖她刈g 戈钒光 r 、稀i ：掺 杂光纤等的计算结果与实验不符1 9 1 ，为此人们先后提 i ；了f l ：l 荷移幼模型1 1 0 i 、 电投予羧受1 、凌子移动羧穗 n l 、n - 缓羧戮昭等多个j l 逡摸蘩，宅翻势翻 可以解释一定的实验现象。 除了掺杂光敏光纤以外，l e m a i r e 等人提出了一种简单省效的摊高普通 遥蕊毙纾紫终毙皱瞧鹣疗法鼗氯技术，这秘技本t ，l 霉孥毙绣蛩 ：厅骞童二簪变 化掇简近两个数鬣级0 4 ，剥1 i j l j 载氢光纤写入的毙纾毙瓣辑瓣；拳燹纯t 嘻这 1 0 。2 数量级，光栅写入后可以通过对光栅的退火处理来提高稳定性。光栅 在越火过韪! 小使光纡内术j 豆j 衄毓扩敞摊，从埘挺，r “了光栅的稳定性。 从1 9 7 8 年蔽米，特剐蹩1 9 8 9 年段来，久钠挺港了多耱l i 目的毙 毙襁；入 技术，它们各有阳已的优缺点永j = _ i f i i 司的适川范h 爿，这些技术| 三要有： i 、驻波二 二涉缎 1 9 7 8 年，h i l l 等人酋次京掺锗毙绎巾群氩离子激光曹淡菠劈鑫鏊送行了 光栅1 j 入的实验1 l i 。实验，h 两水反m 化橘f n4 8 8 n m 钒离r 激光n ：光 f ，| i 产生姓波干涉条纹，造成纤芯沿轴向的用蝴性折射率微扰。这种力。浊襟作 麓零， 鍪这耱悫撵没a 磐效率戴，特裂蹩嚣嘲癍渡| ! 乏受霹入激光渡疑羧潮，溺魏 这利t 技术已不孵被人们采川。 2 、全息曝光法 1 9 8 9 年，m e l t z 等人n f f ! 耀痰予涉瓣紫鲫巍跌巍 熬测疆成功地写入 了光纤先栅l 朝：l 二涉产生的周潮性毙强分前j 在纾芯，| l 产生了拆辩率纳硒潮 性分稚。这项技术大大提高了光栅写入效率，其优点在于所建立的光栅比 较稳定，需要的激光能赶低，l j u 。以灵活地政变光栅纳叫i 心波长。们魁 宅对激毙瓣时翻蔓! 闻翱f 。陡淡致曝宠期翊鬼潦弱稳定臻蠢较巍熬娶求。 利用棱镜干涉仪i m 1 或糟劳埃德( l l o y d ) 二i ：涉仪17 t 将激光波时谶行分束【! 土 可以实现全息写入光纤光栅。 3 、稳傻藏模法 这种方法利_ 1 4 _ j 船位模扳空n u 地调制入削紫外光，在掩模届形成不阳用 期的衍射条纹，诱导纤j 占产嫩周期性的折射率变化) 够成光栅，。9 i 。这利一 技术方法楚硬，羽。光源魏楣一：槛要求鞍低，适于大批璧生产光纡光糨 ，是 蠢 l f 簸普遍使翻的方法，其缺点楚灵活一陡一i 够，镧住不目t 阻0 波陡瀚毙誊鼙 查载淼墨堑尘塞聪逡查 需要不弱静模扳。k a s h y a pr 浚l 舔毒嚣蘧穰扳露为予涉 义熬分慕器，实瑷光 栅写入波k n 勺渊i l 苛1 2 ”。人们抓年位掩校池的j 占l i i | li - ，发腱了_ 摊光源和移 动模板位置的写入鼗幽：，所写光栅的k 度w 达5 0 r a m i2 1 i 。 4 、点点写入法 遮技术的= _ l = 作原理楚利俐脉冲激光器，从光线外侧的一点上利用狭 缝控制对光敏光纤的曝光宽度，点曝光后再沿光纤j = i i 线移动狭缝或者光 纾，对冀一点曝毙处理，这捞逐点进行曝光，即可在段光纡| 写入党栅 2 2 t 。这项技术缒德点是司醵灵活地控涮巍瓣参鼗，逶避筏瑟罐毙窝凌及曝 光点问的相互宽度来建立不同特性的光纤光栅，其缺点是光栅制作耗时长， 山于热效应羽1 环境震动等因素的影响，所写光栅的长成般较l z 。谯点点 写入法豹鏊秘主，遥年来人翻援褒了竞缓毙攘难势予激毙蓥躲羚警入技零 2 2 埽1 张线写入技术1 2 3 1 。 1 2 2 光纤光栅的分类嫂其应川 党绛毙撵霹以广义蕊分为鹾类：碣j 控臻毙纾走穗( 也哥虢舔为瘦羹重型 或短周i l ；l 光纤光栅) 和传输型光纤光栅( 也称为陡周期光纤光栅) 。撕j 拉格 光纤光栅实现反向传输模的耦含，f ! ：= 周驯光纡光栅实现同向传输模的耦合。 我们如珂以辍糍党秘越空日捌期霹l 辑瓣枣分密特技，分为戳下六炎，麓介 如一卜： 1 光纤撕拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 这楚最为常用的一一釉光纾光栅，其主嚣缭掏如强l ，l 所示，其比栅周期 与拆翻率溺涮深痤均为常数，它蕊种经琵後箨静窄蒂爱瓣滤波器件，在悲绎激 光器【”i 、光纤传感器【2 5 , 2 6 、光纤波分复用解复用1 2 7 ，2 8 l 瓣领域有重鼹的应用 价值。 嘲1 1 均匀墒潮光 前；裢襁毙棚示惫闰 2 啁啾光纤光栅( c h i r p e df i b e rg r a t i n g ) 其主要特点是光栅周期的非均匀性，最常用的啁啾光纤光栅是线性啁啾光 纾光撵，纾芯薅瓣率澄鹱逮坚线性单程交纯，糍够澎藏缎大瓣反羹毒豢突嗣l 稳定豹 查嚣套耋玺圭警编磐塞 龟教。骥彀光纾光雾嚣蔽j + 泛应掰予w d m 系统鼹篷熬 戆1 2 9 。1 、掺锾毙纾放 火器舳性能优化1 3 2 j 等力斯。 3 超结构与夔叠光纤光栅( s u p e r s t r u c t u r e da n dm o i r ef i b e rg r a t i n g ) 在光罄l 制 ；过稷e | 对写入党源进行溺测可殴测话越结秘党纡党栅1 3 3 l 或 玻样光掰 舶1 ，或者在兜纾明- 豫疆承最j 入多个j 钳0 ：目，l t 心波的毙糯 1 35 ，这两种光栅在黟波长光纤激光器以及色敝补偿方丽有一定构成川价值。 4 。栩移光纤光栅( p h a s e s h i f r e df i b e rg r a t i n g ) 主餐是逶过番：到箨过程l | ；| _ _ ；l 入鞠移餐爨强轧”l ，簸嚣了撬瓣枣分奄瓣连续 性，能够在其斫j 拉格反射带r ”打盯透射窗口，。卤在波分复闱光通信系统r | i 的波k 解复器方丽彳蓿潲在的应j 1 1 价例 l 。4 1 i 移i cj ；i tj 0 光纤光栅儿订1 i i 7 ： - 的光琳特征， 遥过选黪逶当瓣秘移患位霞蟊棚移_ ! ；l = ，能使f g , ；4j u i 毙 毙穰鞭好地滋楚e d f a 趱燕 乎坦的需要p 9 , 4 0 l 。 5 闪耀光纤光栅( b l a z e df i b e rg r a t i n g ) 其“妻要特点是光栅平蕊与光纾轴l 毒有一定的夹角，遮靴毙基畦z i 世能哼l 起反 蠢导波穰辐台，两l _ i 还缝穆綦搂鹈合到包要羧r l t 损耗簿。闲擦光纤巍撩丰璎可 以j l = j 做掺铒光纤放火器的增益r 坦滤波器f 4 、光传播梭式转换； ： f 4 2 i 等。 6 长周期光纤光栅( l o n g ，p e r i o df i b e rg r a t i n g ) 长瘸翔是绎竞耱燕豢瘸蘩大予1 0 0 # m 戆党终毙穰 。长滔靛走纾毙撩麴王终骧瑾 不同于光纤布拉格光栅，它是将挣模中某波段的光波耦合割包层中损耗掉，而不 产生反射，是一利一理想的e d f a 增赫平坦元件1 4 3 1 。实验证明，长周期光纤光栅对外 界应力、滠度、折射褰等因素黪及应毙f b g 鹎反痿更秀f l 敏感，是1 秘理慰瓣赞感 元件，溺就长周颡光纾光糍在蒋璃领域有着广泛豹应玎j 1 4 4 - 4 7 i 。 1 2 3 随周期光 r 光栅的制作办法研究 妖网矮光纤光撵斜蠢原理楚傻毙纾光学特性( 摄瓣率) 巍辘自发尘测期性交 纯。掇据翩番中光纾几何属经蔻秀瞻显变化，分为基予菲形变的铡器方法朔基予形 变的制备方法1 4 舯。基于非形变方法制备的光栅，光纤几何属性撼本不发生变化或确 很小变化，以振幅掩模法为代表。基于形变方法制器的光栅，光纤几何属性变化，继 蠢绩巍终壳学弱赣笈黛交讫，其中徽鸯洼魄较戏熬。下霆努溺奔绥这些方法： 1 振幅掩模法( a m p l i t u d e m a s kt e c h n i q u e ) 3 _ 4 j 振幅掩模法是制锯长周期光纤光栅的基本方法，其过程分阿个步骤：蓠先激光 器产生瓣絮羚光穿避援蜒模叛照瓣在掺镰载氢毙纾上，避纾曝毙。隧饕毙援缓写 入，透射谱峰值损耗的时潮函数随时鲫延长而增强。j 次时光纤光栅进行遐火以 型旗焱童堡圭警蕊逵耋 黎定葵淹特装。实赣装嚣懿鬻1 2 掰示。蚕赣撬搂蘧虿葭寝凌l p f g 蕊懿爨要i 产， 而且精光源的柑予髋没有要求。1 1 l l 怒需要复辩晒光学系统变持，同时礴；闭的兜栅 需要不问的掩模板。而且它最大的缺点是模檄会阻挡准分予激光器的大部分激光， 醚t 2 振幅掩援法；瓣往疑满避悲绎竞瓣 p c 偏掘控制器a m 振1 l 瞄模板 降低了激光柏能最叠靶率。j ：l 夕i - 。在用金属模檄制作光栅时，为了缩短嚼八时j ! f j j ， 疆分予滋嚣器登蒙潋貘夫药囊攀： 露，这会缭瓣激蠢器元黪鹣毒套。 用綮外光写入光栅的成奉商，效率低。人们又发展了辩予注入代释紫外先曝 光光纤，这剥，方法叫做离予注入波。将岛能爨h e 2 + 离子通过= ；：属掩模板浪入到各种 嚣葵玻璃孛吾产生察迭，9 t 嚣瓠瓣率变 乏，变恁靛琢理霆玻璃鎏兹爨致懑豫， 零l 趱 藏将拣褥制终赢髓麓的党穗瓣”。落噩乏方法瀚献杰蹩爸层巾懿会产生穰巍辩褥瓣率 变化，不过，可通避选择窄州跗的掩模板，使踽予只注入刹纤：卷来解决。 2 。遂点写入法1 5 0 遥点写天技术怒灏螽长霹麓毙纾巍褥黪餐基零舂法，它莛瓷瓣絮努淹蒙焦 在纤猫的某一点上j j c 行曝光，待曝光完成后，将光纤水5 p 移动一个光栅阕期的距 离再划。下一点进行麟光，这一过糕不断重复胤到写完所奇的光栅条纹为止。用来 瀑惫翡淹添一觳骞臻分子滚瓷器。整菝囊蠹孑激瓷器，嚣耱簇嚣莲：￥蠡舔激炎器等； 曝光的觜井光波妖一般为1 9 3 n m ! i 戈2 4 8 n m 。遮种方法在原疆土具有最大静昃活佳， 对光柑卅的折射率训制结构可以能懑进行设m i ；l l 作，但其缺点是不能批默戮产。 蕊遮耱方法 瓣辫淹淫嚣，器簸袋蔫鬟畜髭捩蠖夔掺镶器茭懋纾，囊羹灏澎囊魏 毙瓣热稳定性蓉。糟瑟在普通浅拜l | l 写入 光栅在写入前必颁娑提高光绀光敏性， 毙麴糍蕊载氢，荚掺杂等，在篱入螽彗须 露毙嬲逑暂逶炎璐游骧宠疆审麓不稳定壤 分。闲此，这样制作的光栅成本黼、效率 低。髓糟长周期光纤光栅应用范阉的扩展 嚣蘧楚数羹翡璎瓤，褥衰裁露效零蠢羟錾 截稼成零成为最主鬻的要求。逡牮束，天慧1 3 聚群e 毽溅淹赫搿籀佟魏p 黼藤鲴鹫 翻对毙方法终了缀大鹣竣遂，溪死秘瑟豹先滚畿替蘩癸党采褥裹麓终效零，下嚣 分男余绍：( 1 ) 聚焦c 0 2 激光脉冲1 1 5 1 , 5 2 1 这种方法的原理是聚焦c 0 2 激光脉冲引起 玻璃中残余应力的释放和玻璃的致密化。制作原理如图1 3 ，用这种方法可以采用 不会锗的缝石英纤芯光纾剑作光攫( 这手中光纤中有很高的残余应力) ，傻是潮捧 的光裰攒耗峰值波长涟溢度交纯蔽获随应力交纯的系数均小于常蕊l p f g 豹德，制 作效率不高。( 2 ) 瓤外飞秒激光脉冲【5 3 l 这种方法的原理怒激光辐射期问，材料 的局部熔化和快速熬新排列导致绒构的致密化。用这种方法制作的光栅谯2 0 5 0 0 蕊蕹肉臻耗蟪壤波长与湛疫交馥翼毒良转魏线程关系，嚣显是毒夷好戆穗热 衰变性和优越的老化特性。而缺点是若激光脉冲辐射到包层上，也会产嫩折射率 变化，附加损耗变大，必须要精确控制脉冲的辐射位置。 3 。微透镶薄列鼓寒刚 疆微透镜阵列代蛰振幅掩模檄觚丽形成一种新的籁作方法就是徽透镜眸列技 术。微透镜阵列用熔融石英光纤构成，相邻微落镜之间无间隙，其中心间距决定 若写入光栅的空间周期，图1 4 是部分微透镜阵列的照片。它的损坏阅值与光终楣 餐，。蠹不会疆整激畿，同跨宅又霹褥平嚣魏宽寒准分子激炎聚焦成平孬镣溜鼯魏 条纹，这种技术的效率比金属掩模技术提高了4 倍，因此这种方法比振幅掩模法要 先进。此方法还有一个特点，随糟写入时间的增加，l p f g 的深度也增大，特征波 长囱长波长方囱移动，可通过控制写入对闽翻霹入走攮豹总长度弱弱一块擞透镜 模缀写入不同波长、不阕透辩率鹃l p f g 。这种方法的缺点怒阵歹f j 和光纤之闯的闯 隔需要精确控制，丽胆大功率的紫外光束易破坏微透镜阵列。为了进步提高制 作效率，人们改进了微透镜阵列技术，将微透镜阵列制作在一面平一面髓的平凸 透镜土形藏乎篷徽透镜薄羁【孙】。癫予孚凸透镜不会将竞聚焦羟透镜本巍主，疑疆 不容易被损坏，图1 5 怒微透镜和平凸透镜聚焦光线的示意图。 嘲 4 微透镜孵剐躲照片 4 ，物理变形法 御粉 擎 r ，?l ( a ) 微透镜( b ) 平凸迸镜 图i 5 徽透镜和平凸透镜阵列聚焦光线鲻 一6 一 蜜糕套些塑奎懿艇瓣塞 l p f g 其毒矮黧妖黪籍毪；麓毙可爨露耱惩变形蘧萎蔽程纛缮孛裹入纛撩。逮 种方法媳利用了光烀山几何属慷懑化引起光学属性变化的特点，它叉t i r 分蔓j 三类： 一类魁微弯法；一燃是热扩散法：另一类是机械压力法。微蛮法可通道剡褙来实 嚣，撰搬麴整熬方斌霹终分舞秘饕镩l 麴穆法，惑蕊藜蘩法，惑嚣墓受擞鬻法等。 下西努攒教述。 ( 1 ) 微弯法 协裁瓤嘉4 掇法l 删尊宠，劂糕察甥嘉唠究必纤表巍瀣釉爨翅翅器! 瓣粼￥形捎， 稽蕊裁瓣黎霸阏鞭凝定落戆谤探液长雾鞭馨鬻瓷，￥黪戆浆深度形获籍黪旗怒檬戆 折射帑分嘶轮廓。然厩，将刻褙沌纤置于光野支架甲台上，刚氢气焰对v 形榴区域 进行拙伸退火。熔触墩璃受表i i ：i 威力影l 礼刻桃光纤的纾；搭不平牺产生周期性畸 变，麸疆野葱撬辫黎蕊蘩蕊变蕊，黟袋耄瓣。鲻蘧富渡甏俸蕊瓷溪翼寄凌鬻l 粪 蒋 性，可粥子需要宽黼带滤波器的波分复蘑系镳。 腐蚀剡槽法【”j 光纤剥豫滁糕层，平直蚓炮，沿轴向蝣州距均匀i ! f ：2 滁定宽 菠熬盒蕊港瑟，然霜擦竞纾篓予簸簸鏊；魏黧蘸馥露竞磐秘艇戆塞缓羚羧捷泰豢 覆会嚣滕的毙纾衮蕊被掰继，形成瓣称缒辅潦满瓣往缩稳。秩丽宠学将髓发生疆 向的例期性调制，j | j 耋成l p f g 。隰1 5 和1 6 分别魁垓方法的示意图和光绀腐蚀后的 避走摹 潜定点薄愈褥膜 控 f l 莆l ! f l 篮点 i 剞1 5j 掰 ：! | i 女0 w 法* ml p f g 怕原州! j 剐 惶i1 6 腐艇h 衙光纤的显微嘲片 效果图。为了刻蚀= | 苎：j 匀，氢氟酸中波加入缓蚀制。如果在辨脊稍拉格光野光栅的 竞驽孛裁溪，鬟霹数澎褒鼗缮毙经憝溪。虽然涎穆竞耩霹戳逮遴交女，怒藏等袈 谣节谐撩峰波长和溺鹰，但是其机械强度由予瘸蚀的关系余裔所减弱。 童熬叁耋堡圭警熟逵銮 屯弧感生徽弯法 5 9 1 这秘 方法的琢雕鲡| | i 7 光纤去除护套 后，用两个夹具笔烈阎定，然厉将一 个央具沿与光纤划l 向诿交豹方肉l 遗 下强穆，使在毙纾一| j _ 产玺一令攒自豹 应力。用电弧加热光纤的局部区段， 在剪切应力的作用一f 稍微变形微弯 豹大，j 、( 一般l 、0 ：l g m ) 嬲通过 毡灏 斡持续时闯撕戳控制。穰据毙栅哟崩 圈1 。7 l 蓰感生法蒯秘：l p f g 熬辍臻掰 期平移电极，在一；逊步移动光g f 央其f n 情况卜 i j “生递执的微弯。此方法制作 的光栅谐振波长只与光栅周期有关，与耦台溅发无关，光栅姻巾心波长，反射率 等特瞧荔于控秘，露疆容易虽赣确貔实瑷窝羹蔽术生产莰谤豹滤波器靛滤波特毪。 此外，这种方法= _ i ；需裴特殊的光纤，制作的光栅的捅入损耗很低，热稳定性较高， 但光纤的机械特性有所下降。 f 2 热妻。教法 制锶光栅的光纤纾芯为掺氦醚玻璃，包腻为纯硅，墨i j j i j 氮的热扩散它i ，通过 加热，使光纤纤芯模式点处产生径向梯度的变化。迓次的加热可以形成光栅的轴 向周j 9 j 性凋铡。这种方法制 1 ：的毙栅抗濉嫂一 ：扰撼较强。 ( 3 ) 机城压力法1 6 0 , 6 1 l 这利方法是将光纤置于一块平板和一块刻有周期性凹褙的面板之问，向刻有凹 糟的板施加压力时，出于光弹效威，在握力点产生折射率变化形成l 。p f g ，制翻：顾 理麴圈1 名。逶遥改变悫纾与鹜穰之 间的角度可以调节光栅的周期希1 损 耗峰的饿鼹，通过改变压力的大小可 班调节毙糍损耗峰瓣深发。若除去护 套，光纤的微弯蕊犬，光栅的插入损 耗会变人。这种方法制作的光栅其温 度稳定性与光感生的光栅类似。圈i 8 机械压力法制作l p f g 的原理劁 拶，套 兜纤 1 2 4 汝周期竞雏光稚的应弼研究 自从1 9 9 5 年a m v e n g s a r k a r 等人 6 2 1 在光纤中成功地写入睦周期光纤光栅 ( l p f g ) 以沫，有关跃阚期光纾光橼翘研究工作麟弓| 起了广泛的关注。不嬲予光纾 稚拉穆党瓣( f b g ) ，国予l p f g 翼鸯髑麓琵和龟瑟模稻台鹃符经，使褥长掰期毙 蘩 鬓蕊奈喾壁尘巍貘鍪耋 其森鞍离蕊滠度、瘦力、j 辑瓣率秘弯藏灵簸发辩 ，籍f b g 与l p f g 绩食掬成霪台 型传感器则可以很好地解决f b g 型传礴器的温度交叉敏感问题，实现高灵域 度的温度和应力同时测量。为了满足通信应阁对光栅温度淀敏性的要j j 乏，通过控 蘩写入祭孛l 二窝会邈瀚菇装技术还霹戳畜敲地降 氛毙疆籀瀑发灵敏霾鄹l 。 长周期光纤光棚鼹主要是刚作滤波器。q 娥 l i j 期稚拉格光纡光栅千陀，它楚 种传输型带阻滤波器，具有低插入损耗，低厨向反射偏搬无关等特点- 而且m 蒂爨懿| = | ：秀i 拉辏毙锻突褥多。难怒掰为获涮期党纾竞秘赵传输矍麴，逶w 戳麓嫒 遣级联不嚣隘带蒋性静荤卞竞撩褥瑟瑟嚣蘩豁滤波特髓。体为滤波耩，陡弼蠲宠 纤光栅被大量地用作掺铒光纤放大器的增黼平坦器。将几个不同主峰波长位置和 不同遗剩拳灼长刷煳光纤光栅绂联，得到个与掺专】 光 r 敝火器的增瓶f i l l 线完全 筌像翁摸耗穗整，使得掺锤巍纾驶夭黎臻箍稔臻，p 翡蠢媾蘸帮努_ 彳f 鞍犬鹩攘艇， 从丽使掺铒光纤放大器的增益瀚平逛。用凡个l p f g 南体的一个增益5 毽器的港 图如幽1 9 所示例。l ：u i j 以狸4 0 n t o f f jq l 僦范内将蛳8 挖制no2 d b 之l j 。人 l 、j 遥采建了稳移l p f g 寒实现e d f a 翦增盏5 乎坦扣“。率搂麴l p f g 还可以测药多 遵邋窄带滤渡器。 披长( m ) 劁i 9l p f g 制作的增黼平坦器的滤波特性 终海逛努嚣波嚣，中心波数热潮滔是至关夔要匏，v a s i l i e v 等久1 盯愧出翔琢? 酸纛饿毙纾包屡秘方法诱节l p f g 蕊中心滚长，两c o s 拯哦确辩等天剿姆愈属薅糕 蒸镀剿光栅所在的光纤上，改变通过余属的电流，利用热效应实现波k 涧i j | a b r a m o v 等人1 6 9 】则利用特殊设计的聚合物封漱l p f g 和用浆合物材料填充光纤包 屡来撬离l p f g 鹣瀑窿灵辕戆，逶过澄壤溺谤致霪了5 0 h m 靛渡汝溪港蕊溺瀑菠 变他6 0 ) 。 。：蜜霹鑫塞塑圭粪蕊罐耋。 幽予l p f g 蒸蠢较毫戆辑嚣率器弯蕊灵敏瞧，太筑对这些穆靛迸抒了较多戆 研究。趄g 论和实验的研究均表喇，蜀删l i ；l 介质撕刺率发，t 淑变时，l p f g 的i t 心波 长将缴，土很大的位移( ? o , 7 i 1 ，s h u 等人【7 2 ，7 3 1 剥l p f gf n 高阶模的折射率特性进行了砌f 究，；# 谯藏基莛上搦成瀑痉秃关舷离灵敏痰折瓣攀簧瑟器。2 0 0 2 零s h u 等铆i 整瑰 l p f g 海辨模瓣a “t 馥线l ：存毳搦点，存这点辩避。毙穰表骛毪粥缀赢辩嵇感灵敏度。 在此撼础之上，制作了i 南灵敏度悯温度、应力枷折射牢传感器，获得了当时3 4 n m 和，3 3 。6 r i m m e 最好纳湿度帚 成力姻灵敏瘦。j i i il e e l 7 5 捅1d o n g 7 印等人 i | 浆用特殊 静巍纸写al p f g ，所笃巍棰对鲻爨穷疆其蠢较骶熬灵敏受，滋满跫竞遴傧靖滤浚 器稳窳髓的要求。l p f g 的弯曲炎敏性使其成为结构性弯i l l 传感器盼德遮埘致i ”1 ， l e e 等人对串接的l p f g 的弯曲特性进行了埘f 究，yl i u 7 9 1 对l p f g 弯i l l i 引起的 模式分裂进嚣了磷瓷，撂虱了1 4 + 5 n m l m 1 麴姆麴灵敏瘦。通过测量辏起疲变莓l 起 豹双辑射效应还可激安蜒高灵敏度豹横商蹙变溅量鳓。妖爝瀚光绥竞掇还霹戳惩 作扭曲传感器，不仅司以直接测髓扭曲率，遥w 以判断扭曲方向【引t 。 豫辨l p f g 还弼戳羧弼来爨# 侔模式转羧器【8 ”，竞上下载复用器( o a d m ) 辩l 等嚣彳孛，l p f g 静魑掰馥鼯途延在逐洚 被天 f f j 掰发瑰。 l 3 本文研究的主要内释 本文主要爱瑟鼹翅毙纾毙攒作为疆究对象，辫长弼翔党野巍掇麓钒撇盛力涮 俸、綦本特滢翻瘟鲻臀逮蕤：了实验程理论磺究，主要蠹容键链： l 尉目前报道的制作长周期光纤光栅的方法进行了介铡和比较，分别对其成栅 雾l ；翻徽了分褥、说鞠。 2 + 对分析长弼潮沌纤光棚特性的基本理论分耩方法述苻了介绍，秘掰耨台模理 论( c o u p l e dm o d et h e o r y ) 和传输矩阵法( f u n d a m e n t a lt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ) 分析 了长搦期光纾光搬嬲必谱特性和毽屡半径； i j 岁 矜器境辑剩攀变化对l p f g 傣输谱 麓雾峨，麓要奔绥了褒l p f g 嘉羚摸孛存在斡拐点盼褥臻梭质。 3 刹i 【；hv 型梢横扳，通过光弹效应，在楷通单模光纤i i 产生了长删_ | l 光 f 光 栅，分凝7 其戒栅帆理和辨界爨力豹大小和施姗位疑对光栅悲谗蚋影婀，并在此 基磷上，浚变竞秘缋翰，锻髂了灏嗽，耪移、缎联等，l 争 特豫蕊长弼薅党纾是撵， 有效地提高了这种光栅的可调谐能力。 4 壕i 出了一剥，辫颖的铡 乍长删期光纤光栅的方法，用铜钱绕制的摸檄代替有凹 耱豹摸投，这秘方法爱囊i 灵嚣祷攀，霹重稳，成奉繇，可戳遴遵酒繁藤魏i 压力幕l 引入桐移来改变光栅的光谱，可以掰作掺铒光纤超荧光宽带光源的平遵器。 盔嚣套冀塑度警毽鲨矗 参考文献： fl 】k o h i l l ，y f u j i ，d ，c 。j o n s o na n d8 。s 。k a w a s a k i ，p h o t o s e n s i t i v i t yi no p t i c a lf i b e rw a v e g u i d e s ： a p p l i c a t i o nt or e f l e c t i o nf i l t e rf a b r i c a t i o n ，a p p lm l e t t ，3 2 ( 1 9 7 8 ) ：6 4 7 - 6 4 9 2 】g m e l t z ，w w m o r e ya n dh g l e n n ，f o r m a t i o no fb r a g gg r a t i n g si no p t i c a lf i b e r sb ya t r a n s v e r s eh o l o g r a p h i cm e t h o d 。( ) p 1 l e f t 、1 4t 1 9 8 9 ) ：8 2 3 - 8 2 5 3 1r + k a s h y a p ，f i b e rb r a g gg r a t i n g s ，a c a d e m i cp r e s s ，1 9 9 9 ，l o n d o n 【4 】a o t h o n o s ，k k a l l i 。f i b e rb r a g gg r a t i n g s ：f u n d a m e n t a l sa n d a p p l i c a t i o n s i n t e l e c o m m u n i c a t i o n sa n ds e n s i n g ，a r t e c hil o u s e ，1 9 9 9 ，b o s t o n l o n d o n 【5 】c r g i l e s ，l i g h t w a v ea p p l i c a t i o n so ff i h e rb r a g gg r a t i n g s ，h m r n a l 万l i g h t w a v e7 b c h n o l o z v , 酶l ，1 5 ，n o 8 ，( 1 9 9 7 ) ：1 3 9 1 - 1 4 0 4 。 【6 】原装，光纾通偻网络1 屯子l 业出版社，j 匕永，1 9 9 9 年2j j ：5 2 5 5 。 【7 】d e h a n da n de s t j r u s s e l l ，p h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v e i n d e xc h a n g e s7 1g e r m a n o s i l i c a t ef i b e r s o p t l e t t ，1 5 ，( 1 9 9 0 ) ：1 0 2 一1 0 4 f 8 】r m a t k 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