（光学专业论文）光纤光栅的制作及应用研究.pdf

摘要 摘要 光纤光栅技术匕速发展，在光纤通信和光纤传感等领域的应用越来越受到人们 的重视，取得了令人瞩目的成就。本文t 要叙述了作者在= ! 年训f 究生阶段进行的 光纤光栅的研究，包括光纤光栅的$ 1 j f i ! 与应用。 论文主要包括以卜儿方嘶内容： 对光纤光栅的j 力史，分类，制作技术和应川f 作了简单叙述。 ( j ) 详细讲述了光纤光栅的膊种理沦分析方法，耦合模理论和传输矩阵法，并使 用m a t l a b 软件对各种不同的光栅器件特性进行模拟计算，包括均匀周期布喇 格光栅、长周划光栅、切趾光栅、啁啾光栅、相移光栅和超结构光栅。研究 了弹光效应与热光效应对光纤光栅的影响，得到了应变与温度对光纤光栅中 心波长变化的关系公式。 讲述了光纤光敏性机理和提高光敏性的方法，对光纡载氢技术进行厂实验研 究，对普通单模光纤，多模光纤，保偏光纤，掺铒光纤，双包层光纤进行了 载氢，并在这些光纤中合作写入了不同种类的光纤光栅，包括布喇格光栅， 长周期光栅， l c 光栅，超结构光栅等。 ( ：i ) 叙述了陶内外光纡光栅传感器的发展情况，研究_ 剪应变对光纤光栅的作用 及同h 寸测量纵向应力和横向应力的光纤光栅传感器。利用掺铒光纤上写入布 喇格光栅改进了单波长光纤激光器，荠且利用偏振烧孔效应，在单波长光纤 激光器已增加f 苫4 时施加纵向应力和横向应力的调谐机构，合作制成了波长间 距和波长位铡可调谐，室温下稳定_ 1 j 作的双波长光纤激光器。 关键词：光纤光栅，载氢，光纤传感器，光纤激光器。 第i 页共6 9 页 课题来源： ( a 1 鬻家赢技豢丢秀究发疑诗翊( 酾3 司一巅) 漾题2 0 f ) 2 a a 3 t 3 1 l f 玛 ( b ) 天津市重点秘 技攻关项目( 0 3 1 0 4 0 1 1 1 ( c ) 天津市自然科学基金课题( 0 1 3 6 0 1 8 1 1 ) 论文潮闻审凑、获得豹国家笈溺专秘秀矮： 刘艳格，羲孝义，孙磊，开桂夏，冯新焕，袁树忠，熊凌云，张伟刚， 单双波可转换、波长位鼹及间隔可调的掺铒光纤激光器，中国专利，申 滚号：2 0 ( 3 1 0 1 0 7 0 6 ( 5 。2 ( b ) 袁树忠，张伟削，开棒云，董孝义，孙磊，于岭，张强，栅网式光纤微 弯传感器，中国专利，申请号：2 0 0 3 2 0 1 1 2 2 9 59 论文期翅发表掌_ 零论文6 簇，其中第一佟者3 簇( s c l 收录瑟簇，凋瓣会议一 篇) ，第：二作巍篇( e i 收录) ，第三作者两篇( s c i 收录。) ( a ) l e is u b ，x m h u a np e n g ，, v e i g a n gz h a n g e t a l b e a t i n gn e q u e n c y m u m b l ed u a l w a v e l e n g t he r b i u md o p e df i b e rl a p s e rw i t h o l l ef i b e rb r a g gg r a t i n g ，i e e ep h o t o n t e c h o t ，l c t t b ep n b l i s h e d 知i 1 # 2 0 0 4 ( s c i 收泵) ( 1 ) 1s u nl e i 、f e n gx i n t t u a n ，l i uy a h c e 、e t a lm o i r ef i b e rb i 。a g gg i a t i n gw r i t ” e 1 1o i lt 胛s t r a i ! df i b e i h ，c h i n r s ep h y s i c sl e t t e | 、s2 l ( 4 ) ：6 6 9 6 7 0 2 0 0 4 ( s c i 收 豢 f e n gx i n h u a l l ，l i uy a h g e s u nl e i ，e l , a 1 s w i t c h a b l ei ) t a l w a v e l e n g t h m o d e l o c k e de r d o t ) e d f i b r el a s e ru s i n gab r a g gg r a t i n gi n p o l a r i z a t i o n m a i 珏t e f i i l i n gf i t 姗，6 7 d n e s ep h y s i c , sl e t t e n x ，2 1 3 ) ：5 0 0 5 0 2 ，2 0 0 4 ( s c i 收录) df e n gx i l t l t 黜：l i u y a hg e ，s u nl e i 。e t a 1 ar f a t i z a t i o nc o n t r o l l e d s w i t c h d ) l em u l t i w a v e l e n g t he r b i u md o p e d f i b e rl a 玎，c h i n e s ep h y s i c sl e t t e r s ， 2 1 ( 4 ) ：6 5 9 6 6 1 2 0 0 4 ( s c l 收录) e 张德生，羚磊，董孝义，邦热臻在矜辑走纤镳溅态黄滚枣麓瀣霜，老疱 子激光1 4 ( 1 0 ) ：i 0 9 9 一2 、2 0 0 3 ( e i 源) ( f 1l e i 吼l i l ，l i n gy u q i a n gz h a n g ，瓯 a 1 m i l o b e n d o p t i c a l i 1 1 ) e l s e l l “ rf o rd i s t r i b u t e ds e n s i n ga p p l i c a t i o n i n l i p e l i n d e f o r m a t i ，n m o n i t o r i n g ， o e c c d a t m u 、 2 0 咏，a c c e l ) t e d 第i i 页共6 9 页 英文摘要 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rg la t i n gt e c h n k t u e sa r ed e v e l o p i n gr a p i d l y ，a n da t t , i 。a c t i n gl l l o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni no p t i c a lc o l l l l l l l l l t i ( 。a t i ( ) i ia l l d s e n s i n gf i e h i s t h e0 1 ) j f ! c t i 7 eo ft h i st h e s i si st o i n v e s t i g a t ea l i ad e v e h ) pt l d n i c a t i o na l i aa p p l i c a l i o nt , e e h l l i q t l e so fo p t ，i c e df i b e rg i - a t i n g m a i nc o n t e n t sa r ee l a s s i t i e ( 1a sf o l l o w s ： a l ! ) r i e fi n t i ) d u c t i o n ( fh i s t o l v ，( 1 ( ，l ( ) 1 ) i n e l l ， n i q u e so fo p t i c a lt i b e ig l a l i n gi sl 】i e s e l l ( e d t w ot h e o r ya n a l y s i sm e t h o d s t b rt i b e rg l a t i n ga i ew e l li n t r o ( b t e e d ，t h es p e c t r m np r o p e r t i e so fu n i f o r mf i b e rb r a g g g l 。a t i n g 、l o n g1 ) e l i o dg t a t ，l a g 、c h i i p e dg i a t i n g 、a p o d i z e d g r a t i n g 、p h a s es h i f tg l a t i n g 、s u p e i 。s t r t l e t t l t e9 1 。a t i n ga l e s i m u l a t e dw i t hm a t l a bs o f t w a r e s t u d y t h ei i l f h l e l l c eo fs t r a i n o p t i ca l i at h e r r e a l o p t i ce f f e c l “】o p t i c a lf i b e rg r a t i n ga n de d u c ee q t t a t i o nb e t w e e l ls t r a i n ，t e m p m a t m h l i j ( g r a t i n gw a v e l e n g t hc h a n g e t h ep h o t o s e l l s v i t yi l l e c h a n i s l l la n dw a y st oi n c r e a s ei t a r ep i 。e s e n t e d h y d r o g e ni s l o a d e di ns i n g l em o d eo p t i c a ln 1 ) e l m u l t i1 1 1 1 ) d eo p t i ( a l t i b e t p c ) i i z a t i o nn m i n t a i n i n g t i b e l ，e r d o p e dt i l ) e r ，d o u b l e c l a dt i b e r a n df i b r e 。b r a g gg i 。a t , i n g ，l o n gi ) e l i o dg r a t i n g ， m o i r eg r a t i n g ，s 1 q ) e i s i , iu c t , h l eg r a t i n ga r ew r i t t e ni nt h e s ef i b e r s t i l ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lt i b e l g t a t i n gs e l l 8 0 1 si s i l l t t o d u c e d s t ，u d yt h ei n f l u e n c eo f t o r s i o nt ) o p t i c a lf i b e l g r a li n g d e v e l o pao p t i c a ll i b e l g r a t i n gs e r l s o l f 0 is i m u l t a n e o u s l l l e a s n r e n l e l l to fa x i a la l l dl a b 、ia ls t ia i n i m p i ( n eas i n g l ew a v e l e n g t ho p t i c a lf i b e rl a s e r b yw r i t i n gf b g i l l e i - d 0 1 ) e df i b e rd e v e l o p aw a v e l e n g i ，h s p a c i n ga n dw a v e l e n g t h t u n a b l ed u a ；1 w z w e l e n g t ho p t i c a lf i b e i j a s e i k e y w o r d s ：o p t i c a lt i b e rg la t i n g ，h y d io g e nl o a d i n g ，o p t i c a lf i b e i s e i i s o i ，o p t i c a lt i b e tl a s e r 第i i i 页，共6 9 页 葵交摘要 t h ew o l ki nt i f f si h c s i sm i ) 1 ) o l t lb y ( 0 t h en a t i o ：t a lh i 一7 o hr & d p i o g r a l l ( 8 6 3p r o g r a ) 2 0 0 2 a a 3 1 3 1 0 j ( 1 ) ) t i l et i a n j i nk e 3 7t e c l m o l o g yi e , s e a r c h1 ) l o j e c t ( 0 0 3 1 0 4 0 1 i ) ( c ) t h et i a ，n j i nn a t m a l 跚i e l l c ef ( ) 1 1 1 1 ( b i t , i ( i l l ( 0 1 3 6 0 】_ 8 1 1 ) t i t e a l l t h o lh a sa p p l i e d2c h i n e s ep a t e d t s f h l s i n g l ea l l ( 1 d 1 l a lw a v e l e n g t h ss w i t , ( 。h a b l e w a v e l e n g t ha n dw a v e l e n g t hs p a c i n g t r e m b l ee 1 1 ) i iw i l l 一【l i ) o i ) t i c a lf i b e ri 。a n e l y a n g el i u ，x i a o y id o n g ，l e is u n ，e t a l ，c h i n e s ep a t e n t 。a p p l i n gn o ：2 0 0 3 1 0 1 ) 7 0 6 6 2 f b lm e s h e do p t i c a lf i b e r m i r a ) h e n d s e n s o r 。s h u z b | ( m gy l l a l t ，w e i g a n gz h a n g ， g u i y u nk a i ，x i a o y id o n g l e i s u n ，e ta l ，c h i n e s ep a t e n t a p p l i n g n o ： 2 0 0 3 2 0 1 l2 2 9 5 ! ) 0 t h ea u t h o rh a s6p a p e r sp u b l i s h e d 。3a sf i r s ta u i h o ：f 2s c ia n di n t ，e r n a i i o n a c o n f e r - e n c e ) ，1 躺s e c o n da u t h o r ( e 1 ) a l i a2 蹦 h i t da u t h o r ( s c l ) ( a ) l e is l l l l ，x i n h u a nf e n g ，w e i g a n gz h a n g 、e la 1 b e a t i n g f ie q t l e l t c yt u n a b l ed u a l - w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e d f i b e ：l t k s e i w i t ho n ef i b e rb ia g gg r a t i n g i e e ep h o t o n t e c h n o t l e t 皿) b e ) l f l i s h e d h t l l e2 0 0 4 ( s c t ) ( b 1s u nl e i f e n gx i nt t u a n ，l i uy a 1 1 c e e t ，a l m o i i ui i b e r b r a g gg r a t i n g w r i t t e no l lp r e s t l a i n e df i t e , h 、c h i n e s f 、p h y s i c sl e t t e r s 。2 1 ( 4 ) ：6 6 9 6 7 0 ，2 0 0 4 ( s c i ) f e lf e n gx i n l l u a n 。l 。lu a u lg e ，s u nl e i ，随a l ，s w i t c h a b l ed u a l w a v e l e n g t , h m o d e l ( 1 c k e d e r d o p e ( i f i b r el a s m u s i n gab r a g gg r a t i n gi np o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b r e ，c h f n e s ep h y s i c sl e t t e r s 。2 1 ( ：j ) ：5 0 0 5 0 2 ，2 0 0 4 ( s a ) f d lf e n gx i n ，h u a n ，l i uy a ”o e ，s u nl e i 、e t ，a l 。ap o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e d s w i t c h a b h ! m l l l “w a v e l # i 磴“1e l 。b i u m d u p e df i b e l l a s c r ，c h i n e s ep h y s i c sl e t t e r s ， 2 l ( 4 ) ：6 5 9 6 6 1 ，2 0 0 4 ( s c ) f e a p p l i c a t i o ni ) ft h ep o i n ( - 村ps p h e r ei na n a l y z i n g p o l a r i z a t i o ns t a t et r m s m i s s i o n i no p t i c f lf i b e l ，d e s h e n gz h a n g + l e is u n ，x i a , o y id o n g 、j o m n a lo fo p t o e l e c t r o n - i c s l a s e r ，1 4 ( 1 0 ) ：1 0 9 9 1 1 0 2 ，2 0 0 3 ( 脚) ( f ) l e is t m ，l i n gy 1 1 ，q i a n gz h a n g e t a lm i e r 0 1 ) c 1 i ( 1 o p t i c a l f i b e rs e n ” s 。f 矗) | xd i s t li b u t e d s e l l s i l l ga p p l i c a t i o n i n p i p q i n e d e l b r n ：a 。t i o n n ：o n i t o r i n g ， o e c c 。d a p a r t 2 0 a c c e p t e d 第i v 贾，凝6 9 页 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南开大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名 日期 导师签名： 日期 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 签名日期 第一章引言 1 1 光纤光栅简介 第一章引言 必野兜撵是在竞纾瘫建立的一耱空阉援期救援象率分纛，冀捧爱在予浚整袋控翻巍 在该区域的传播行为与方式。光纤光褥是一种新型的光无源器件，具有制作简单、造价 低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、并易于同光纤系统兼容集成等诸多优 点，所以近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到 人们静燕视，取得了令人瞩强的成就。随着光野光掇技术的瓣臻成熟，基予光纤光栅的 嚣秘竞子学器件翔瑟爱春笋觳溪瑶毽来，懿壳绛激光器、光绎滤渡嚣、燹纤波分复瘸释 解复用器、光纤光栅色散补偿器等。尤其是它嬲于集成的特性，使得全光纤一维光子集 成成为可能，从而程促进光子学乃至信息科学的发展中显示出越来越重要的作用。普遍 认为光纤光栅的研制成功是继掺锊光纤放大器( e d 导a ) 之后在光纤领域的又一重大技术突 疆，势壤或麦毙纾遥售发震史上熬又一令里程礴。夔者社会鳃发震，及务矮技术承平豹 程商，毙纤竞褥必褥在来来社会璺发挥越来越熏黉的作魇。 1 2 光纤光栅的历史发展 1 9 7 8 年，热拿大熊h i l l 等人黄次鼹察到掺镄必纾中因光诱母产生竞褥鹣效应，缝们 雳4 8 8 n m 氩离子激光程竞纤中产受虢波干涉条纹，导致纤芯轿射率潘辘囱形成周期洼徽 扰，制成了世界上第一只被称为”h i l l 光栅”的光纤光栅“1 ，开创了光纤光栅研究与应用的 先河。但由于这种光栅的入射效率低及其响应波长受激光写入波长限制等因素的影响， 在相当长约对橱里，这一极具开发潜力的光予嚣传及其制亍# 技术，没有得列人们的足够 重巍。 1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人发嘴了紫外光侧面写入光敏光栅的技术( 紫外侧写技 术) 9 l 。这项技术不仪有效地提高了光纤光栅的骘入效率，而凰还可以通濑改变两束相干 光的夹角对光纤光栅的波长进行调控，为光纤光栅的实用化开辟了一条可行之路。从此 各窝对光绎光掇的礤炎飞速开震熬来。 1 9 9 0 年，h a n d 和r u s s e l l 提出穗心模型潮。涎纤静免敏一陡建光棰写入党纤蘸蓠提条 件。为此，人们提出了一些理论模型，而色心模型是其中般有影响的一个。该模型搬 出：g e 掺杂光纤中形成的色，5 , g e ( 1 ) $ i g e ( 2 ) 的吸收中心在紫外波段，这就导致了g e 掺 杂光纤在紫外区的吸收光谱。该模型的合理性在a t k i n s 等人的吸收带实验与k r a n l e r k r o n i n g 关系诗冀鼹魄分辑弼、竞攘写入毙纾每经毫澄攘除纛夔毙缍光敏链瓣毙实验9 中 得到了证明。 1 9 9 2 年，b a l l 等人首先发现在1 5 5 0 m n 附近，光纤布喇格光栅的波长随其轴向机械拉伸 应力的变化呈线性关系，其调谐瀵率约为1 2 n m m m ”，他们将该技术用于光纤激光波长 毂调落，在光纤的定谗应变范围魂，获褥了l o n m 左右的波长调谐量。该发现意义重大， 促使人们不舞探索赣鬏豹毙纾竞撵波长调谐方法，磺发薪登瓣鬼子器 譬接零，鼹瑟导致 了光纤通信与光纤传感系统的迅獭发展。 1 9 9 3 年，为了撮高光纤光敏性，l e m a i r e 等人提出了一种简单而有效的方法一低温商 压载鬣技术州。这是继在光纤冉掺杂离子使其内在地提高光纤光敏性之后，酋次通过外在 方式残凌逮疆高光绥竞敏牲豹黎鲷。该瑷技拳毽使巍绥静党皱毪提高近鼹个数量级，溺 第1 页，共6 0 页 一= ! ；! 耋堑耋塑墼黧叁 时亦_ i 可大幅度降低光纤光栅的制作成本，为猩普通光纤上露作高反射攀的光纤光栅提供 了技术瀑涯。 1 9 9 3 年h j i 】等入提出了使稷撼模写入技术“，茈项接术主要衬用紫摊兜透过位糯撩模 板盾的士1 级衍射光形成的干涉光对光纤曝光筠入光栅。该技术使光纤光栅的制作更加具 有灵活性并使批爨生产成为可能，已经成为当今世界上制作光纤光栅的酋选技术。颥应 变调谐技术”的提嫩，使缮嗣一个位相掩模写入不圃波长的光纾布喇格光栅成为可麓。 1 9 9 3 年，j a c k s o n 等人提奎了基于平符眸残懿走终蠢喇穆光凝w d m 蕹癸络 构”，在光纤光栅复用技术的研究与_ 陂朋方面率先迈出了第一步。从此，诸 如t d m ”“、s d m ”“、c d m ”“等复用技术、以光纤光栅为基元的各种拓扑结构以及它 们的各种组合形戏与网络系统滕出不穷，极大地推动了光纡光栅在光纤通信及光纤传感 矮域戆应舞步伐。 1 3 光纤光栅的分类 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据物理机制的 不瓣霉分为 虫刻光壤嚣辑惹事调测酌位趣必拯嚣类。前蠹程残掇过程中楚党纤的结擒出 蕊嘲驻鲍物理捌蒗，后者主要程纤芯中形成辑瓣率周期瞧分布。銎蓠，无论瘸子磺发还 是工程实用，后糟均占主导地钕。因此，通常所说的光纤光栅指的是后者“”。 根据引起折射率变化的起因的不同， 兜藐量密度、瀑走籍重闻、热稳定性、 可分为l 囊、l | 鍪帮壤黧光纾毙糖。 用于光纤光栅的实际制作技术之中。 即沌纤光栅成栅机制与光敏机理的差异，从激 鼹辕损耗、材料擒戒、掺杂浓发等因素考虑， 逮释分类方式淀麓毙纾竞橙写入静承霹，圭簧 ( a ) i 型光纤光栅：由述续或者能量较弱的多个脉冲激光，在掺镄浓度较低的光敏 竞纤中产生局部缺蹈l 起折射率变纯丽形成，燕折射率一般在l o - 5 l o 川之 闻，友瓣率可瑷这到匿分之冗一 ，爨有较理想豹透舞谱，溃足蠢寮疆条箨越 短波侧没有明显的藕合损耗，熟稳定性较差，超过3 0 0 6 c 时可导致光栅的擦 除。 ( b ) i i 型光纾光栅：由能麓密度很高的肇脉冲激光瞬间释放超过玻璃熔点的热爨造 戏纾蕊鞠包瑟爨嚣摄爨瑟形成“，葵辑嚣率交他爨这1 0 3 1 0 4 数量级，爨有 很强的龟层或辐辩横损耗，对蓝、绿光不敏感，满足布喇椿条件对反射谱矮渡 一侧有很强的传输损耗，带宽大( 1 5 n m ) ，热稳定性很高，w 达8 0 0 o c 。 ( c ) i l l 型光钎光栅：对i 烈光栅进行谶照曝光( 5 0 0 m j c m 2 ) 产生了型光栅， 亦可馊蹋球狰或连续曝光在掺锗浓度高、纤芯小豹光敏光纤中写成。与i 型光 撩帮l l 篷惫撩馥显不辩的是，萁啻荦瓣率蘧曝毙鬃戆增鑫羹呈受臻长趋势e 掇爨光 栅的濑度稳定性介予i i 型光栅与i 挺光栅之闻，谯5 0 0 。c 内稳定性较好。 国根据折射率变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折簋寸率调制深度分布 是否均匀，可穆其分为均匀光纤光搬暑l l 非均匀光纾光搬两太基本类型。规定：翁耆 斡撵穆簿麓与辨袈率调翩深疫均巍鬻数，露蠢者豹耱格鬓裳与援麓率蠲割瀑凌= 誊 必有其一不为常数。在眈基础上，考虑到光栅周期的大小、折射攀分布特性及波矢 方向等因素，则可以衍生出结构多变、性能各异的光纤光栅变型躐组合。这种分类 方式侧重光纤光栅写入的结果，主要用于光纤光栅肖源与无源器件的设计与研发实 掰领域。 第2 页，懿6 9 页 第一章引言 ( a ) 均匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光 纤光栅。从光栅周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典 型代表有光纤布喇格光栅、长周期光纤光栅和闪耀光纤光栅等。 i 光纤布喇格光栅“：栅格周期一般为1 0 2 n m 量级，折射率调制深度一般 为1 0 - 3 1 0 ，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。这种光纤光栅具有较 窄的反射带宽( 一1 0 _ 1 n m ) 和较高的反射率( 一1 0 0 ) ，其反射带宽和反 射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以灵活地调节，这是最早发展 起来的一类光纤光栅，目前在光纤通信及光纤传感领域应用极其广泛。 i i 长周期光纤光栅“：栅格周期远大于布喇格光栅的栅格周期，般为几十 到几百微米，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。与光纤布喇格光栅不 同，长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，它不是将某个波长的光反 射，而是耦合到包层中损耗掉。这种光纤光栅除具有插入损耗小、易于 集成等优点外，还是一种性能优异的波长选择性损耗元件，目前主要用 于e d f a 的增益平坦和光纤传感。 濉闪耀光纤光栅“：与光纤布喇格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光纤轴 线方向有一定的交角。这种光纤光栅不但能引起反向导模的耦合，而且还 能将基模耦台到包层模中辐射掉。这种宽带损耗特性可用于铒光纤放大器 的增益平坦。对交角很小的闪耀，可做成模式转换器，将一种导模耦合到 另一种导模中。 f b ) 非均匀光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。从 栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾 光纤光栅、分段啁啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 i 线性啁啾光纤光栅“：栅格周期沿纤芯轴向在整个区域内单调、连续、准 周期线性变化，折射率调制深度为常数。这种啁啾光纤光栅可视为仅对光 栅周期进行线性调制的情况。 i i 分段啁啾光纤光栅”：栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、准 周期线性变化，而折射率调制深度为常数。 这两种啁啾光纤光栅具有的共同点是：反射带宽远大于均匀周期光栅的带 宽，可达几十纳米，主要用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 i i i 非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅( 布喇格或啁啾光 纤光栅) 的栅格周期或折射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的 啁啾光纤光栅。典型的有如下几种： a 相移光纤光栅9 “：这种光纤光栅可视为光纤布喇格光栅、长周期光纤光 栅或啁啾光纤光栅的栅格周期被函数调制的结果，而折射率调制深度不 变，实际上是在某些特定位置( 一点或若于点) 引入间断点使光纤光栅 的折射率空间产生不连续分布，亦即若干个周期性光栅的不连续连接结 果，其中的每个间断点都会产生一个确定的相移。其主要特点是：可在 周期性光栅的光谱阻带内打开若干个透射窗口，使得光栅对某一波长或 多个波长有更高的选择度。利用相移型光纤布喇格光栅可以构造多通道 滤波器件，通过选择合适的相移位置与相移量制作的相移型长周期光纤 光栅，可用于e d f a 的增益平坦，它们在光通信及光谱分析等研究领域 具有很高的应用价值。 第3 页，共6 9 页 = = = = = = = = 一! ! 兰耋堑煮塑墅童茎壅 b 超结构光纤光栅“。这种光纤光栅可视为布喇格或啁啾光纤光栅的栅格 周期放方渡函数调铡躲结果，两掇射率调裁深度不变，其反射谱其有一 缓分囊熬反鸯| 峰。国党纤毒喇穰纛糖调截面残戆麓结构先纾必饔，萁反射 谱的波长间隔相等，谯梳状滤波器、多波长光纤激光器及光纤传感领域具 有应用价值；由啁啾光纤光栅调制而成的超绒构光纤光栅，在波分复用 通信系统中的色散补偿方面具有潜在的应用价饿，用一根这种超结构光 纾光掇霹实现多信邀鹩嗣嚣色散枣 偿。 c t a p e r e d 灌；纾光褥8 “：这种光纾沌橱可视为兜纾布喇格光褥酌折射率调 制深魔被特定的函数( 如正弦或余弦函数的平方) 调制的结果，而栅格 周期不变。根据实际需要，通过激变调制函数及有关参数可控制其反射 谱的形状。常见的鸯慧斯分布型及芷弦调制型，翦者被用予鹰到光栅反 瓣谱戆透瓣速行色毅蛰嫠效象，磊者旋矮予毙纾繇形整激光器产生多 波长激光输出。 dm o i r 6 光纤光栅”：即摩尔光纤光栅。这种光纤光栅可视为光纤光栅 ( 布喇格或啁啾光纤光栅) 的栅格周期与折射率调制深度被特定函 数( 如正弦或余孩瓣数) 共丽调镬兹结累，筵辑麓率分农是一秘具 有漫变包络的侠交缭构。醒o i 砖搬纡光掇有京嘲格m o i r 6 光缯光褥与稠 啾m o i r 6 光纤光栅之分，其制作方法是采用两个具有微小周期差异的紫 外条纹，对光纤同“位置进行二次曝光。m o i r 6 光纤光栅的谱特征是在 反射带中开一个很密的透射窑口，实际上相当予一个相移光纤光栅，在 滤波嚣、色教 楼及遴道选舞器铃穷瑟其骞费转地应嗣蔫景。 此外，还稳取样光绎光栅、t o p h a t 光纤光栅9 0 簿。 1 4 光缀光栅制作技术 鑫1 9 7 8 年入餐蕾竞在掺锗毙纾中戏瑰速写入巍纾惫器嚣，巍跨党撼静豢l 镩燕式齐魏。 至e 1 9 8 9 年横向干涉法出现至今，光纾光栅制作技术已取得飞跃逃展，已研发出了多种写 入方法与实用技术。目前，采用适当的光源( 紫外光源或c 0 2 激光器等) 和光纤增敏( 掺 杂光纤或满压载氢) 技术，几乎可以在各种类型的光纤上程度不同地写入光栅。总体而 言，行之露效瓣方法可分必三大类：予涉写入法、遴点写入法及缝舍写入法5 。 干涉霹入法 ( a ) 驻波干涉法：亦称纵向驻波法或内部写入法，由h i l l 镣人首先发现”1 。成栅机 制：注入光纾灼入射光和从光纤另一端灏返回的反射光在光纤内形成的驻波， 缝过一定对阙曝光磊镬纾蕊瓣叛菇搴形液震襄性分毒。饶蠢：装嚣骏筵荤，操 作要求低。缺点：光栅波长与写入波长一致，成栅单受限。应用：可制作光 纤布喇格光栅，但此法目前已很少采用。 f b l 全息相干法：亦称横向干涉法或外侧写入法，由m e l t z 簿人最早发现。成栅机 制：嚣素振龌分索熬掇于必在走纾中曝必，走予涉产生麓餍翘蛙党强分毒使纾 蕊的折射率澎成周期性分帮。优点：激光能量低，掰炭活选择光褫波长。缺 点：对光源的空间相干性、时间相干性及周围环境要求很高。应用：一般可制 作光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅。使紫外侧写光柬与光纤轴不完全垂直可 制作闪耀光纡光栅。在均匀周期干涉条纹中对弯曲光纾或对锥形光纤进行曝 第4 页，共6 9 甭 第一章；l 言 光，可制作啁嗽光纤光栅。此法目前使用不多，有分振幅法与分波阵顾法之 分1 2 ”，l “。 ( c ) 模板衍射法：育稻便掩模法与振骥掩模法之剐。 i 搁位掩模法：亦称相位光栅衍射相干法，由h i l l 等人最早提出9 i 。成栅机 制：入射的紫外光经相位模板宝间调制，在模板后形成不同周期的衍射条 缎，使纾芯的攒瓣率形成周期性分布。优点：稳定，璧笈性好，对光滚的 鞠于性要求较低，适予大援禳生产；浚赢；每浃模板哭缝铡作霾定( 袋穰 肖差异) 周期的光纤光栅，髓须严格控制相位模板的襄蚀深度和占窝比， 高质量的模板造价高。应用：主要用于制作光纤布喇格光栅。此法瞬前广 为采用且最有发展潜力，霄接触式与非接触式两种成熟的制作技术。相位 摸叛复裁对与必纾盛一续斜热，可喜捧嚣均匀周期光经毙撵( 鲡稠嗽光纾 毙糖) 。 i i 振幅掩模法：亦称振幅光栅衍射相干法。成栅机制：紫外光入射到振幅模 板后，经过一个光学系统将振幅模板图像精缩并成象子光纤上，使纤芯的 撕射率形成周期性分布。优点：与相位撼模法相比，模投制作相对简单， 袋鞫 弱蘩大。缺点：无法裁幸# 窭一除爱鸯雩渡位于1 5 5 0 i 糯瓣透戆走绎露溺捂 光栅，对光学系统要求很商。应用：适合予长周期光群光栅的制作。 ( 薹：) 逐点写入法：亦称点点写入法。成栅机制：将聚焦激光束投射到由精密机构掇制位 移的光纾，通过轴向移动对光纤曝光，使纤芯的辑射率形成周期性分布。优点： 灵活矬蠢，宠疆参数( 长度、周期获辑葑辜轮露) 霹调控，遗j l 予在线写入。缺 点：需要簸杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，光栅制作耗时长，成糖效率 较低；与振幅掩模法相阉，无法制作出一阶反射波位于1 5 5 0 r i m 附近的光纤布喇格光 栅。应用：原则上利用该方法可以制作出任意长魔的光栅，也w 以制作出极擞的高 反骞于率光纾光拇。受步遴电机及其传动机构精度的限制，一般只髑于长周期光纤光 撵豹裁僚，是发震蘸途鸯鳄蘸成穰方法，器蓠基鸯鏊渡写入式黟港渡写入式瓣秘方 式，。 组合写入法：将前述备种方法与写入装置进行有机组合，同时考虑光源性质殿光纤 的制季# 与连接等因素，可以制作结构丰富、形式多榉、性能优辨、供需满意的光纤 蠢掇。缀麴缩撵薅，主娶育麴下尼穗； f a l 两次曝光法9 “：基于相位掩模法。首先，用一不透光挡板沿光纤轴向匀遵( 或 非匀速) 移动，同时用均匀紫外光对光纤曝光，形成一个渐变的折射率梯度； 然爆，再通过相经模扳在第一次曝光区域上霹入周期均匀的光栅。该法适用于 吝秘类鳖稠嚷巍纾强耱豹裁佟。 ( b 1 变逊曝光法阻1 ；纂予相位掩模法，通过曝光光荣的输出功率控制及变速扫描相 位模板以控制纤芯折射率分布的包络变化。该法适用于非均匀特种光纤光栅 ( 女h t a p e r e d 型、m o i r 6 型等) 的制作，但曝光光束的输出功率及扫描速率须精 确潺控。 ( e 1 外场作臻法：基予相位掩模法，健在曝光对嗣时对芯径筠匀光纤( 或锻形) 施 加外场( 如应力拙伸与弯曲、力矩扭曲、温殿变化等m l t ”) 以控制纤芯的折射 率分布。该法适用于多种结构的非均匀光纤光栅的制作，假外场的施加与分布 须精确调控。 第5 蒜，共6 9 页 ( d ) 在线写入法”“：是全息相干法与逐点写入法的有机组合。在光纤拉制过程且纤 芯未包层之前将光栅写入光纤。改变脉冲激光功率、干涉光束的交角及光纤拉 制速度，可灵活地调控光栅参数。该法对大批量生产光纤光栅及在同一根光纤 上制作光纤光栅阵列具有重要的应用价值。 ( e ) 刻槽拉伸法”“：首先用精密切割机对光纤进行周期性机械刻槽，然后用氢气火 焰对v 型槽区域的光纤进行拉伸退火，导致纤芯折射率的周期性变化。该法适 用于制作长周期光纤光栅，对机械加工的精度要求较高，目前很少被采用。 ( f ) 透镜阵列法”：设计一种相互无间隙的微透镜阵列，将一平行的宽束准分子激 光聚焦成平行等间距的光条纹投影到单模光纤上，使纤芯折射率呈现周期性变 化，光栅周期由微透镜之间的中心距离决定。该法可快速制作布喇格及长周期 光纤光栅( 一1 0 s ) ，但微透镜模板的制作非常困难。 ( g ) c 0 2 激光写入法1 ：采用1 0 6 t m 自由空间c 0 2 激光器对光纤直接曝光并辅以计 算机平台控制，可制作周期不同的长周期光纤光栅。该法无须紫外光，光纤亦 不用载氢处理，具有良好的应用前景。 目前，作为商品的光纤光栅，其典型的技术数据如下：中心波长；1 5 5 0 r i m ；波长准确 度：0 2 n m ：反射率：0 9 9 ；带宽：( ( 0 1 一o 2 ) 士1 0 ) n m ：插入损耗： ol d b 。 1 5 光纤光栅的应用 光纤光栅作为波长选择的一种反馈器件，因其结构多变而具有的各种优异性能，使 其在激光器、光纤传感及光纤通信等领域扮演了独特而十分重要的角色。目前以光纤光 栅为基元研发的各种光子器件称为纤栅式光子器件“，此类器件正在成为新一代信息产 业发展追求的热点，其应用领域的扩展及辐射效应在现代社会中日益突显。随着光纤光 栅技术的不断发展，形式多样、性能各异的纤栅式无源和有源器件不断出现并逐步商品 化。 纤栅式激光器 利用光纤成栅技术在掺铒光纤上写入两个中心波长相同的光纤光栅构成f a b r y _ p e r o t 谐振腔( f p 腔) ，两光栅之间为激光增益介质，用9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 波长的泵 浦激光激发，铒离子就会对激光产生增益放大，其输出波长由光纤光栅的中心波长 决定。将光纤布喇格光栅与其它光无源器件( 如耦合器、隔离器及增益介质) 结 台，可构成多种类型的纤栅式激光器嘲，畔1 4 。目前，诸如线性腔、环行腔、波长调 谐式、分布反馈式等多种结构的纤栅式激光器已经面世，其中部分已经商用化。纤 栅式激光器的优点在于光纤光栅的兼容性。与半导体激光器相比，其输出稳定性及 光谱纯度都较好；与二极管激光器相比，则具有较高的光输出功率、较低的相对强 度噪声、窄线宽、可调谐。这些优良的性能，使其能够很好地满足大容量光通信系 统对光源的要求，在单纵模稳定输出阻1 、超短光脉冲的产生”“，m 1 等方面具有广泛 而重要的应用。在光纤传感滤波解调技术中，可调谐光纤激光器正在发挥着重要而 独特的作用。 ( j ) 纤栅式传感器 光纤光栅传感机制是：将光输入光纤光栅时，满足布喇格条件的光将发生反射t 反 射( 或透射) 光谱在布喇格波长处出现高峰( 或低峰) 值。当光纤光栅受到外场 第6 页，共6 9 页 筹一章；l 言 ( 如应力场、温度场等) 作用时，其栅格周期或有效折射率会发生变化，从而引起 光栅反射( 域透射) 波长的漂移。根据这个特性，人们已研制出基于布喇格、长周 期、啁啾、趣结构等多种结构的纤栅式传感器，通道检测光纤光栅波长的漂移量或 带宽变化爨，可以推测出待测物蠼场的状态。晷蔚，您报道的纾掇式传感嚣可以检 测瓣携瑗爨窍：瀣度、应交、液力、位移、压强、援焦、整矩( 援应力) 、热速 度、电滚、壤篷、磁场、频率、浓度等。麦子光绎瓷疆雩管秀传惑元锌县蠢俸积小、 柔韧性好、抗电磁干扰、耐高濑、抗腐蚀、适用于繇劣环境等优良特点，特剐是多 个光纤布喇格光栅可级联复用，使其在传感领域必将成为一类极具竞争力的传感手 段【”i 。 纤拇式遥翁器件 走绎光掇终为您纾逶售系统躲攀零元终，在竞纾遗辔系统孛毒萋广泛 瓣整要兹应 用，主要蠢如下几个方蟊： ( a ) 带通带阻滤波器 光纤光栅本身是一一波长选撩器，其反射率最高可接近1 0 0 ，反射带宽调谐范围 可从0 ，0 2 8 r i m 到4 0 n m