（无线电物理专业论文）相移长周期光纤光栅透射谱特性研究.pdf

上j l l 人学硕士学位论文 摘要 长周期光纤光栅( l p f g ) 是近年来出现的一种新型光无源器件它将光纤 纤芯中传输的特定波长的导模的能量耦合到包层模中去，通过对包层模的传输 损耗来实现滤波。l p f g 具有全光纤、体积小、无后向反射，且易与其它光通 信器件集成和连接等独特的优点，在光纤通信和光纤传感领域都具有重要的价 值和应用前景，是近几年来人们研究的热点之一。研究长周期光纤光栅，特别 是具有广泛用途的二作均匀长周期光纤光栅，对于光纤通信和光纤传感的发展具 有重要意义。 本文从耦合模理论出发，运用传输矩阵法研究了长周期光纤光栅，尤其是 相移长周期光纤光栅的透射谱特性。沦文主要包括以下几个方面的内容和结果： ( 1 ) 研究了长周期光纤光栅的耦合模理论，介绍了l p f g 的模式间的耦合及其 耦合模方程，对均匀l p f g 的频谱特性进行了数值模拟和分析。 ( 2 ) 研究了啁啾l p f g 定性地阐述了引入啁啾对l p f g 透射潜的影响。通过将 两个相同的均匀l p f g 级联，研究了取样l p f g 的特性，给出了相邻信道 波长州隔与取样l p f g 参数的表达式。通过选择合适的参数，给出了i ，应 用于c w d m 和d w d m 系统的取样l p f g 结构。 ( 3 ) 详细研究了相移l p f g ，数值模拟了引入单个、2 个以及多个相移的相移 l p f g 的透射谱，分析了引入相移个数、大小及引入位置对l p f g 透射谱的 影响。对于引入单个相移的l p f g ，通过选择合适的参数，阐述了其在e d f a 增益平坦i ：的电吲。对于引入2 个相移的l p f g ，通过分析选定了合适的 参数c ，得到了具有平坦通带的滤波器。分析了引入多个7 相移的l p f g 透射谱结构和通带宽度与相移个数的关系。发现引入多个丌相移的相移 l p f g 具有个通带、两个阻带的滤波特性，两阻带问距，即通带带宽随 引入z 相移个数的增加而增加，二者近似为线性关系，可以根掘设计要求 调碴引入相移数量得到理想的滤波器。但阳阻带之间及两侧均分布有一定 数员的努瓣，h 旁瓣个数也随引入z 相移个数的增加而增加，两者之洲差 值始终为1 ： v 上街，、! 可! 1 学 电论文 ( 4 ) 运用折射率 b j j l l - r h 法对相移l p f g 透射谱进行了切趾优化，并提出了一种 新颖的长度切趾方法，二者进行了比较。分析表明，长度切趾方法切趾效 果良好，并且为切趾相移l p f g 的实际制作带来了方便。 关键词：耦合模：传输矩阵：长周期光纤光栅：啁啾：取样：相移：切趾。 a b s t r a c t l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p f g ) i san e wo p t i c a lp a s s i v ed e v i c ea p p e a r e di nr e c e n t y e a r s l p f gc a nc o u p l et h ec o r e - m o d ep r o p a g a t i n gi nt h ec o r eo ft h ef i b e ri n t ot h e c l a d d i n g - m o d e s d u et ot h ec l a d d i n g - m o d e s t r a n s m i u i n gl o s s ，l p f gw o r k sa sa n o t c hf i l t e r l p f gh a sm a n yu n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha sa 1 1 f i b e r - s t r u c t u r e s m a l l s i z e ，n ob a c k r e f l e c t i o n ，a n dc a nb ee a s i l yi n t e g r a t e do rc o n n e c t e dw i t ho t h e ro p t i c a l c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s l p f gh a sm a n yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n sb o t hi nf i b e r c o m m u n i c a t i o n sa n df i b e rs e n s i n gs y s t e m s ，f o rw h i c h ，l p f gb e c o m e so n eo ft h e r e s e a r c hf o c u s e so fp e o p l e r e s e a r c ho n l p f g , e s p e c i a l l yo nm o r e u s e f u l n o n u n i f o r ml p f g s u c ha s c h i r p e d ，s a m p l e da n dp h a s e s h i f t e dl p f g s ，i sv e r y s i g n i f i c a n tf o ro p t i cc o m m u n i c a t i o na n do p t i cs e n s i n g i nt h i st h e s i s ，b a s e do ht h ec o u p l e d m o d et h e o r ya n dt r a n s f e r - m a t r i xm e t h o d ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o n u n i f o r ml p f qe s p e c i a l l yp h a s e s h i f t e dl p f ga r es t u d i e d t h e m a i nw o r ki sd r o 、r i d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nc o u p l e d m o d et h e o d ，t h ec o u p l i n go fc o r e m o d e sa n dc l a d d i n g m o d e s a r ei n t r o d u c e d c o u p l e d - m o d ee q u a t i o n sa r eg i v e na n dt h ep a r a m e t e r so fl p f ga l e c a l c u l a t e d t h es p e c t r u mo fu n i f o r ml p f ga r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ( 2 ) c h i r p e dl p f gi ss t u d i e da n dt h ee f f e c to fc h i r pf o rl p f g ss p e c t r u mi s q u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d b yc a s c a d i n gt w os a l n eu n i f o r ml p f g , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s a m p l e dl p f ga r es t u d i e da n dt h ee x p r e s s i o no i c h a n n e ls p a c i n gw i t hs a m p l e d v l ：海人硕士学位论文 l p f gp a r a m e t e r si sg i v e n b ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r s ，t h es p e c i a ls t r u c t u r e so f s a m p l e dl p f gf o rc w d m a n dd w d m a p p l i c a t i o n sa r eo b t a i n e d ( 3 ) t h ep h a s e s h i f t e dl p f gi ss t u d i e di nd e t a i l s p e c t r ao fl p f g sw i t ho n e t w oa n d m u l t ip h a s es h i f ta r ec a l c u l a t e da n de f f e c t so fp h a s es h i f tn u m b e r m a g n i t u d ea n d l o c a t i o nf o rs p e c t r aa r ea n a l y z e d f o rl p f gw i t ho n ep h a s es h i f t ，b yc h o o s ep r o p e r p a r a m e t e r , i tc a nb eu s e df o re d f ag a i nf l a t t e n i n g f o rl p f gw i t ht w op h a s es h i f t b ya d j u s t i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e rc ab a n d p a s sf i l t e rw i t hf l a t - t o pi so b t a i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl p f gw i t hm u l t i 万p h a s es h i f ta r ea n a l y z e di nd e t a i l i ti s f o u n dt h a t m u l t i 万p h a s e - s h i f t e dl p f gi s af i l t e rw i t ht w os t o p b a n d sa n do n e p a s s b a n d a n dt h ep a s sb a n dw i d t hi n c r e a s e sl i n e a r l yw i t hn u m b e ro f 万p h a s es h i f t s e v e r , ds i d em o d e sa r ed i s t r i b u t e db e t w e e na n do u t s i d eo ft h et w o s t o pb a n d s a n di t s h u m b e rd e p e n do nt h ep h a s es h i f tn u m b e r ( 4 ) i n d e xa p o d i z a t i o nm e t h o da n dan e wl e n g t ha p o d i z a t i o nm e t h o da r eu s e dt o o p t i m i z et h et r a n s m i s s i o ns p e c t r ao fp h a s e s h i f t e dl p f g s t h eg o o de f f e c ta n d e a s i l yr e a l i z a t i o no ft h en e wl e n g t ha p o d i z a t i o nm e t h o dc a nf a c i l i t a t et h ef a b r i c a t i o n o f p h a s e s h i f t e dl p f g k e y w o r d s ：c o u p l e d - m o d e ；t r a n s f e r - m a t r i x ；i , o n g p e r i o d f i b e r g r a t i n g ( l p f g ) c h i r p e d ；s a m p l e d ；p h a s e s h i f t e d ；a p o d i z a t i o n v l 海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨筵：姿日期：! ! ：! ：1 7 本论文使用授权说明 本人完全了解一卜海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阋：学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至焦塑导师签名：韭日期：璺划 上海大学颂十学位论文 第一章绪论 1 1 光纤光栅的发展 以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在二十世纪后、 叶至今的几十年里日新问异，极大地推动了人类社会进步。光纤通信是信息社会 的支柱，是“信息高速公路”的骨 二网，也是世界通信建设今后发展的主体。借 助于低损耗、大带宽的特性，光纤成为了现代通信网络中的最佳传输媒质己将 通信系统的传输容量扩展了几个数量级。光纤传感以其灵敏度高、成本低、体积 小、能埋入工程结构、操作简便的特点在传感领域越来越倍受关注并得到广泛应 用，使得智能结构成为可能，极大地改变了人们的生活方式。 近些年，一种可以在光纤中制作光栅的新技术引起了人们极大的兴趣，这是 因为光纤光栅的出现不仅给光纤通信技术和光纤传感技术而且给相关领域带来 了又一次里程碑式的革命，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光有 源无源器件和智能传感器。光纤光栅技术的出现将是光纤通信领域继光纤放大 器之后的又个重人事件。正如权威人士所指出的：“光纤光栅的出现迫使人 们彳i 得不重新考虑光通信系统中的每一个设计，将来光通信系统中如果没 有光纤光栅就如同传统光学系统中没有镜片一样难以令人胃信”。 光纤光栅的研究最初主要集中在光纤确拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ： f b g ) 。自从加拿大通信研究中心的h i l l 等人【2 i 在1 9 7 8 年首次利用驻波法在掺 锗光纤中研制出世界上鹅支永久性的实现反向模式问耦合的光纤光栅光 纤布拉格光栅以来，对其研究与应用得至0 了很大的发展。驻波法义称内部写入法， 该力法写入的光纤光栅的反射率可达9 0 以上反射带宽可小于2 0 0 m h z 但 是由j 二需要特制的掺锗光纤，且要求掺锗量高，芯径小，凶此其实用性受到限制。 1 9 8 9 年荚圜东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人1 3 1 提出了用两束十仃 干的紫外光形成的 二涉条纹侧而曝光氢载光纤弓入光纤布 格光栅的横向全息 成栅技术，相对f 内部写入法该方法又称为外侧写入法。与h i l l 提出的驻波写 入法相比m e l t z 的横向全息成栅技术足一个很大的进步，通过选择激光波长或 改变两束相。f 光之间的夹角可以住任何感兴趣的可用波段写入光纤布拉格光栅， 使制作的光纤布拉格光栅只有潜在的使用价值。但是，这种写入方法对光源和周 上两大半l i j i 十位论文 围环境的稳定性要求较i 苛，并且对光源的相干长度要求很严格，因此实用起来也 比较困难。 1 9 9 3 年，h i l l 等人1 4 1 又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹 曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，使得光纤光栅真正走向实用化 和产品化。陔力法的个很大的优点是写入光栅的周期仪仅取决j 二相位光栅周期 而与辐射光的波长无关，因此这种方法对激光光源的相干性要求大大降低，使采 用低相干光源写入光纤光栅成为可能。相位掩模法是目前为止最成熟的光纤甸拉 格光栅写入方法，该方法降低了写入装置的复杂程度、简化了光纤光栅的写入过 程、并且对周围环境的要求大大降低，这使得大规模批量生产光纤光栅成为可能， 极大地推动了光纤光栅的理论研究及其赴光纤通信和传感领域中的应用。 目前周期为几十至几百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅 ( l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ：l p f g ) 得到了人们越来越广泛的重视。实际上能够 实现f 向模式问耦合的剧期较长的光纤光栅在九十年代就己出现，它被川于实现 多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换【5 , 6 1 。然而现在通常意义上 的纤：卷艇模耦合到同向传输的包层模的k 周期光纤光栅是由a t & t 贝尔实验室 的a m v e n g s a r k a r 等人【7 l 于1 9 9 6 年用紫外光通过振幅掩模板照射氢绒硅锗光 纤首先研制而成的，这标志着长_ 【i l 期光纤光栅的诞生。1 9 9 6 年b h a t i a 等人1 8 j 详细研究rk 周期光纤光栅的各种特性，提出了其在通信与传感领域中的应用。 丁e r d o g a n 【9 o j 于1 9 9 7 年相继在l i g h t w a v et e c h n o l o g y 和o p t s o c a m a 发表 两篇论文从模式耦合的角度深入研究了长周期光纤光栅的光谱特性，从而奠定厂 长周期光纤光栅的理论基础。1 9 9 8 年d d d a v i s 等人，胫首次提出了用c 0 2 激光脉冲轴向周期性加热光纤写入长周期光纤光栅的技术，使长周期光纤光栅的 制作和应用进入了一个新的发展阶段。 自从k o h i l l 等人 二1 9 7 8 年首次研制出上界上第一只光纤) 匕栅光纤 却拉格光栅以来【1 i ，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞 速发展。在光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的基础上人们已先后研制出了。些 具有特殊用途的光栅，比如啁啾光纤光栅【t3 1 、变迹( 切趾) 光纤光栅、相移 光纤光栅o ”i 、超结构光纤光栅”i 、倾斜光纤光栅等。町以相信随着研究的深入 和应用的需要，光纤光栅必将侄通信、传感及其相关领域获得进步的发展和更 卜海大：节母! j 。学位论文 加广泛的应用。 1 2 光纤光栅的分类 光纤光栅的种类繁多，分类的方法也较多，但主要有两种分类方法：按周期 的长短分类：按光栅轴向折射率分布。 通常把周期小于l 微米的光纤光栅称为短周期光纤光栅叉称为光纤布拉格 光栅或反射光栅：而把用期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅， 又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生耦合， 属于反射型带通滤波器。长刷期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模 之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。 根据光栅的波导结构即光栅轴向折射率分却，光纤光栅可分为均匀光栅和非 均匀光栅。均匀光纤光栅的特点是光栅的刷期和折射率调制的大小均为常数，这 足最常见的一种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模( 旁瓣) 振荡。而非均匀周 期光纤光栅的特点是光栅的周期或者折射率调制的大小均不为常数，而是变化 的。例如商斯变迹光纤光栅特点是光致折变大小沿光纤轴向为岛斯函数：升余 弦变迹光纤光栅的光致折变火小沿光纤轴向为升余弛函数：i 蚓啾光纤光栅特点是 光栅的周期沿轴向逐渐变化：取样光纤光栅是折射率沿光纤轴向呈周期性分布。 图2 1 为按轴向折身j 率分布分类的光纤光栅示意图。 0 歉 雌i ；i i + i 墙诣一 厂、4 i d 蚓1 1 按轴向折射皋分布分类的光纤光棚 ( a ) 均匀光珂光栅( b ) 变迹光纤光栅 ( c ) 喟啾光纤光橱( d ) 取样光纤光棚 ( e ) 相移光纤光棚 l 街_ 人耐! 士学位论文 1 3 光纤光栅的应用 随着光纤光栅技术的不断成熟和性能的刁i 断提高，它在通信和传感领域得到 了越来越广泛的应用下面分别介绍了它在这两个领域的应用，首先来看看它在 通信领域的应用： 1 ) 滤波器【2 , t 7 1 光纤光栅的模式耦台是指传输方向相反的模式之i 刈的耦合，毛要是指正向基 模的能量耦合到反向的基模或包层模中，以致醋振波长处正向基模的能黾减弱， 而反向基模的能量增强。因此从光纤的透射端来磊光纤光栅是一个带阻滤波器， 而从光纤的反射端来看光纤光栅足一个带通滤波器，即是一个波长选择器件。由 于光纤光栅能对光栅透射频谱中的任波长进行窄带滤出，控制光栅周期，u j 以 灵活写入任何波长的带通滤波器。这些滤波器有：窄带带阻滤波器、宽带带阻滤 波器、梳状带阻滤波器、窄带带通滤波器、光纤横向滤波器等。 2 1 色散补偿器1 光纤的色散和损耗足影响光纤通信能力的两个重要因素。e d f a 的出现使光 纤损耗不再是光通信系统的主要问题，色散补偿成为光纤通信中急需解决的i 瑚 题。由于彳i 同频率分量在光纤中具有不同的传输速度，使得输入脉冲在经过光纤 传输后发牛展宽，产生色敞，色散足限制光传输系统中传输距离和传输容最的 主要因素之一。列j j 普通单模光纤，在1 5 5 0 n m 处色散值为正，处于反常色散 k ，。蓝移分量较红移分量传播得快。如经过啁嗽光纤光栅反射后，由7 二 不同频率分量在光栅中的不同位置发生反射，使脉冲的高频成分获得比低频成分 大的时延，从而使脉冲被蕈新压缩。啁啾光纤光栅具有插入损耗小、全兼容 二光 纤的优点，因此叮作为大容量密集波分复用系统中常用的色散补偿器件。 3 ) 光纤激光嚣f 1 8 i 它足利用光纤光栅的反射性，构成光纤激光器所需的谐振腔，实现光纤激光 器。其与光纤光栅的兼容性、输出稳定性和光谱纯发比半导体激光器好，且具有 较高的光输出功率、极窄的线宽和较宽的凋嘴范围，以及适应d w d m 系统中 使用 作波长固定或一叮调谐的低噪卢激光器i ；乍列的要求。j c h o w 等憎i 于1 9 9 6 年采用光纤光栅制作的梳妆滤波器实现了多波长环形腔光纤激光器。s i j 等人m 于1 9 9 8 年用啁瞅光纤光栅制作了i t ，调谐二l ：动锁模环形腔掺铒光纤激光器。 上海大学硕士学位论文 4 ) 波分复用系统 由于光纤光栅具有良好的波长选择性，可以在同一根光纤中复用解复用多 个空间排列紧密的波长信道，增加光通信的容量，从而方便地实现w d m 光纤 通信系统的光复用解复用。m e c h z e h n d r e 干涉仪的干涉臂上写入两个相同的光 纤光栅可实现对波长信道的分复用功能1 2 ”。如果在干涉臂上写入多个谐振波长 不同的光纤光栅对，则可以实现对多个波长信道的同时复用和解复用，并且可以 抑止复用解复用波长之间的干扰作用。 光纤光栅在传感领域的应用前景十分广阔，早在1 9 8 8 年就成功地在航空、 航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医 药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，目前还在土木工程领域( 如 建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等) 开发可在混 凝土组件和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状态的可能技术，从而建立 灵巧结构，并进一步实现智能建筑。目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有三 个方面：一是对传感器本身及能进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能 同时感测应变和温度变化的传感器研究；二是对光栅反射信号或透射信号分析和 测试系统的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；三是光 纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。 应力、应变、温度、浓度等外界环境的变化将引起光纤有效折射率、光栅周 期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变化，因此光纤光栅 是性能优良的敏感元件【2 2 , 2 3 1 。测量光栅谐振波长的变化就可获得周围环境参量的 变化，并且光纤光栅的传感信息通常是以波长编码的，这使其克服了强度调制传 感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏的不足。与传统的 电子或机械传感器相比，光纤光栅传感器具有灵敏度高，动态范围宽、不受电磁 干扰、可靠性高、成本低、体积小、可埋入智能结构等系列优点，特别适用于强 磁场、辐射性、腐蚀性或危险性大的环境，这使其可以实现对桥梁、水坝、建 筑物、飞行器、舰船、火车、矿井、油田、油罐等的实时监测【2 4 j ，以保证其安 全可靠。因此光纤光栅传感技术，特别是多参数复用传感技术越来愈受到人们的 青睐。 l 海大学蛳i 学化论史 1 4 长周期光纤光栅的发展现状 长周期光纤光栅是继短周期光栅之后出现的光栅器件，由于它具_ 自一些独特 的性能和在某些领域应用中显示出突出的优越性，它越来越受到重视。长周期光 纤光栅具有很好的传输谱特性，它把纤芯基模的能量耦合到同向传输的包层模 中，从而导致相应波长的传输损耗，而短周期光纤光栅是将纤：芯蜒模的能蜮丰禺合 到反向传输的包层模，因而决定了二者有着不刷的特性。自1 9 9 6 年美国贝尔实 验室制作第一根长周期光纤光栅以来，国内外对它的关注程度越来越高，已经成 为一个新的研究热点。长周期光纤光栅的研究大致集中在对它的制作工艺、特性、 理论、应用的研究。 1 4 i 长周期光纤光栅的写入方法 长周期光纤光栅的写入方法很多，常用的是用2 4 8 n m 的紫外光通过振幅掩 模扳曝光氢载掺锗光纤，利用掺锗光纤的光敏性引起纤芯发t 卜周期h 折射率调制 从而形成长周期光纤光栅。这种方法主要是利用掺锗光纤的光敏性，氢载可以增 加光敏性。a m v e n g s a r k a r 等人【7 l 于1 9 9 6 年首先用该方法在氢载光纤中写入 了长周j l j 光纤光栅，这标志着k 剧期光纤光栅的诞_ ：。在此基础上人们提出了许 多运用幅值掩模法制作长周期光纤光栅的方法，不同之处主要为了提高制作效 率而采用不同材料的幅值掩模或者不同波长的激光器，比如1 9 3 n ma r f 准分子 激光器、2 4 4 n m 烈频a r 离子激光器或者1 5 7 n m 氟分子激光器。 d d d a v i s 1 2 1 等人于1 9 9 8 年提出的用1 0 6 删的c 0 2 激光在普通草模光纤 中写入长周期光纤光栅的方法得剑了广泛应用，一般认为其形成机理可能是残余 应力释放。这种方法只需普通通信光纤刁i 必载氯，成本低，制作剧期短，并且 可随意改变写入周期从而写入非均匀周期的具有特殊用途的长周期光纤光栅。 syl i u 等人1 2 5 10 i1 9 9 9 年采用一种微透镜阵列将平行的宽束准分子激光聚 焦成平干等f u j g e 的光条纹，投射到甲模光纤上从而写入l 毛周期光 r 光栅。这种方 法提商厂光能阜的利用率，写入一个长周期光栅仅仅需要数f 秒钟时间，而大 大地提高了。弓入的效率。 韩国的i nk a gh w a n g 等人【26 】j 一2 0 0 0 年提出了通过电弧放电使光纤发生 微弯而形成长周期光纤光栅的方法。浚方法简便、容易控制，光栅周期取决于石 j 拇大学曲：十学位论文 英槽的周期还可以根据需要调整电弧电流的大小和光纤被加热区域的大小来控 制谱特性，而且这种方法可应用于常规光纤，无需掺杂和拔氢。i s o h n | 2 姊【| m y o k o t a 【2 j 】等人分别于2 0 0 1 年和2 0 0 2 年用机械微弯法制作了长间期光纤光栅。 c y l i n 等人【2 9 j 提出了一种用腐蚀法制作长周期光纤光栅的方法，该方法利 用氢氟酸周期性腐蚀光纤形成周期性的环槽结构，从而形成长周期光纤光栅。v i k a r p o v i 圳平u 叶爱伦川等人提出了一种利用制作耦合器的熔融 锥工艺制作长 周期光纤光栅的方法，i = 幺方法首先对光纤光栅周期性刻槽然后加热拉仲引入光纤 形变从而使纤芯折射率发生周期性变化。黎敏等人p2 | 提 h 了一种用莫尔条纹振 幅模板在硫化物光纤中写入长用期光纤光栅的方法，这种方法可以随意改变模板 周期，因此可以大大简化模板的制作工艺和降低写入成本。 总之，艮周期光纤光栅的不同制作方法各有其优缺点，但都有待进一步完善。 1 4 2 长周期光纤光栅理论的研究现状 长周期光纤光栅的理论是在光纤布拉格光栅理论的纂础上发展起柬的，并 经历了一个逐步发展的过程，其理论模型各有优缺点。长周期光纤光栅的模式耦 合属于同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合。早在光纡光栅出现之前，人们 就已经用耦合校理论研究平面波导中的光栅，其中的许多方法和结论可以用于研 究长周期光纤光栅，只是需要具体考虑光纤中传输模式的不同。经过l , a m i l 7 1 , s i p e 3 3 3 , 1 1 ，e r d o g a n l 9 1 0 , 1 6 1 等人的努力，目前已经形成了一套比较完普的分析长阁 期光纤光栅传输特性的耦合模理论。e r d o g a n 运用耦合模理论研究了长j ； j 期光纤 光栅的导模、包层模和辐射模之问的模式耦合及传输谱特性。它不仅对均匀的光 栅，而i i l x - j 不均用的光栅、倾斜光栅等特殊光栅都进行了比较深入的理论分析， 得到了长刷期光纤光栅的谐振波长，损耗峰幅值，带宽、耦合系数、传播常数等 参数的具体表达式及其与光栅周期、周期数、有效折射牢的关系，从而奠定了长 周期光纤光栅的理论基础。hj p a t r i c k 等人例运用耦合模理论详细分析了k 周 期光纤光栅损耗峰的谐振波长和幅值随外部环境折利率的变化，认为这种变化与 光栅周期有关。k s c h i a n g 等人研究厂长周期光纤光栅与包层直径、外部环 境折射率之问的关系，并建屯了谐振波长与包层直径、外部环境折射二年的关系模 型。x u e w e ns h u 等人【3 7 1 用耦合模理论比较详细地分析了长周期光纤光栅商阶模 l 海大学硕士学位论文 耦合的特性。 由于耦合模理论采用的一些近似只有在折射率调制不太大时才成立，因此 对于折射率调制较大( 1 0 。2 量级以上) 的情形，该模型的精确度变差，且其数值 运算复杂，计算量较大。在耦合模理论基础上，发展起来了一种用分段传输矩阵 分析长周期光纤光栅传输特性的方法眺3 9 , 4 0 1 ，该方法没有太多的近似，精确度 较高，且适合于数值运算，计算量相对较小，因此特别适合计算一些长的或非均 匀的光纤光栅。耦合模理论和传输矩阵法是分析包括长周期光纤光栅在内的光纤 光栅特别是非均匀光纤光栅的基本方法，是一种严格的理论分析方法，可用于研 究各类复杂结构的光纤光栅。此外，还有一些计算光纤光栅的理论模型，比如 b l o c h 波理论、w k b 法【4 2 1 、散射理论【4 3 1 ，但这些方法都比较复杂。 1 4 3 长周期光纤光栅通信应用的研究现状 长周期光纤光栅是一种很好的传输型带阻滤波器，具有附加损耗小、无后 向反射、不受电磁干扰、全兼容于光纤等优点，使其在光纤通信可得到广泛的应 用。与光纤布拉格光栅相比，其阻带比光纤布拉格光栅的阻带宽得多，而且是传 输型的，没有回波影响，因此可以简便地级联多个不同阻带特性的长周期光纤光 栅以获得所需的滤波特性。 14 91 s 115 35 515 75 9 w a v e t n g t h ( h m ) 图1 2l p f g 应用于e d f a 的增益平坦示意图 a 为l p f g 透射谱，b 为e d f a 增益曲线，c 为 平坦后的e d f a 增益曲线 长周期光纤光栅在光纤通信领域的应用中最令人瞩目的当属它在掺铒光纤 放大器( e d f a ) 中作为增益平坦器的应用】。在高比特率的通信系统中，d w d m o 邶 珈 渤 舶 r ：海大学坝十学位论文： 是最有应用前景的，但是由于传输系统中e d f a 的增益浩不平坦，使得各信道 得到的增益不同，从而导致信号传输产：生误码。长周期光纤光栅足一个传输型带 阻滤波器，把一个或几个不同谐振波长和透射率的长周期光纤光栅级联，得到一 个与e d f a 的增益谱倒像的损耗特性，使彳哥e d f a 增益谱中的高增益部分有较 大的损耗，从而使e d f a 的增益谱平坦。a m v e n g s a r k a r 等人于1 9 9 6 年 将两个具有不同谐振波长的氏周期光纤光栅级联，使得平坦后的e d f a 的增益 谱在2 5 4 3 0 ”坍带宽内的不平坦度小于o 2 d b 。i s o h n 等人【2 7 l - t ：2 0 0 1 年用基 于机械微弯法制作的长周期光纤光栅实现了可调浩增益甲坦器，使9 8 0 n m 泵浦 功率为3 5 r o w 和4 5 r o w 时的e d f a 增益谱在1 5 2 5 n m 一1 5 6 0 r i m 范周内的不平 坦度小于1 d b ，并且优化了噪声指数。用与平坦增益谱类似的方法，选择合适 的长周期光纤光栅可以用来抑制e d f a 在1 5 3 0 r i m 附近的放大自发辐射 ( a s e ) ，而在信号波长区域和抽运光波长区域完全透明，从i 面大大减小放大器 的自发辐射噪声系数m ”】。 作为带阻滤波器，长周期光纤光栅还可以在级联拉曼激光器中用于滤除斯托 克斯线1 7 j ，减小信道间的串扰。基f 长周期光纤光栅的滤波特性，选掸合适的长 剧期光纤光栅可以滤出波长大于9 8 0 n m 的泵浦光能量，从而稳定9 8 0 r i m 泵浦 激光器的输出，提高泵浦效率f ”。ek l a m 等人1 4 7 j 了二2 0 0 0 年在四端口的渐逝 曩9 光纤耦合器的两纤芯中写入列相位 目反的长周期光纤光栅实现了带通滤波 器。适当设计这两个长周期光纤光栅的耦合比和耦合长度以致特定波长五的耦合 得到抑制而其它波k 的光能通过纤j 吝1 耦合到纤：吝2 。即耦合受到抑制的波长 五仍保留在纤：卷1 中并由端【_ ji 输出，从而实现了，选择波长五的带通滤波功 能。 长周期光；f 光栅把谐振波 _ 乏处的能量耦台到包层并向前化输，当在传输l f 】 义遇到个l 丈周期尤纤光栅时在包层中传播的能秀又可能耦台【司t t - 芯。由于分别 在纤芯和包层r t 传输的光经历的光程f ：同，若把k 周期光纤光栅设计成3 d b 型 且光栅的间距适当，则两部分光在纤芯再次相遇后将发生马赫一曾德尔_ 十涉现 象，从而形成多波长带通滤波结构的谱特性。利阍l - 2 n 期光纤光栅实现多波长光 纤光源通常是将级联的k 闰期光纤光栅直接写入到光纤光源中，以便提高信道功 率改善信道的消光比。 一l 。砖火彳砸十学也论文 w i ic h e n 等人| 4 84 9 1 于1 9 9 9 年利用长周期光纤光栅基模和包层模之间 的耦合特性制成了一利基于长周期光纤光栅的具有较长工作距离的单模光纤耦 合器。这种耦合器由_ 卜在端而集成有半球型透镜以及长周期光纤光栅独特的耦合 特性，因此可以降低耦合效率列轴向工作距离和横向容差的依赖。当工作距离为 1 2 0 a n ，这种耦合器的耦合效率也可大于3 0 ，所以特别适合于需要较长丁：作 距离的光耦合。 1 4 4 长周期光纤光栅传感应用的研究现状 人们在光纤布拉格光棚传感应用中发现其存在一定的局限佳，比如灵敏度 不高，对啦位应力或温度的改变所引起的波长漂移较小此外由于光纤稚拉格光 栅是反射型光栅，以致光纤柿拉格光栅传感系统通常需要隔离器束抑制反身于光对 测量系统的干扰。自长周期光纤光栅问世以来，人们发现长周期光纤光栅是一种 透射型光纤光棚，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器，测量精度较高。 此外，与人们熟知的光纤布拉格光栅4 i 同，长周期光纤光栅的周期相对较长，满 足相位匹配条件的是同向传输的纤：匕越模和包层模。这一特点导致了长周期光纤 光栅的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比光纤布拉格光栅更好 的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度【8 5 0 , ”i 。因此，长 周期光纤光栅在光纤传感领域只有比光纤稀拉格光栅和其它传感器器件更多的 优点和更加广泛的应用。利用长周期光纤光栅具有体积小，能埋入： 程材料的优 ，i ，i 口以实现列工程结构的实时监测，实现所谓的智能结构，这种全新概念的智 能结构必将给j l 程结构的设计车u 制造带来次革命性的变化。 长周期光纤光栅谐振波长随温度变化而线r 士漂移足种很好的温度传感 器。d d d a v i s l 5 2 1 和hg e o r g e s1 53 等人发现用电弧法写入的长周期光纤光栅在 高温段的温度灵敏度远远高1 低温段，中间有明显的过度段，凶此这种长周期光 纤光栅适合于作商温( 1 0 0 0 ) f 的温度传懋器。y l i u 等人l ：；4 j 的研究结果表明 【毛周期光纤光栅的横m 负载灵敏度比光纤竹j 拉格光栅高两个数量级，并月谐振波 长随负载线性变化因此足很好的横向负载传感器。h j p a m c k 侧和gd v a n w i g g e r e n 等人1 56 】的实验结果表明长周期光纤光栅的谐振波长随着弯曲曲率 的增大而线性漂移，其灵敏度只有方向性，乜目此可用丁二测髓弯曲曲率。l a w a n g 5 7 1 和i ? 一j a h n l 5 8 1 等人已分别用单个和多个长周期光纤光栅级联的扭曲实 上潮大学l i i ：i ：学位论文 验，表明用长周期光纤光栅可实现对扭曲的直接测量。 利用长周期光纤光栅伟4 成的化学传感器可以实现埘液体折射率和浓度的实 时测：臣。vb h a t i a 等人1 5 9 1 丁1 9 9 6 年用温度不敏感的长周期光纤光栅实现了折射 率和应力的测量。s l u o 等人l 于2 0 0 2 年提出了基于存外表面涂有特殊塑料覆 层的长周期光纤光栅的化学传感器可以实现对相对湿度和有毒化学物质特别是 对化学武器的实廿寸： 矗测。其原理是湿度或有毒化学物质会引起塑料涂覆层的折射 率发生变化，从而改变长周期光纤光栅的模式耦合特性。这种化学传感器对相对 湿度的测量范围是0 到9 5 对有毒化学物质的测量精度可达l p p m 。出于 长周期光纤光栅的谐振波长对光栅包层周围物质的折射率很敏感，因此谐振波长 的漂移与侵入液体中的光栅长度有关，根掘此原理s w j a m e s 等人1 6 1 1 5 - 2 0 0 2 年用长周期光纤光栅制成了液位传感器。长周期光纤光栅在生物传感技术领域也 有着独特应用。 sp i l e v a r 等人f 6 习于2 0 0 0 年用长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的组合 制成了抗体一抗原生物传感器。 利用长周期光纤光栅有多个损耗峰的特性，可以片j 。一个长周期光纤光栅实 现j c 寸多参数的测量。yj r a o xk z e n g 等人1 6 3 1 利阁长周期光纤光栅和光纤御 口格光栅和非本征型光纤法一泊干涉腔等其它传感器的结合实现了温度一静态 应变一振动一横向负载网参数同时测量。m y o k o t a 等人2 踟于2 0 0 2 年提出了用 机械微弯法制作的长周期光纤光栅实现了分彳i j 式压力传感。 与光纤布拉格光栅传感器一样，长周期光纤光栅传感器在应用中一直存在温 度、鹰变、或折射率、弯曲等物理量之问的交叉敏感问题，即当长周期光纤光栅 传感器用于测量其中个物理擐时，由于外界环境的变化可能使其它物理趟发生 变化，进而导致光栅的猫合条件发生变化，而长周期光纤光栅传本身不可能分辨 u 被测量与其它物型量所分别引起的光栅凿振波长的变化，从而使测阜精度大大 降低。如此，长周期光纤光栅具有比光纤抑拉格光栅更好的灵敏度的优点却成了 其红实际测量中的缺点。凶此，解决k 周期光 r 光栅测量过程中的交义敏感m 题 尤其重要。至今人们已提h 了多种解决传感应用中交叉敏感问题的方案，它们各 有特点。但总体而言，均需要两种或两种以f 。f 感器的组合才能较好地解决陔问 题。hj p a t r i c k 等人mj 于1 9 9 6 年周长阁期光纤光棚和光纤布拉格光栅的组合解 卜海大掌硕学位诈= 交 决了温度和应变之| a j 的交叉敏感i u 题，实现了对温度和应变的i z jh n j 测量。 1 5 本文的主要工作 本论文的主要工作足对长周期光纤光栅进行理论分析和模拟计算，分析了谐 振波长、带宽、耦合系数以及谐振波长的漂移特性。从祸合模理论： 5 发，运用传 输矩阵法模拟计算出了啁啾、取样、相移等多剃结构的长周期光纤光栅的透射谱 结构，并对其特性进行了分析，提出了优化方法，得到了所需的理想光谱结构， 阐述了其在光通信和传感领域应用前最。具体内容安排如下： 第一章：绪论部分，综合介绍了光纤光栅的发展和1 分类，重点介绍了长周期 光纤光栅的研究现状及在通信和传感领域的应用前景。 第二章：利用耦合模理论研究了布拉格光纤光栅和长周期光纤光棚，建立了 耦合模方程，分析了二者的传输特性，对于均匀光栅给出了解析解。详细分析了 光栅的渚振波长、带宽、耦台系数等参数以及谐振波长的漂移特性。 第三章：在i 二一章的基础上研究了长周期光纤光栅长度、耦合系数等参数对 均匀光栅透射谱的影响。通过建立不同的传输矩阵模型，利用m a t l a b 编程数值 模拟了啁啾l p f g 和取样l p f g 的透射谱。通过选取刁i 同的参数，给出了可应用 于c w d m 和d w d m 系统的光谱结构。 第四章：详绐n 寸论了柏移l