（光学专业论文）基于光纤光栅与光子晶体光纤传感技术的研究.pdf

摘要 b r a g g g r a t i n g , f b g ) 轴向 粘贴于 热 膨 胀系 数差 较大 的两 端固定的 双 金 属片上， 温度的 变化 不仅仅 使金属片受到 热效应 而 膨胀， 而且 双金属片会因 热膨 胀系数 不同而随温度的变化发生弯曲，从而利用热膨胀和应变的共同作用达到增加光 栅温度灵敏度的目的。实验中当双金属片的材料选取铝和铁时，温度敏感系数 为。 .0 8 0 1 4 n m /* c ，其灵 敏度是当时 报道 最大 灵敏 度的1 . 6 倍。由 于这 种结构的 线 性度好、 灵敏度高、性能稳定，良 好的可逆性而具有非常广泛的潜在实用价值。 ( 3 )提出将液体充入光子晶体光纤空气孔中，用宽带光源横向照射p c f ，在另 一侧 探测， 利 用b p m 法对 p c f 的泄 露谱 进行 了 数值分析， 通过监测 泄漏谱 的变化 可实现 折射 率的传 感。 数值 分析发 现当 基 模入 射到弯曲的 m m p c f 中 会形 成模式 振荡， 当 光纤的 结 构参数一 定时， 振荡 特性 只 依赖于曲 郭 ， 因 此可通过 s p ( s i m p l e f i b e r - p c f ) 系 统 实现曲 率 的传 感。 关 键词: 光纤 光栅， 圆环 形薄壁截 面 梁， 双 金属片， 光子晶体 光纤， 应力传 感， 温度传感，液体折射率传感，弯曲传感 abs t rac t ab s tr act a c c o r d i n g t h e p r o j e c t s o f t i a n j i n c o n s t r u c t in g c o r p o r a t io n蝙p t ic a l f i b e r g r a t i n g b a s e d d e t e c t in g t e c h n o lo g y f o r c o n s t r u c t i o n s t ru c t u r e ? a n d # 1 r s p e c t i n g s y s t e m f o r s t o r i n g j a r u n d e r n o r m a l p r e s s u r e ? w e in v e s t i g a t e d t h e f ib e r b r a g g g r a t i n g ( f b g ) a n d p h o t o n ic c r y s t a l fi b e r ( p c f ) b a s e d s e n s in g t e c h n o l o g y in t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r im e n t a l ly . we d e s i g n e d l o o p t h i n w a ll s e c ti o n b e a m b a s e d f b g s e n s i n g s t r u c tu r e a n d b im e t a ll i c s h e e t s b a s e d f b g t e mp e r a t u r e s e n s i n g s tr u c t u r e , a n d d e m o n s t r a t e d t h e m e c h a n i s ms o f th e s t r u c t u r e s . we a ls o p u t f o r w a r d t h a t tr a n s v e r s e l e a k - s p e c tr u m o f t h e p c f c a n b e u s e d f o r s e n s in g in d i c e s o f l i q u id s a n d m u l t i - m o d e s p h o t o n i c c ry s t a l fl b e r ( m m p c f ) c a n b e u s e d f o r s e n s i n g b e n d , w h ic h h a d b e e n a n a ly z e d in t h e o r e t i c a l ly a n d n u m e r ic a l l y . t h e c h ie f c o n t e n t o f t h e d i s s e r t a t i o n a r e l i s t e d a s f o l l o w s : i n th e c h a p t e r o n e , t h e d e v e l o p m e n t h i s t o ry, a c t ua li t y a n d f o r e g r o u n d o f fi b e r g r a t in g s e n s i n g w e r e in tr o d u c e d r e s u m p t i v e l y ; f b g f a b r ic a t i n g t e c h n o lo g y a n d t h e c l a s s i f y w e r e a l s o i n tr o d u c e d ; i n p a r ti c u la r , t h e p r o b l e ms t h a t r e q u i r i n g s o l v e d in f b g s e n s i n g t e c h n o l o g y w e r e p o i n t e d o u t . i n t h e c h a p t e r tw o , t h e t h e o ry o f f b g s e n s i n g a r e i n tr o d u c e d . c o u p l i n g - m o d e t h e o ry h a s b e e n e x p a t i a t e d d e t a i ll y ; ma tr i x a n a ly z i n g m e t h o d a n d f o u r i e r tr a n s f o r m i n g m e t h o d w e r e in tr o d u c e d b r i e fl y ; t h e s t r a i n a n d t e m p e r a t u r e s e n s in g m e c h a n i s ms w e r e a n a l y z e d t h e o r e t ic a ll y . i n th e c h a p t e r t h r e e , w e d e s i g n e d t h e l o o p t h i n - w a l l s e c ti o n b e a m b a s e d f b g s e n s i n g s tr u c t u r e a n d d e m o n s tr a 宜 e d it s s e n s i n g m e c h a n is m . i n t h e c h a p t e r f o u r , w e d e s i g n e d a n o v e l s t r u c t u r e b a s e d o n b ime ta ll i c s h e e t s t o e n h anc e t e mp e r a tu r e s e n s i ti v i t y o f f b qand w e a l s o in v e s t i g a t e d it s s e n s in g me c h a n i s m . i n t h e c h a p t e r f i v e , t h e b a s i c a l t h e o ry o f b e a m p r o p a g a t i o n m e t h o d ( b p m ) w a s in tr o d u c e d b r i e fl y f i r s t ly ; and t h e p c f w a s i n tr o d u c e d , i n c l u d i n g t h e o p t ic a l p r o p e r t y o f t o t a l in n e r r e fr a c t iv e and p h o t o n i c b a n d g a p p c f ; t h e s e n s i n g即p l ic a t i o n s o f p c f w e r e e x p a t ia t e d e m p h a t i c a l ly ; a t l a s t , r e f r a c t iv e i n d e x and b e n d s e n s in g w e r e n u m e r ic a l ly a n a ly z e d b a s e d o n t h e b p m. t h e e l e m e n t a ry in n o v a t in g r e s u l t s a r e s u m m e d u p a s f o l l o w s : ( 1 ) we d e s ig n e d t h e lo o p t h in - w a l l s e c t i o n b e a m b a s e d f b g s e n s in g s tr u c t u r e and r e a l i z e d s tr a in s e n s in g , t e m p e r a tu r e and s t r a i n s e n s in g s i m u l t a n e o u s l y , f o r c e s e n s i n g w i t h t e m p e r a t u r e s e l f - c o m p e n s a t e d and in d e p e n d e n t tu n in g o f t h e c e n t e r w a v e l e n g t h and t h e b and w i d th o f f b g b a s e d o n t h e s t r u c tu r e . t h e s e n s in g s t r u c tu r e i s h o p e f u l t o b e u s e d b r o a d l y in h e a lt h c h e c k o f b u i l d i n g an d tu n in g a p p a r a tu s f o r it s s i m p le n e s s , c o n v e n i e n c e and lo w c o s t . ( 2 ) w e d e s i g n e d a n o v e l s tr u c t u r e b a s e d o n b i m e t a l li c s h e e t s t o e n h anc e t e m p e r a t u r e s e n s it iv i ty o f f b g t h e t w o e n d s o f t h e b i m e t a l l ic s h e e ts w e r e f i x e d b y b o lt s , and a f b g w a s lo n g itu d i n a l ly a d h e r e d o n o n e o f t h e s h e e t s w h o s e e x p a n s i o n c o e ff ic i e n t i s l a r g e r t h a n t h a t o f t h e o t h e r . t h e c h a n g e o f t e m p e r a t u r e m a k e s b ime t a l l ic s h e e t s n o t o n l y e x p and in g b u t a l s o b e n d in g , w h ic h i s t h e m e c h an i s m o f e n h an c i n g f b g t e m p e r a tu r e s e n s it i v it y . i f t h e b im e t a ll i c s h e e t s a r e m a d e o f a lu m in i u m and i r o n , t h e t e m p e r a t u r e s e n s in g c o e f f i c ie n t i s 0 . 0 8 0 1 4 n m / 0 c , w h i c h i s 1 .6 t i m e s t h an i n a bs t r act t h a t o f o t h e r s t h e n . t h e s t r u c t u r e i s h o p e d t o b e u s e d b r o a d ly f o r it s s t e a d y p e r f o r m a n c e , r e v e r s i b i l it y a n d h i g h l i n e a r it y . ( 3 ) w e p r o p o s e d t h a t t h e r e fr a c t iv e i n d e x a n d b e n d c a n b e m e a s u r e d b y p c f . t h e l iq u i d w a s f i l l e d i n t o t h e a ir h o l e s o f p c f , t r a n s v e r s e l e a k - s p e c t r u m o f t h e p c f w a s a n a l y z e d u s i n g b p m , t h e s h i ft o f t h e s p e c t r u m c a n b e u s e d t o s e n s e l i q u i d i n d i c e s . we a l s o f o u n d t h a t t h e m o d e s o s c i l l a t i n g t a k e p la c e w h e n o n l y t h e f u n d a m e n t a l m o d e m o d e in c id e n t i n t o t h e b e n d m m p c f , t h e o s c i l la t i n g p r o p e r t i e s o n ly a r e d e t e r m i n e d b y t h e c u rv a t u r e p w h e n t h e s t r u c t u r e p a r a m e te r s o f t h e p c f i s f ix , s o b e n d c a n b e me a s u r e d 妙 s i m p l e fi b e r - p c f ( s p ) s y s t e m . k e y w o r d s : f i b e r g r a t in g , l o o p t h i n - w a l l s e c t i o n b e a n , b i m e t a l l i c s h e e ts , p h o t o n i c c ry s t a l f ib e r , f o r c e s e n s in g , t e m p e r a t u r e s e n s i n g , l i q u i d i n d e x s e n s i n g , b e n d s e n s i n g i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本 人完全了 解南开大学关于 收集、 保存、 使用学位论文的 规定， 同意如 下各项内 容: 按照学校要求 提交 学位论文的印刷本和电 子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 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在非 功能型 光纤 传感器中， 光 纤只起 传光的作 用， 传感头 第一章 绪论 为其它敏感元件。 一般的光纤传感系统由光源、信号传输线( 光缆) 、传感器件、光电转换及 信号处理四部分组成， 如图 1 . 1 . 1 所示。 光波作为载波经入射光纤传输到传感头， 光波的某些特征参量在传感头内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光 波经出射光纤传输到光电转换部分，经解调后就能得到被测物理量的大小和状 态。现在光纤传感器的种类繁多，光信号中能被调制的参数也相当多，包括光 的 强度、 相位、 多 普勒 频移、 偏 振态、 波 长等。 由 于光 波的 频率 很高( 1 0 1 2 - 1 0 1 4 hz ) , 且是一种二维信号载体，所以它能传感和传输的信息量极大。 图 1 . 1 . 1光纤传感器工作原理示意图 与普 通机 械、 电子 类传 感器 相比 ， 光纤传 感器具 有以 下优点 p .a l ( 1 ) 抗电 磁干扰: 一般电 磁辐射的 频率比 光波低许多 ， 所以 在光纤中 传输的光 信 号不受电磁干扰的影响; ( 2 ) 电 绝 缘性能 好， 安全 可靠: 光纤 本身是由 电介 质构 成的， 而且 无需电 源驱动， 因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用; ( 3 ) 耐 腐蚀， 化学性能 稳定: 由于 制作 光纤的 材料 一 石英 具有极高 的化 学稳定 性， 因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用; ( 4 ) 体积小、重量轻，几何形状可塑; ( 5 ) 传输损耗小: 可实现远距离遥控监测; ( 6 ) 传输容量大: 可实现多点分布式测量; ( 7 ) 测量范围广: 可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、 液位及液体浓度、成份等。 正是由 于光纤 传感器 有许多 独特 优势， 可以 解决 许多传统 传感器 所无法 解 决的问题，故自 从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石 油 化工、民 用建 筑以 及航 空航天 等各个领域. 随着 信息高 速公 路热潮的 到来， 光纤传感技术将与光纤通信技术一起走进千家万户，深入到民用和军事的各个 方面。 光 纤b r a g g 光 栅( 以 下简 称光学 光栅) 是利 用 石英光 纤的紫 外光敏 特 性将光 第一章 绪论 波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。它的严格理论是祸合模理论， 入射光波和光纤光栅相互祸合，满足一定条件波长的光波被反射回来，而其余 波长的光则通过。 由于光纤通信产业的飞速发展，许多科研院所和高校都对光纤进行了广泛 的 研究 p .5 - l s 。 加 拿大握 太 华通信 研究中 心的k . h i l l 等人 首次在1 9 7 8 年观 察到 掺 锗的 石 英光纤中 具 有光敏 的 特性 1 .9 ， 并展 示了 在 光纤芯 形成光 栅的 可行 性。 但是由于制造技术上的困难，很难重复制作出相同的光纤光栅。在 1 9 8 9 年，美 国联合技术研究中 心的a me l t z等人以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光 器作为光源，其输出的波长为 2 4 4 n m的紫外光，同时采用横向侧面曝光法在掺 饵 石 英 光 纤 上 制 作 出 世 界 上 第 一 根b r a g g 光 纤 光 栅， 其 波 长 位 于 通 信 波 段 p .1o1 1 9 9 3 年， h i l l 等 人 又提出了 相 位掩 模的 写 入技 术 1 . 11 1 ， 这 样就极 大地降 低了 对写 入光源相干性的要求。同年，p . j .l e m a i r e 等人提出了简单而有效的光敏化技术- 低温高压 载氢 技术， 这项 技术可以 使光纤 光敏性提 高两个 数量级， 人们可以 不 必使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤，而仅在普通通信光纤上就能很容易地制作 出 高反 射率的 光纤 光 栅 1 . 1 z 1随后， a s k i n s 等人又 发明出 在 光纤拉 制过程中 在 线 写入光 纤光 栅的 制 作方 法( 1 .1 3 1 。因 此， 光 纤光 栅制作 起来 更加灵 活、 方便， 使得 这种光纤器件具有了可重复性，从而批量生产成为可能。光纤光栅的研制成功， 成 为继 掺杂 光纤放 大器 技术 之后， 光纤 领域 中又 一重 大研究 进展 1 .1 4 1 。 现在， 己 有多种方法可以在光纤中写制光栅。近年来，世界各地的许多研究部门和大学， 如加拿大的通信研究中心，美国海军实验室，英国南安普顿大学等都对光纤光 栅进行了深入的理论和实验研究。 光纤光栅反射或透射峰的波长与光栅折射率的调制周期以及纤芯折射率有 关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率， 从而引起光纤光栅反射或透射峰波长或强度的变化，这就是光纤光栅传感器的 基本 工作 原理1 .1 5 。 因 此， 温 度和应 变是光 纤光 栅能 够直 接传感 测量的 两个最 基 本的物理量，它们构成了其它各种物理量传感的基础，其它各种物理量的传感 都是以光纤光栅的温度或应变传感为基础间接衍生出来的。例如，基于光纤光 栅的应 变传感 功能， 结合弹 性膜片等辅 助敏 感元件， 光纤光 栅即 可用 来传感 压 强、流量、位移等;若将光纤光栅紧密粘贴在磁致伸缩材料或压电材料上，则 可用于测量磁场、电 场等电学量。 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比， 波长调制型的光纤光栅 第一章 绪论 传感器具有许多独特的优点: ( 1 ) 抗干扰能力强: 这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性( 忽 略光纤的非线性效应) ;另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起 伏引 起的 千 扰， 例如， 光源强度的 起伏、 光纤 微弯效 应引 起的 随机起 伏、祸 合 损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有 很高的可靠性和稳定性; ( 2 ) 光纤光栅传感器是自 参考的， 可以绝对测量( 在对光纤光栅进行定标后) ， 不 必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考; ( 3 ) 传感探头结构简单、 尺寸小( 其外径与光纤本身等同) ，适于各种场合，尤其 是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，可对结构的完 整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测; ( 4 ) 便 于构成 各种形 式的 光纤 传感网络， 尤其 是采 用 波分复用 ( w d m ) 技术 构成分 布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的多点测量; ( 5 ) 测量结果具有良 好的重复性; ( 6 ) 光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模生产( 商品化) 。 光纤光栅传感器由于具有上述诸多优点，因而具有广泛的应用前景，尤其 是 在大型民 用工程建 筑( 大桥、 大坝、 高层建 筑物 ) 中 用来监 测压力、 温度、 应 力 、 应 变 对 建 筑 物 的 影 蒯s- .3z 第二节 光 纤光栅写 入技 术 有几种技术可以用来制作光纤光栅，每一种都有各 自 的优点。在这里讨论 四种 主要的 技术: 驻波 法，全 息相 干法， 相位 掩膜技 术 和逐点写 入技术 1 .3 叹 2 . 1 驻波法 这 种方法 通常是 用紫 外氢离子 单模 单束激 光入 射到 掺锗 石英光 纤中 ， 光纤远 端的 反射 产生后向 传播的 激光， 两束 反向 传播的 光 干涉并 形成 周期为a / 2 n 的 驻 波图案， 其中又 是激光 波长， 万 是相对 于该波 长的 折 射率。 在高亮 度区域石 英光 纤的 折射率 受到调 制， 导 致沿光纤 长 度上的 折射率 周 期性变 化， 从 而形成光 栅。 虽然折射率型光栅的初始值很小( 4 %的远端反射) ，但其自身可通过非控过程不 第一章 绪论 断增强。光栅周期与驻波周期几乎一致，所以激光波长满足布拉格条件。一些 前向 传播的激光通过分布反馈后向反射，引起光栅的增强，进一步增加了反馈。 当光致折射率变化饱和时，非控过程停止。驻波法的缺点是光栅只能工作在制 作光 栅的 紫外 波长附 近。 所以 这样的 光 纤光 栅 不能 用 在1 .3 g m -1 . 6 1l m的波长区 域。 1 . 2 . 2全息相干法 全息相千法用两束光产生外部干涉，如图 1 . 2 . 1 所示.同一激光器( 工作在 紫外区) 获得的两束夹角为2 e 的激光， 在一段光纤的裸露纤芯区形成千涉。 柱透 镜用来扩展光束在光纤长度上的照射范围。 与单光束的驻波法类似，千涉条纹 产生 折 射率 型 光 栅。 另 外， 光 栅 周 期a 与 紫 外 激 光 波 长a w、 两束干 涉光 夹 角2 e 满足下面的关系式 a二 弋l ( 2 s i n b ) ( 1 .2 . 1 ) 全息相千法最重要的特性是光栅周期n 可变， 通过简单地调节e , 就可以 实 现周期在大的范围内的改变。光栅的反射波长a 与周期n 满足关系式a . = 2 n a o 因 为几 可以 达 大 于几 ， ， 用 全 息 相 千 法 制 作 的 布 拉 格 光 栅 可以 工 作 在可 见 光 或 者 红外光区域。 生外徽光 分束倪 图1 . a . i全息相干法的示意图 全息相干法有其固有的缺点， 就是需要紫外激光在时间和空间上具有较高 的相干性。通常用于此目的的准分子激光器光束质量较差，所以为保持持续几 分钟的千涉条纹，需要采取持殊的措施。 1 . 2 . 3相位掩膜技术 第一章 绪论 这种非全息技术采用的是制作集成电路的照相平版印刷法，其基本思想是 使用一个与光栅周期相关的周期相位模板，应用合适的理论，相位模板作为主 光栅传递到光纤中。在这种技术的一种实现方式中，相位模板使用石英衬底， 其上为用电子束印刷和原子蚀刻制成的 铬沉积条纹层.2 4 2 n m 激光通过相位模 板引起相位变化，转化为与全息技术类似的周期性强度条纹。在折射率型光栅 中，光纤的光敏性转化为与相位掩膜同 周期的强度变化。 因为该技术是非干涉的， 所以其最大优点 就是对紫外光束的时间和空间的 相 干性要求较低。事实上，可以 用非激光源的紫外灯。另外，相位掩膜可以用来 制作可变周期的光纤光栅( 碉啾光栅) ，也可以用来制作沿光栅长度周期性变化 的折射率。对于一个周期固定的光栅 在平版印刷的过程中，使用汇聚或发散 的波阵面可以 在一定范围内改变布拉格波长。 另一方面， 光纤光栅的性质( 长度， 均匀性等) 完全依靠主相位模板，其所有缺陷也被精确复制。 如图 1 .2 .2所示 相位模板也可以 作为千涉仪使用。在拉曼一 奈斯散射作 用 下，入射到相位模板上的紫外光衍射为几束光，用适当的方法阻挡或消除零级 衍射光.两束一级衍射光在光纤表面干涉并形成周期件的强度条纹，光栅周期 为相位模板周期的一半.实际上，相位模板产生了用来做全息记录的参考光和 物光。 使用模板干涉仪的优点很多， 它对侧向 传播的光不敏感.而且能容忍照射 光的不稳定性。保持相互之间的距离，移动两端的镜子 可以制成相对较长的 光纤光栅。 萦外光平移 图1 . 2 . 2用于制作光纤光栅的 相位模板干涉仪示意图 1 . 2 . 4 逐点写入技术 这种非全息扫描技术不需要主相位模板，而是沿着纤芯每次一步，逐点诱 第一章 绪论 发光栅区域产生折射率变化.这种技术有一些实用上的限制。第一由于逐点 写入原理的耗时性， 只能用于制作短光栅( 小于l c m ) ; 第二， 很难对光纤的移动 进行精确的控制，通常用于制造长周期光栅;第三，把激光束聚焦成光栅一个 周期内的一个点也是很困难的。 逐点 写 入 技术很适 合制作周期 越过1 即m的 长周 期 光栅。 根据实际 需要， 光 栅周 期 甚 至可以 超过1 0 0 g m 。 这样的 光 栅可以 用 于模式 转化( 能量从一种 模式 转 移到另一种模式)或偏振转化( 能量在两个正交的偏振模之间转化) ，其滤波特 性已 用于掺饵光纤放大器的增益曲线平坦化和全光多模器件的模式转化等。 第三节 光纤光栅分类 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 不同可分为 蚀刻光栅和折射率调制光栅两类。前者在成栅过程中使 光纤的结构出现明显的 物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期性分布。 目 前， 无论用于研发还是工程实用， 后者均占 主导地位。因此，通常所说的光 纤 光 栅 指 的 是 后 者 1 .3 4 1 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射率调制 深度分布是否均匀， 可将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大基本类型. 规定:前者的栅格周期与折射率调制深度均为常数，而后者的栅格周期与折射 率调制深度二者必有其一不为常数。 在此基础上， 考虑到光栅周期的大小、 折 射率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 栅变型或组合。这种分类方式侧重光纤光栅写入的 结果，主要用于光纤光栅有 源与无源器件的设计与研发实用领域。 1 . 3 . 1均匀光纤光栅 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。 第一章 绪论 】 。 ， 口1.， 刀 口，朋四1 日日 目 . .闷 户咤 .口， 图1 . 3 . 1 b r a g g光 栅的反 射频 谱特性 i 光 纤 布 喇 格 光 栅 11 : 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 5 ， 光 栅波矢方 向与光纤轴线方向一致， 其反射频谱 特性如图1 . 3 . 1 所示。这种光纤光栅具有较 窄 的 反 射带宽 c -1 0 - l 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。 ii长 周期 光纤光 栅u .m 7 叮 滋 一1.才.，wejj，. ，:11，.j. 二 .: , 图1 . 3 . 2长周 期光 栅导 模和包 层模的 透过率 栅格周 期远大于 布喇格光栅的 栅格 周期，一 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，而是祸合到包层中， 如图 1 .3 . 2 第一章 绪论 所示。长周期光纤光栅的谐振波长满足 a = ( n e o 二 一 %, ) a, ( 1 . 3 . 1 ) 式中， n c a r e 和n e i 分别为光纤的芯模和 包层模的有效折射率。 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等领域。 l ii闪耀光纤光栅 1 . 3 7 1 : 与光纤布喇格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光纤轴方向有一定的交 角。 这种光纤光栅不但能引起反向导模的祸合，而且还将基模藕合到包层模中 辐射掉。这种宽带损耗特性可用于掺饵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，将一种导模祸合到另一种导模中。闪耀光栅的物理 结构如图 1 . 3 . 3 所示。闪耀光栅谐振波长满足方程 a = ( n e ff + n , , d ) a / ( n c o s b ) ( 1 . 3 . 2 ) 式中 ，n 。和n c ,a d 分 别是纤芯和 包层的 有效 折射 率， n为 衍射级，a 为 光 栅条 纹 与光纤的偏向角 一 下人 尸一 一 一 ) fri nge f ib e r c o re 图1 . 3 . 3闪 耀光 栅 结构 示意图 1 . 3 . 2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惆啾光纤光栅、分 段惆啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 i线性 调啾光 纤光 栅tl 网 : 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。这种惆啾光纤光栅可视为仅对光栅周期进行线性调制的 情况。 图1 . 3 .4 给出了线性坐标惆啾光栅的反射谱。 第一章 绪论 : : 人( 协. ， 图1 . 3 . 4线性坐标咽啾光栅的反射谱 u分 段 惆 啾 光 纤 光 栅1.393 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。这两种惆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。 m 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 格或惆 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惆啾光纤光栅。典型的有如 下几种: ，相 移 光 纤 光 栅 1.403 洽梢 李态铸蔫琴 音 嘴 平 舟 翻; 瓷 图1 . 3 . 5无 相移和有二 相 移b r a g g 光纤光 栅的反射 频谱 特性 这种光纤光栅可视为光纤布喇格光栅、长周期光纤光栅或惆啾光纤光栅的 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 第一章 绪论 置 ( 一点或若干点)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，图1 . 3 . 5 给出了 无相移和有it 相 移 b r a g g 光纤 光栅的反 射频谱 特性。 相 移 光栅 可用来 在反 射光栅中 开 辟一 个窄带 传输窗口，或者调整被动滤波器的形状。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。 .超 结 构 光 纤 光 栅 1. 411 这种光纤光栅可视为布喇格或碉啾光纤光栅的栅格周期被方波函数调制的 结果，而折射率调制深度不变，其反射谱具有一组分立的反射峰，如图1 .3 .6 所 示。由 光纤布喇格光栅调制而成的超结构光纤光栅， 其反射谱的波长间隔相等， 在梳状滤波器、多波长光纤激光器及光纤传感领域具有应用价值;由惆啾光纤 光栅调制而成的超结构光纤光栅，在波分复用通信系统色散补偿方面具有潜在 的应用价值，用一根这种超结构光纤光栅可实现多信道的同时色散补偿。 图1 .3 .6超结构光纤光栅反射频谱特性 c . t a p e r e d 光 纤光栅 ， 4 , 这种光纤光栅可视为光纤布喇格光栅折射率调制深度被特定的函数 ( 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，通过改 变调制函数及有关参数可控制其反射谱的形状。 第一章 绪论 切 趾光 栅就是一类 最为常 见的 t a p e r e d 光 纤光 栅， 光 纤光 栅的 折 射率调制可 以看作是带有矩形包络的正弦调制。根据傅立叶分析方法，可知该矩形包络产 生一个s in c 函数的频谱变化。 因此我们求得的光栅传输特性谱中均含有由 该矩形 包络产生的旁瓣。为了去除光栅的旁瓣，通常对光栅进行切趾，即选择合适的 折射率包络从而达到抑制旁瓣的作用。常见的有高斯分布型及正弦调制型，如 图1 . 3 . 7 和1 . 3 . 8 所示。前者可被用于压制光栅反射谱的边瓣进行色散补偿效果 1 4 3 ， 后者 可用于光 纤环 形腔 激光器 产 生多 波长激 光输出. 一尝忠豁福而 t 月口妞， 召 诊旧口曰固.， 口 仙 .月召 盆日 留即皿. 图1 . 3 . 7未 切趾的和高斯 切趾的 b r a g g 光 纤 光栅反射频谱特性 图1 . 3 . 8未切趾和升余弦切趾的b r a g g 光纤光栅反射频谱特性 d . m o ir e 光 纤 光 栅 lt. 441 这 种光纤光栅可视为 光纤光 栅( 布 喇格或碉啾光 纤光栅 ) 的 栅格周期与 折射 率调制深度被特定函数 ( 如正弦或余弦函数)共同调制的结果，其折射率分布 是一种具有慢变包络的快变结构。m o i r e ， 光纤光栅有布喇格m o i r e 光纤光栅与明 啾m o i r e 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， 对光纤同一位置进行二次曝光。 m o i r e 光纤光栅的谱特征是在反射带中开一个很 窄的 透 射窗口 ，实际 上相当于 一个 相移 光纤光栅， 在滤波器、 色散补 偿及通道 选 择 器 等 方 面 具 有良 好 地 应 用 前 景 。 此 外 ， 还 有取 样 光 纤 光 栅 1.4 11 、 t o p h a t 光 纤 光 栅1 .46 1 等。 第四节 光纤 光栅传 感中 巫待解决的问 题 第一章 绪论 从大 量的 文献资料分 析可以 看出 j i s - 3 2 1 ，当 前光纤光 栅传 感器的 发展 趋势及在 实际应用中ot x 待解决的主要问题有: (