（光学专业论文）微结构光纤光栅的理论、实验及应用研究.pdf

摘要 摘要 光纤光栅作为最重要的光纤器件之一，在光通信和光传感领域发挥着重要 作用。近年来，微结构光纤的出现和迅猛发展，为光纤光栅技术的进一步发展 提供了新的平台。通过对光纤微结构的合理设计和光纤光栅实现方式的创新， 在微结构光纤上制作的光纤光栅将可能具有新颖的光谱特性和应用价值。另一 方面，在微结构光纤中进行光纤光栅的写制是分析微结构光纤模式特性和色散 特性的重要实验手段。本论文阐述了微结构光纤光栅的模式耦合理论，探索出 一整套在多种微结构光纤中制作光纤光栅的工艺，在折射率引导型光子晶体光 纤、全固态光子带隙型光纤、b r a g g 光纤等多种微结构光纤中成功写制了光栅， 并对它们的光谱特性、耦合方式和应用前景作了详细分析，主要内容包括： 1 基于光纤光栅的耦合模理论和微结构光纤的模式特性，建立了微结构光纤光 栅的理论分析方法，这为我们在理论上解释各种微结构光纤光栅的光谱特性 和模式耦合建立了基础。 2 探索出一套在多种微结构光纤中写制光栅的工艺，包括：微结构光纤与单模 光纤的低损耗熔接技术、微结构光纤的载氢处理、紫外写制工艺的改进、超 连续光源的搭建等。 3 在国内首次报道了在国产柚子型光纤中写制的光纤b r a g g 光栅( f b g ) 。在实 现了该光纤与单模光纤低损耗熔接的基础上，利用相位模板法在这光纤上成 功写制了b r a g g 光栅，光栅深度达3 0 d b 以上；在这种光纤上写制了倾斜光 栅，观察到多个包层模谐振峰；在倾斜光栅中填充高折射率匹配液，观察到 了包层模谐振的减弱。 4 在国内首次报道了在多层空气孔的光子晶体光纤中写制的b r a g g 光栅。通过 载氢处理提高了光子晶体光纤的光敏性，以抵消空气孔散射对光栅写制效率 的影响。在纤芯高掺锗、1 0 层空气孔的光子晶体光纤中制作的光栅具有两 套高阶模谐振峰，且观察到了深度达1 0 d b 的强包层模谐振峰。为了提高写 制效率，利用双光子吸收法在这种光纤中写制光栅，在未载氢的情况下，1 8 0 秒内即可完成光栅的写制。基于两种不同的光子晶体光纤中的b r a g g 光栅， 分析了微结构光纤各结构参数与掺杂纤芯与纯石英的折射率差对光栅光谱 摘要 特性、光栅写制效率和折射率调制可见度等方面的影响。 5 利用1 9 3 n m 波长的a r f 准分子激光器进行了在纯石英折射率引导型光子晶 体光纤中写制b r a g g 光栅的尝试，并观察到一个较弱的反射峰。 6 在国际上首次报道了在全固态光子带隙光纤中写制的b r a g g 光栅。这种光栅 的折射率调制区域分布在光纤包层的高折射率柱阵列内，我们不仅观察到光 纤基模向反向基模的耦合，还观察到基模向传导超模的耦合。基于各超模在 高折射率柱阵列中相位关系和模式的对称性，揭示了各谐振峰产生的原因， 指出只有某些满足特定相位关系的超模对基模一超模谐振具有贡献。在理论 和实验上分析了光栅写制过程中的动态过程，包括带隙的漂移和各谐振波长 的变化。分析了光栅的弯曲特性，发现了由于光栅折射率调制的不均匀引起 其弯曲响应与弯曲方向有关的特性。此外，还在全固光子带隙光纤中写制长 周期光栅，给出了基模一传导超模耦合的相位匹配曲线，并对其温度特性进 行了分析。 7 在全固态b r a g g 光纤中写制的b r a g g 光栅，观察到光纤正反向基模之间的耦 合。这一实验结果为下一步设计基于b r a g g 光纤f b g 的折射率传感器奠定 了基础。在纤芯小于l l x r n 的b r a g g 光纤中写入光栅，根据对应的透射谱发 现，由于纤芯太小，光纤中模场以无法被光子带隙效应限制。而是转化为折 射率引导。 8 基于空芯b r a g g 光纤和弱折射率引导型微结构光纤中的f b g ，分别提出折 射率传感器结构，该传感器在保证原有光纤对填充样品的探测能力的基础 上，实现了对样品折射率的测量。定量分析了传感器灵敏度、模场能量与样 品交叠等主要参数随填充样品折射率的变化关系。 关键词：光纤光栅、微结构光纤、光子晶体光纤、光子带隙光纤、b r a g g 光纤、 光子带隙、模式耦合 a b s t r a c t ab s t r a c t f i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g i e si ns t e p - i n d e xf i b e r sh a v ed e v e l o p e dd r a m a t i c a l l yt o p e r f o r ma l li m p o r t a n tr o l ei nf i b e rc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a lf i b e rs e n s i n gi nm o r e t h a n15y e a r s r e c e n t l y , t h ei n t r o d u c t i o no fm i c r o s t r u c t u r e do p t i c a lf i b e r s ( m o f s ) w i t l law i d er a n g eo fn o v e lp r o p e r t i e sr e s u l t si nu n i q u es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e r b r a g gg r a t i n g si nt h e s ef i b e r s f i b e rg r a t i n g so v e rm o f sc a np r o b a b l yp r e s e n t p r o m i s i n gp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sb yd e s i g n i n gt h ef i b e rm i c r o s t r u c t u r ea n dd e v e l o p i n g n e wm e t h o d st op r o d u c ep e r i o d i ci n d e xo rp e r m a n e n ts t r u c t u r a lm o d u l a t i o na l o n gt h e f i b e rl e n g t h o nt h eo t h e rh a n d ，f i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o ni nt h em o f sh a sb e e n c o n s i d e r e da sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht op r o b et h em o d a lp r o p e r t i e sa n dd i s p e r s i o n s l o p eo f a nm o e t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h et h e o r yo fm o d ec o u p l i n g so ft h ef i b e rg r a t i n g si n m o f sa n dt h ep r o c e s s e so ft h ef a b r i c a t i o no ff i b e rg r a t i n g so v e rv a r i o u sm o f s ，b a s e d o nw h i c hf i b e rg r a t i n g so v e rg r a p e f r u i tf i b e r s ，i n d e x g u i d e dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ( p c f s ) ，p h o t o n i cb a n d g a pf i b e r s ( p b g f s ) a n db r a g g f i b e r sa r ef a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，m o d ec o u p l i n g sa n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s a r ei l l u s t r a t e da sw e l l t h ec o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d et h ef o l l o w i n g si nd e t a i l ： 1 t h et h e o r yo ff i b e rg r a t i n g so v e rm o f sa r ed e s c r i b e db a s e do nc o u p l e dm o d e t h e o r y ( c m t ) a n dt h em o d a lp r o p e r t i e so ft h em o f s ，b a s e do nw h i c ht h es p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d ec o u p l i n g so ff i b e rg r a t i n g so v e rv a r i o u sm o f sc a nb e e x p l a i n e d 2 t h ef a b r i c a t i o np r o c e s s e so ff i b e rg r a t i n g so v e rm o f sa r e d e v e l o p e d ， i n c l u d i n g ：f u s i o ns p l i c et h em o f sw i t hs i n g l em o d ef i b e r s ，h y d r o g e nl o a d i n go ft h e m o f s ，i m p r o v e m e n to fu ve x p o s u r e ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fas u p e r c o n t i n u u ml i g h t s o u r c ew h i c hc o v e r so v e rl0 0 0 n ms p e c t r a l l y ，e r e 3 f a b r i c a t i o no ff i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) i nh o m e m a d eg r a p e f r u i tf i b e r si s f i r s tr e p o r t e dd o m e s t i c a l l y l o ws p l i c el o s sb e t w e e nt h i sm o fw i m s i n g l e m o d ef i b e r s i l l a b s t r a e t i sr e a l i z e d f b g sw i t hd e p t h so v e r3 0 d ba r ea c h i e v e db ys t a n d a r dp h a s em a s k m e t h o d t i l t e df b g sa r ei n s c r i b e di nt h em o f , w h i c hp r e s e n t sm u l t i p l ec l a d d i n g m o d er e s o n a n c ep e a k s h i g l l - i n d e xg e li si n f u s e di n t ot h eh o l e so ft h em o f , w h i c h r e d u c e st h es t r e n g t h so ft h ec l a d d i n gm o d er e s o n a n c e sb ya l le x t e n t 4 f a b r i c a t i o no ff b g si nag e r m a n o s i l i c a t ep c fw i t h10l a y e r so fa i rh o l e si s f i r s tr e p o r t e dd o m e s t i c a l l y s i n c et h ea i rh o l el a t t i c ed e c r e a s e st h ef b gf a b r i c a t i o n e f f i c i e n c y , t h ep c fi sl o a d e di nh i g h - p r e s s u r eh y d r o g e ni na d v a n c et oi m p r o v et h e p h o t o s e n s i t i v i t yo ft h e p c f t w os e r i e so fc l a d d i n gm o d er e s o n a n c ep e a k sa l e o b t a i n e d ，w h i c hc o r r e s p o n dt oc l a d d i n gm o d e sw h i c hd i s t r i b u t ei np u r es i l i c ar e g i o n a n da i r s i l i c ar e g i o n , r e s p e c t i v e l y a ne n h a n c e dc l a d d i n gm o d er e s o n a n c ep e a l 【a s d e e p 弱lo d bi so b s e r v e d m o r e o v e r , f b g sc a n b ei n s c r i b e di nt h i sp c fw i t h i n18 0 s e c o n d s 、 ，i t ha19 3 n ma r fe x c i m e rl a s e r , w i t h o mh y d r o g e nl o a d i n g w ea n a l y z et h e i n f l u e n c e so fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n di n d e xd i s t r i b u t i o no ff i b e rm i c r o s t r u c t u r eo n t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ff b g si ni n d e x - g u i d e dp c f s ，g r a t i n gi n s c r i p t i o n e f f i c i e n c ya n dt h ev i s i b i l i t yo ft h ei n d e xm o d u l a t i o n , b a s e do nt h ef a b r i c a t i o no f f b g si n t ot w od i f f e r e n tp c f s 5 f b gi si n s c r i b e di n t oag e - f r e ea 耐c l a d d i n gp c f , b yu s eo ft h e19 3 n ma r f e x c i m e rl a s e r , b yo b s e r v i n gaw e a kr e f l e c t i o np e a k 6 f b g si n s c r i b e di nt h ec l a d d i n gh i g h i n d e xr o d so fa l l - s o l i dp h o t o n i cb a n d g a p f i b e r sa r ef i r s tr e p o r t e d n o to n l yt h eg u i d e dm o d er e s o n a n c e ，b u ta l s os u p e r m o d e r e s o n a n c e sa r eo b s e r v e d w ed e m o n s t r a t et h a to n l yt h o s es u p e r m o d e sw i t hc e r t a i n p h a s er e l a t i o n s h i p sa n ds y m m e t r i cm o d ef i e l dp r o f i l e sa r er e s p o n s i b l ef o rt h e s u p e r m o d er e s o n a n c e s t h ed y n a m i c so ft h e f b gg r o w t hi nt h i sk i n do ff i b e r , i n c l u d i n gb a n d g a ps h i f ta n dt h ev a r i a t i o n so ft h er e s o n a n c ep e a k sa r ed e s c r i b e d t 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 y t h eb e n dr e s p o n s eo ft h ef b gi si n v e s t i g a t e d , w h i c hi sd i r e c t i o n d e p e n d a n tb e c a u s eo ft h ea s y m r n e t r i ci n d e xm o d u l a t i o no v e rt h e c l a d d i n gr o d s l o n gp e r i o dg r a t i n g s ( l p g s ) a r e f a b r i c a t e di na l l - s o l i dp b g f sa sw e l l p h a s e - m a t c h i n gc u r v e sa r ed e m o n s t r a t e da n di t st e m p e r a t u r er e s p o n s ei si n v e s t i g a t e d 7 f b g sa r ei n s c r i b e di n t os o l i d c o r eb r a g gf i b e r sa n dt h ef u n d a m e n t a lm o d e c o u p l i n gi so b t a i n e d w ef a b r i c a t e df b g si ns u c haf i b e r 、析t ha c o r ed i a m e t e rl e s s t h a nlg r na sw e l l a c c o r d i n gt oi t st r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o ns p e c t r a , w ef o u n dt h a t i v a b s t r a c t t h ew a yo fg u i d a n c eo ft h ef i b e ri si n d e x g u i d i n gb u tp h o t o n i cb a n d g a p 8 t w or e f r a c t i v e i n d e xs e n s o r sb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g si n s c r i b e di n h o l l o w - c o r eb r a g gf i b e r sa n dw e a ki n d e x g u i d e dm i c r o s t r u c t u r e do p t i c a lf i b e r sa l e p r o p o s e d ，r e s p e c t i v e l y t h es e n s o r sc a nm e a s u r et h el o s ss p e c t r u ma n dt h er e f r a c t i v e i n d e xo ft h ef i l l e dm a t e r i a ls i m u l t a n e o u s l y t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h em e a s u r e m e n t r e s o l u t i o n ，a i r - f i l l i n gf a c t o ra n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h em a t e r i a la l ec a l c u l a t e d k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g s ，m i c r o s t r u c t u r e do p t i c a lf i b e r s ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ， p h o t o n i cb a n d g a pf i b e r s ，b r a g gf i b e r s ，p h o t o n i cb a n d g a p ，m o d ec o u p l i n g 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；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：食寇 2 矿，护年f 月2 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： ? “ ”一 。 一“ ；内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长l o 年，可少于l o 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。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创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。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。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：刍_ 7 占 乞帅8 1 年岁月0 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节光纤光栅 狭义的光纤光栅指的是利用紫外曝光等手段，在光纤的纤芯内形成的延光 纤轴向的周期性折射率分布。随着其制作手段的进步和理论上的成熟，光纤光 栅的含义也大大丰富了。那些可以引起光纤内满足相位匹配关系的两个模式发 生耦合的周期性折射率调制或结构改变，都可以称作是光纤光栅。 1 1 1 光纤光栅的发展历程 1 9 7 8 年k o h i l l 等人利用4 8 8 n m 波长的氩离子激光器，在硅基掺锗光纤 中，利用驻波法写出了世界上第一根光纤光栅【l 】。这种光纤光栅能够把光纤中 传输的本征模能量耦合到反方向传输的本征模式中，从而导致某一特定波长的 光的反射。由于其谐振波长满足b r a g g 衍射方程，所以把这种光栅称为光纤布 喇格光栅( f b g ) 。用这种方法制作的光纤光栅的谐振波长与制作光栅时的写入 波长一致，且制作效率很低，其应用范围受到限制。1 9 8 9 年c tm e l t z 提出了 侧向全息写入技术【2 】，这种技术通过对两束相干光的角度进行调整以决定光栅 周期，具有较高的灵活性，但对写入光相干性和写入装置稳定性的要求很高。 1 9 9 3 年k o h i l l 等人又提出了相位模板侧向写入技术【3 】。相位模板法对光的相 干性要求不高，还可以同时写制多根光栅，这种方法促进了光纤光栅大批量的 生产和应用。光纤光栅随后被广泛用于通信系统中的上下载波分复用器、光纤 激光器、脉冲压缩、分布反馈半导体激光器和光纤传感等领域。另一方面，通 过对光纤光栅折射率调制图样的设计和调整，取样光栅、相移光栅、超结构光 栅等特种光栅也被制作出来，并取得了各自的应用。2 0 0 3 年陆续出现了利用 15 7 n m 波长的f 2 准分子激光器f 4 1 、飞秒激光器1 5 6 j 等通过相位模板法写制f b g 的报道，甚至可以利用高度聚焦的飞秒激光脉冲进行f b g 的点点写入【7 一j ，这 些手段写制效率更高，光栅性能更加稳定，但同时也带来较大的双折射效应和 增强的包层模谐振等不利因素。值得注意的是，飞秒激光脉冲通过双、多光子 吸收效应，可以在纯石英中形成折射率调制，进而成功地在由纯石英构成的光 第一章绪论 子晶体光纤中制作了光纤光栅1 9 1 。 1 9 9 6 年贝尔实验室的a m v e n g s a r k a r 等人首先提出长周期光纤光栅 ( l p g ) t 1 0 】。长周期光栅的周期通常在几十微米到几百微米范围内，远大于b r a g g 光栅。长周期光栅把光纤中特定波长的导波模耦合到满足相位匹配条件的同向 包层模中，包层模能量迅速泄漏并损耗掉，从而达到带阻滤波的效果。长周期 光纤光栅的这一特点，特别适合于用作掺铒光纤放大器的增益均衡器。1 9 9 6 年 a m v e n g s a r k a r 利用用两个长周期光纤光栅串接，实现了3 0 n m 带宽范围内 0 2 d b 的平坦度【1 1 1 。此外，长周期光纤光栅可用于光纤传感器，它们不仅对应 力、温度具有响应，还对外界折射率和弯曲非常敏感，且其灵敏度可通过对光 纤的几何参数和折射率分布进行控制【1 2 以4 1 。由于周期较大，长周期光栅的实现 手段非常灵活，不仅可以通过紫外曝光的振幅模板法进行制作【1 0 1 ，还可通过二 氧化碳激光器的热冲击效应和烧蚀效应【1 5 16 1 、电弧放电【1 7 1 、残余张力松驰1 引、 离子注入【l9 1 、甚至是周期性侧向应力【2 0 】等方法实现。这些方法同样可以用于在 微结构光纤( 特别是那些不具备紫外光敏性的微结构光纤) 中l p g 的制作，此 外，由于很多微结构光纤具有空气孔结构，l p g 甚至可以通过填充周期性排布 的液滴来实现 2 h 。 在理论上，1 9 9 7 年e r d o g a n 等人利用耦合模理论来讨论光纤光栅中纤芯模 与纤芯模、纤芯模与包层模之间的耦合，给出了均匀光纤b r a g g 光栅和长周期 光纤光栅光谱的理论分析结剁2 2 】；在此基础上，提出了非均匀光纤光栅传输矩 阵分析方法，这成为研究和设计光纤光栅的指导性文献。这些分析方法为我们 在理论上对微结构光纤光栅进行分析提供了依据。 1 1 2 光纤的光敏性 光纤光栅的制作通常利用了掺锗光纤的光折变特性，所谓光纤的光折变是 指掺锗光纤在某些波段的光照射下，其折射率会发生改变。纤芯掺锗的光纤对 波长在2 4 2 n m 和3 3 0 n m 附近波长的紫外光比较敏感( 如图1 1 所示) 。普通的 通信用光纤为了建立纤芯与包层之间的折射率梯度通常都会掺杂一定浓度的锗 ( 如康宁公司生产的s m f 2 8 光纤中锗的掺杂浓度为3 m 0 1 左右) ，所以通信光 纤本身就有一定的光敏性。通常所说的“光敏光纤指的是掺锗浓度大于3 m 0 1 的光纤，通常在8 - 3 0 m 0 1 范围内。光纤的掺杂浓度高，折射率随曝光增长速率 快，光敏性就强，反之，光敏性就弱。研究表明：对于低掺杂浓度的光纤，其 2 第一章绪论 折射率随曝光的增长速率很慢，但是其折射率增量的饱和值却很大；而掺杂浓 度较高的光纤的折射率随曝光的增长速率很快，但其折射率增量的饱和值却有 所下降【2 3 】。 图1 1 掺锗石英和纯石英在2 4 2 n m 波长附近的光敏性对比2 4 1 。 关于掺锗光纤光敏性的物理机制，目前还没有定论。得到较多认可的理论 是“色心模型”【2 5 】：即氧缺陷的g e s i 键吸收一个光子后，g e s i 价键被 打破，释放出的电子又被临近的锗俘获，形成两个新的吸收中心一一色 心，结果导致2 4 2 n m 波长处吸收峰的减弱( 称为漂白) ，同时形成2 13 n m 、 2 8 l n m 波长处的两个新的吸收带，并引起了长波处材料折射率的改变。 然而，色心模型在定量估算折射率变化的时候遇到了困难。后来的研究 发现，受到紫外曝光的掺锗纤芯中存在着较大应力，f b g 中折射率周期 性调制是色心和应力综合作用的结果1 2 6 。 为了增强光敏性，低掺杂浓度的光纤可进行载氢处理 2 7 j 。对于载氢后的光 纤，其光敏性的稳定性受温度影响较大，曝光后的光敏光纤在温度超过1 0 0 0 c 以上，其增加的折射率开始减退，在高温6 0 0 0 c 情况下，3 0 分钟后折射率增量 减少一半，8 0 0 0 c 时完全消失。此外，在纤芯中掺杂硼元素也是有效提高光纤 紫外光敏性的重要手段【2 引，硼的掺杂还可适当降低纤芯的折射率以保证光纤的 单模传输。目前商用的光敏光纤大都是硼锗共掺的光纤。 对于最常用的2 4 8 n m 波长的k r f 准分子激光器来说，其激光脉冲的功率密 度在1 0 5 1 0 6 w e r a 2 ，曝光引起的折射率增长为单光子吸收过程( 由于功率密度 3 (t-皇13一-g弓置口。口山。窖q矗瑚m，i 第章绪论 较低，多光予吸收可以忽略) 。单个2 4 8 n m 波陆的激光脉冲的光子能量为5o o e v ， 大于高掺锗光纤的“带隙”即由价带( v a l e n c eb a n d ) 1 9 导带( c o n d u c t i o n b a n d ) 所需的能量，但对f 普通的单模光纤( g e 的掺杂浓度仅为5 m 0 1 左右，能带为 7 1 e v ) ，心f 准分子激光器的写制效率就非常低了。而波长更短的1 5 7 n m 波长 的f 2 准分子激光器不仅具有更大的单光予能量( 79 e v ) ，还具有更高的功率密 度怛丑此，掺锗纤芯对t - 15 7 n m 波长的的激光| j = 冲具有很高的吸收敛率，在普 通的单模光纤上写制效率很高，但般折射敬应也随z 增强。此外，1 5 7 r a n 波长 的的激光脉冲在空气中损耗极人，整套，；制装置需置于纯氮气环境f ，这限制 了f 2 准分子激光器在光纤光栅制作j ：的推广。 闰12 纯“英和掺锗f l 英对再个波民激光的光敏性原理吓意削。掺锗光纤台降低引起光纤 折射车变化的能带位2 4 8 衄1 波k 的的k r f 激光器可引起高掺锗光纤的折射车改变，1 5 7 r i m 波k 的f 2 激光器可引起t 通单模光纤纤芯f 折射率政娈，1 9 3 n m 波的a r f 激光器通过两 步光r 吸【】5 ，可引起纯“英的折射率嫂娈+ 2 6 4 n m 、2 l i 啪、3 5 2 n m ，8 0 0 n m 波眨的的e 秒 激光器通过般、多光于啦收敛应引起纯i l 英折射率的变。v a l e n c e b a n d ：价带：c o n d u c t i o n b a n d 导带；i n t c r r n e d i a t es n t a 巾h 枣。 对r 功率密度可达到1 0 ”一1 0 1 2 w c m 2 的e 秒激光_ ： l 来说，双、多光子吸收 效应成为造成光纤折射率改变的主要原吲f 如图12 所示j 。f r d 时吸收晒个或多 个光子可以跨越纯石英的能箝( 93 e v ) ，使在由纯杆英构成的光予品体光纤 中写制光栅成为可能。此外，利用高度聚焦的飞秒激光器，可以实现f b g 的点 点写入和透过光纤涂覆层直接写制光栅e 2 93 。 1 9 3 邮波长的a r f 准分子激光器在普通单模光纤中的光栅写制以往也被认 为是双光子吸收过程，利用这种激光器，同样可以在纯石英光了晶体光纤中写 制f b g ，向这h 有累积吸收辑个光子的能量卅可能做到。但最近的研究表明， 第一章绪论 这种光栅写制过程不是严格意义上的双光子吸收，而是两步光子吸收( t w o s t e p a b s o r p t i o n ) f 2 4 1 ，即掺杂光纤首先吸收一个光子到达中间态，由于分子在中间态 上停留的时间很长，这时可再吸收一个光子，使分子到达传导带，并实现折射 率的改变( 如图1 2 所示) 。到达中间态只需要1 0 3 1 0 4 w l c m 2 的功率密度，由中 间态到达传导带则需要1 0 6 1 0 8 w c m 2 ，a r f 激光器即可达到，而纯粹的双光子 吸收效应需要1 0 9 1 0 1 1 w c m 2 ，只有峰值功率更高的飞秒激光器才能达到。 本论文中在微结构光纤中的光栅主要是利用2 4 8 n m 波长的m 和1 9 3 n m 波长的a r f 准分子激光器写制而成的。 1 1 3 光纤光栅的制作方法 目前，制作光纤光栅的主要方法有以下几种： ( a ) 相位模板法：这种方法最早由k o h i l l 等人提出。入射的紫外光经相 位模板进行空间调制，士1 级衍射光在模板后形成干涉条纹，置于模板后的光纤 经过紫外光的曝光，使纤芯的折射率形成周期性分布( 如图1 3 ( a ) 所示) 。这种 方法重复性好，对光源的相干性要求较低，适于大规模生产，但每块模板只能 制作固定( 或稍有差异) 周期的光纤光栅，且须严格控制相位模板的刻蚀深度 和占空比，高质量的模板造价高。目前商用的相位模板士1 级衍射光可分别占到 各级衍射光总能量的3 7 左右，同时o 级衍射光被控制在总出射光能量的5 以下，从而保证了光栅的写制质量。长周期光栅的制作中对应的方法是振幅模 板法，一般通过制作出微米量级的周期性排列的狭缝实现。有时为了增加光栅 长度，在本论文中我们还采用写入光束扫描的办法以充分利用模板尺寸。 ( b ) 点点写入法。将聚焦激光束投射到由精密机构控制位移的光纤上，通 过轴向移动对光纤曝光，使纤芯的折射率形成周期性分布( 如图1 3 ( b ) 所示) 。 这种方法灵活性高，光栅参数( 长度、周期及折射率轮廓) 可随意调控，适用 于在线写入，缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，光栅制 作耗时一般比较长。采用二氧化碳激光器、电弧放电等多种手段点点写入长周 期光栅，不仅可以提高写制效率，还具有性能稳定、耐高温环境等独特优点。 f b g 由于周期只有5 0 0 n m 左右甚至更小，点点写制较为困难。最近，h z h a n g 等人结合高度聚焦的飞秒激光脉冲和高精度的位移控制平台，成功地利用点点 写入法在光纤和波导中写制了f b g l 3 ，而英国a s t o n 大学i b e n n i o n 课题组利 用类似的办法写制了一阶光纤b r a g g 光栅i j 。 5 第章绪论 巨堇量三三三三三三弓 1 h m o s c n s l mcn b c r 图13 荐种光纤光栅q 制方法示意i 矧。( a ) 相似模扳浊：( b 】点点i 入法：( c 丌涉写八浊 r c ) 干涉写入法：两束振幅分束的相r 光在光纤中曝光，由干涉产牛的周期 性光强分布使纤芯的折射率形成周期性分布这种方法所需激光能量较低，且 可通过控制两柬写入光的戎角来选择光栅波k ，但对两柬写入光的相十性和写 制系统的稳定忭要求较高。曰阿虽然相位模板法袖f b g 巧制中占# 流地何，f i i 对于那些由特蛛村料构成的光纤和波导，如具有很高折射率的掺杂了硫系元素 的硅革光纤，仍u t 通过干涉法将光栅谐振波长控制在通信波段”。 率论文中的f b g 主要是通过相位模板注配合扫拙的写入光束制作的，l 。p g 主 要则分别通过振幅模板注和点点写入法进行制作。 mm -l = 二一 第一章绪论 1 1 4 光纤光栅的分类 根据引起折射率变化的起因的不同，即成栅机制与光敏机理的差异，从激 光能量密度、曝光时间、热稳定性、传输损耗、材料构成、掺杂浓度等因素考 虑，光纤光栅可分为i 型、i i 型、i i a 和i a 型。这种分类方式注重光纤光栅写 入的原因，在光纤光栅的实际制作技术中需要予以考虑。 1 、i 型光纤光栅：是由连续光或者能量较弱的多个激光脉冲，在掺锗浓度 较低的光敏光纤中产生局部缺陷而引起折射率变化形成的，其折射率一般在 1 0 一1 0 0 之间，具有较理想的透射谱，包层模谐振较弱，但热稳定性较差，超过 3 0 0 时即有可能导致光栅的擦除。利用2 4 8 n m 波长的k r f 准分子激光器写制 的光栅通常属于i 型光纤光栅。 2 、i i 型光纤光栅：由能量密度很高的脉冲激光造成的永久性折射率变化引 起的，其折射率变化量达1 0 一1 0 2 数量级，并具有很强的包层或辐射模损耗， 带宽较大( 1 5 n m ) ，热稳定性很高，可耐受8 0 0 。c 以上的高温【3 3 ，3 4 l 。 3 、i i a 型光纤光栅：对i 型光栅进行过量曝光( 5 0 0j c m 2 ) 可发现i i a 型 光栅，亦可使用脉冲或连续曝光在掺锗浓度高、纤芯小的光敏光纤中写成。与 i 型光栅和i i 型光栅明显不同的是，其平均折射率随曝光量的增加呈负增长趋 势。i i a 型光栅的温度稳定性介于型光栅与i 型光栅之间，在5 0 0 内稳定性 较好【3 5 】。 4 、i a 型光纤光栅：这种类型的光栅是最近几年发现的，只能在载氢的光 敏光纤或单模光纤中实现。与i i a 型光栅类似，在i 型光栅的基础上继续曝光， 使光栅逐渐消失，继续曝光几个小时之后，再次出现光栅，即i a 型光纤光栅。 这种类型的光栅具有极低的温度灵敏度，可用于光纤传感等领域1 36 。，避免了温 度一应力的交叉敏感。 根据光纤光栅折射率调制的均匀性，还可分为均匀光纤光栅和非均匀光纤 光栅。 1 、在均匀光纤光栅中，折射率调制的振幅和周期都是均匀的。均匀f b g 的透射谱如图1 4 ( a ) 所示，主谐振峰短波方向的多个较弱的谐振峰来源于高阶模 式耦合，是由于光敏区域尺寸有限造成的。典型的均匀l p g 的透射谱如图1 4 ( b ) 所示，多个透射峰分别对应着光纤基模向前向各阶包层模式发生的耦合。 7 第一章绪论 ( a ) 重 耋 图1 4 均匀f b g ( a ) 和均匀l p g ( b ) 的透射谱。 2 、常见的非均匀光纤光栅包括啁啾光纤光栅( 光栅周期沿光纤长度方向线 性变化) 、相移光纤光栅( 折射率调制中引入7 【的相位变化，以获得非常窄的通 带) 、取样光纤光栅( 光栅折射率调制的振幅按照周期规律变化) 、倾斜光纤光 栅( 折射率调制条纹与光纤横截面成一定角度) 等。这些光栅的折射率调制图 样各具特点，在光纤系统和器件中发挥着各自的作用。 1 1 5 折射率调制的可见度 折射率调制的可见度是衡量光纤光栅质量的一个重要参数。对于均匀的光 纤光栅，其折射率调制图样如图1 5 所示。光栅的平均折射率增长为a n 。f f ，折 射率调制深度为血m o d ，则折射率调制的可见度表示为驴血m a n 。f f 。由于光栅 谐振强度由a n m o d 决定，所以总是希望在有限的折射率增长范围内，尽可能地 提高可见度，使其接近于1 。然而，对于相位模板法写制的f b g 来说，折射率 调制的可见度不可能达到1 。这是因为：( 1 ) 衍射光中士1 级衍射光只占到总能 量的7 0 8 0 左右，其余的能量为0 级和更高阶次的衍射光。( 2 ) 当光栅趋近于 饱和时，折射率调制的最大值基本不再变化，而平均折射率继续增长，导致折 射率调制的可见度变低，这解释了若光栅饱和之后继续曝光，其谐振强度变弱 的现象。( 3 ) 由于纤芯折射率的增长与光强并不严格为线性的关系，折射率调制 为不严格的正弦图样。( 4 ) 对于含有空气孔阵列的微结构光纤来说，写入光受空 气孔散射的影响很大，这导致折射率调制图样更加复杂，且可见度变得非常低。 8 第一章绪论 t h nl li i e it ffff 鲫m o d + 7 f f 仰e 丘 u n p e r t u r b a t e d c , o - r e c l a d d i n g 05 0 01 0 0 0j 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 l e n g t h ( j a m ) 图1 5 一个3 m m