（光学专业论文）光纤光栅写入及其应用研究.pdf

摘要光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏效应，使单模光纤芯区长度上产生折射率的周期性改变而制成的一种新型光纤光子器件。从第一根光纤光栅写制成功到今天短短二十多年间，光纤光栅无论是写入技术、理论研究还是应用方面都获得了飞速发展。光纤光栅具有制作在光纤芯区与光纤完全兼容、反射和透射特性优良、附加损耗小、体积小、成本低等优点，并且可以通过灵活改变光栅的一些物理参数而得到所需要的光谱特性，这些物理参数包括：折射率变化、长度、切趾、啁啾、倾斜以及光栅是否在指定波长支持模式耦合等。通过对光纤光栅的重构，还可以设计出各种具有不同光谱特性的光纤光栅器件。本文从理论和实验两方面对光纤光栅的光谱特性、写制方法、应用以及光纤光栅的设计等进行了的研究。主要内容包括：1 概括介绍光纤光栅的发展历史、光纤光栅的分类、光纤光栅的理论分析方法、光纤光栅的各种制作技术和光纤光栅的设计方法以及光纤光栅在光纤通信领域和在光纤传感领域的应用。2 采用耦合模理论分析了均匀周期光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅的光谱特性；介绍了传输矩阵法对非均匀光纤光栅的处理；采用三层阶跃光纤模型，对信息产业部4 6 所提供的c 5 9 8 3 0 2 ( s ) 型光敏光纤的纤芯基模和一阶各次包层模的有效折射率进行了模拟计算；在数值模拟长周期光纤光栅周期和一阶各次包层模谐振波长之间关系曲线的基础上，讨论了长周期光栅周期对光栅温度、应变敏感特性的影响。3 在“色心模型”的基础上，通过假设，提出了光敏光纤光致折射率增量与曝光量之间的多项e 负指数之和变化规律，并分别采用非平衡光纤马赫一曾德尔干涉仪和布喇格波长漂移法进行了实验验证；实验研究了光敏光纤的双折射特性，提出了全光纤马赫一曾德尔干涉仪和光纤环镜测量光敏光纤的归一化光致双折射率的方法，得出归一化双折射率随曝光量的按多项e 负指数之和规律变化的结论。4 提出并实验论证了光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅的谐振波长随曝光量之间多项e 负指数之和的变化规律，并研究了长周期光纤光栅的谐振波长与振幅模板占空比之间的关系；考察了光纤布喇格光栅反射峰值随曝光量的变化关系；分别采用纵向应力法和利用光敏光纤的光敏性，利用一块相位模板，写制了摘要双波氏光纤布喇格光栅；采用二次曝光法对光纤布喇格光纤进行了切趾实验；进行了取样光纤光栅、闪耀光纤光栅的写制，以及布喇格光栅和长周期光栅的重叠写入；进行了级联长周期光纤光栅的数值模拟和实验。5 给出了光纤光栅的一些应用研究，包括：利用四个长周期光纤光栅串联，实现了e d f a 在3 5 6 m 范围内的增益平坦，平坦度小于0 6 ( 1 b ；在基于光敏性制作的波长间隔为o 8 m 的双波长光纤布喇格光栅的基础上，制作了环形腔双波长光纤激光器和双通道上下载波分复用器。6 最后，对用于光栅设计的层析法、模拟退火算法和遗传算法的基本原理和步骤分别进行了介绍；采用遗传算法设计了三角形光纤布喇格光栅；采用遗传算法设计了用于e d f a 增益平坦的长周期光纤光栅，达到3 8 1 1 i n 范围内，增益波动小于o 6 d b 。关键词：光敏性，色心模型，增益平坦，光致双折射率，光纤光栅，环形腔光纤激光器，光分插复用器，光纤光栅重构，遗传算法。攻读博士学位期问参加和完成的科研项目国家8 6 3 高新技术重点资助项目( 2 0 0 1 a a 3 1 3 1 1 0 ) “光纤光栅传感系统中的关键技术及实用化研究”国家自然科学基金项目( 6 0 7 7 0 1 2 ) “宽带光纤光栅水听器”建设部科技研究项目( o 卜一4 0 4 8 ) “空间结构安全检测光纤传感器阵列研究”天津开发区台湾台达公司项目“e d f a 增益平坦”l ia bs t r a c tb a s i n go np h o t o s e n s i t i v i t yo fg e - d o p e dg l a s sf i b e r s ，f i b e rg r a 廿n g sa r ec o n s t n l c t e db yv a r y i n gt h er e f h c t i v em d e xo fm ec o r e1 e n g 血衙s ea l o n gt h e 丘b e r ，t l l e ya r en e wt ) r p eo fo p t i c a lc o m p o n e n t s f r o ms u c c e s s f u l l yf 孙r i c 砒i n go ft h ef i r s tf i b e rg r a 血gt on o w ，n o to m yf h b r i c a t i o nm e m o d s ，b ma l s om e o r yr e s e a r c h j n ga n da p p l i c a t i o n sa r ea l lh a v e 加td e v e l o p m e m f i b e rg r a t h l g sh a v es c v c r a ld i s t i n g l l i s h e da d v a n t a g e s ，s u c ha s ：a l l 一丘b e rg e o m e 略l l i g hr e t i l ml o s so re x t i n c t i o n ，1 0 wi n s e n i o nl o s s ，s m a l lb u l k ，a n dp o t e 埘a l l yl o wc o s te t c d e s i r e ds p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c sc a i lb ea c h i e v e dt h r o u g hv a r i n gn u m e r o u sp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，也e s cp a r a m e t e r si i l c l u d i n gi n d u c e di n d e xc l 姗g e ，1 e n g 1 ，叩o d i z a t i o n ，p e r i o dc h i r p ，m n g et i h ，a 1 1 dw h e m e rm e目a t i n gs u p p o r t sc o u n t e r p r o p a g a 血go rc o p r o p a g a t i n gc o u p l i n ga tad e s i r e dw a v e l e n g m b yr e c o n s 仃u c t i o no ff i b e r 耐i r 峪s ，v a r i o u sf l b e rg m t i n gd e v i c e s ，、v h i c hh a v ed i 脏r e n ts p e c t r a ls b a p e s ，c a nb ed e s i g n e d i nt h i s 也e s i s ，s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c s ，f a b r i c a t i o nm e m o d ，a p p l i c a t i o n sa 1 1 dd e s i g no ff i b e r 删n g s ，a r ct 1 1 e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e m a l l ys t u d j e d t h em 血w o r ki sp r 0 v i d e da sf o l l o w s ：1 f i r s t l y ，m ed e v e l o p m e n th i s t o 阱c l a s s i f i c a 廿o n ，t 1 1 e o r c t i c ma n a l y s i sm e t h o d s ，i m p r i n t i n gt e c h n i q u e s ，a p p l i c a t i o i l sa n dd e s i g nm e 吐l o d so f 五b e r 乒a t i n g sa r es u n l m a r i z e d 2 n ec h a r a c t e r i s t i c so f 肋e rb r a g gg r a t i n g sa 1 1 dl 锄gp e i i o d 劢e rg r a t i n g sh a v eb e e ns t u d i e db ym e a n so fm ec o u p l e d m o d et l l e o r y it h et r a n s f hm a t r i xa p p r o a c hw h i c ht r c a t s 谢mn o n _ 1 1 1 1 i f o 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c e di n d e xi n c r e m e mo fp 1 1 0 t o s e n s m v e劢e ra n du vi 玎a d j a t i n gd o s ei sp r e s e n t e d ，a n di se x p e i i m e n 协u yd e m o n s t r a t e db ym a c h z e l n d e ri n t e r f e r o m e t e rm e m o da i l db r a g gw a v e l e n g t l ls h mm e t h o d ，r e 印e c t i v e l y t h ep h o t o - i n d u c e d b i r e f h n g e n c eo fp h o t o s e n s i t i v e 丘b e r h a sm s ob e e ns t u d i e d t om e a s u r et h eb i r e 行i n g e n c e ，t l l em a c h z e l l i l d e ri n t e r f e r o m e t c rm e m o da 1 1 dt h ef l b e rl o o pm e t l l o da r cp r o p o s e d ，r e s p e c t i v e l y 4 t h er e s u l t 也a tt h er e s o n a l l tw a v e l e n g i ho fm ef i b e rb r a g g 罂撕n gi sm u l t i d e c a y m g e x p o n e n t i a l l yp r o p o m o n a lt ot h cu vi r r a d i a t i n gd o s eh a sb e e np r e s e n t e da 1 1 dd e m o n s 讯此d ，s od o e s 也e1 0 n gp e r i o df i b e rg r a t i n g t h er e l a t i o nb e t 、v e e nt h ed l n yf 砒i oo f 锄p i 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m t i i l g sh a v e b e e nd e m o n s 扛a t e d ，i n c l u d i n g ：晰t 1 1f 0 1 l rd i 丘b r e n t1 0 g - p e r i o d 丘b e rg r a t i n g sf a b r i c a t e do u r s e l v e s ，ag a i n n a t t e n e de d f aw i t hag a i nv a r i a t i o no f 士o 6 d bo v e rab a n d 而d 1o f3 6 5 工l li sa c l l i e v c d w i mt h ed 1 1 a l - 、v a v e l e n g t l l6 b e rb r a g gg r a t i n g ，w h o s ew a v e l e n g t hs e p a r a ：七i o ni so 8 蛳，ad u a l w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e ra n da no p t i c a la d d d r o pmu l t i p l e x e r( 0 a d m ) t h a ta l l o w s 出0 p p i n gt w 0f e dw a v e l e n g t l lc h a l l l l e i sa r ep r o p o s e d 6 弛a l l y ，t h r e e 舢e rg r a t i n gd e s i 盟m e t h o d s 妇1 u d i n gl a y e rp e e l 地m e t h o d ，s i m l l l a t e da 加e a l i 工l ga l g o r i 也ma i l dg e n e t i ca 培。商：1 1 r n ，a r ed e m o n s t m t e d b a s i n go ng e n e t i ca l g o r i m m ，a 打i a l l 甜e 士i b e rb r a g g 伊如ga i l dal o n g - p 耐o d 舶e rg r a t i n gf o re d f ag a i nn a t t e 血n ga r ed e s i g n e d k e y w o r d s ：p h o t o s e n s i t i v i 锣，c o l o r c e n t e rm o d e l ，g a i nf l a n e 工l i n g ，p h o t o i n d u c e db i r e i h n g e n c e ，f i b e rg r a 瞳i 1 培s ，f i b e ri i n gi a s e r ，o a d m ，g e n c t i ca l g o r i 血m摘要双波氏光纤布喇格光栅；采用二次曝光法对光纤布喇格光纤进行了切趾实验；进行了取样光纤光栅、闪耀光纤光栅的写制，以及布喇格光栅和长周期光栅的重叠写入；进行了级联长周期光纤光栅的数值模拟和实验。5 给出了光纤光栅的一些应用研究，包括：利用四个长周期光纤光栅串联，实现了e d f a 在3 5 6 m 范围内的增益平坦，平坦度小于0 6 ( 1 b ；在基于光敏性制作的波长间隔为o 8 m 的双波长光纤布喇格光栅的基础上，制作了环形腔双波长光纤激光器和双通道上下载波分复用器。6 最后，对用于光栅设计的层析法、模拟退火算法和遗传算法的基本原理和步骤分别进行了介绍；采用遗传算法设计了三角形光纤布喇格光栅；采用遗传算法设计了用于e d f a 增益平坦的长周期光纤光栅，达到3 8 1 1 i n 范围内，增益波动小于o 6 d b 。关键词：光敏性，色心模型，增益平坦，光致双折射率，光纤光栅，环形腔光纤激光器，光分插复用器，光纤光栅重构，遗传算法。攻读博士学位期问参加和完成的科研项目国家8 6 3 高新技术重点资助项目( 2 0 0 1 a a 3 1 3 1 1 0 ) “光纤光栅传感系统中的关键技术及实用化研究”国家自然科学基金项目( 6 0 7 7 0 1 2 ) “宽带光纤光栅水听器”建设部科技研究项目( o 卜一4 0 4 8 ) “空间结构安全检测光纤传感器阵列研究”天津开发区台湾台达公司项目“e d f a 增益平坦”l i第一章引言第一章引言1 1 光纤光栅的发展概况1 9 6 6 年英籍华人学者高锟从理论上预言光纤损耗可降至2 0 d b l 以下，1 9 7 0年康宁公司( c o n l i n g ) 采用“粉末法”先后获得了损耗低于2 0 d b l m 和4 担l 的低损耗石英光纤，说明光纤可以作为光通信的传输媒质，从此，光纤通信开始迅速发展。“信息化”的二十一世纪，大幅度提高光纤通信系统的容量，实现超高速、长距离信息传送以及全光化，对各种高性能的器件的需要十分迫切。而光纤光栅的出现成为继掺铒光纤放大器( e d f a ) 之后在光纤领域的又一重大技术突破，对它的研究也已迅速成为国际上光纤器件领域的一个热点。由于光纤光栅具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰并易于同光纤系统兼容集成等诸多优点，在光纤通信、光纤传感器等领域具有广泛的应用前景。1 9 7 8 年，加拿大的h i l l 等人首次观察到掺锗光纤的光敏效应【l j ，他们用4 8 8 姗氩离子激光器，采用“驻波法”，导致纤芯区呈现出周期性的折射率调制，形成布喇格光纤光栅。但用这种方法制作的光纤光栅，其响应波长要受激光写入波长的限制。1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人提出了紫外侧写技术【2 】。以波长约为2 4 4 m 的紫外光为光源，用全息干涉的方法从侧面对载氢光纤进行曝光，写制出布喇格波长与写入波长不同的光纤光栅。这种方法可以通过改变两相干光束之间的夹角对光栅的布喇格波长进行任意的调节，从而在任何感兴趣的可用波段写入光栅，但对光源的相干性和系统的稳定性要求较高。19 9 3 年，h i l l 等人又提出了相位掩模法【3 1 ，用紫外光垂直照射相位掩模板后的形成的1 级衍射光对载氢光纤曝光写入布喇格光栅。该方法使光纤光栅真正走向实用化和产品化成为可能，是目前广泛采用的一种方法。这种方法只与相位光栅的周期有关而与入射光波长无关，对光源的相干性要求不高，因而简化了光纤光栅的写入装置，缺点是掩模板制作复杂。光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏效应制成的，所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性( 这种现象也称为光致折射率变化效应，简称光折变效应) 。通过提高光纤的掺杂浓度，可以提高光敏性。对于一般的商用光纤，锗的掺杂浓度为3 ，理论计算出由此第一章引言光纤写出的光栅反射率约为4 0 ，将锗的浓度提高到7 9 时，计算出的反射率可达到9 8 ，但是纤芯中锗浓度的增加，会使纤芯折射率增加，与普通光纤对接时会导致较大的损耗，并使传输中的色散增加，为了降低折射率，可以采用硼锗共掺的方法【4 】；采用低温高压载氢技术也可以提高光纤光敏性，该方法由l e m a i r e 等人于1 9 9 3 年提出【5 1 ，这种方法可使光纤的光敏性提高近两个数量级，使在普通光纤上制作高反射率的光纤光栅成为可能，大大降低了成本；此外还可以通过在光纤中掺入具有较强光敏性的稀土离子( s n 4 + 、c e 3 + 、p ，+ 和e ，+ 等) 以及预加应力的方法达到增敏的目的。关于光折变效应的物理机理，人们提出了一些理论模型，一般使用的是“色心模型【6 7 1 。色心模型由h a l l d 和r - u s s e l l 于1 9 9 0 年提出，他们用4 8 8 m 的激光照射低掺杂浓度的锗硅酸盐光纤，纤芯中的锗原子导致缺氧键的形成，使光纤在2 4 0 n m 处有一个很强的吸收带，4 8 8 n m 激光的双光子吸收使缺氧键断开，释放出的电子被临近的锗俘获，形成两个色心，导致2 4 0 姗处的吸收带的“漂白”，产生了2 1 3 m 、2 8 1 m 处的两个新的吸收带，吸收谱的变化通过融锄e r s - k r o i l i n g关系，就导致了折射率的变化。1 9 7 8 年h i l l 等人研制出的世界上第一根光纤光栅光纤布喇格光栅，能量耦合发生前向传输的纤芯基模和后向传输的纤芯基模之间；1 9 9 6 年a t & t 贝尔实验室的v e n g s a f k a r 等人用紫外光通过振幅掩模板照射载氢硅锗光纤首先研制成了长周期光纤光栅【8 】，可以实现纤芯基模与同向传输的包层模之间的耦合。在光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅的基础上，人们又先后研制出了一些具有特殊用途的光栅，比如啁啾光纤光栅、取样光纤光栅、闪耀光纤光栅、相移光纤光栅、各种变迹光纤光栅、超结构光纤光栅等。而写入光栅的光纤也不再局限于硅玻璃光纤，在塑料光纤中写入的光纤光栅已引起了人们越来越多的关注。到今天，光纤光栅无论是写入技术、理论研究还是应用方面都获得了飞速发展。随着研究的日益深入和应用领域的不断拓展，光纤光栅家族将不断发展壮大，在通信、传感及其它各个相关领域必将扮演更加重要的角色。1 2 光纤光栅的分类随着研究的不断深入和应用需求的不断变化，各种各样的光栅不断涌现出来，也出现了多种光纤光栅的分类方法。根据光纤光栅的形成机制，光纤光栅可以分成：i 型、i i 型和i i a 型( 也叫i i i第一章引言型) 光纤光栅。i 型光纤光栅是由连续或者能量较弱的多个紫外光脉冲曝光掺锗浓度较低的光纤形成的，折射率变化较小，具有较理想的透射谱，但其热稳定性较差，是目前最常用的光纤光栅【2 】。i i 型光纤光栅一般由能量密度很高的激光脉冲照射高掺锗光纤，造成纤芯损伤而成，只需单个脉冲曝光就可制成l o o 反射率的光栅【9 ，且热稳定性很好，但具有较大的包层或辐射模损耗。i i a 型光纤光栅一般是在高掺锗浓度、小纤芯的光敏光纤中写成的，通过对i 型光纤光栅过量曝光得到，温度稳定性介于i 型和i i 型光纤光栅之间【1 0 】。根据所用的光纤材料，光纤光栅可分为硅玻璃光纤光栅和塑料光纤光栅。按照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，将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大基本类型，简单介绍如下。1 2 1 均匀光纤光栅均匀光纤光栅的特点是指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数。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。( 1 ) 布喇格光纤光栅布喇格光纤光栅( f b g ) 的周期一般为1 0 - 1 l 】n l 量级，能量耦合发生在两个反向传输的模场中，即前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间的耦合，如图1 1 所示，是一种反射型滤波器，其反射谱如图1 2 所示。b 口氆= = = = = = 图1 3 长周期光栅的模式耦合1 4 4 d1 j 4 01 6 4 01 7 4 0w a v e l e n 舭( f 蛐图1 4 长周期光栅的透射谱长周期光纤光栅( l p g ) 的周期要远大于布喇格光纤光栅的周期，达几百微米，4盘。鼍嘲酗(日p_)口ot。书麓h爿“b第一章引言能量耦合发生在两个同向传输的模场中，即前向传输的纤芯模式与同向的各阶次包层模式之间的耦合，如图1 3 所示。长周期光纤光栅是一种透射型带阻滤波器，其透射谱如图1 4 所示。它成本低、插损小、基本没有后向反射、在光路中不会对光源产生光反馈。( 3 ) 闪耀光纤光栅闪耀光纤光栅制作时，干涉条纹与光纤轴线方向成一夹角。这种光纤光栅不但能引起反向导模的耦合，而且能将基模耦合到包层模中辐射掉。闪耀光纤布喇格光栅的反射谱和透射谱如图1 5 所示，可以看出在布喇格波长的短波侧会出现一系列的损耗峰，而这些边峰在反射谱中是观察不到的【l 。图1 5 闪耀光纤布喇格光栅的反射谱和透射谱1 2 2 非均匀光纤光栅非均匀光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。从光栅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啁啾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。( 1 ) 啁瞅光纤光栅对光栅周期不均匀的光栅，我们通常称为啁啾光栅，其典型反射谱如图1 6 所示。常见的啁啾光栅有线性啁啾光纤光栅和分段啁啾光纤光栅。线性啁啾光纤光栅的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m3口喜拦瞄q禽口鲁翅篡_【哥芦第一章引言制深度为常数。分段啁啾光纤光栅的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。图1 6 啁啾光纤布喇格光栅反射谱( 2 ) 相移光纤光栅相移光纤光栅是在光栅的某些位置上发生相位跳变，形成光栅折射率空间分布的不连续而得到的。它能够在周期性光栅的光谱阻带内打开一个透射窗口，如图1 7 所示，使得光栅对某一波长有更高的选择度。w “e i l 蛐图1 7 石相移光纤布喇格光栅的反射谱( 3 ) 取样光纤光栅【1 4 1取样光纤光栅是指光栅的幅值或位相在沿着光栅的方向上受到取样函数的调制，其反射谱是一系列等间距窄带宽的反射峰，如图1 8 所示，是多通道窄带反射带通滤波器。!卜：ijul jjw * 瞄# 蛐8 图1 8 取样光纤布喇格光栅的反射谱1 3 光纤光栅的理论分析方法光纤光栅的理论分析方法有耦合模理论、传输矩阵分析法、傅立叶变换分析法、多层模分析方法及b 1 0 c h 理论方法，这里对前三种典型方法作简单介绍。1 3 1 耦合模理论i ”】耦合模理论是分析光纤光栅最基本的方法。用紫外光在光纤上制作光栅时，所得光栅在理论上被认为是对光纤的一种扰动，其模式场是非正规模场，可以采用耦合模理论来求解。( 详见2 1 ) 对于均匀周期的光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅，可以得到解析解；对于非均匀光纤光栅，严格求解耦合模理论变得十分困难，此时就要采用数值解法来求解，比如将耦合模方程化为单个黎卡迪( m c c a t i )差分方程，用龙格一库塔方法 5 3 】求数值解或者采用传输矩阵分析法。1 3 2 传输矩阵分析法f 1 6 】传输矩阵方法是一种快速而精确的计算方法，在该方法中，将一个非均匀的光纤光栅看作是由一系列小的均匀周期的子光栅串联而成，每一个子光栅的传输特性均可用矩阵来表示。将所有的矩阵相乘，结合边界条件，即可7第一章引言得到整个光栅的传输特性( 详见2 2 ) 。1 3 3 傅立叶变换分析法f 1 7 】在反射率较低的条件下，耦合系数与反射率之间存在傅氏变换关系。用这种方法可以在反射率较低的情况下，对一些光栅光谱作定性分析( 如取样光栅) ，这种方法具有简单、透彻和快捷的特点，但在反射率较高时，偏差较大。1 4 光纤光栅的制作技术光纤光栅的写制方法有很多，将各种方法与写入装置进行有机组合，就可以制作形式多样、结构丰富，满足各种需要的光纤光栅。目前，在光纤光栅的成栅技术中，比较典型的有双光束干涉法、相位掩膜法以及逐点写入法，简要介绍如下。1 4 1 双光束干涉法a 打消| 髟n蠹：一，双光束干涉法，也称全息曝光法【2 】。如图1 9 所示，两相干紫外光束相交于光纤上。干涉所得的光栅周期( 栅距) 为人= i 等，其中九。为紫外光波长；2 n os m 中n 。为空气折射率；夺为入射角。可见，只要改变光束的入射角十就可以得到不同箜：雯i i童周期的光栅。1 4 2 相位掩模法【3 1。鼍多i 图1 1 0 相位掩模法洫o 张a n o c o n t r 旺l 豫s图1 1 1 移动扫描技术相位掩模法是目前广泛使用的光栅写入方法。如图1 1 0 所示，将掩模板置于裸光纤上。相位掩膜板是用光刻蚀技术，在硅质玻璃上刻出的表面凹凸不平的矩形周期性的条纹，具有压制零级，增强一级衍射的功能。经紫外光曝光后便可寻i | 丫写入周期为掩膜板周期一半的b m g g 光栅。所写光栅的周期不依赖于入射光波长，只与掩模板的周期有关。将相位模板换为振幅模板，就能适合长周期光栅的制作，即振幅掩模法。掩模法和移动扫描技术”，1 明相结合能使光栅写制变得更加灵活，可以用来制作具有特殊结构的光栅，如图1 1 l 所示。结合相位模板和振幅模板还能制作出超结构光栅。1 4 3 逐点写入法【2 2 】图1 1 2c 0 2 激光器逐点写入长周期光纤光栅装置逐点写入法，亦称点点写入法，是一种前途看好的成栅技术。这种方法利用高精度步进电机控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可以写入任意周期的光栅。该方法对光栅的周期容易控制，但是由于写入光束必须聚焦到很紧密的一点，因而一般只适于写入长周期光纤光栅。图1 1 2 中为聚焦c 0 2 激光器逐点写入长周期光纤光栅的装置。1 5 光纤光栅的应用1 5 1 光纤光栅在光纤通信领域的应用基于光纤光栅的独特性能，它的应用已经渗透到光纤通信的各个环节，成为下一代高速光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一，使全光通信网的实现成为1 0第一章引言可能，光纤光栅在光纤通信领域中的应用主要有：( 1 ) 光纤激光器【2 抛6 1光纤光栅的窄带反射特性和全兼容于光纤的优点使其特别适合于制作光纤激光器。利用光纤光栅作为光纤激光器的腔镜，可以实现模式选择和窄带反馈的单频激光器。这类激光器的兼容性、输出稳定性和光谱纯度比半导体激光器好，而且具有较高的光输出功率、较低的相对强度噪声、极窄的线宽和较宽的调谐范围。在光纤激光器中，利用取样光纤光栅作为反馈谐振腔可以实现多波长输出，这种多波长激光器是密集波分复用系统中理想的标准通道光源。( 2 ) 光纤滤波器【2 7 】光纤滤波器是光纤通信系统中的关键器件。均匀光纤布喇格光栅实质上是一个波长选择器，反射率几乎可达1 0 0 ，用光纤布喇格光栅做滤波器，可以对光纤透射频谱中的任一波长进行窄带滤出，利用布喇格光纤光栅的光谱特性可以构成窄带带阻、宽带带阻、宽带带通等不同滤波器；由于光纤光栅的谐振波长对外界环境比较敏感，因此可作出多种可调谐滤波器，常用的调谐技术包括轴向拉伸、轴向压缩、弯曲、扭曲、横向负载、温度调谐和磁调谐等。而相移光纤光栅在光栅反射谱的相应位置打开一个透射窗口，可用作窄带带通滤波器。此外，取样光栅是梳状滤波器，啁啾光纤光栅可做成宽带滤波器。( 3 ) 增益平坦器【2 8 】_ h 1 t h _ _f i a t n e s s ：0 7 d bo v e r4 0 n m图1 1 3 基于长周期光纤光栅的e d e a 增益平坦器掺铒光纤放大器( e d f a ) 在高速长距离光纤通信系统中发挥着重要作用，密一e舌p)k；ol一0_8n第一章引言集波分复用( d w d m ) 技术的应用则提高了整个放大器带宽内的通信容量。e d f a增益谱的不平坦性是制约其在密集波分系统中应用的主要因素，因此，e d f a 增益平坦器的研究受到了广泛的重视，并提出了多种技术方案。光纤光栅在增益平坦技术中的地位举足轻重，人们提出了多种基于光纤光栅的增益平坦技术方案，早在九十年代初，英国的k a s k y a p 等人就利用闪耀光栅实现了增益平坦，其后又提出了采用啁啾光栅，由于长周期光纤光栅具有低的背向反射和附加损耗，光谱特性可以调节，各种基于长周期光纤光栅的e d f a 增益平坦化技术又引起极大的关注。图1 1 3 中是用长周期光纤光栅进行e d f a 增益平坦的结果。( 4 ) 色散补偿器【”j图1 1 4 啁啾布喇格光栅的色散补偿在超高速大容量d w d m 系统中，色散会引起光脉冲的展宽，是限制通信容量的关键，因此如何进行色散补偿，成为人们研究的重点。啁啾光纤布喇格光栅是大容量d w d m 系统中常用的色散补偿器件。啁啾光纤布喇格光栅的谐振波长是沿轴向渐变的，不同波长的光经过啁啾光栅时被反射的位置不同，就出现了相对的时延差，这样经过光栅后，光脉冲重新被压缩，从而可以补偿光纤线路中的色散，如图1 1 4 所示，所能补偿的色散量及带宽则由光栅长度和啁啾量来决定。采用取样啁啾光栅则可实现多信道的色散补偿。此外使用均匀布喇格光栅、啁啾长周期光栅等也能实现色散补偿。( 5 ) 光分插复用器( 0 a d m ) l 3 旧2 j采用光分插复用器( o a d m ，o p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 对光信号进行上下话路复用是实现高速光纤通信网的关键技术之一。0 a d m 的结构多种多样，由于具有良好的波长选择性，许多o a d m 中都用到了光纤光栅。最简单的光纤光栅和环行器型分插复用器结构如图1 1 5 所示，它由两个三端口的环行器和一个窄带布喇格光纤光栅构成。包含多个波长的光信号从输入端口( i n p u t ) 输入，经光环形器入射至光纤光栅，其中波长与布喇格光纤光栅的中心波长一致的光信号将被光纤光栅反射，并经光环形器的下载端口( d r o p ) 下载，其余波长的信号通过光纤布喇格光栅从环行器的输出端口输出；需要上载的信号通过第二个环行器的上载( a d d ) 端口注入，经光栅反射也从环行器的输出端口输出。这种o a d m 的优点是结构简单、插入损耗小且具有较高的选择性。ifd r o pa d d图1 1 5 光纤光栅环形器型o a d m1 s 2 光纤光栅在光纤传感领域的应用【3 3 川当光纤光栅所处环境的应力、应变、温度等物理量发生变化时，会引起光栅周期或光纤有效折射率的变化，导致光纤布喇格光栅的谐振波长发生变化，通过测量光栅谐振波长的变化，就能获得待测物理量的变化情况。随着光纤光栅写制技术的日趋成熟，光纤光栅传感器开始逐步走向实用化。光纤光栅传感器灵敏度高、抗干扰性强、损耗低、易与光纤连接，其最突出的优点是传感的信息用波长编码，从而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。在光纤若干个部位写入多个光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化，实现分布式光纤传感盼3 6 1 。利用一个或多个光纤光栅级联或与其它传感器相结合，通过测量谐振波长、峰值、偏振态或其它参量的变化可以解决交叉敏感，实现对多参数的同时测量。目前，研发的光纤光栅传感器的传感元件以光纤布喇格光栅为主流，其它光纤光栅如长周期光纤光栅和啁瞅光纤光栅也有使用。己报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应交、压力、位移、压强、扭角、扭矩( 扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等【3 h ”。光纤光栅传感器的应用遍及航空、航天、化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿、民用工程等各个领域，1 9 8 8 年首届光纤“智能结构蒙皮”的国际学术会议，标志着对“3 s ”系统的国际性研究的开始，意味着光纤光栅传感器技术的应用进入了新的历史发展阶段。1 6 光纤光栅的设计方法从已有的光纤光栅结构参数( 包括振幅和相位) 出发求光栅光谱，称为“正问题”，可以用1 3 中介绍的方法计算；从给定的光栅光谱求光栅的结构参数，就称为“反问题”，亦即光栅的重构。通过求解“反问题”就可以设计光栅或者对已经写制的光栅作特征描述。这里，对光纤光栅的设计方法作简单介绍。1 6 1 解g l m 方程法4 3 】g l m 方程( 即g e l f 缸d l e v i t a n - m a c h e n k o 方程) 是一个耦合积分方程，源自于量子力学，1 9 8 5 年s o n g 和s h m 最早提出通过求解g l m 方程可以设计光栅，但他们的方法需要反射系数必须是有理函数；f r a n g o s 和j a g g a r d 又分别于1 9 9 1年和1 9 9 5 提出了两种不需要反射系数为有理函数的求解g l m 方程的数值解法；类似的，1 9 9 6 年p e r a l 等人也提出了一种解g l m 方程的迭代数值方法，并用这种方法设计了色散补偿用的光纤光栅。这种方法非常有效但同时也很复杂。1 6 2 傅立叶变换分析法4 5 】与正问题相同，傅立叶变换分析法也适用于反问题，采用由一阶b o m 近似得到的光纤光栅反射系数与耦合系数之间的傅立叶变换关系来解决反问题，最早由w m i c k 和r o m a l l 于1 9 9 0 年用来设计波导滤波器，这种方法非常简单且适用于任何反射系数，不需要反射系数为有理函数，但它也是一种近似方法，只有对弱光栅才能得好的结果。1 6 3 层析法【4 6 】层析法是在因果讨论的基础上，充分考虑电磁波传播介质层的结构和物理特性，逐层递归确定每一层介质。该方法已用于分析传输线、摆绳、分层声学介质和量子力学中的粒子散射等系统。f e c e d 等人首先将该方法应用于光纤光栅设计中，分析表明该方法具有计算效率高、结果精确等优点，适应于设计各种优性能的光纤光栅。将光栅看作由一系列复反射器级联构成，这是一个因果、稳定的线性系统。按照因果性讨论，系统某时刻的输出只取决于此时刻和此前时刻的输入，因此再计算出第一层的耦合系数后，光波就传输到光栅的下一层，这个过程可通1 4第一章引言过对耦合模方程的积分或传输矩阵方法计算得到第二层的反射系数，此时又可以象计算第一层的耦合系数一样，计算得到第二层的耦合系数，这个过程一直持续下去，直到最后一层的耦合系数被计算出来。关于层析法用于光纤光珊设计的具体内容，参见第六章。1 6 4 遗传算法h 7 】遗传算法( 的l e t i cm g o 蒯1 n 1 ) 是一种全局优化搜索算法，是由美国著名学者，密西根( m i c l l i g a l l ) 大学教授j o l l l l h h o l l a l l d 提出，并在二十世纪7 0 年代初期发展起来的。遗传算法具有简单通用、鲁棒性强、适于并行处理及高效实用等显著优点，在自然与社会现象模拟、工程计算等方面得到了广泛的应用。遗传算法从随机产生的组初始解( “种群”p o p u l a t i o n ) 开始，通过一些算子的作用，产生下一代种群，再以新产生的种群为出发点，重复上述过程，直到满足结束准则为止。遗传算法可用于解决光纤光栅反问题，其目标就是找出可以产生与目标谱差别最小的反射谱( 或透射谱) 的耦合系数分布。通过定义一定的适应度函数，评估每个解的优劣，经过若干次迭代之后，找到最优解( 耦合系数的最佳分布) 。关于遗传算法用于光纤光栅设计的具体内容，参见第六章。1 6 5 模