（光学工程专业论文）新型包层折射率调制光纤光栅的理论研究.pdf

摘要 论文： 硕士： 导师： 学校： 摘要 新型包层折射率调制光纤光栅的理论研究 陈娜 崔一平 尔南入学 本文提出了一种新型结构的光纤光栅包层折射率调制光纤光栅。这种新型光纤光栅的纤芯折射 率保持不变而包层折射率受到周期性调制。我们首次对这种新型包层折射率调制光纤光栅在光纤三层阶 跃折射率几何模型下，运用耦合模理论建立了理论模型，分析了这种新型光栅中的模式耦合机理，数值 模拟了包层折射率调制光纤布拉格光栅的反射谱和包层折射率调制长周期光纤光栅的传输谱，预言了这 种新型结构的光纤光栅所具有的光谱特性，得到包层折射率调制对于光纤中传输的光的波k 、振幅等产 生的影响。通过相同参数下新型光栅与传统光栅的光谱比较，这种新型结构的光纤光栅具有与传统光纤 光栅相似的可靠的光谱滤波特性，而且可以通过改变光栅参数灵活地进行光谱设计。通过包层掺杂和纤 芯掺杂两种光纤损耗的计算，证明了这种新型的光栅比传统的纤芯折射率调制光纤光栅具有更低的损 耗，在相同掺杂条件r ，损耗降低了1 0 倍以上。 新型包层折射率调制光栅可以由包层掺杂的光敏光纤经过侧面紫外曝光制成。这样，对于各种纤芯 折射率调制光纤光栅的制作方法都可以简单地移植到新型包层折射率调制光纤光栅的制作中米。同时， 研究结果表明，这种新型包层折射率调制的光纤光栅可以为解决纤芯高光敏光纤光栅的高损耗问题提供 一个较好的解决方案。 关键词：光纤光栅包层折射率调制，光纤三层模型，耦合模理论，插入损耗 至塑查兰堡主堕苎 a b s t r a c t t i t l e ：t h e o r e t i c a ls t u d yo nn o v e lc l a d d i a gi n d e xm o d u l a t e df i b e rg r a t i n g n a m e ：c h e nn a s u p e r v i s o r ：c t f iy i p i n g u n i v e r s i t y ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y an e w t y p eo ff i b e rg r a t i n g ，c l a d d i n gi n d e xm o d u l a t e df i b e rg r a t i n g ，i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rt h ek e y f e a t u r eo ft h i sn e wg r a t i n gi st h a tt h ei n d e xm o d u l a t i o ni so n l yi nt h ec l a d d i n g ，w h i l et h ec o r ei sk e p t u n p e r t u r b e d t h e n o d e sc o u p l i n gm e c h a n i s mo ft h en e wg r a t i n gw a sf i r s ta n a l y z e dw i t ht h ec o u p l e d m o d e t h e o r yb a s e do nt h em o d e lo f at h r e e 。l a y e rs t e p - i n d e xf i b e rg e o m e t r y t h er e f l e c t i o ns p e c t r u mo f t h ec l a d d i n g i n d e xm o d u l a t e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) a n dt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo ft h ec l a d d i n gi n d e xm o d u l a t e d l o n g 。p e r i o df i b e rg r m i n g ( l p f g ) w e r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en e wg r a t i n gw e r e p r e d i c t e d w i t ht h es a m ep a m m e t e r st h i sn e wg r a t i n gh a s t h er e l i a b l ef i l t e rf u n c t i o n a l i t yw h i c hi ss i m i l a rt o t h et r a d i t i o n a lf i b e rg r a t i n g i na d d i t i o n ，f l o es p e c t r ao ft h en e wg r a t i n gc a nb ed e s i g n e df l e x i b l yb yc h a n g i n g t h e9 1 1 a t i n gp a r a m e t e r s l o w e ra t t e n u a t i o ni sd e m o n s t r a t e di n c o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a lg r a t i n gt h r o u g h c a l c u l a t i n gt h ea t t e n u a t i o no fb o t hg r a t i n g s t h en e wg r a t i n g sa t t e n u a t i o ni st e nt i m e sl e s st h a nf i b e rc o r e i n d e xm o d u l a t e dg r a t i n gu n d e rt h es a m e d o p e dc o n d i t i o n t h r o u g he x p o s i n gt h ec l a d d i n gp h o t o s e n s i t i v ef i b e rt op e r i o d i cu l t r a v i o l e t ，t h en e wc l a d d i n gi n d e x m o d u l a t e df i b e rg r a t i n gc a nb ef o r m e d - t h u s ，t h ev a r i o u sf a b r i c a t i o nm e t h o d sf o rt r a d i t i o n a lf i b e rg r a t i n gc a n b ee a s i l yt r a n s p l a n t e dt ot h en e wg r a t i n g m e a n w h i l e ，t h ef e s e a m hr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wg r a t i n gc a nb ea s o l u t i o nt ot h eh i g ha t t e n u a t i o np r o b l e mo f t h eg r a t i n g sw i t ht h eh i g hp h o t o s e n s i t i v ef i b e rc o r e k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rg r a t i n g ，c l a d d i n gi n d e xm o d u l a t i o n ，t h r e e - l a y e rs t e p - i n d e xf i b e rg e o m e t r y , c o u p l e - m o d et h e o r y , i n s e r t i o nl o s s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的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。 研究生签名：堕：垫 e t期：! ! ! ! 生! ! ! 旦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：煎塑 导师签名：日期：壁二! 玉3 一 第一章绪论 1 1 光纤光栅 第一章绪论 光纤光栅是一神参数周期变化的垒光纤光子器件，是近年来发展最为迅速的光纤无源器件之。 传统的光纤光栅是由光纤纡芯中周期性的折射率变化丽形成光栅效应静。光纤中的光致光栅效应昂 早是加拿大渥太华通信研究中一t 5 的k o h i l l 等人于1 9 7 8 年发现并提出的，他们在掺锗石英光纤中采用 内部驻波写入法制成了世界上第一只光纤光栅”o j 。之后的一段时问，虽然人们对光纤光栅颇感兴趣， 但由丁内部驻波写入方法的写入效率很低，且光栅周螂受到光源波长的限制，使得其研究进程相当缓慢。 直到1 9 8 9 年美国联合技术研究中的gm e l t z 等人发明了光纤光栅的侧向刻写技术之后b 】，光纤光栅的 应用才真正启动起来并得到迅猛发展。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增多，光纤 光栅已经成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。 1 1 1 光纤的光敏性 最甲发现光纤的光敏性的实验如在图1 1 所示，h i l l 等人将波长为4 8 8 n m 的a r + 离子激光光束耦合 剑掺锗光纤中，结果发现随照射时问韵增加输出光逐渐变弱，而反射光却逐渐增强。同时发现光纤这 一特性在停l r 曝光后仍然保持，似乎是由光纤内部某种永久性变化引起的。他们给了如下解释：由于光 幽1 1 最早发现光纤光敏性并制作出“h i l l 光栅”的内部驻波写入法实验装置图【”。 东南犬学硕士论文 纤后端面纤芯到空气的界面对入射光具有一定的反射，该反射光与入射光在纤芯内部相干形成驻波，在 驻波的波峰处由丁光纤对入射光波的吸收而使纤芯的折射率发生改变，从而在纤芯内部形成周期性的折 射率微扰而成为具有波长选择能力的光纤光栅。他们还指出掺锗量越高光纤的这种光敏效应越明显， 并进一步证明这种微扰确实是由光敏光纤纤芯折射率变化引起的，与光纤吸收特性的变化无关f 1 ，2 】。 g m e l t z 等人提出的侧向刻写方法也是利用这一光敏性，通过高强度紫外激光所形成的干涉条纹对 光纤进行侧面横向曝光来产生光纤纤芯中折射率调制的pj 。进一步的研究发现，内部驻波写入法的曝光 过程实际是一个双光子过程，而侧向紫外曝光是一个单光子过程。其光敏度是在用可见激光情况f 的上 百万倍。而且侧向曝光技术突破了内部驻波写入方法的局限，允许在光纤的任意位置制作出各种不同折 射率调制类型的光纤光栅，因此极大的推动了光纤光栅技术的发展。 虽然此后人们对于光栅技术表现出很大的* 趣并做了许多的研究j r ：作但是至今光纤光敏性的物理 机理还没有完全清楚。普遍被接受的观点认为掺锗光纤的光敏性与光纤中的氧空位缺陷有关。g e 具有 两种稳定的氧化价g e ”，g e ”，因此它有g e o 和g e 0 2 两种缺陷。这些缺陷的产生主要来源丁光纤预制 棒的制作过程以及各光纤的拉制过程。g e o 缺陷对应于光纤在2 4 2 m n 和3 2 5 n m 的吸收，g e 0 2 缺陷对 应于1 9 3 a m 的吸收。目前，能较好鳃释光敏性的模型主要有两种：色心模型和结构重组模型。 光致折射率变化的色心模型是由d ph a n d 和pr u s s e l l 两人提出来的他们在研究4 8 8 n m 激光 在掺锗光纤中的光致光敏问题时，提山了啾光子吸收漂白模型，而烈光子吸收漂白模型实际上是建立在 色心模型基础上的。光纤中的氧空位缺陷g e s i 键在紫外光照的作用下断裂，并释放出电予，反应方程 式如f ： 0 、，00 、 o 0 - - g e 鼓一o 二bo g e + 一0 + e 0 o o 0 这些电子在相邻的晶格位置上被俘获形成了色心，这些色心的吸收中心在紫外波段，由此导致了g e 掺 杂光纤在紫外波段的吸收光谱。4 8 8 n m 的光通过敢光子吸收，使得g e o 在2 4 2 n m 的吸收带漂白形成折 射率变化，其交化量符合k r a m e r - k r o n i n g 关系。色心模型得到了r m a t k i n s 等人所做的实验的支持， a t k i n 等人用2 4 8 n m 波长的光使2 4 2 n m 的吸收带漂白【b 】，而在1 9 5 r i m 附近发现一个新的强吸收峰，在 9 0 0 c 加热可使光诱导变化发生反转，在光纤写入光栅和高温消除后，光纤的光敏性没有实质性变化， 通过k r a m e r s k r o n i g 关系对1 9 5 n m 的吸收带的计算也与g e 掺杂光纤紫外光写入相位光栅中折射率变化 的测量值致，这些研究都证明色心模型的合理性【6 l 。但是色心模型没法解释不同类型光纤和掺杂材料 的光敏机制，特别是对载氢光纤、稀士掺杂光纤等计算结果与实验不符口】。 结构重组模型【8 1 认为高强度紫外脉冲将大大扰动玻璃内部结构使玻璃结构在光解过程中松动，很 可能把一个高阶环断裂成两个或三个低阶环从而增加玻璃内部的致密性，引起折射率的变化。强光燎射 并不仅仅引起致密性的变化，由于包层比芯层热膨胀系数小，纤芯将出于相当太的热弹性应力状态，产 生的应力松弛进一步增加光纤中的折射率【9 】，应力释放机制不仅能解释光纤中的折射率变化，而且还可 以解释其稳定性，光纤光栅在制作后对其进行退火处理就是减小内部各向异性应力米稳定其折射率变 化。 第一章绪论 此外人们还先后提出了电荷移动模型【1 0 1 、电极子模型l 、离子移动模型【1 2 】、压缩模型等多个理 论模型，每个模型都能解释一定的实验现象，但还没有哪个模型能单独解释所有现象，仍有待于进一步 深入地研究。 综上所述，如果紫外光的强度分布沿纤芯轴向呈周期性分布，结果会导致吸收谱的变化也沿纤芯轴 向呈周期性变化，由此便会产生沿着纤芯轴向里周j 【| 性分布的折射率变化，最终形成折射率呈永久性变 化的光纤光栅。因此，光纤的光敏性实际上是指激光通过掺杂光纤时外界入射的光予与材料中掺入的 锗离子相互作川而引起折射率随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系并可以 被永久保存下来的这一性质。传统的光纤光栅就是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内沿纵向引入周期性 的折射率微扰而制成的。 1 1 2 光纤光栅的分类 依据不同的分类标准，光纤光栅有不同的分类方式。根据成栅机制可将光纤光栅分为蚀刻光纤光栅 和折射率调制的何相光纤光栅两类，前者在光纤结构中形成明显的物理刻痕，后者在光纤中形成折射率 周期分布。 根据光栅折射率调制的分布特点义可分为均匀周期光纤光栅利和非均匀周期光纤光栅两类。均匀周 期光纤光栅具有不变的光栅周期，格栅呈等光程分布，其工作波民通常在s 波段、c 波段或l 波段。 非均匀光栅根据不同的折射率调制形式又可进一步分为：切趾型光栅、啁啾光栅、分散相移光栅、t a p e r 型光栅、m o i r 6 砸光栅、取样光栅、超结构光栅等等。 根据结构的对称性可分为对称光栅和倾斜光栅；根据传输模式的耦合方式可分为导模之间的耦合光 栅、导模与包层模间的耦合光栅以及包层模与辐射模间的耦合光栅；根据光栅周期的长短又可以分为短 周期和长周期光栅。 根据光栅光敏机制的差别，可以将光纤光栅分为三种类型：i 型、i i 型和i i a 型( 也叫i i i 型) 光纤光 栅。其中i 型光栅是由连续或者能量较弱的多个脉冲激光在光敏光纤中形成的，其折射率变化一般在 1 0 5 数量级，具有较理想的透射谱，没有明显的包层耦合损耗，热稳定性较差【1 4 , 1 5 l ；i i 型光栅一般是由 能量密度很高的单脉冲激光写成的，其折射率变化量达l o 3 数量级，具存很强的包层或辐射模损耗，热 稳定性很高；ij a 型光栅一般是在掺锗浓度高纤芯小的光敏光纤中写成的，可以通过对i 型光栅进行 过量曝光得到，i i a 型光栅的温度稳定性介于i 型平i l 型光栅之间1 1 7 , 1 z 。 就目前研究应用最多以及从其应用特点来看，光纤光栅可以广泛地分为两大类：一类是光纤布拉格 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，简称f b o ) ，也称为反射光栅，属短周期光纤光栅。其光栅周期在亚微米 量级，对于15 5 0 a m 光通信窗口而言，约为5 5 0 n m 。这类光栅的光学特性由光纤中前向和后向导模之间 的耦台所决定。如图1 2 ( a ) 所示，在光纤中传输的光经过f b g 时会发生正向传输的纤芯基模到反向传 输的纤芯基模的耦合，这是由光纤中传输的模式之间发生耦合的相位匹配条件决定的，所以短周期光纤 光栅也被称为反射型光纤光栅。反射光栅的作用相当于一种波氏可选( 通过控制其周期) 和带宽可调( 控 制光栅强度) 的窄带反射元件。 东南火学硕i j 论文 削i2 光纤光栅中模式耦合的射线表示( a ) 光纤布拉格光栅对入射光的反射；( b ) 光纤传 输光栅中纤芯模式到包层模式的耦合 另一类为光纤传输光栅，也称为| 王= 周期光纤光栅( l o n g - p e r i o df i b e r g r a t i n g ，简称l p f g ) ，其周期 在几十到儿白微米量级。如幽1 2 ( b ) 所示，光纤中传输的光经过l p f g 时，满足相位匹配条什的模式耦 台发生在纤芯基模与同向传输的包层模式之间，所以也被称为传输型光纤光栅。传输光栅的主要作用相 当于一个传输特性( 透射率、带宽、形状) 可凋的滤波元什。 上述扦种类，钭的光纤光栅由 i 绵构的不尉，相廊的光学特性也有着不同的特点，通过选抒合适的光 栅参数利组合形式，住光纤技术中都能得到相廊的廊川。 l ，1 3 光纤光栅在通信和传感系统中的应用 光纤光栅具有许多独特的优点，它的出现为整个光纤应用领域注入了新的元素，变许多复杂的全光 纤通信录i 传感网成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范嗣。它在光纤通信、光纤传感及光纤信号处 理等方面都发挥了重要作用。 从光纤通信的角度来看光纤光栅几乎可以运用到光纤通信的每一个领域，将影响到光源、光放大、 光纤色散补偿、光信号处理等各个方面，由光纤光栅制成的各种全光器件，如全光纤激光器、全光纤滤 波器等，将各种全光纤器件集成在一条光纤里，实现全光纤一维光子集成，许多集成型光纤信息系统也 将成为现实。光纤光栅与半导体激光器相结合，可构成外腔半导体激光器i l ”，实现窄线宽、单频运转； 与稀土掺杂光纤相结合，可构成光纤激光器【2 “，并在定范围内可实现输出波长的调谐川；与其他光 纤器仆结合可用作光纤波分复_ e | ! i 器以实现波分复用( w d m ) 系统中多路信号的解复用 2 2 1 ；啁瞅光纤光栅 可刖丁光纤的色散补偿，实现脉冲压缩的功能：长周删或闪耀刑光纤光栅可对掺饵光纤放大器 ( e d f a ) 的增赫谱进行平坦化1 2 5 , 2 6 1 ，井且可抑制其放大引发辐射( a s e ) 谱。增大可利用谱宽，提高信 噪比，所有这些应用都显示出光纤光栅在整个光纤通信领域中的重要性。 与光纤通信技术相对应，光纤传感技术也为光纤光栅提供了广阉的用武之地。早在1 9 7 8 年第一 只光敏光栅诞生之时，h i l l 等人就对它的温度和廊力特性进行分析，指出了它在温度、应力、麻变等方 面的传感潜力。随着光纤光栅技术的发展，目前人们已从单点到网络、从单参量到多参量对之进行全面 研究并获得许多很有价值的实验成果。另外，在同一根光纤上可制作多个光栅不同根光纤之间以适当 方式连接起来，借助波分、时分、空分以及复合复j = i 信号处理技术形成传感网络，对待测量进行准分布 传感，这突显其优点，也是其他传感器不可取代的。 第一常绪论 r 面给出光纤光栅的住通信、传感领域的一些具体麻川： 1 ) 川丁光源1 2 7 1 均匀布拉格光纤光栅也可用作半导体激光器的外腔反射镜，实现波长稳定的单模激光输山 】。也 可作为光纤激光器的端镜【2 ，刹心光纤布拉格光栅的窄带高反射率持性构残光纤反馈脏，依靠掺铒光 纤等为增益介质制成的光纤激光器可实现线宽只有千兆量级的单纵模激光输出。图1 3 示出了两种光纤 光栅激光器的结构( a ) 为分布布拉格反射( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s ，d b r ) 光纤光栅激光器，它利用 幽1 3 光纤光纤激光器原理幽( a ) 分布布拉格反射激光器( b ) 分布反馈激光器 一对b r a g g 波k 相等的均匀光纤光栅构成谐振腔：( b ) 为分布反馈( d i s t r i b u t e df e e db a c k ，d f b ) 光纤光栅 激光器，它是利州直接在稀十掺杂光纤( e d f ) 弓入的均匀光栅构成谐振腔。光纤激光器与标准通信光纤 的兼容性好，且贝有激光出射波长的线宽极窄、可调谐、高频调制f 的频率蜩啾效应小、抗电磁干扰、 温度膨胀系数较f 导体激光器小、成本低等优点，是光纤通信系统中一种很有前途的光源。 利_ | j 长周删光纤光栅可实现多波| 丈光纤光源口。将级联的长周期光纤光栅接续在光纤光源之后， 利用长周期光纤光栅对的多波长窄带带通滤波特陛，如剀i 4 ( a ) 所示，即可实现多波k 输山。也可直接 将级联长周期光纤光栅写入光纤光源中，这样更有利_ r 提高信道功率，改善信道的消光比。幽1 4 示出 了利_ l 4 级联k 周； i 】光纤光栅的多波k 喇曼光纤环形激光器的实验装置口”。 2 ) 用于放人器” i on 幽1 4 ( a ) 级联k 周期光纤光栅原理图：由两个长周期光纤光栅产生的纤芯模和包层模 的干涉( b ) 使用级联眭周期光纤光栅的多波长喇曼光纤环形激光器的实验装置【2 9 l 掺饵光纤放大器是组成波分复删光传输系统的重要元件，但其增益谱的不平坦限制了其真正的使用 带宽。采用闪耀光栅、光纤布拉格光栅可以在一定程度上改善其增黼特性”i 。但存在一定样度的反射 光且制作难度较人。a m v e n g s a r k a r 等人首先利刖两个i 殳周期光纤光栅使e d f a 在3 0 r i m 带宽1 1 = | 实现了 增益波动小于0 2 d b 2 “。由于氏周期光纤光栅无背向反射，近年来在e d f a 增益平坦方面得到火量应用 1 3 0 - 3 2 。 另外在e d f a 中使川光纤光栅还可以有效抑制放大器的白发辐射噪声。 3 ) 用作滤波器 一 一 寸 日觥 东南大学硕士论文 光谱滤波是光纤光栅最基本的特点。光纤布拉格光栅可用作基本的窄带带阻滤波器构成上、下载滤 波器以及波分复用、解复用器；将光栅与环形器几个端口中输入、输出以外的第三个端口连接便构成基 于环形器的滤波器；将3 d b 耦合器同一侧的两个端口各接一个光纤布拉格光栅构成m i c h e l s o n 干涉滤波 器；一个3 d b 耦合器同侧的两个端口与另一个3 d b 耦合器同侧的两端口经光栅串接起来构成 m a c h z e h n d e r 干涉滤波器；一对相同周期的布拉格光栅可构成f a b r y - p e r o t 干涉仪型的光纤滤波器。 t a p e r 型光栅结构能改善光谱特性可构成各种滤波器、波长转换器和插分复_ j 器；多个t a p e r 型光 纤光栅复合也可以制成特殊一陡能的滤波器，如m i c h e ls o n 刑光纤滤波器、m a c h z e h n d e r 滤波器等。 n o r ie ，议光栅折射率的变化受剑一个止弦网子调制，其反射光谱具有带通性，可制成带通梳状滤波 器等。 取样光栅也称超结构光栅是在光纤光栅的紫外写入过程中。在光纤前加一个几百微米的遮挡式振幅 掩模板，使得制作出的光栅相当于多段具有固定间隔的均匀b r a g g 光栅的级联式叠加。这种光栅可用作 光纤光栅梳状滤波器。 长周期光纤光栅可用作带阻滤波器”，l p f g 组合可设计成光学带通滤波器。 4 ) j = i = | 作色散补偿：h ? b 9 1 2 3 , 3 5 补偿色敞最有效的方法就是是利用啁啾光栅。啁啾光栅为折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向 变化的光栅。图15 示出了用蜩啾布拉格光栅进行色散补偿的原理图经过一段普通单模光纤传输后发 生展宽的光脉冲在啁啾光栅的不同反射点有不同的反射波长，经过啁啾光栅反射后走过不同的距离， 这样就对已经展宽的分量之间产生时延差，只要设计好相应的啁啾分布即可实现色散的补偿。 基于同样的原理，利用啁啾光栅也可进行脉宽压缩产生超短脉冲口并可用来构造用于相控阵雷 光输入 波匠光 光袖小 图1 5啁啾光纤布拉格光栅用于色散补偿的示意图 达的光学真时延系统f 3 5 - 3 7 1 。 5 ) 用作传感器i 3 8 l 光纤光栅可将光纤中传播的光波从一种模式耦台至另一模式上，对应的波长便是光栅闾光程的量 度，而该光程是温度剐应变的函数。波长编码的该光子元件便可用于监视这两个量，其他物理量( 如位 移、湿度、压力、电、磁、声音、振动等) 可以借助某种装置转化为作用于光栅的应变，而被非常灵敏 地探测。本征型的光纤光栅传感元不受电磁场干扰，可进行分布式传感测量即便弱信号也可长距离传 输并进行处理。用在特殊场合( 如煤气旁、矿井下、油田以及油罐周围) 可对某些物理量进行安全地监 6 第一章绪论 测。传感回路易于植入、或附着在结构表面，能够实时提供应变、温度以及结构完整性方面地信息，且 布置比较灵活。采用适当地技术手段，光栅还可以用来同时监测环境温度、应变或能引起光纤中光栅部 分发生应变地其他物理量。 以上介绍了光纤光栅在通信传感领域的一些主要应用。此外，基于光纤光栅还可以制成光纤之间的 轴向耦台器、模式转换器、光纤偏振器、全光开关等等”】，此处不再一一列举。 1 1 4 光纤光栅的制作方法 自从1 9 8 9 年横向全息写入法山现至今，人们对光纤光栅制作的研究己取得e 跃进展，从所采用的 光纤、写入光栅使用的光源，到具体的制作方法都有了全面的研究。归纳起来，掺杂元素已从单纯的锗 发展到了掺磷、硼、铝、铒、铯等元素，所用的紫外光波也从四倍频n d ；y a g 激光器的2 6 6 n m 到a r f 准分子激光器的1 9 3 n m ，都有了应用实例。 内部驻波写入法 内部驻波写入法是最早用于制作光纤光栅的方法，如图1 1 所示波长4 8 8 n m 的基模氯离子激光从 一个端面耦台到锗掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射。使光纤中的入射和反射激光相干涉形 成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，形成了与干涉周期一样的立体折射 率光栅。此方法复杂繁琐效率很低，且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，几乎无法获 得任何有价值的应用现在很少被采用。 2 全息相干法 全息相干法是塌早用于横向写入制作f b g 的一种方法，图1 6 是制作装置示意圈。入射紫外光经 a n a l y z e r 图16 全息相干法制作布拉格光栅示意图 东南大学硕上论文 分光镜分为两束，经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正弦分布明暗相间的干涉条纹。光纤经 过定时间的照射，在纤芯内部引起和干涉条纹相同分布的折射率变化，从而在光纤上写入正弦分布的 体光栅。干涉条纹间距由两束光的夹角决定：d ： 2 s i 。目。 通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要 得到高反射率的光栅，则对所用光源的相干性及周闱环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲 曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截 面的光纤光栅，目前这种方法使用不多。 3 分波面干涉法 采用分波面干涉法也可以实现f b g 的制作。相比之r ，它较全息相干法结构上更为简单可采t l = | 更少或更灵活的光学元件。图1 7 ( a ) 示出了采用劳埃镜干涉光路组成的f b g 制作系统。这种方法虽然 ( a )( b ) ( c ) 图l7 分波面相干法制作f b g 示意图( a ) 劳埃镜干涉光路构成的f b g 制作系统原理豳 ( b ) ( c ) 晶体分波面干涉法的原理酗 光路极其简化但欲得到精确的光栅栅距，光路调整有着相当的难度在f b g 制作中这种方法很少有 人应用。图1 7 ( b ) ( c ) 示出了晶体分波面法的原理示意图只需在晶体磨抛时控制好入射面倾角就可得剑 所嚣的光栅周期。与全息相干法相比，这种方法对晶体加一r 的要求适中，光路讽整简单，但从对光源枢 干性要求来看并不占明显的优势。 4 掩模成栅法 掩模成栅法是目前使用最多、最有利于商业化的一种高效方法。制作不同类型的光纤光栅，需要使 用不同的模板。总体上来说是：用均匀周期相位掩模板写出均匀周期的布拉格光栅；用非均匀周期掩模 板写出啁啾光栅：用长周期振幅掩模板写出长周期光栅：将长周期光栅模板于均匀周期光栅模板叠台起 来可写取样光栅用光谱仪观察发现，所写光栅透射谱的分布于对应长周期光栅投射谱分布一致，只不 过某些位置出现周期分布的布拉格反射而已，相对于摧体谱线而言该结构呈精细分布，因此有人又称 之为超结构光栅：用聚焦强光照射均匀周期光栅，使得局部相位出现阶跃变化，便是相移光栅。 第一章绪论 ( a ) 制作光纤布拉格光栅的相位掩模法 相位掩模写入法总体上可以分为两类，如图18 所示它们的使用方法各不相同，对相位掩模板的 工艺要求也有高低之别，但都是为了产生高质量的干涉场，以便有效地实现f b g 的制作。垂直入射时， 将用电子束曝光刻好的图形掩膜( 此相位掩膜板具有压制零级、增强一级衍射的功能) 置于裸光纤上， 热淞 图1 8 相位掩模写入法原理示意图 紫外光经过掩膜相位惘制后利用一级衍射光相干在光纤上形成千涉条纹写入周期为掩膜周期一、_ 的 b r a g g 光栅；剁入射时利用零级与一级衍射光相干，得到的光纤光栅周期与相位掩模光栅一致。 相位掩模法不依赖于入射光波长，只与相位掩模光栅的周期有关，因此，对光源的相干性要求不高， 易于得到准确的光纤光栅周期。然而相位掩膜板的制作复杂，必须严格控制相位掩模光栅的刻蚀深度羽l 占空比，并且一块掩模板一般情况下只能制作周定周期的光纤光栅。但是由于它大人简化了光纤光栅的 制作过程，已经成为现在最有前途、使刚最。泛的一种方法。 ( b ) 制作长周期光纤光栅的振幅掩模法 振幅掩膜法是目前制作跃周期光纤光栅最常用的一种方法。实验装嚣如图1 9 所示，紫外光透过振 紫外光 图1 9 振幅掩模法制作长周期光纤光栅原理图 振幅掩 模板 光纤 幅掩模板直接照射到光敏光纤上引起光纤纤芯折射率的周期性变化所以由这种方法制成的长周期光栅 一般为矩形折射率调制。透射型模板是可通过刻蚀石英玻璃片上的金属膜制备而成。由于长周期光纤光 栅的周期一般在百微米量级，掩模板制作方便且精度容易得到保证。用这种方法制成的& 周期光纤光栅 的一致性和光谱特性较好。振幅掩膜法对紫外光的相干性没有要求，可实现光纤光栅批量生产，但不同 周期的光栅也需要使用不同的模板。 9 东南大学硕士论文 5 逐点写入法 如图1 1 0 所示，此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周划曝光一次通过控制光 纤移动速度可写入任意周划的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦台截面可以任意 计算机 程控精密移动平台 图1 1 0 逐点写入法实验装置图 进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作山任意长度的光栅，也可以制作“j 极短的高反射率光纤光 栅但是写入光束必须聚焦到很密集的点，因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。它的缺点是 需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，写入效率低，不能用于批量生产。目前，由于各种精 密移动平台的研制，这种长周期光纤光栅写入方法也正在越来越多的被采用。 6 机械变形法 由于氏周期光栅的周期较长，在工艺上更加易于实现，近年来又出现了很多通过机械变形方法实现 的制作技术，包括；弧感生微弯法、机械压力法、熔融拉锥法、非形变加热释放张力法、热扩散法、激 光器刻槽法、可调电极放电法、腐蚀刻槽法、残余张力松弛法等等。这些方法不再利用光纤的光敏性 而是采用直接改变光纤结构的方法来实现周期性调制。 1 2 光纤光栅的近期研究进展 光纤光栅的出现对光纤通信和光纤传感技术产生了重大而深远地影响，它不仅使各种全光纤器件成 为现实，还促使人们重新考虑光纤通信系统中各种光学元器件的构成与设计，并为构成可复用的分布传 感网铺平了道路。光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域中的里程碑作用已被世人认可，并逐步发展成为 光纤通信和光纤传感等技术领域必不可少的基础性元十l ：。光纤光栅从出现至今，经过二十多年的研究， 从理论分析到一系列地实验研究均取得了丰硕的成果。近年来，在光纤光敏机理的深入研究【4 、新的 写入光源的选择4 “、新型光敏光纤的制备1 4 2 】、非均匀复杂结构光纤光栅的制备t 4 3 - 4 5 i 、传感专用光纤光 栅的制备、长周期光纤光栅的理论分析【4 7 】和应用研究”8 1 、光纤光栅的光谱控制和综合设计方法、 光纤光栅的调谐技术1 4 9 l 以及各类光栅在传感领域的应用等各各方面都在不断进行着新的尝试，j 汉得了 新的进展。 第一章绪论 1 3 新型包层折射率调制光纤光栅 1 2 1 新型包层折射率调制光纤光栅的提出 只有光敏性较强的光纤中才能写山适应现代高速光通信需要的高反射率、宽带宽的光纤光栅，如图 1 1 1 所示是在不同的调制折射率量的情况下光栅反射率和带宽的关系。从酗可以看出，要想做出适麻 用高速通信速率( 带宽大于l n m 、反射率达1 0 0 ) 的光栅器件，光致折射率变化量要达1 0 。以上。1 1 1 节的分析已经表明纤芯中的锗元素是光致折射率变化的关键因素，掺锗浓度越高，光敏性越强，经紫 外光照射后的光纤中的折射率改变量越大。对于普通的通信用光纤，如c o r n i n g - 2 8 型光纤光栅的纤芯 直径为83 p r o ，g e 含量为3 m o l 左右，这样锗含量光纤的光敏性不会太高如果不进行其它处理，直 接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为l o 。数量级便已经饱和，因此为了满足高速通信的需要，提高光 纤光敏性非常重要。 目前，提高光敏性的方法士要分为两类，一类是直接对普通光纤进行高压载氢处理或者火焰喷刷处 b a n d w i d t l l n m 图1 1 1 不同光致折射率改变量的情况下光纤光栅带宽与反射率的关系 理以增强光纤的光敏性。另一类就是控制光纤掺杂的方法，增加掺锗光纤中锗的浓度是提高光纤光敏度 最直接的方法，另外，在纤芯中共掺杂其他元素也可增加光纤的光敏度。研究表明磷、硼、铝、铒、铯、 锡等元素也可作为光敏性杂质掺杂进光纤中，用的展多的主要是b o e 共掺杂。 光纤载氮法是一个提高光敏陆的行之有设的方法，l e m a i r e 等人首先描述了这种方法【5 0 l ，他们把拟 刻光栅的光纤浸泡在高压氢气环境中，对于外径为1 2 5 p m 的光纤，较典型的高压氢气参数是压力 2 0 0 b a r 、室温、浸泡时间约2 周。经过该法处理后的光纤呈现出极高的光致折射率变化值，比未载氢的 光纤约大两个数量级，最大可达0 0 3 。载氢处理使光纤光敏性增加的主要原因是h 2 与掺杂玻璃基质反 应形成s i - o h 群和锗缺氧键g e - o h ，从而对光致折射率的增加做出贡献。来参加上述反应的氢在u v 曝 光后会自动扩散山光纤，已溶解于光纤但未发生反应的氢会暂时增加光纤的折射率，其缓慢的扩散会导 致u v 光栅 b 漂移。需要再进行退火处理来解决光栅稳定性问题。光纤载氢法增加了光纤光栅制作的复 杂度，不但消耗时间还会带来光纤熔接时的危险性，不能在拉丝时在线写入光栅，并且不在线写入方式 零兽瘩8呵筐 东南大学硕士论文 降低了光纤的强度，不能h j 丁人批角快速生产光栅。鉴丁光纤光栅的重要性和将来的人最应j ： j ，需要研 究专用于紫外写入光栅的掺杂高光敏性光纤i ”j 。 但是，增加掺杂比例的同时也带来了另一个问题使光敏光纤的插入损耗增加。由于掺杂光敏光 纤的纤芯重掺杂，光纤中传输的光又主要集中在纤芯中，这样，经过纤芯掺杂的光敏区域屙就会不可 避免地产生很人的损耗。如目前已经商业化的i n o 公司的单模光敏光纤( 高掺锗光敏光纤) 在15 5 0 n m 处的损耗为6 3 6 d b k m i n o 公司的包层模抑制光敏光纤( 硼锗共掺永光敏光纤) 在15 5 0 n m 处的损耗 为5 3 2 d b k m ，而普通的通信用单模光纤的在同样波长处的损耗仅有o 2 0 d b k m 左右，可见，掺杂光敏 光纤的损耗为普通通信用单模光纤的百倍以上。虽然对于单个光栅。由于光栅长度所限，损耗问题不是 很明显但在未来光纤光栅大规模用于光纤通信系统或者分布式传感系统以后。因复州、级联而引起的 累积损耗问题就不容忽视了。因此如何得到同时具有高光敏性利低损耗的光纤光栅就成为一个有待研 究的重要问题。 对丁这个问题，从另外个角度米考虑。传统的光纤光栅都是纤芯折射率调制的光纤光栅。其最基 本的机理是在光纤的纤芯中引入周期性的折射率扰动，引起纤芯基模与光纤中的其他模式的耦台，从而 对光纤中传输的光的波长、振幅、偏振等等产生调制作用。由于光纤中传输的光主要集中在纤芯中传输， 所以由纤芯掺杂引起的损耗就特别严重。而光纤中传输的光又不是完全集中在纤芯中的，包层中仍然有 一部分能量以消逝场的形式存在。如果对这部分消逝场存在的区域引入周划性折射率扰动而让传输主 要能量的纤芯折射率保持不变，就有可能减轻由掺杂引起的损耗。 由此，我们提出了一种新型的光纤光栅包层折射率调制光纤光栅。这种新型的光纤光栅将折射 率调制区域由纤芯转移到了光纤的包层。传统的光纤光栅的折射率调制区域只存在于纤芯中，包层的折 射率保持不变；而新型光纤光栅的纤芯折射率保持不变而包层折射率受到周期性的调制。 新型包层折射率调制光栅可以由包层掺杂的光敏光纤经过侧面紫外曝光制成。目前国内外还没有利 用光纤光敏性制成包层调制的光纤光栅的报道。现有的调制光纤包层折射率的方法主要是对光纤包层进 行周期性的刻蚀，形成刻痕光纤光栅。由于工艺条件的限制，这种方法主要是用于制作刻痕& 周期光纤 光栅( c o r r u g a t e dl p f g ) p ”j 。 1 2 2 研究的目的与意义 由于新型包层折射率调制光栅可以通过对包层掺杂的光敏光纤进行侧面紫外曝光制成，所以对丁各 种纤芯折射率调制光纤光栅的制作方法都可以简单地移植到新型包层折射率调制光纤光栅的制作中米， 这样，也可以突破刻痕光纤光栅的工艺限制，实现包层调制光纤布拉格光栅的制作。同时，对这种新型 光栅的研究能够为高光敏性光纤光栅的损耗问题提供一个较好的解决方案。 本文通过对这种新型包层折射率调制光纤光栅建立理论模型、进行理论分析和传输谱的计算可以从 理论上预测这种新型光栅的光谱特性，得到包层折射率调制对于光纤中传输的光的波k 、振幅笛产生的 影响；通过分析包层中的光栅对纤芯基模的消逝场及包层模式的作用可以预测消逝场的耦合；通过对包 层掺杂和纤芯掺杂两种光纤损耗的计算，可以得到纤芯折射率调制光纤光栅和包层折射率调制光纤光栅 的损耗比较结果。 2 第一章绪论 对新型包层折射率调制光纤光栅的理论分析也为今后对这种新型光栅的实验工作和应用研究提供 理论依据和支持。 1 4 本论文工作的主要内容 、本论文首先介纠了光纤光敏性，总结了现有的光纤光栅的类型，全面综述了光纤光栅在光纤通 信和传感领域中的应用，系统评述了光纤光栅的各种制作技术，指山了近期光纤光栅研究的热点领域， 并分析了其中存在的问题。 二、提出了一种新型结构的光纤光栅包层折射率调制光纤光栅，对高光敏性光纤光栅的损耗问 题的提供一个较好的解决方案。 二、本论文系统综述了纤芯折射率调制光纤光栅的各种理论分析方法。首先介绍了均匀及1 f 均匀光 栅的各种折射率调制类型。然后，由光波导理论出发，分析了光纤中的模式与场。详细介绍了纤芯基模 和各阶包层模式的传输常数满足的色散方程以及在光纤三层阶跃折射率儿何模型下，复杂的包层模色散 方程的求解方法。特别是对于纤芯折射率调制长周期光纤光栅的理论分析，由于涉及到复杂的包层模式 以及多个模式间的耦合，与短周期光纤光栅相比，相对复杂很多。之后运刖耦合模理论分析了在纤芯 折射率调制光纤布拉格光栅和纤芯折射率调制| 受周期光纤光栅中的模式耦合。解释了光纤光栅中模式耦 合发生的机理。最后介绍了对于纤芯非均匀折射率调制情况下的光纤光栅的理论分析方法和传输谱的求 解过程。 四、针对新型包层折射率调制光纤光栅建立了理论模型，在光纤三层阶跃折射率模型f ，用经典的 耦合模理论对其进行了系统的理论分析，推导出包层折射率调制光纤光栅消逝场耦合的耦合系数，建立 耦台模方程，数值模拟了包层折射率调制短周期光纤光栅及长周期光纤光栅的传输谱，并与传