（光学工程专业论文）用于980nm泵浦激光器波长锁定的光纤光栅研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前光纤通信系统正朝着高速、大容量的方向发展，而掺铒光纤放大器是其中不可 或缺的关键器件。掺铒光纤放大器的工作原理是利用半导体激光器将掺铒光纤中的铒离 子泵浦到高能级实现粒子数反转，通过受激辐射使信号光得到放大。铒离子的吸收峰较 窄，因此要求泵浦用半导体激光器的输出波长与之匹配，才能获得最佳泵浦效果。大功 率的泵浦用半导体激光器一般为多纵模工作，光谱较宽，此外工作电流和环境温度的变 化以及激光器的老化等因素也会造成激光器输出波长的漂移。 光纤光栅自问世以来，由于其良好的选频特性，稳定的性能以及丰富的功能，而成 为一种得到广泛应用的新型光纤器件。利用光纤光栅实现外腔光反馈，从而可以对半导 体激光器实现波长的锁定。相对半导体激光器，光纤光栅波长的可控性和重复性更好， 其温度稳定性也更突出。它的出现使得无致冷的9 8 0 n m 泵浦激光器的稳定工作得以实 现。 本文首先介绍了光纤光栅的相关知识，从理论上对光纤光栅的光学特性进行了分 析。然后研究了半导体激光器中引起波长漂移的主要因素，并分析了利用光纤光栅对半 导体激光器实现波长锁定的基本原理。 根据相位掩模板法的原理，利用2 4 8 m 准分子激光器进行了光纤光栅的制作。通过 控制不同的工艺条件，使光纤光栅的主要参数如布拉格波长、反射带宽和峰值反射率等 可以得到良好的控制，整套工艺成熟稳定，重复性好，制作的光纤光栅具有较高的稳定 性。 利用制作的不同参数的光纤光栅使无致冷的9 8 0 眦泵浦激光器工作在相干失效状 态，波长锁定在布拉格波长附近。分析了光纤光栅的各项参数对激光器的输出功率和波 长的影响，通过选择光纤光栅合适的参数使无致冷9 8 0 r l i i l 泵浦激光器可以在0 一7 0 下实现波长漂移在1 i l i n 以内。 关键词：光纤光栅9 8 0 m 泵浦激光器波长稳定相干失效 华中科技大学硕士学位论文 a b s 订a c t e r b i 啪d 叩e d 舶e r 跚p l i f i e r ( e d f a ) i so n eo f 叫t i c a lc o m p o n e n t sf o rl l i 曲一s p e e da 1 1 d h 蜘一c 印a c 时。州c a l 丘b e rc o l i n u n i c a t i o ns y s t e m s e r j 十i o n si ne d fa r ep u m p e dt ot l l eh 砷 e n e r g yl e v e lb ys e m i c o n d u c t o rl a s e r sa i l da c h i e v et h ei n v e r t e dp o p u l a t i o n ，w h j e hl e a d st om e 砌p l i f i c a t i o no ft h es i g n a ll i g h tb ys t i m u l a t e de m i s s i o n t h i si st h em e c h a i l i s mo fe d f a t 0 p u m pe d fe 伍c i e n u y ，t h ew a v e l e n g 【1 1o fp u m pl a s e r si sr e q u i r e dt om a t c hm en a i t o w a b s o r p t i o nb a n do fe r b i u m h i g hp o 、v e rs e m i c o n d u c t o rl a s e r sa r eu s u a l l yo f b r o a ds p e c 饥l m a n dm u t i n l o d e h la d d m o n ，t h ef l u c t i o no f t e m p e r a t l l r eo ri 坷e c tc u r r e n ta n dt h ea g i n go fi a s e r s 、v i l lr e s u hi nt h ew a v e i e n 垂hs h i no fl a s e r s f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) 1 1 a sb e c o m ea 谢d e l y u s e dn e w 舶e rd e v i c es i n c ei t sd i s c o v e b e c a u s eo fi t sg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fo 面c a ls p e c t l l l m ，s t a b i l i t ya n da b l l n d a n t 如n c t i o n s a g o o d 印p m a c hf o rw a v e l e n g t l ls 诅b i l i z a t i o no fp u m p1 a s e r s i s a p p l i e df o l l o w i n g 舭 a p p e a m c eo ff b ge x t e m a l c a v “y f b gh a sb e t t e rw a v e l e n g mc o 曲l l a b i l i 哦r 印e a 诅b i i t y a i l d 也e m l a l 妇b i l i t yc o m p a r i n g t os e m i c o n d u c t o rl a s e r ，w h i c hr e a l i z e s 也es t e a d yo p e r a t i o no f t 1 1 eu n c o o i e d9 8 0 1 1 1 1 1p 啪pl a s e r s i nt 1 1 i s 龇s i s ，n l er e l a t i v ek n o w l e 姑eo ff b gi si n t r o d u c e d 趾d 也eo p t i c a lc h 啪c t e r i s t i c s o ff b g 盯ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y 1 1 1 e n ，t h em a i nf a c t o r sw h i c hl e a dt om ew a v e l e n g t h s 1 1 i f to fs e 嘶c o n d u c t o r1 a s e ra r es 柚d i e da n dt h et h e o 栅c a l a n a l y s i s o fw a v e l e n g t h s 协b i l i z a t i o nb yf b gi sa l s oi l l u s t a n e d t h es 锄p l e so ff b ga r e 最出r i c a t e db yu s i n ga2 4 8 i l le x c i m e ri a s c ra i l dap 王l a s em 髂k t h ew a v e l e n g t h ，s p e c b a n d 埘d t ha n dr e n e c t i v i t yo ff b gc a i lb ec o n t r o l l e dp r e c i s e l y 、王m d i 圩e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s 1 1 1 es a n l p l e s ，p r o d u c e db ym ema _ t 1 1 r ep r o c e s s ，h a v eh i 曲 s t a b i l i 锣a n dc o n s i s t e n c y v 盯i o u sf b g sa r eu t i l i z c dt ok e e pau n c o o l e d9 8 0 1 1 i np u m pl a s e rm 也ec o h e r e n tc o l l 印s e o p e r a t i o i l w t l i c ha c l l i e v e ss u c c e s s f mw a v e i e n g t l ls t a b i l i z a t i o n a c c o r d m gt ot l l ep o w e ra i l d s p e c 仉m ，t h ei n n u e n c eo ft h ep 猢e t e r so ff b g o np l l i r l pl a s e ri ss t u d i e d 1 1 l eo p t i i n i z a t i o n o f f b gc a ng u a r a n t e em a t 廿1 e 、删e l e n 垂hs h mo f p u m pl a s e ri sl i m i t e d 谢t h i nl m 丘o mo t o7 0 k e yw o r d s ：f b g 9 8 0 n mp u m pl a s e r 、v a v e l e n g ms t a b i l i z a t i o n c o h e r e l l tc o l l a p s e 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：删风 日期：2 ，一年午月2 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签 日眦矿 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 密集波分复用( d w d m ，d e n s ew 打e l 肌g t l ld j v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是光纤通信扩容 技术的优选方案之一 卜2 】，它能有效地利用光纤的带宽实现大容量、长距离传输，在 d w d m 系统中，掺铒光纤放大器( e d f a ，e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 是一个关键 的器件【3 l 。掺铒光纤放大器的放大波段正处于单模光纤的低损耗窗口，与现有的光纤 通信系统波长1 5 5 m 匹配。因此，d w d m 加e d f a 是充分挖掘光纤带宽资源，提高 光通信容量的有效手段1 4 j 。 传统光信号放大必须先将光信号实现光电转换，再将电信号放大，然后进行电光 转换，从而完成整个放大过程。而掺铒光纤放大器可以直接将光信号进行放大，且由 于掺铒光纤放大器增益带宽较宽，所以一个掺铒光纤放大器可以同时对多个不同波长 的光信号提供增益，使得光放大器的成本大大降低。掺铒光纤放大器的增益不受信号 偏振的影响，在高速率多信道的传输系统中不会产生串扰，在高速传输系统中不会产 生脉冲失真。这些优点是其它光放大技术所不可比拟的口 ，使得掺铒光纤放大器被广 泛应用于数字于线广播系统、模拟广播系统和光纤通信网。 掺铒光纤放大器主要有三种类型： ( 1 ) 线路中继放大器。用作长距离传输系统中的中继放大，通常工作在近饱和工 作区，要求具有较高的增益和输出光功率，以补偿传输损耗，还应实现对其工作状态 的实时监控( 输入功率一2 0 d b ) 。 ( 2 ) 接收前置放大器。用来提高光接收机的灵敏度，故工作于小信号( 或线性) 工作 状态，要求增益足够高，噪声系数低( 输入功率一4 0 d b ) 。 ( 3 ) 功率放大器。工作于深饱和工作区，能提供尽可能高的输出光功率，延长传输 距离。 1 2 掺铒光纤放大器的基本原理 掺铒光纤放大器的基本原理是利用掺铒光纤中的铒离子e r 3 + 受到泵浦光泵浦，跃 迁到高能级产生粒子数反转，在有输入信号光激励下，产生受激辐射来实现光放大1 6 】。 铒离子的外层电子具有三能级结构，如图1 1 所示，其中e l 是基态能级，e 2 是亚稳态 华中科技大学硕士学位论文 能级，e 3 是高能级。 图1 1 铒离子能级图 当用高能量的泵浦光来泵浦掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能 级e l 大量激发到高能级e 3 上。然而，激发态是不稳定的，寿命短，因而铒离子很快 从激发态e 3 上以非辐射跃迁( 即不释放光子) 的方式跃迁到寿命较长的亚稳态e 2 上。 当泵浦光足够强时，可以使能级e 2 和e 1 间形成电子的反转分布。当有1 5 5 0 m 左右的 光信号输入时，e 2 上的粒子受到激励发生受激辐射向e 1 跃迁，同时产生与输入光子频 率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，于是光的强度增大，光信号得到放大。 e 2 上没有受激辐射的粒子还可以通过自发辐射的方式向e l 跃迁，同时释放出光子，此 光子与输入光子不相关。这些自发辐射产生的光予在掺铒光纤放大器也可以被传输放 大，形成背景噪声，称为放大器自发辐射噪声。 信号光通过受激辐射过程从离子系统获取能量，从而不断增强而获得放大信号。 由于泵浦光与信号光在光纤中均以导波形式传输，因而二者之间可以有效地交换能量， 效率相当高。 光予辐射和吸收系数 7 0 ( 皿，_ ，4 3 2 鑫b ，4 5 a 4 $ b1 1 5 1 5 觚1 黜 $ 8 d e l m 艘长t 加， 图1 2e d f a 的光子增益谱及吸收谱 华中科技大学硕士学位论文 由图1 2 掺铒光纤放大器的光子增益谱及吸收谱可知，在s 波段( 1 5 2 5 n m 一 1 5 3 8 m ) 对信号光波长很敏感，波长变化4 i l i l l 5 n m 时，增益平坦度变化2 5 d b 左右， 而在c 波段( 1 5 3 8 砌一1 5 7 0 m ) 内，增益平坦度只有0 5 d b 的变化量。 掺铒光纤放大器一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤( e d f ) 、泵浦激光器 ( p u m p l a s e r ) 、光无源器件( p a s s i v e c o m p o n e m ) 、控制单元和监控接口( 通信接口) 。 图1 3 给出了典型的掺铒光纤放大器的基本结构图。 图1 3e d f a 结构原理图 掺铒光纤是一段大约1 0 m 1 0 0 m 长，以石英( s i 0 2 ) 为基础原料的光纤，它是利用 气相法或溶液掺杂法掺入少量的稀土元素铒离子e r 3 + 制备的，e r 3 + 浓度约为2 5 p p m 。 泵浦激光器为一个半导体激光器，激光器耦合到光纤中输出功率约为几十至几百 毫瓦。从图1 4 铒离子对泵浦光的吸收谱来看，铒离子有多个吸收波段，其中以9 8 0 n i n 和1 4 8 0 n m 两个波段激发效果较佳。而相比1 4 8 0 m 泵浦激光器，9 8 0 衄泵浦激光器 在转换效率和低噪声方面更具优势，因此成为目前掺铒光纤放大器最常用的泵浦源吼 1 6 兽1 2 警s 善t 。3 童千童奎1 l 瑚 2 傩o ，酾 1 4 8 0 波长( n m ) 图1 4 铒离子对泵浦光的吸收谱 光无源器件包括： ( 1 ) 光波分复用器( w d m ) 。将不同波长的信号光与泵浦光耦合起来进入掺铒光纤。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 光隔离器( i s o ) 。防止光路中反向光对e d f a 的影响。 ( 3 ) 光纤连接器( f c 伊c ) 。使e d f a 与通信系统和光缆线路的连接变得容易。 ( 4 ) 光耦合器( c o u l p e r ) 。从输入和输出光中分路出一部分光( 1 左右) 送到 光电探测器( p i n ) 。 控制单元对光纤放大器的工作进行不问断的控制，渡控接口向传输系统提供光纤 放大器工作状态信息，确保光纤放大器作为传输系统的一个部件，纳入到统一的网络 监控之中。 掺铒光纤放大器有前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种方式，如图1 5 所示。 图1 5e d f a 的三种泵浦方式 前向泵浦方式下，信号光和泵浦光以同一方向从掺铒光纤输入端注入，也称为同 向泵浦。后向泵浦方式下，信号光和泵浦光从两个不同方向注入掺铒光纤，也称为反 向泵浦。前向泵浦和后向泵浦合并在一起即称为双向泵浦。 1 3 研究目的 掺铒光纤放大器的增益与泵浦光的泵浦效率密切相关。由图1 4 可看出铒离子在 各个吸收峰的带宽都较窄，约几个纳米，所以泵浦效率对泵浦光的波长变化比较敏感。 目前，泵浦激光器一般是多纵模工作，输出光谱谱宽较宽嘲，其输出波长容易受注入 电流、环境温度、老化等因素的影响，其中尤以温度的影响为甚。对于半导体激光器 来说，波长随温度变化的系数约为0 3 n 州，在温度变化7 0 条件下，波长将漂移近 华中科技大学硕士学位论文 2 0 n m 。此时泵浦光波长将移出铒离子的吸收峰带宽，使泵浦效率大大降低，导致掺铒 光纤放大器的增益也大为降低。所以，掺铒光纤放大器要求泵浦激光器的输出波长能 够稳定在其吸收峰附近，漂移越小越好。 为了保证泵浦光的波长稳定，主要采用控温的方法和纵模选择的方法。控温方法 是用半导体致冷器保证激光器恒温工作。但这种方法在温度变化较大时起到的效果有 限，而且增加了激光器的成本和功耗。纵模选择的方法是利用光栅等光学元件提供部 分光反馈，使激光器谐振腔内实现纵模选择，从而达到波长稳定的目的。例如，分布 反馈激光器( d f bl a s e r ) 和分布布拉格反射激光器( d b rl a s e r ) 都是将光栅制作在 芯片内部提供内部反馈，实现单纵模输出。但因光栅仍为半导体材料，随温度变化仍 然较敏感，约为o 1 n l ，而且这种方法使得激光器芯片的制作成本大为增加。除了 这种内部反馈的方法，还可将光栅置于激光器外部引入外部反馈。由于激光器通常是 耦合到光纤输出，因此，直接在光纤上写入光纤光栅( f b gf i b e rb m g gg r a t i n g ) 即可 方便地形成外腔，实现纵模选择。 在泵浦激光器的尾纤上加上一段弱反馈的光纤光栅后，光纤光栅将很窄的频谱的 光反射回激光器，明显改善了泵浦激光器的输出光谱并将波长锁定在光纤光栅的布拉 格波长附近【9 i 。由于光纤光栅具有很低的温度敏感系数，约0 0 l n i i l ，因此大大提高 了泵浦激光器输出波长的稳定性，不易受环境温度和工作电流变化的影响，降低了泵 浦激光器对温度控制的要求。而且利用光纤光栅形成外腔使得半导体激光器的输出光 谱变得更窄，输出光功率在铒离子吸收带内的比例增加且更加稳定，很大程度上提升 了泵浦激光器的泵浦效率。因此对泵浦激光器来说，利用光纤光栅稳定波长的办法是 很好的选择。 本文的研究目的就是制作用于无致冷9 8 0 砌泵浦激光器波长稳定的光纤光栅，以 及研究光纤光栅对无致冷9 8 0 眦泵浦激光器实现波长和功率稳定的规律和影响。 1 4 课题来源 本课题来自武汉电信器件有限公司承担的国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课 题“无致冷m i n i d i l 封装的9 8 0 n m 泵浦激光器”，课题编号：2 0 0 3 a a 3 1 2 0 5 0 。 1 5 本文内容 第1 章为绪论，主要介绍掺铒光纤放大器的的工作原理及其对泵浦激光器波长要 华中科技大学硕士学位论文 求稳定的意义。 第2 章叙述了光纤光栅的基本概况，利用耦合模理论对光纤光栅的光学特性进行 了详细分析，介绍了光纤光栅的各种制作方法。 第3 章分析了引起半导体激光器波长漂移的主要因素，并用多模速率方程分析了 利用光纤光栅对半导体激光器实现波长锁定的基本原理。 第4 章说明了利用相位掩模板法制作光纤光栅的实验系统和实验步骤，介绍了实 验达到的工艺能力以及制作的光纤光栅样品的可靠性实验结果。 第5 章介绍了无致冷9 8 0 n m 泵浦激光器的封装过程，并利用光纤光栅对无致冷 9 8 0 r l i n 泵浦激光器进行波长锁定的实验，分析了光纤光栅各参数对激光器输出功率和 光谱的影响。 第6 章为总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 光纤光栅的理论基础和制作方法 2 1 光纤光栅概述 2 1 1 光纤光栅的发展历程 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的h i l l 等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤中的光 敏性( p h o t o s e n s m v i t y ) 【1 0 】，并用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅。当时他 们是在研究氩离子连续激光( 4 8 8 m ) 在一特种光纤中的非线性后向散射特性时，戏 剧性地发现随着时问的延长，反射率越来越高。h i l l 猜测这是由于光纤端面的反射造 成在光纤中的正向传输光和反射光形成了驻波，这些驻波在光纤纤芯中写入了光栅， 后来通过测量发射谱的带宽证明了h i 的设想是正确的。在这个发现以前，没有人认 识到玻璃光纤有光敏性和全息材料特性。h i l l 的发现为光纤光栅打开了大门。 几年以后，l a m 和g a r s i d e 报道的数据表明光致折射率的变化量与写入氩离子激 光能量的平方成线性关系】。这个结果暗示着光致折射率是一个双光子过程，意味着 有可能使用能量更高的紫外激光( 约2 4 4 m ) 可以直接获得这个现象，为紫外光写入 光纤光栅铺垫了道路。 1 9 8 9 年，东哈特福德联合技术研究中心的g m e l 乜等人用2 4 4 m 紫外光双光束 全息曝光法成功地制成了光纤光栅【i2 。他们使用的是准分子泵浦的染料倍频脉冲激光 器，其关键是利用两束有一定角度的紫外激光在光纤侧面干涉得到的强度周期性条纹。 在l a m 和g a r s i d e 预言后，g m e l t z 等人实现了这个突破。由于两束光的角度不同，可 以得到任意周期的干涉条纹，所以实现了可以在任意波长附近获得很强反射率的技术。 。东哈特福德联合技术研究中心研究组的报道以后，应用这个成果成为了当时的焦点。 然而这个技术有很多的局限性，只有少量的特种光纤有较强的光敏性，通用的标准光纤 的光敏性都很弱，当时即使最好光敏性的光纤的光致折射率变化也不超过1 0 4 。之后一 个较大的突破是a t & t 的贝尔实验室的l 锄a n 、a t k i l l s 和m i z r a l l i 发现标准光纤在载氢 处理后，可以在室温下写入光纤光栅，将光纤的光敏性提高两个量级【1 3 _ 1 4 1 。这样带来两 个可实现的结果：第一，可以获得和大多数光纤的纤芯和包层的相对折射率差( 1 0 。2 ) 在一 个量级的光致折射率变化，因此可以获得超宽带宽的啁啾光纤光栅；第二，可以在任意 光纤( 包括标准光纤、低损耗传输光纤或者其他希望使用的光纤中) 中提高光敏性。 当光纤光栅的研究正在高速发展的时候，就有人提出光纤光栅是否可以大规模生 华中科技大学硕士学位论文 产。h i l l 【1 5 】和a n d e r s o n 【1 6 1 同时解决了这个问题，他们用相位掩模板( p h a s cm a s k ) 形 成干涉条纹刻入光纤形成光纤光栅，就像石版印刷一样方便，所以相位掩模板技术提 供了一种可规模生产的方案，为产业发展打开了大门。虽然相位掩模板在大多数光纤 光栅的制造中已经成为事实，但相当一部分商用光纤光栅还是使用干涉技术。 经过二十年来的发展，光纤光栅的写入方法不断得到改善，光纤的光敏性被逐渐 提高，各种特种光栅也相继问世，光纤光栅的某些应用已达到商用化的程度。特别是 近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到重视， 取得了令人瞩目的成就。随着光纤光栅技术的日臻成熟，基于光纤光栅的各种光学子 器件( 如光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用和解复用器、光纤光栅色散补偿器等) 层出不穷。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广 泛应用于通信和传感等各个领域。 2 1 2 光纤光栅的基本结构 光纤光栅是由紫外光直接写入到光纤纤芯中的全息衍射光栅( h o l o 掣a p h i c d i 脏a c t i o n g r a t m g ) ，是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件， 是一种相位光栅。它是利用掺杂( 如锗、磷等) 光纤的光敏性，通过强紫外光的干涉 光谱照射下使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向 周期性或非周期性的形成永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。图2 1 是光纤光栅 的结构示意图。 图2 1 光纤光栅结构示意图 光纤在某些频带的强紫外光照射下，会形成永久性的折射率变化，这种在光纤纤 芯内发生的特性称为光纤的光敏性 】。目前光纤的光敏性的动力学机理尚未完全研究 清楚，较为普遍的观点是认为由于诱导光( 紫外光) 的作用，光纤中原子的某些键遭 到破坏，产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而改变了光纤的吸收、散射 8 华中科技大学硕士学位论文 等光学特性，产生折射率的永久性变化，这种折射率的永久性变化是可以饱和的。另 外，许多实验表明，在紫外光的照射下，光纤材料中的局部应力和密度将发生变化。 由于掺锗石英玻璃的折射率与其密度成线性变化关系，因此这种紫外光引起的应力和 密度的变化也被认为是光纤材料中光致折射率变化的一种可能机制。 光纤的光敏性与掺杂在光纤中的锗离子浓度基本成正比关系，与照射的紫外光的 时间和能量密度有关。此外，掺杂不同的稀土元素如铈( c e ) 、镱( y b ) 、铥( t m ) 等或是采用高压载氢的方法，也可以使光纤获得不同程度的光敏性。 2 1 3 光纤光栅的种类 正如上所述，光纤光栅是一种在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的光纤无源 器件。光纤光栅的折射率微扰是由制作时的写入紫外光的场分布决定的，而光纤光栅 的性质就取决于纤芯折射率的调制度和光栅周期等这些光栅参数，所以通过选择这些 参数沿光纤方向的不同变化形式，可以得到许多不同种类的光纤光栅【l 剐。 光纤光栅广义上可以根据折射率调制周期的均匀性与否分为两大类：周期性光纤 光栅和非周期性光纤光栅。 周期性光纤光栅又可分成两种： ( 1 ) 布拉格光纤光栅( f i b e rb m g gg r a t i n g ) 又称为反射型光纤光栅( r e n e c t i o nf i b e rg r a t i n g ) 或短周期光纤光栅( s h 叫一p e r i o d f i b e rg r a t i l l g ) ，这种光栅将光纤中的主要传导模衍射到反向传输模中去，耦合前后模 式不变，耦合主要发生在布拉格波长附近，把入射的振幅a ( z ) 耦合到模式相同但反向 传输、振幅为b ( z ) 的模式中。光栅周期约为o 2 5 m 一1 岬1 。它具有较窄的反射带宽( 可 达o 1 衄) 和较高的反射率( 可达近1 0 0 ) ，而且，它的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。因此，这也是应用最广的一种光栅，也 是本文的研究对象。图2 _ 2 是布拉格光纤光栅耦合模式的示意图。 图2 2 布拉格光纤光栅耦合模式 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 透射型光纤光栅( t r a l l s m i s s i o nf i b e rg m t i n g ) 又称为长周期光纤光栅( l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ) ，这种光栅的周期远远大于一 般的光纤光栅，可达到几百微米。光耦合前后的两个模的传输方向相同，它的作用不 是将导波中某频段的光反射回去，而是将其耦合到包层中损耗掉。长周期光纤光栅具 有插入损耗小、易于集成等优点，是一种性能优异的波长选择性损耗元件，可以通过 选择适当的光栅周期，使得光栅将一定波长的光耦合至包层而迅速损耗掉，并且不存在 反射。图2 3 是透射型光纤光栅耦合模式的示意图。 图2 3 透射型光纤光栅耦合模式 非周期性光纤光栅主要有两大类型：一是栅距非均匀，二是折射率非均匀。具体 来说，非周期性光纤光栅有许多种，例如： ( 1 ) 啁啾光纤光栅( c h i r p e d f i b e rg r a t i n g ) 线性啁啾光纤光栅纤芯的折射率沿轴向呈准周期性变化。反射型啁啾光栅具有反 射带宽较宽的特点，最多的可达几十纳米，远远大于均匀周期光栅的带宽。另外，线 性啁啾的光栅能产生大而稳定的色散，其带宽足以覆盖整个脉冲的谱宽，从而被广泛 应用于w d m 系统的色散补偿。 ( 2 ) 高斯型光纤光栅( g a u s ef i b e rg r a t 血g ) 这种光栅的折射率微扰平均值沿光纤方向呈高斯型分布。 ( 3 ) 1 1 a p e r 光纤光栅( 1 1 a p e r f i b e rg r a t i n g ) 这种光栅的特点是其耦合系数沿光栅轴向不再是常数，而是一个分布，通过控制 不同的分布达到改变光栅反射谱形状的目的。 ( 4 ) 相移光纤光栅( p h a s e s h i 舭df i b e rg r a t i n g ) 所谓相移光栅是在均匀周期光纤光栅的某些特定点上，通过一些方法破坏其周期 的连续性而得到的。可以把它看作是若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续连 接都会产生一个相移。它的主要特点是可以在周期性光栅光谱阻带中打开透射窗口， 使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度，相移光栅的这一反射谱特性使它在 光通信以及光谱分析等研究领域中有较高的应用价值。 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 闪耀光纤光栅( t i l t e df i b e rg r a t i n g ) 在光栅制作过程中，紫外侧写光束与光纤轴不严格垂直，而是有一个小角度时， 形成所谓闪耀光栅。这时l p 0 1 模并不仅仅反射到l p 0 1 模，还会反射到其它模式，于 是在光栅传输曲线上，布拉格波长的短波方向会出现一系列损耗带。反射光强度随闪 耀角大小而变，对应着基模和反向传输的其它导模之间的耦合。 ( 6 ) 超结构光纤光栅( s u p e r s 仇l c t i l r ef i b e rg r a t i n g ) 超结构光纤光栅即直流折射率变化或者光栅周期是周期性变化的，这个周期大于 正常布拉格光栅的周期，超结构光栅也叫取样光栅( s 锄p l e df b g ) ，在很多场合中得 到应用，例如在d w d m 系统中被用作波长参考。有人把很多个相位掩模版连到一起 曝光得到米量级的光纤光栅用于补偿，它的关键技术就是超结构光纤光栅。 图2 4 是几种典型的光纤光栅的折射率微扰分布图。 折射率 愀删 佚 睑 愀洲 ( d ) 相移光纤光栅 祧m 觚黼 ( e ) 1 却e r 光纤光栅 ( f ) 超结构光纤光栅 图2 4 几种光纤光栅的折射率微扰分布图 华中科技大学硕士学位论文 2 2 光纤光栅的基本原理 2 2 1 光纤光栅原理的几何光学描述 由几何光学中的衍射原理可知，光入射到一个具有狭缝的平面，将会因为入射光 的波长及狭缝宽度，而在另一端产生不同间距的明暗相间的衍射条纹。将上述衍射原 理中的单狭缝扩展成周期性的多狭缝，即可获得叠加效果。这一周期性狭缝的结构就 是光栅结构，若在光纤中使得折射率沿轴向发生周期性的微扰变化，即形成类似上述 光栅的结构，就得到了我们所说的光纤光栅。图2 5 是光经过光纤光栅的衍射现象。 = o 幽2 5 光在光卦光榭甲的衍射蚬象 由衍射理论可知，以角鼠入射的光线将以角幺衍射，且满足光栅方程式： 鹏i n 岛钏s i n 日棚妻 ( 2 _ 1 ) 其中肝是纤芯折射率，m 是衍射级数，人是光栅周期。 因为模式传播常数= ( 2 石旯) ，有效折射率= 以s i n 臼， 所以式( 2 一1 ) 可变化为： 屈：届+ 埘车 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 就是光纤光栅的相位匹配条件。 对于我们要研究的布拉格光纤光栅来说，衍射以一1 级为主，且耦合前后模式不 变，只是方向相反，且故屈= 一层，聊= 一1 ，代入式( 2 1 ) 中可得： 五= 2 a ( 2 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 式( 2 3 ) 就是布拉格光纤光栅的布拉格条件，满足这种现象的反射称为布拉格 反射，此时的波长称为布拉格波长。 以上简单直观地介绍了光纤光栅的基本原理。 2 2 2 光纤光栅原理的耦合模理论分析 作为研究光波导的理论工具，耦合模理论因其直观性和可明确地描述模场的特性 而得到广泛应用。下面就运用耦合模理论进一步分析布拉格光纤光栅的光学特性【眦”。 光纤光栅实际上是一种纵向非均匀的光波导，其纵向非均匀性表现为沿z 轴上波 导折射率分布相对理想波导的缓慢和微小的偏离。对于布拉格光纤光栅，认为其纤芯 折射率非均匀分布为严格的余弦分布，即坍= 一1 ，则其纤芯折射率分布可写为 2 2 】： 胛( x ，y ，z ) ：荔( z ，y ) + 。5 知( z ，y ) c o s ( 三鍪z ) ( 2 4 ) l 设非均匀波导内的场为妒 ，y ，z ) ，满足【1 6 ： v 2 ( x ，y ，z ) + 碍力2 ( z ，y ，z ) y ( x ，y ，z ) = o ( 2 5 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非均匀波导中 的场y ( x ，y ，z ) 可以表示为均匀波导束缚模式( x ，y ) 之和： y ( ) c ，y ，z ) = 4 ( z ) ( x ，_ y ) = h ( z ) e x p ( 一鹚z ) + 啦f ( z ) e x p ( f 届z ) ( 工，y ) ( 2 6 ) f 4 0 ) 表示了与( x ，y ) 相联系的全部随z 变化的关系，而q 0 ) 和日一，0 ) 分别是 第，个正向和反向传输模式的振幅。本文讨论中省略了所有对结论无影响的e x p ( f n 玎) 因子。 其中均匀波导模式的场分布( x ，y ) 和相对的传输常数届均为己知，满足： v ；+ 培五2 ( x ，y ) 一所 ( x ，y ) = o ( 2 7 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 中，并利用式( 2 7 ) 消去v ；项，再按耦合模 理论的一般方法进行处理，化简时略去高次项，则可以得到正向传输模与同一反向传 华中科技大学硕士学位论文 稿模j 日j 阴模式祸台刀程： 掣= 孚删螂( 2 届一私 c z 吲 出i a 7。 掣= 孚北) e x p m 屏一私 c z 吲 出f ”7 一一人7 。 式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 表明，与纵向均匀光波导不同，光纤光栅的纵向非均匀 性引起了各传导模式之间的耦合。随着模式在波导内的传输，各模式所携带的光功率 将发生交换。其中q 是耦合系数，可以表示为： q = 手艿，z ( 训) r ”删2 删 ( 2 _ 1 0 ) 几 _ u州 其中为光纤纤芯的半径。 由式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可以看出，模式耦合存在的必要条件是： f e x p f ( 2 屏一车) z 出o ( 2 1 1 ) 即 2 届一等= o ( 2 吨) 式( 2 1 2 ) 就是布拉格光纤光栅的相位匹配条件。 设光栅长度为三，引入边界条件q ( 0 ) = 1 ，以，) = o ， 解方程式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) ，得： 必卜e 坤c 雌，业鬻镒嚣掣c 2 叫s ， 喇一c 一雌，蒜裟 c z 叫4 ， 其中邶：p l 一妥s ：压骊。 由式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) ，可求出布拉格光纤光栅的反射率尺和透射率丁分 另为： 华中科技大学硕士学位论文 m 棚- l 鬻j 2 = 砑蔷紫丽 w ，_ 鬻1 2 = 丽霜高蠢 ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) 当_ = 0 时，满足布拉格光纤光栅的相位匹配条件，光纤光栅具有最大反射率 月一= t a l l l l 2 ( f u ) ( 2 1 7 ) 瓦i 。= c o s h - 2 ( f 址) ( 2 一1 8 ) 此时所对应的入射光波长就是布拉格波长如，即布拉格条件： 如= 2 人 ( 2 一1 9 ) 对于光纤光栅的反射谱带宽( f w h m ) 厶删，有： r ( 九+ 挚) ：r ( 如) 2 ( 2 2 0 ) 由式( 2 2 0 ) 最后可求出砧删近似满足关系式： 钿哪惭树 l 2 沪z ， 2 2 3 均匀光纤光栅的物理特性研究 光纤光栅的布拉格波长发生改变，例如应变、温度等。因此研究光纤光栅的布拉格波 表明布拉格波长的漂移与应变的关系可以表示为 2 】： 等2 q 一( 聊2 ) m 慨( 毛+ t ) c z 吃， 华中科技大学硕士学位论文 其中日、q 是沿光纤轴方向和光纤截面的应变，a l 和a 2 是p o c k e l 系数。 如果应变是均匀而各向同性，那么式( 2 2 2 ) 可以简化为以下形式： 华：( 1 一见) 兰o 7 8 q ( 2 2 3 ) 7 咕 其中见= ( 胛2 2 ) a ：一( a 。+ 见：) ，为泊松比。 光纤光栅的布拉格波长随温度的变化主要是热光效应引起的。在8 5 以下，它们 之间有如下关系： 丝：口+ 土鱼 ( 2 2 4 ) 如 拧加 其中口：土! 坠为光纤的热膨胀系数。 ad 2 2 3 光纤光栅的制作方法 2 3 1 周期性光纤光栅的制作方法 目前，制作周期性光纤光栅的方法大致可分为四类：纵向驻波干涉法、全息曝光 法、相位掩模板法和逐点写入法。 ( 1 ) 纵向驻波干涉法1 叫 图2 6 纵向驻波干涉法装置示意图 这是加拿大通信研究中心的h i l l 等人首次发现光纤光敏性的方法，如图2 6 所示。 它用高能量的4 8 8 姗的氩离子激光器做光源，将光源发出的光导入到掺锗光纤中，注 入光纤的入射光和从光纤另一端面返回的反射光在光纤内产生干涉，形成驻波，经过 一定时间曝光后，驻波的能量分布使光纤纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光 华中科技大学硕士学位论文 栅。驻波干涉法制作光纤光栅的优点是装置较简单，缺点是布拉格反射波长仅由写入 光波长决定，而且写入效率低，反射率的强度跟光栅长度有直接关系，导致光栅很长 ( h i u 的实验中光栅长度为1 m ) 。 ( 2 ) 双光束全息干涉横向写入法【1 “ 这种方法是1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人首先实现的。如 图2 7 所示，将一小段掺锗光敏裸光纤在两束相干紫外光束交叠区域所形成的干涉场中曝 光，引起纤芯折射率的周期性扰动，从而形成光栅。与纵向驻波干涉法相比，m e l 乜等人 提出的紫外双光束全息干涉横向写入法写入效率大大提高，并且可以通过改变两干涉光 束之间的夹角来调整光栅的周期，易于获得所希望的布拉格反射波长。但这种方法也有 其缺点：一是对光源的相干性要求较高，二是对系统的稳定性要求较高。 图2 7 双光束全息干涉横向写入法原理图 ( 3 ) 相位掩模板法刎 图2 8 相位掩模板法原理图 这种方法的关键是使用到了一块相位掩模板，如图2 8 所示。这种相位掩模板是 在一个石英硅的衬底上刻制成周期为人的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束刻蚀 华中科技大学硕士学位论文 相结合反应离子束刻蚀技术进行制作。相位掩模板是用来将衍射光束分离，理想的相 位掩模板应使光栅的零级衍射为零，正负一级最大，目前通过适当选择模板的刻蚀深 度，可将零级衍射光能量抑制到小于入射光能量的5 ，而l 级衍射光的能量达到入 射光能量的约4 0 。所以，制作光纤光栅时可以不考虑零级衍射光的作用，这样当紫 外光正入射到相位掩模板时，在紧靠相位掩模板的后面( u m 量级) 可得到周期为人2 的衍射图样，从而在位于相位掩模板之后的紫外光敏光纤上形成周期为人2 的光纤光 栅。用相位掩模板复制法制作光纤光栅的优点是：对光源的相干性要求很低，工艺简 单，重复性好，成品率高，便于大规模生产，光栅周期与曝光用的光源波长无关。缺 点是掩模板制作成本较高，一块母板只能制作一种固定周期的光纤光栅，但用光学系 统放大或拉伸光纤的办法也可制作周期稍有不同的光纤光栅【2 引。 r 4 1 逐点写入法m 1 图2 9 逐点写入法原理图 这种方法是利用一点光源，沿光纤长度方向等间距地曝光，使光纤纤芯的折射率 形成周期性分布而制成光纤光栅。图2 9 是逐点写入光纤光栅实验装置示意图。由k r f 准分子激光器发出的高功率2 4 8 m 紫外激光脉冲垂直照射在缝宽为1 5 “m 的狭缝光阑 上，一个透镜将狭缝光阑成像在光敏光纤上，引起光致折射率变化，从而形成光栅的 一个单元。在写入一个单元后，借助一个由干涉仪测控的精密平移微调架将光敏光纤 沿平行与光纤轴向移动长度等于光栅周期人的一段距离，然后写入另一个单元。通过 重复和平移曝光过程，就可以在光纤中逐点写入光栅。整个写入过程，包括准分子激 光器的触发和光纤平移都是在微机控制下自动完成的。这种方法的优点是灵活性高， 周期容易控制，可以制作变迹光栅，对光源的相干性没有要求。缺点是由于需要亚微 米间隔的精确控制，难度较大，而且受光点几何尺寸限制，光栅周期不能太小，适于 写入长周期光栅。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 非周期性光纤光栅的制作方法 对于非周期性光纤光栅来说，制作方法也有很多。例如： ( 1 ) 锥形光纤曝光法【2 7 】 利