（光学工程专业论文）新型剪刀式光纤光栅封装和低温传感装置的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 新型剪刀式光纤光栅封装和低温传感装置的研究 俞钢y5 s 1 ；0 3 浙江大学杭州i 光及电磁波l i ) | = 究中心3 1 0 0 2 7 摘要 光纤光栅在传感、光通信等方面都有很广泛的应用，但由于它的中心反射波长 会随环境温度的波动而漂移，由此引起的不精确色散补偿将会导致系统性能的劣化， 严重阻碍了光纤光栅器件的实用化进程。因此需要对实用化光纤光栅的温度影响进 行控制，也就是对光纤光栅进行封装。本文的研究目的之一就是没计种新璎光纤 光栅封装装置，降低温度影响。 1 9 6 。c 4 0 。c 的低温传感在能源、军工、宅间技术和牛命科学等领域都有着广 泛的应用和良好的应用前景。如何实现结构简单、高精度、有较长温度范田的低温 传感是一直困扰业界的重要问题，采用光纤光栅进行低温传感可以满足以上要求， 但由于光纤光栅在低温段的物理性质和光学性质发生改变，常温的机理已经无法满 足光纤光栅低温传感的要求。本文的另一个研究目的就是对光纤和光纤光栅的低温 特性进行研究，通过调节发明的新型剪刀型支架的臂长比例来实现高精度低温传感， 满足实际应用要求，达到利用新型光纤光栅装置同时实现光纤光栅封装和低温传感 的功能。 本文首次提出低温光学的概念，并系统地、全面地对光纤利光纤光栅的低温特 性作研究；介绍了光纤热应力的计算方法，论述了应力和光纤传输损耗之问存在某 种关系以及涂覆层厚度对传输损耗的影响；测定了低温区光纤光栅的波长的变化。 发明了剪刀型光纤光栅封装装置，并利用其进行光纤布拉格光栅的温度补偿实 验。这种封装结构无需给光纤光栅施加预应力；封装后不产生啁啾，并可与压电陶 瓷结合，扩展光纤光栅布拉格波长的调谐范围：应变量的调节只跟金属丝有关，与 支架的材料无关，从而大大简化了设：k l - ，降低了造价，适合人批量生产。在一3 0 。c 8 0 。c 温区，温度灵敏度降低1 0 倍以上，达到0 0 0 1 n m 。c ，符合光纤通信要求。 誉经作者、导师简意 1 匆垒艾蹙霸 浙江大学硕士学位论文 摘要 首次将发明的剪刀型光纤光栅装置应用到低温传感，提出通过温度的过渡补偿 来实现高精度低温传感的思路，为温度传感器的设计提供新的观念。通过调一肖剪刀 型支架的臂长比例，提高温度精度；同时将剪刀型光纤光栅装置的光栅嵌在a l 、 p m m a 、t e f l o n 基底上，进一步提高温度敏感度，最大可以达到裸光纤在低温区温度 敏感度的6 0 倍以上，是目前温度精度最高的低温传感器之一；通过详细地比较这j l 利叼i 同基底类型的传感器，发现在低温区，基底的热膨胀系数作用远远大于支架臂 长比例的调节作用，为下一步工作奠定基础。 为研究光器件的低温特性，自行设计、制造和调试液氮测温仪，可以满足在一i 9 6 以上温区的光器件性能测试，提供的温度环境精度在i 。c 以内；装配了红外机构， 可以对低温下光器件的物理变化实现实时监测，为低温对光器件的影响提供了视觉 上的参考，为后续研究开启前奏。 本文重点是剪刀型光纤光栅装置在常温区的封装应用和低温区的传感应用。用 于封装时，在一3 0 。c 8 0 。c 温区，温度灵敏度达到0 0 0 1 n m 。c ；用丁低温传感时， 当温度从一1 9 6 。c 变化到一7 3 。c 时，发现铝基底的剪刀型传感器的平均温度敏感度为 0 ，0 6 6 n m 6 c ( k “l ，= 9 a ) ；相应的p m m a 基底的剪刀型传感器平均温度敏感度 0 0 8 7 n m ( l “l f = 9 a ) ；t e f l o n 基底的剪刀型传感器的平均温度敏感度为 0 1 2 n m 。c ( l 。f o = 9 a ) 。 关键词：光纤、光纤光栅、封装，低温传感、温度特性 i i 塑坚_ 人堂翌主堂竺笙苎! ! 里 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) h a v eb e e na p p l i e dg r e a t l yi n t h ef i b e rc o m m u n i c a t i o n a n ds e n s o rf i e l d s h o w e v e r , t h ew a v e l e n g t ho ft h ef b g s w i l ls h i f tw h e nt h et e m p e r a t u r e c h a n g e s ，w h i c hc a nn o tb ea c c e p t e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s o n ea i m o ft h ep a p e ri st o s t u d y an o v e lf o r f i c i f o r mp a c k a g i n go ff i b e rg r a t i n g t o c o m p e n s a t e f o rt h et h e r m a l e f 岛c t s c r y o g e n i cs e n s o r si nt h el o wt e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n to f 1 9 6 。c 。一4 0 4 ch a v e b e e n u s e di naw i d er a n g eo ff i e l d ss u c ha se n e r g y , m i l i t a r yp r o j e c t ，s p a c et e c h n o l o g y , l i f e s c i e n c e ，a n ds oo n h o wt og e th i g h s e n s i t i v i t yc r y o g e n i c t e m p e r a t u r e s e n s o ri sa d i f f i c u l tp r o b l e m ，f b g sc a nb ew e l lu s e da st e m p e r a t u r es e n s o r s ，b u tt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff i b e ra n df i b e rg r a t i n gi nc r y o g e n i ct e m p e r a t u r ea r ed i f f e r e n t w i t ht h o s eo ff l o i t n a t e m p e r a t u r e t h eo t h e ra i m o ft h ep a p e ri st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i b e ra n df i b e r g r a t i n g a n da p p l yt h ef o r f i c i f o r md e v i c ei nc r y o g e n i ct e m p e r a t u r es e n s o r s t h u s ，t h e n o v e lf o r f i c i f o r md e v i c ec a nb ef o rb o t ht e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i n gp a c k a g ef o rf b g s a n dc r y o g e n i ct e m p e r a t u r es e n s o r s l o w t e m p e r a t u r eo p t i c si sp r o p o s e df i r s t l y ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ff i b e ra n df i b e r g r a t i n ga r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l i t y ；o u r d a t as h o wt h a tt h ei n c r e a s ei nt h et h e r m a ls t r e s s a tt h ec l a d d i n g c o a t i n gi n t e r f a c ea d e q u a t e l y r e f l e c t st h ee x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e di n c r e a s ei nt h ea d d e dt r a n s m i s s i o nl o s s e sa tl o wt e m p e r a t u r e ；t h es h i f to fw a v e l e n g t ho f f b g si nt h ec r y o g e n i ct e m p e r a t u r e i sa l s os t u d i e d an o v e lf o r f i c i f o r mp a c k a g i n go ff i b e rg r a t i n g s i s p r o p o s e d t h en e wp a c k a g i n g m e t h o dk e e p st h ec o m p a c tf o r mo faf i b e rg r a t i n ga n d d o e sn o tr e q u i r ea n yp r e l o a d i n g s t r e s s i nt h er a n g eo f 一3 0 ct o8 0 c ，t h es e n s i t i v i t yo ft h eb r a g gw a v e l e n g t ht ot h e t e m p e r a t u r e i sr e d u c e dm o r et h a n1 0t i m e sa n d r e a c h e s0 0 0 1 n m 。c t h er a n g eo ft u n i n g f o rt h eb r a g g w a v e l e n g t hc a nb ee x p a n d e db ya d d i n g a p i e c e o f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c t h en o v e lf o r f i c i f o r md e v i c ei sa p p l i e di nc r y o g e n i ct e m p e r a t u r es e n s o r s ，t h e t e m p e r a t u r ep r e c i s i o n c a nb e i m p r o v e db y t h e c h a n g e o fr a t i oo fa r m l e n g t ho f t h e i i i 塑坚查堂堡主堂垡笙奎塑翌 f o 币c i f o i t ud e v i c e l i q u i dn i t r o g e nt h e r m o d e t e c t o ri sd e v e l o p e df o rs t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i b e r a n df i b e rg r a t i n gi nc r y o g e n i ct e m p e r a t u r e ，w h i c ho f f e r sal o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t i n f r a r e ds e n s o ri sa p p l i e di nt h el i q u i dn i t r o g e nt h e r m o d e t e c t o r ，p h y s i c a ls h a p ec h a n g eo f t h ef i b e rc a nb eo b s e r v e di nt h et e a lt i m e t h i ss t u d y p u t se m p h a s i s o nt h e a p p l i c a t i o n i n p a c k a g i n g o ff i b e r g r a t i n g a n d c r y o g e n i ct e m p e r a t u r es e n s o ro ft h ef o r f i c i f o r md e v i c e i nt h er a n g eo f - 3 0 t o8 0 。c t h es e n s i t i v i t yo ft h eb r a g gw a v e l e n g t ht ot h et e m p e r a t u r ei sr e d u c e dm o r et h a n1 0t i m e s a n dr e a c h e so 0 0 i n r r d c t h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo f t h ef o r f i c i f o r md e v i c ei s0 0 3 n m a t 。1 9 6 w h e na na l u m i n u ms u b s t r a t ei su s e d ，0 0 5 1 r i m a t 1 9 6 w h e na p o l y ( m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) s u b s t r a mi s u s e da n do 0 8 n m 。ca t 1 9 6 。cw h e nt h ef i b e r b r a g gg r n i n gw a sb o n d e d b e t w e e nt w ot e f l o ns u b s t r a t e s k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e r s ，f i b e rb r a g gg r a t i n g s ，p a c k a g i n g ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n s c r y o g e n i ct e m p e r a t u r es e n s o r s ，t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c s 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 光纤光栅( f b g ) 以其特有的高波长选择性能、易与光纤耦合、插入损耗低、 结构简单、体积小等优点使其可以应用于光线的控制、合成和路由分配，在光纤 技术、光纤通信及光纤传感等高技术领域中有着极其广泛的应用。f 1 - 1 ，1 - 2 1 光纤 光栅的一个重要应用是使各种全光纤器件，如光纤激光器、w d m 合分波器、 o a d m 色散补偿器、e d f a 增益均衡器等光纤通信及温度、应变传感的研制成为 可能，同时将各种全光纤器件集成在一段光纤里，形成诸多集成型光纤通信系统， 其潜在的应用价值也目益受到人们的瞩目。所以人们普遍认为，光纤光栅的研制 成功是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 之后在光纤领域中的又一次重大技术突破。 自从h i l i 等人首次报道光纤的光敏现象之后，人们对其特性进行了大量的 理论分析和实验研究。随着紫外写入制作技术的日趋成熟，光纤光栅在光通信中 的应用也越来越广泛。各种光纤光栅器件纷纷问世，从光发送、光放大、光纤色 散补偿等领域都将受到这一重要器件的革命性的影晌，特别是在密集波分复用系 统中光纤光栅作为解复用器已受到人们的极大青睐。 光敏光纤布拉格光栅( f b o ) 的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光 纤波导条件的改变，从而导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射 光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。光纤芯区造成折射率周期变化是利用光纤 中的光敏性而制成的。所谓光敏性是指强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的变化。变化的大小与光强成线性关系，如用特定波 长的激光干涉条纹( 全息照相) 从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周 期性分布并被保存下来，成为光纤光栅。这种光栅在大约5 0 0 以下稳定不变， 但用5 0 0 以上的高温加热时就可擦除。 在光纤光栅技术中，锗掺杂光纤纤芯玻璃所具有的光子光敏性有着重要的价 值，目前其详细的折射率变化过程仍未被全部揭开，但几乎可以肯定是与色心相 关的。m e l t z 等人认为2 4 5 n m 色心吸收带的光子漂白是导致可见光和近红外谱 区折射率改变的起因。目前人们认为在光栅形成的动力学过程中包括一秘以上的 形成机理，其中包含辐射使玻璃结构中的某些键断开，如在锗掺杂硅材料中氧空 穴缺陷释放了一个自由电子，并被结构的某处色心所俘获而在紫外光谱部分新的 光子俘获改变了锗掺杂的吸收性质，进一步来说，在吸收谱中正的净变化通过 k r a m e r s k r o n g 关系导致折射率的增加，这种观点称为色心模型。其他一些效应 也在诱导折射率变化的过程中起着重要的作用，诸如当光纤在制造过程中引入赢 浙江大学硕_ = l _ - 学位论文 第一章绪论 利，在吸收波长为2 4 0 n m 附近的紫外光后所产生的热量使光纤局部应力释放造 成光纤纤芯区密度的增加，从而增大了其折射率这种结构模型有实验事实的支 持。总之，光纤光栅的光致机制目前有多种解释，以上是被广泛接受的几种观点。 b g e 光纤通过掺入硼材料可以减小光纤的数值孑l 径，从而容许增大锗含量达到 增大光敏性的作用。 氢载光纤氢分予改变了原来的s i o g e 键而形成s i o h 键，此时它的折射率 变化不仅靠g e 0 2 中的g e o 振动的位置，而且还依靠由于氢氧根与锗作用的每 一个锗的位置。由于当掺氢光纤被紫外线照射时可使每个锗原子都与紫外光发生 反应，所以折射率变化明显，提高可能超过l f f 2 。对于任何通信用的锗硅玻璃 光纤来说，特别是氧化锗含量很低的锗硅玻璃光纤，通过该技术也能得到高反射 率的光纤光栅。 光纤光栅的一个很重要特性就是在b r a g g 波长处的窄带反射特性。光纤光 栅的绝大部分应用也正是基于这一特性，对于这一性质的研究理论分析已趋于成 熟，实验研究也已取得很大成果。 光纤光栅的另一个特性就是在禁带p h o t o n i cb a n dg a p 附近的极强的传输色 散特性，一般要比普通光纤介质大出几个数量级，尽管这一强色散区域存在的频 带很窄，但其独特的性质还是引起人们的关注。在国内，人们对于光纤光栅的研 究往往局限于研究其反射特性，即光脉冲在禁带内的性质及其受光纤光栅构造参 数，外力应变及温度变化的影响等。但在国外，对光纤光栅的传输色散性质的理 论探讨和实验研究已经取得很大成果，有人提出利用这种强色散特性进行色散补 偿f 1 3 1 一】较其它色散补偿方案更易实现且具有更高的补偿效率。实验上已成 功实现在7 2 公里的光纤中利用光纤光栅在1 0 g b i f f s 信号无误码传输时的色散 补偿，最近人们又提出级联光纤光栅的构想 利用它可以在密集波分复用系统中 实现多信道色散的同时补偿。 1 2 光纤光栅在光通信中的应用 光纤光栅对从光发送，光放大，光纤色散补偿、光接收等方面都将产生重要 的影响。 色散补偿 普通光纤的零点散点位于1 3 1 0 n m ，在1 5 5 0 n m 处有约1 7 p s k m n m 的色 散，利用啁瞅光纤光栅对 常规光纤的色散进行补 偿，具有低插入损耗和高 i 置阻， 补偿率等特点，由于体积小， 越般 图1 1 ：光纤中的色散现象 它可以很容易地安装于现有的传输系统中。 2 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤 的传输容量。对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散， 在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。随着脉冲在光纤中传输，脉冲的 宽度被展宽，劣化的程度随数据速率的平方增大，决定了电中继器之间的距离。 如图1 2 ，可见，对于1 0 g 系统或基于1 0 g 的d w d m 系统来说，必须在系统设 计和组网应用中考虑到色散补偿。 图1 2 ：不同调制速率的光纤色散 原理：由于不同波长在啁啾光栅中传播时，在不同位置发生反射，经过光纤传输 后的入射光脉冲中的长波长分量( 低频分量) 位于脉冲的后沿，使其在光栅的起 始端就被反射，而短波长分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射这 样长短波长之间产生一个时延差，从而便会使脉冲重新压窄，于是就补偿了色散 效应使脉冲被压缩甚至被还原。 普通光纤的零点散点位于1 3 1 0 n m ，在1 5 5 0 n m 处有约1 7 p s k m n l t l 的色 散，在1 0 g 系统中，传输1 2 5 k m ，加色散补偿光栅补偿和不加色散补偿光栅补偿 的眼图，如图1 3 。可以看出，在光路中加入色散补偿光栅后，起到很好的色散补 偿效果。采用l o c m 长的线性调制光纤布拉格光栅，可对1 0 g b s 的光信号传输 4 0 0 k m 的非色散移位光纤的色散进行很好的补偿。 凝趱 图1 3 ：传输1 2 5 k i n 眼图比较 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 众所周知，色散是限制超高速光通信容量的主要因素，虽已有不少色散补偿 的方法，现在，在1 0 g 光传输系统中，基本采用的色散补偿方法为使用色散补 偿光纤，对c 波段和l 波段进行宽带补偿，在实际工程组网中，使用信道越多， 分摊到每个信道的相对成本越低：但是，在一些单信道系统和信道开放比较少的 系统中，相对成本就比较高，相对不同的补偿量，色散补偿光纤的长度也不一样， 给系统带来的额外损耗也就不同，而且由于使用的色散补偿光纤的插损比较大， 给系统带来的额外损耗和对功率的额外要求，增加了系统的成本。由于色散补偿 光纤的非线性特性，使其对入纤功率有严格的要求，在系统中的安放位置不灵活， 增加了很大额外劳动和费用。但光纤布拉格光栅色散补偿器与它们相比，具有全 光纤型、 损耗低、体积小、重量轻、成本低和灵活方便一致性高等优点。 以传输1 2 0 k m 的1 0 g 单信道系统实际应用为例，我们比较了使用色散补偿光栅 和色散补偿光纤系统的差别比较，如表1 1 ： 1 0 g 单信道系统，补偿1 2 0 k m 方案比较 使用色散补偿光纤使用色散补偿光栅 1 7 ，2 0 k m 色散补偿光纤1 只色散补偿光栅器件 8 - 1 0 d b 的附加损耗2 3 d b 的插损 额外的放大器功率需求基本对系统无功率要求 入纤功率小于3 - 6 d b ( 非线性)无入纤功率要求 表1 1 ：色散补偿光纤和色散补偿光栅的比较 相对于单信道的1 0 g 系统而言，采用色散补偿光栅的优势是非常明显的， 而额外的工作只是需要为电吸收调制发射模块开发一个波长控制电路来精确控 制输入到光线路中的波长，这对系统商来说是很容易的，因为他们在这方面有丰 富的经验。而且在技术上可以实现宽带色散补偿光纤光栅，现在国外已经出现这 种产品。总的来说，无源封装的色散补偿光栅是一种方便灵活、适应网络容量逐 步扩容的色散补偿方案。 五瞳 屯口 南口 1 + 固 i 1 r e 川_ 。黧呈曼卜。_ _ 也1 2 冒霄 图1 4 ：光纤光栅色散补偿器用于o a d m 4 l t 蔓 1 2 如 浙江大学顿l 学位论文第一章绪论 图1 5 ：单信道光纤光栅色散补偿器用于d w d m 系统 翻1 6 ：色散补偿光栅在光传输系统中的应用 r 下( a d d d r o p ) 话路复用器和滤波器 由于光栅具有良好的波长选择性，用它可以方便的实现波分复用光纤通信系 统的全解复用及上下话路技术，上下话路复用器能保证在其它信道不变的前提 下，在d w d m 网络节点上加减一个或几个信道，利用它可以方便的实现上下 话路功能。利用b r a g g 光栅和一个光环行器可以构成一个上下话路复用器。四 个波长进入光纤传输时，由于光纤光栅对于b r a g g 波氏的光有着良好的反射作 用，将被反射光从环行器输出，实现下话路：同理可以实现上话路。利用不同 b r a g g 波长的光纤光栅可以实现不同波长信号的上下话路。如果应用多端口的 光环行器，则可以实现多话路的上下，大大提高了系统的灵活性。研究表明通 过精确的波长调整和光纤设计可以在信道间隔为0 3 r i m 的情况下无串话。 利用b r a g g 光栅优良的选频特性，可以对光纤透射潜中的任一波长进行窄 带输出，因此利用b r a g g 光栅可以制成各种性能优异的滤波器。用于d w d m 网 络中作为波长选择器。这种滤波器的中心波长由光栅控制，滤波器的带宽可通过 改变光栅调制强度或稍微改变光栅周期的喟啾量来得到。 浙江大学硕士学| ! ! z 论文 第一章绪论 波分复用解复用 波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，d w d m 系统中的复用解 复用器电叫合分波器。它实现了在一根光纤中传输多个波长的信道，并且在终 端将不同的波长分解出，传给不同的用户，因此对复用解复用器提出很高的要 求。以m z 二r 涉仪利b r a g g 光栅共j 司构成的器件可以实现对传输线路的波长信 道复用解复用。 光纤光栅具有很好的选频作用。所以它可以被用作密集波分复用系统的解复 用器，光纤光栅波分复用解复用器由在光纤马赫曾德干涉仪的两个干涉臂 上具有两个完全相同的布拉格光纤光栅组成。经波分复用后若干个波长的信息流 ( 假设有从 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ) 端1 2 1l 输入。若光栅的共振波 长为 4 ，则由于光栅的反射作用，波长为x4 的光源将在端e l2 出现。而其余 的光将在端口4 输出。理想情况下，干涉仪的两个臂完全平衡，则端口3 不会 有光输出。由于复用和解复用的固有对称性，可以使用这种器件作为波分复用器。 此时， 4 波长的光从端口3 输入，与从端口1 输入的已复用的其它波长的光 复用，从端口4 输出。如果放置具有不同共振频率的成对光栅于干涉臂上，则 可以同时插入或解出多个不同的波长的信道。该复用解复用器与输入光波偏振 态无关，且在1 5 5 0 h m 处对信道间隔为1 0 0 g g h z 的信号进行有效的复用解复 用。光纤光栅的波分复用解复用器有较低的插入损耗。现在欧美有些厂商可提供 5 0 g h z 、1 0 0 g h z 的8 1 2 0 通道的光纤光栅波分复用器。插入损耗指标低于同 类产品。 光纤光栅在激光器中应用 光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源。近年来由于光纤 制造工艺的进步，紫外写入光纤光栅等技术的日益成熟以及各种激光器，特别是 半导体激光器技术的发展，目前已研制出多种光纤光栅激光器。光纤光栅的出现 使光纤激光器的设计和制作变得十分简单，大大降低了光纤激光器的成本，它的 损耗降低到极小，输出波长可以精确地选择。通过改变光纤的温度和应力实现连 续可调激光器的线宽极窄，并与光纤具有良好的匹配性；利用光纤光栅作为选频 元件的外腔半导体激光器具有波长稳定性好和可控性好等优点。 d b r 光纤光栅激光器 d b r ( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s ) 光纤光栅激光器如图1 7 所示。利用一 段稀土掺杂光纤和一对光纤光栅( b r a g g 波长相等) 构成谐振腔，用9 8 0 n m 或 1 4 8 0 r i m 泵浦激光激发，铒离子就会产生增益放大。对于光栅的选频作用，谐振 腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频率光，再经过光隔离器即能输出线宽窄、 6 浙江大学硕士学位论文 第一章圭； 论 功率高和噪声低的激光。 泵浦 图1 7 ；d b r 光纤激光器结构示意图 另外用两个或多个d b r 激光器串联，可实现多波长输出激光器。每个d b r 激光器确定一个波长，可以分别进行调谐。sv , c h e m i k o 等用串联的耦合腔结构 获得了间隔5 0 g h z 线宽1 6 k h z 的双波长激光输出。这种结构的缺点是需要多段 掺饵光纤，多对b r a g g 波长相同的光栅来构成谐振腔，使整个激光器尺寸较大。 d b r 光纤光栅激光器面临的主要问题有：由于谐振腔较短，导致对泵浦的吸收 效率低；谱线较环行激光器要宽：能级系统固态激光器普通存在的自脉动行为在 光纤光栅激光器中也同样存在，即模式跳变现象。 d f b 光纤光栅激光器 d f b ( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ) 光纤光栅激光器如图1 8 所示，利用直接在稀土 掺杂光纤写入的光栅构成谐振腔，有源区和反馈区同为一体。d f b 光纤光栅激 光器优越于d b r 光纤光栅激光器之处主要是只用一个光栅来实现反馈和波长 选择，因而频率稳定性更好，还避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。同时用多个 单频工作的d f b 光纤光栅激光器串联也可实现多波长输出。这种激光器的缺点 是掺铒光纤纤芯含锗少或没有，光敏性差，因而写入光栅困难。 泵浦 图1 8 ：d f b 光纤激光器结构示意图 光纤光栅外腔锬模激光器 利用光纤光栅外腔激光器结构可以实现主动锁模半导体激光器【l - 8 。同一般 外腔锁模激光器相比，它具有波长选择性和稳定性好的优点，是光时分复用和孤 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 子通信光源的一个值得重视的方案。锁模重复频率月光纤外腔长度有关，本实验 中为9 7 1 m i i z 。图1 9 ( a ) 为激光器锁模运转时的平均光谱，图1 9 ( b ) 为锁模 光脉冲的自相关曲线。脉冲波形接近双曲正割。 ( a ) 图1 9 ：( a ) 主动锁模f b g - e c l 光谱；( b ) 锁模光脉冲的自相关曲线 光纤光栅在e d f a ( 掺饵光纤放大器) 中的应用【1 - 9 ，1 1 0 】 e d f a 的放大作用是通过1 5 5 0 n m 波段的信号光在掺铒光纤中传输与e r “离 子相互作用产生的。在光与物质相互作用时，光可以被看作由光子组成的粒子束， 每个光子的能量为：e - - h v ，其中：e 为光子的能量，v 为光的频率，h 为普朗 克常数。 掺铒光纤中的e r ”离子所处的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系 列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量 与e r 3 + 离子的某两个能级之间的能量差相等时，e r 3 + 离子就会与光子发生相互作 用，产生受激辐射和受激吸收效应。受激辐射是指e r 3 + 离子与光子相互作用从高 能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子( 即光子的频率、相 位、传援方岛、偏振态楣丽) ；受激辐射是指e ，+ 离子与光子相互作用从低能级 跃迁到高能缴，并且吸收激发光子。为了详细说明e d f a 的放大原理，下图1 1 0 给出了e r “离子与光放大作用有关的能级结构。 浙江人学砸玎l 学位论史笫一章绪论 能 姑 e 3 e 2 图1 1 0 ：e r “离子与光放大作用有关的能级结构 基态 如铒离子能带图所示，与e r “离子产生光放大效应的能级有三个：激发态、亚稳 态、基态。激发态与基态之间的能量差与泵消光子能量相同，亚稳态与基态之问 的能量差与1 5 5 0 r i m 的光子能量相同。 在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的e r “离子抽 运到激发态上，处于激发态的e ，+ 离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于 e r ”离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒予 数反转，即处于亚稳态的e r 3 + 粒予数比处于基态的e r 3 + 粒子数多。当信号光予通 过掺铒光纤，与e ，+ 离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同 的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有 少数处于基态的e 一离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。e r 3 + 离予的 亚稳态和基态具有一定的宽度，使e d f a 的放大效应具有一定波长范围，其典型 值为1 5 3 0 1 5 7 0 n m 。e r 3 + 离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以 外，还要产生自发辐射，即e r h 离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互 作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1 5 5 0 n m 波段的光子，这种光子 与信号光不同，它构成e d f a 的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也 会得到放大，因此在e d f a 的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的组成，是一段不长的石英光纤，在纤芯中掺铒 离子。1 5 5 0 r i m 波长窗口的光信号输入至这段光纤的一端，而在另一端输出。当 这段光纤受到波长9 8 0 r i m 或1 4 8 0 n m 的半导体激光管输出足够大的功率抽引时， 传输经过一定波段宽度，1 5 5 0 n m 信号得到有用的功率增益和平坦的增益特性， 也就是得到放大作用。由于光子从抽引至信号问有显著的转换效率，光纤的输出 9 浙_ ；_ ：人学坝j 二学他沦义 第一章绪论 信号得到较大的功；棼，并保持较低的噪声系数，这样的e d f a 对一定的波段宽度 提供有1 l j 增益和平坦特性，表明它们能对波分多路信号的每一路都提供放大作 用，而平坦特性意味着，w d m 各路同样放大，彳i 会相互间产生路标串扰。e d f a 能提供一定大的输出功率，就”j 使w d m 信号沿线路传输较氏距离才需要再次放 大，从而减少线路中间放大器的个数。e d f a 能保持一定小的噪声系数，就容许 长距离线路沿线设置较多的放大器，而整个线路的噪声累积不致太严重。 最初的e d f a 是在波长1 5 4 0 1 5 6 0 n m 范围的2 0 n m 宽度提供增益。它有两 段掺铒光纤，各由9 8 0 n m 激光管经过耦合器抽引。就是说，它是两级放大：输 入级主要是提高增益，输出级则是提供饱和的输出功率，而两级之间设罨一个避 免放大自发性发射的滤波器。后来，e d f a 能在c 波段1 5 3 0 1 5 6 5 n m 或1 5 2 5 1 5 6 0 r i m 的3 5 n m 宽度提供平坦增益，在两级之间设置增益均衡滤波器。这样的 e d f a 已经实际应用于长途线路的3 2 路和6 4 路的d w d m 系统，光纤的传输容 景加大为3 2 0 g b s 和6 4 0 g b s 。然而，e d f a 并不停留在这样的水平，而是准备 在l 波段1 5 6 5 1 6 1 5 n m ，的5 0 r i m 宽度同时提供平坦增益。进一步的办法是把c 波段e d f a 和l 波段e d f a 装在一起联合使用，两者宽度相加，得到8 5 n m ，构 成宽度的w - e d f a 。据最近报道，这利，实际试验的w - e d f a 是采用分开波段的 结构，在输入端设置分波器，把输入的宽带信号分为c 波段和l 波段两支，由 两支e d f a 各自放大，在输出端设置合波器，把放大过的c 波段和l 波段信号 合并为一个宽波段的输出信号。c 波段e d f a 和l 波段e d f a 各有3 级，即3 部分掺铒光纤。这3 级分别称为色散补偿级、增益均衡滤波级和功率级，它们的 第l 、2 级都是各有一段掺铒光纤，各由9 8 0 n m 激光管抽引。第l 级各有色散补 偿光纤光栅，第2 级各有增益均衡滤波器。c 波段的第3 级有一段掺铒光纤，由 9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 抽引，而l 波段的第3 级则有3 段掺铒光纤，分别由9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 抽引。这样的两个e d f a 各自调整到同样的增益、同样的输出功率和 同样的噪声系数。只是它们组成w - e d f a 后，波段是c 和l 两个波段的总和， 即4 0 8 n m + 4 3 5 n m = 8 4 3 n m ，有平坦效益2 4 d b ，每路输出功率2 4 5 d b m ，噪声系数 65 d b 。这样的w - e d f a 曾与d w d m 配合应用于i t b s4 0 0 k i n 的大容量、长距 离传输系统。 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 d ) 、光无源器件、控制单元和监控接口( 通信接口) 。其中光无源 器件包括：光波分复用器( w d m ) 、光隔离器( i s o ) 、光纤连接器( f c p c ) 和 光耦合器( c o u p l e r ) 。w d m 的作用是将信号光与泵浦光耦合起来进入掺铒光纤， 光隔离器是防止光路中反向光对e d f a 的影响，光纤连接器使e d f a 与通信系统 和光缆线路的连接变得容易，光耦合器从输入和输出光中分路出一部分光送到光 电探测器( p i n ) ，由控制单元对光纤放大器的工作进行不问断的控制，监控接 1 0 浙江人学顺l ，学位论文 笫章绪论 口向传输系统( s d h 系统) 提供光纤放大器工作状态信息，确保光纤放大器作 为传输系统的卟部件，纳入到统- - ( f , j 网络监控之中。图1 1 l 给出了典型的掺 铒光纤放大器结构原理图。 图1 _ 1 1 ：掺铒光纤放大器结构原理图 掺铒光纤的增益谱具有很大的不平坦性，这对于e d f a 在多波氏光纤系统 中的应用是十分有害的。t a p 型光纤光栅 包层发生渐变的光纤) 对于入射光具 有一定的损耗特性，因此可以根据掺铒光纤的增益谱用多个t a p 光纤光栅构成 一具有特定形状的损耗谱从而e d f a 的增益平坦化。实验上已经实现用八个不 同的t a p 光纤光栅使e d f a 在3 3 r i m 的带宽上增益波动小于0 3 d b 。此外，单 模光纤中的长周期光纤光栅也是一个具有波长选择性的损耗器件。因此也可以用 于e d f a 的增益平坦化。实验与理论研究表：应用长周期光纤光栅进行e d f a 的 增益谱平坦化可以获得极为满意的效果。这种器件对于e d f a 在密集波分复用 系统中的应用具有十分重要的意义。有人用长周期的光纤光栅制作了增益均衡 器，使e d f a 在大于3 0 n m 带宽里增益变化仅为0 2 d b 。他们将这种增益均衡器 用于一6 3 0 0 k m ，速率1 0 0 g b s ( 2 0 5 g b s ) 的波分复用系统中，使其传输带 宽增宽因子为3 ，从而满足所有2 0 个通道的无差错传输。另外，在e d f a 中， 可以用具有较低反射率的光纤光栅在9 8 0 n m 泵浦源的尾纤上对其激射波长进行 锁定，从而获得稳定的泵浦光输出。也可以用反射率1 0 0 的光纤光栅使未被吸 收的泵浦光重新反射回e r “光纤内。这两方面的改进对提高e d f a 的泵浦效率 具有重要的意义。 1 3 光纤光栅在传感器中的应用 随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为传感领域中的应用提供 了技术平台，光纤光栅就是其中之一。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器 f 成为传感器研究领域中的又一大热点。f b g 传感器具有许多独特的优点，因 第一章绪论 而得到密切关注与应用研究。光纤光栅的b r a g g 波长随着温度、压强呈良好的线 性变化关系。其变化在1 5 5 0 n m 处的典型值为0 l n n v l 0 0 m p a ， o 3 n m 1 0 0 m p a ，1 0 n m l 应变。i 天1 此，光纤光栅可以作为物理量的传感元件。其 优势在于： 传感信号用波长编码，不受光纤损耗和光源强度起伏的影响： 传感探头结构简单，尺寸小( 其外径和光纤本身等同，适合许多应用场合，尤 其是智能材料结构) ； 可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被感测信息用波长编码，而波长是 一种绝对参量，它不受光源功率波动以及光纤弯f f n 等凶素引起的系统损耗的影 响，因而光纤光栅传感器具有非常好的州靠性和稳定性： 传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成 所谓的智能材料或结构； 抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作； 可复用性强，采用多个光纤光栅传感器，可以构成分布式光纤传感网络： 传感原理：当光源从布拉格光栅一端注入时，由于折射率的周期性变化。光纤中 正向与反向传输电磁波相互耦合，若满足御拉格条件，则功率全部耦合到反射波 中，反射光谱崔 b 处形成峰值。外加应力、温度等可使光纤光栅折射率j 长 度发生变化，从而 b 也发生变化。观察反射光谱峰值或传输光谱凹陷巾心的 移动，就可检测山外界扰动。这种光纤传感器在桥梁、隧道等建筑物及航空航天 技术等方面显示了广阔的应用前景和巨大的市场潜力。 1 4 光纤光栅的其他应用 首先讲一下光学梳状滤波器。光学梳状滤波器是指具有相同间隔多个性能相 同的透射或反射式光学信号通路元件。在光电子以及光纤通信领域，光学梳状滤 波器具有许多重要的应用。首先，在半导体激光器或光纤激光器中，利用它