（光学工程专业论文）高频COlt2gt激光脉冲写入的径向非对称型长周期光栅特性研究.pdf

中文摘要 摘要 导师饶云江教授于2 0 0 0 年发明了用高频c 0 2 激光脉冲在光纤单侧加热写入 长周期光纤光栅的方法。数年来，课题组对其制作方法、成栅机理、基本特性以 及实际应用等诸多方面进行了系统深入的研究，正逐渐形成一个完整的研究体系， 其研究成果得到国内外同行的广泛认可。本文就是以这种长周期光纤光栅写入方 法为基础，设计制作了几种折射率沿光纤径向呈非对称分布的长周期光纤光栅， 并对其部分特性进行了实验研究，取得了一些创新性研究成果。主要工作和成果 如下： 1 、在实验室对于用高频c 0 2 激光脉冲在光纤单侧写入长周期光纤光栅已有研 究成果的基础上，对其成栅机理、光谱特性和实际应用进行了拓展性研究：( 1 ) 实验研究证明了光纤中残余应力释放是光栅形成的主要因素之一；( 2 ) 以这种长 周期光栅的弯曲特性为基础，设计并实验制作了一种动态轴向应变传感器；( 3 ) 研究发现这种长周期光栅具有良好的高温应变特性，可用于制作高温和应变同时 测量的光纤光栅传感器；( 4 ) 研究了这种光纤光栅在扭曲状态下的横向负载特性， 发现扭曲使光纤光栅在降低负载方向相关性的同时提高了负载灵敏度，并用光强 度解调的方法实验实现了对横向负载的传感。 2 、首次设计了一种用高频c 0 2 激光脉冲在扭曲光纤上写入的长周期光纤光 栅，并对其制作和特性进行了实验研究：( 1 ) 在制作过程中发现，由于扭曲光纤 中线性双折射和圆双折射的相互作用，使得在不同扭曲率的光纤上写入的长周期 光纤光栅有着不同的光谱结构；( 2 ) 实验研究了这种长周期光纤光栅的横向负载 特性、2 0 1 0 0 温度特性、0 j j 一1 0 0 0 岬轴向应变特性，以及一3 6 0 0 - 3 6 0 。 扭曲特性，发现这种光纤光栅独特的光谱特性，并提出将这些特性用于制作各种 新型光纤光栅传感器。 3 、首次设计了一种用高频c 0 2 激光脉冲在光纤包层边缘写入的长周期光纤光 栅，并对其制作和特性进行了实验研究：( 1 ) 通过适当控制激光脉冲在光纤上的 曝光位置，实际制作出不同边缘写入深度的长周期光纤光栅；( 2 ) 实验研究了包 层边缘写入长周期光纤光栅2 0 1 0 0 温度特性、o l l 8 1 0 0 0 肛轴向应变特 性，以及折射率特性，发现这种光纤光栅不但具有较高的温度和应变灵敏度，而 且由于光栅中与纤芯基模发生耦合的包层模模式不同于普通单侧写入的长周期光 纤光栅，因而具有极高的折射率灵敏度，可用来制作高灵敏度的折射率传感器。 关键词：光纤光学；长周期光纤光栅；高频c 0 2 激光；径向非对称；温度特性； 重庆大学硕士学位论文 轴向应变特性：扭曲特性；折射率特性 i i 英文摘要 a b s t r a c t p r o f y u n j i a n gr a o ，t h es u p e r v i s o r , i n v e n t e dt h ef a b r i c a t i o nm e t h o do fl o n g - p e r i o d f i b e rg r a t i n g s ( l p f g s ) i nt h es i n 西e - s i d eo ff i b e rb yu s i n gh i g h - f r e q u e n c yc 0 2l a s e r p u l s e si n2 0 0 0 i nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s t h ef a b r i c a t i 蚰m e t h o d , f o r m a t i o nm e c h a n i s m , b a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da n dg a i n e di n t e r n a t i o n a l r e p u t a t i o na n dp r o m i n e n ta c h i e v e r n e n t s i nt h i st h e s i s 9 哪ek i n d so fl p f g sw i t l l a s y m m e t r i cr e f r a c t i v ei n d e xa l o n gt h er a d i a lo ft h ef i b e ra l ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d b a s e do np r o f r a o si n v e n t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s el p f g sa r es t u d i e db ya s e r i e so f e x p e r i m e n t s t h em a i nw o r ki sp r o v i d e da sf o l l o w s ： 1 b a s e d0 1 1t h ep r e v i o u ss t u d i e so l ll p f g sw r i t t e ni ns i n g l e s i d eo ft h ef i b e r ( c a l l e ds - l p f g s ) b yh i g h f r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e s ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m , s p e c t r a lp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n sa r ef u r t h e rs t u d i e d ：( 1 ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h er e s i d u a ls t r e s sr e l e a s ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tr e a s o n sf o rt h ef o r m i n go fl p f g s ( 2 ) an o v e ld y n a m i ca x i a ls t r a i ns f f l l s o rb a s e do nt h eb e n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es l p f g h a sb e e nd e m o n s t r a t e d ( 3 ) t h es - l p f gh a sg o o dh i g h - t e m p e r a t u r ea n ds t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc a nb eu s e dt om 饿? l s u r eh i g h - t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns i m u l t a n e o u s l y ( 4 ) t h ei 瑚d s v e i s el o a dc h a r a c t e r i s t i c so f t w i s t e ds - l p f g sa r es t u d i e d i ti so b s e r v e dm a t s u c has - l p f gw e a k e n st h ed i r e c t i o n - d e p e n d e n c eo f 仃a n s v e r s el o a da n di n c r e a s e si t s s e n s i t i v i t yc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lu n t w i s t e ds - l p f g sr e p o r t e dp r e v i o u s l y f i n a l l y , a ni n t e n s i t yd e m o d u l a t i n gm e t h o di sd e m o n s t r a t e dw h e nt h et w i s t e ds l p f gi s u s e da san _ a i l s v e r 萼ei o a ds e n s o 2 an e wk i n do fl p f g sw r i t t e ni nt h et w i s t e df i b e r ( c a l l e dt l p f g ) b y 1 l i g h f r e q u e n c yc 0 2 l a s e rp u l s e si sd e s i g n e da n di n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m et oo u r k n o w l e d g e ( 1 ) i t i sd i s c o v e r e dt h a tt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nl i n e a ra n dc i r c u l a r b i r e f i - i n g e n c el e a d st ot h ed i f f e r e n ts p e o r a ls t r u c t u r e so ft - l p f g si nt h ef i b e r sw i t h d i f f e r e n tt w i s t e dr a t e s ( 2 ) t h ep a r t i c u l a rs p e c t r a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gt r a n s v e r s el o a d ， t e m p e r a t u r ea n dt w i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e da n dp r o p o s e dt of a b r i c a t en o v e lo p t i c f i b e rg r a t i n g ss e n s o r s 3 an e vk i n do f l p f g sw r i t t e ni nt h eo d g eo f t h ef i b e rc l a d d i n g ( c a l l e de l p f g s ) b y1 l i g h f r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e si sr e p o r t e df o rt h ef i r s tt i m et oo u rk n o w l e d g e ( 1 ) t h ee l p f g sw i t hd i f f e r e n ti n d u c e dd e p t h si nt h ee d g eo ft h ef i b e rc l a d d i n gc a nb e f a b r i c a t e db yc o n t r o l l i n gt h ee x p o s u r ep o s i t i o no fl a s e rp u l s e s ( 2 ) i ti sd i s c o v e r e dt h a t i 重庆大学硕士学位论文 s u c ha ne l p f gi sm o r es e n s i t i v et ot e m p e r a t u r ea n ds t r a i n a n dm o s ti m p o r t a n t l yi th a s v e r yh i g hs e n s i t i v i t yt or e f r a c t i v ei n d e xd u et ot h ed i f f e r e n tc l a d d i n gm o d ec o u p l i n g w i t ht h ef u n d a m e n t a lm o d eo f t h ef i b e l c o r e k e yw o r d s ：珂) ao p 6 c s ，l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g ，h i g h - f i e q 啪c yc 0 2l a s e r ，r a d i a l a s y m m e t r i cs t r u c t u r e ，t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，s a t i nd l a v d o e 枷c ，t w i s t c h a r a c t e r i s t i c ，r e f r a c t i v ei n d e xc h 羽盈c 【e f i s 6 c 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特n , d l ：l 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，也不包含为获得重迭太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：刁灰拎签字日期：弘吁年月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：习厶 签字日期：沙刀年月；日 导师签名：饧臣呼p 签字日期：弘7 年6 月牛日 1 引言 1引言 1 1 长周期光纤光栅的发展历史 光纤光栅是近几十年发展最快的光纤无源器件之一。1 9 7 8 年，加拿大渥太华 通信研究中心的k o h i l l 等人首次在掺锗石英光纤中发现了光纤的光敏性【l 捌，从 而导致了光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ：f b g ) 这种新型光纤内纤型无源 器件的出现，使得人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光有源无源器件， 给光纤通信与传感领域带来了又一次里程碑式的革命。最初，光纤光栅的研究主 要集中在f b g ，自从1 9 7 8 年h i l l 等人【l 】首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世 界上第一支f b g 以来，相继有h i l l 等人1 9 9 3 年提出的用紫外光垂直照射相位掩 模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入f b g 的相位掩模法【3 】，美国东哈特福德联合 技术研究中心的m e l t z 等人于1 9 9 8 年提出的用两束相干的紫外光形成的干涉条纹 侧面曝光氢载光纤写入f b g 的横向全息成栅技术【4 】等各种制栅方法，使大规模批 量生产光纤光栅成为可能，极大地推动了光纤光栅的理论研究及其在光纤通信和 传感领域中的应用。 随着对光纤光栅技术研究的深入，到2 0 世纪9 0 年代，人们开始研究周期为几 百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅( l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g ： l p f g ) ，它是一种理想的带阻型无源滤波器件，因其易于制作、附加损耗小、无 后向反射、与偏振基本无关以及具有较高的温度、折射率和弯曲灵敏度等特性，得 到了人们越来越广泛的重视并迅速成为光纤光栅技术研究中一个新的研究热点。 早在1 9 9 1 年，h i l l 等人就提出用逐点曝光法写入周期较长的光纤光栅用以实 现多模光纤中的模式转换【5 】以及单模光纤中的偏振模式转换j 。这种光纤光栅虽然 实现了正向模式间的耦合，但还不是通常意义上的l p f g 。而通常意义上的l p f g 是由a t & t 贝尔实验室的a m v e n g s a r k a r 等人【7 】于1 9 9 6 年用紫外光通过振幅掩 模板照射氢载硅锗光纤首先研制而成的，这标志着l p f g 的诞生。 此后，1 9 9 6 年b h a t i a 等人【8 】详细研究了l p f g 的各种特性，提出了在通信与传 感领域中的应用。t e r d o g a n 9 , 1 0 1 于1 9 9 7 年相继在j o fl i g h t w a v et e c h n o l o g y 和j o p t s o c a m a 发表两篇论文从模式耦合的角度深入研究了l p f g 的光谱特性，从 而奠定了l p f g 的理论基础。1 9 9 8 年d d d a v i s 等人 1 1 , 1 2 1 首次提出了用c 0 2 激光 脉冲轴向周期性加热光纤写入l p f g 的技术，使l p f g 的制作和应用进入了一个新 的发展阶段。此后，l p f g 即在掺铒光纤放大器增益平坦、a s e 噪声滤除、9 8 0 h m 泵浦杂光滤除、级联拉曼光纤激光器斯托克斯线滤除、光分插复用( o a d m ) 、多 通道滤波器、色散补偿等方面获得了较广泛的实际应用 ”。此外，l p f g 还在温度 重庆大学硕士学位论文 测量、应变测量、折射率测量等方面具有潜在的应用前景。 1 2 长周期光纤光栅的研究现状 周期为百微米量级的l p f g 自问世以来，就以其背向散射低，插入损耗小， 与偏振无关，体积小等特点吸引了国内外众多研究人员的目光。目前，在l p f g 的写入方法、成栅机理、理论研究和实际应用等方面形成了多个研究热点。 1 2 1 长周期光纤光栅理论研究现状 l p f g 的理论是在f b g 理论的基础上发展起来的，并经历了一个逐步发展的 过程，其理论模型各有优缺点。 m a r c u s e 13 1 、l a m 1 4 】和s n y d e ra l l a n 【1 5 】在七八十年代早期就对光纤的模场有了 较为全面的阐述，对耦合模方程进行研究。此后经过c t s a o 撕】，s i p e t l 7 1 ，e r d o g a n 9 3 0 等人的努力，目前已经形成了一套比较完善的分析l p f o 传输特性的耦合模理论。 e r d o g a n 运用耦合模理论研究了l p f g 的导模、包层模和辐射模之间的模式耦合及 传输谱特性。它不仅对均匀光栅，而且对非均匀光栅也进行了比较深入的理论分 析，得到了l p f g 的谐振波长、损耗峰幅值、带宽、耦合系数、传播常数等参数 的具体表达式及其与光栅周期、周期数、有效折射率的关系，从而奠定了l p f g 的理论基础。h j p a t r i c k 等人【1s 】运用耦合模理论详细分析了l p f g 损耗峰的谐振 波长和幅值随外部环境折射率的变化，认为这种变化与光栅周期有关。k s c h i a n g 等人【l 州研究了l p f g 与包层直径、外部环境折射率之间的关系，并建立了谐振波 长与包层直径、外部环境折射率的关系模型。x u e w c ns h u 等人【2 0 】用耦合模理论比 较详细地分析了l p f g 高阶模耦合的特性。 由于耦合模理论采用的一些近似只有在折射率调制不太大时才成立，因此对 于折射率调制较大( 1 0 2 量级以上) 的情形，该模型的精确度变差，且其数值运算 复杂，计算量较大。在耦合模理论基础上，发展起来了一种用分段传输矩阵分析 l p f g 传输特性的方法f 2 l 琵2 3 ) ，该方法没有太多的近似，精确度较高，且适合于数 值运算，计算量相对较小，因此特别适合计算一些长的或非均匀的光纤光栅。耦 合模理论和传输矩阵法是分析包括l p f g 在内的光纤光栅的基本方法，是一种严 格的理论分析方法，可用于研究各类复杂结构的光纤光栅。此外，还有b l o c h 波理 论【2 4 1 、w k b 法【2 5 1 、散射理论【2 6 】、光线理论f 9 1 等各种用于分析光纤光栅的理论模型。 在国内，研究者的方向主要偏重于对光栅相关理的完善。刘勇等人田l 通过分析 研究龙格库塔法和传输矩阵法求解非均匀光纤光栅的异同，发现在计算过程中矩 阵法的运算速度快、精确度高，特别适合求解非均匀长光栅问题，而龙格库塔法的 计算结果则受步长的影响，当步长取得足够小时两种方法计算结果基本吻合。高侃、 方祖捷【2 8 】分析了l p f g 中纤芯基模和包层模之间的马赫曾德尔干涉效应导致在 2 1 引言 l p f g 谐振峰内的梳状滤波结构特性，并结合l p f g 的传输特性，利用传输矩阵法 对多种长周期莫尔光栅的透射谱进行了理论模拟1 2 ”。他们还与张自嘉、施文康合 作【3 们，研究了l p f g 在沉积金属包层前后谐振波长，给出了金属包层光纤包层模 的本征方程。高侃等 3 1 】还对l p f g 双锥形光纤之间的消逝波耦合作用进行了研究。 何慧灵等【3 2 】人通过理论计算分析了各种因素对单l p f g 迈克耳孙干涉仪光谱响应 的影响。 1 2 2 长周期光纤光栅制作研究现状 随着对l p f g 理论研究的进一步展开，其制备方法和制备机理也逐渐多样化， 目前大致可分为幅值掩模法、逐点写入法、物理形变法等。 幅值掩模法 幅值掩模法是制作l p f g 的基本方法之一，它使用不同的激光光源通过各种振 幅模板后将掩模图案精缩并成像到光纤纤芯上从而实现光纤光栅的写入。大体有 紫外光写入法、摩尔条纹模板法、微透镜阵列技术、全息光单元技术、离子束注 入法等。 紫外光写入法是amv e n g s a r k a r 等人1 7 1 1 9 9 6 年首先提出的，它利用2 4 8 n m 紫 外光通过镀铬的二氧化矽振幅模板后，在经高压氢载处理的掺锗石英光纤纤芯上 曝光写入光栅，并进行煺火处理，以保证光纤光栅有较好的稳定性。该方法制作 成本低、光栅性能较稳定：但由于光栅周期受模板限制，灵活性差，而且普通模 板会挡住大部分激光，降低能量效率，使光栅写入时间增长，因而该方法制作效 率不高。 黎敏等f 3 3 i 提出的摩尔条纹振幅模板法利用在可见光谱区一定波长范围内的辐 射会引起硫化物材料折射率变化这一特性，把硫化物光纤光敏特性与光栅技术相 结合，在硫化物光纤中写入光栅，硫化物光纤光栅可弥补石英光纤非线性小和补 偿色散的不足，可用于制作非线性中远红外功能型光纤器件。该方法简化了模板 的制作工艺和制作成本，易于实施，但对原光栅的精度要求较高，且目前硫化物 光纤损耗较大，还需要进一步提高制作l p f g 的工艺水平。 h y t a m 等m 魄出的微透镜阵列技术采用一种微透镜阵列将一平行的宽束准 分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投影到单模光纤上，以微透镜阵列代替普 通的幅值模板，其中心问距决定了写入光栅的空间周期。当一宽束准分子激光垂 直入射到微透镜阵列上，透过微透镜阵列，在其焦平面上形成一系列等问距的聚 焦条纹，有实验证明，聚焦条纹处的光强大大高于入射光强度，特别是条纹中心 光强度可以达到入射光强度的近百倍以上，克服了振幅掩模技术中模板对光能的 限制，大大提高了l p f g 的写入效率。但该制作方法与紫外光掩模法一样也存在 氢载敏化l p f g 高温稳定性差的缺点，而且微透镜阵列制作困难，阵列和光纤之 重庆大学硕七学位论文 间的间隔需要精确控制，大功率的紫外光易破坏透镜阵列。 h k a w a n o 等 3 5 1 提出的以全息光单元( h o e ) 形成条纹状干涉图案作为模板的 方法利用计算机生成的全息光单元( h o e ) 形成的条纹状干涉图案代替普通振幅 模板，在低曝光量情况下曝光制作光栅。有实验证明用一根周期为3 5 0 9 t m 的光栅 制成的h o e 条纹干涉图案曝光，可以在士1 0 1 t m 范围内改变l p f g 周期，其周期精 度可达士o 0 4 1 t m 。 在光源方面，除用准分子激光器做光源外，李栩辉等【3 6 】还提出以宽光谱紫外光 源代替准分子激光器，利用宽光谱紫外光源的光谱特性，通过多块振幅模板，在 多根光纤上同时写出多根l p f g 。此外，m l v o n 等【3 7 1 还提出以高能离子束代替紫 外光作光源，离子束注入法根据高能量离子注入到各种石英玻璃中可产生高达0 0 1 的折射率变化的原理曝光制作l p f g ，其最大优点在于不受光纤的光敏性影响，可 以在普通通信光纤上制作l p f g 。但该方法也可能在包层中产生较高的折射率变 化，影响光栅特性，一般可选择| 日j 距窄的掩模板，使离子只注入到纤芯。 逐点写入法 逐点写入法是另一种制作l p f g 的主要方法，它利用精密电机控制光纤运动位 移或移动激光光束，将激光经透镜聚焦成小于光栅周期的光束，每隔一个光栅周 期就曝光一次，直到完成光栅的写入。通过控制电机或光源进度可以制作任意周 期的光栅。根据写入光源主要有c 0 2 激光写入法、飞秒激光写入法和紫外写入法。 m a k i y a m a 3 8 1 和t e n o m o t o 【3 9 】等提出用低频c 0 2 激光脉冲在纯石英纤芯光纤 上引起玻璃中残余应力的释放和玻璃的致密化从而制作l p f g ，这种方法制作的光 栅不会使纤芯产生畸变，与用光敏性写入的l p f g 相比较具有更好的温度稳定性 和压力稳定性。但该方法只适合在纯硅光纤或b g e 共掺光纤等特种光纤上采用。 本实验室用计算机控制的高频c 0 2 激光脉冲在普通单模光纤单侧写入l p f g 4 0 1 ， 该方法使用聚焦的高频脉冲、能量集中、加热效率高，对光纤结构的物理损伤小。 韩国科学技术学院的s e u n g t a eo h 。k y u n gr o kl e e 等人荆用c 0 2 激光制备了具有 螺旋形结构的l p f g ，其偏振相关损耗较普通单侧写入光栅有所降低 k o n d o k 等人【4 2 】提出的飞秒激光写入法其制作原理是在激光辐射期问，材料的 局部熔化和快速重新排列导致结构的致密化。用该方法制作的光栅在2 0 一5 0 0 范围内损耗峰值波长与温度变化具有良好的线性关系和良好的耐热衰变性，以及 优越的抗老化特性。但如果激光脉冲辐射到包层上，包层也会产生折射率变化， 使附加损耗变大，因此必须精确控制脉冲的辐射位置。爱尔兰科克大学a l e x e y i k a l a c h e v 等 4 3 】利用2 6 4 n m 高强度飞秒激光在普通通讯用光敏光纤上写入了低插 入损耗、窄带宽的l p f g 。而c c a u c h e t e u r 等1 4 4 1 n 对高强度3 5 2 n m 飞秒激光写入 l p f g 进行了研究。 4 1 引言 此外，逐点写入法也可以采用紫外光作光源【4 5 】，和其他逐点写入法一样，紫 外光写入逐点法可灵活控制光栅的折射率结构，但控制光纤位移的电机控制精度 要求极高，对光纤的光敏性也有很高的要求且光栅热稳定性差，制作效率低。 物理形变法 利用光纤具有几何属性变化引起光学属性变化的特点，使光纤发生物理变形， 可以直接在光纤中刻入光栅。具体制作方法有局部加热法、刻槽法和机械压力法 等。如美国宾夕法尼亚大学s u n g n a m 等人【4 6 】利用电弧放电对光纤进行局部加热制 各了仅包含两个光栅周期的超短l p f g ，并实验观测到其对弯曲不敏感和良好的高 温稳定性。艾江等【47 】提出用精密切割机在光纤表面上刻出周期性的v 形槽从而形 成光栅。c y l i n 等1 4 8 】提出利用氢氟酸对光纤材料的腐蚀特性，在光纤轴向等间距 腐蚀，使光学特性发生轴向周期性调制，从而形成l p f g 。h w a n gik 等m 荆用 电弧放电时，光纤在剪切应力的作用下永久微弯制造l p f g 。e n b o aw u 【5 0 】利用光 弹效应，在压力点产生折射率变化形成l p f g 。t a k a s h iy o k o u c h i 等人【5 1 荆用机械 形变法，以特殊的压迫环绕弹簧方式制备了l p f g 。 1 2 3 长周期光纤光栅应用研究现状【5 2 】 l p f g 是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的 衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼 容于光纤、能埋入智能材料的优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓 度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。 l p f g 在通信中的应用 l p f g 是一种很好的传输型带阻滤波器，具有附加损耗小、无后向反射、不受 电磁干扰、全兼容于光纤等优点，使其在光纤通信中可得到广泛的应用。与f b g 相比，l p f g 阻带比f b g 宽得多，而且是传输型的，没有回波影响，可以简便地 级联多个不同阻带特性的l p f g 以获得所需的滤波特性。它的应用主要分为如下 几个方面。 增益均衡器：l p f g 在光纤通信领域的应用中最令人瞩目的当属它在掺铒光纤 放大器( e d f a ) 中作为增益平坦器的应用。在d w d m 通信系统中，由于e d f a 的增益谱不平坦，使得各信道得到的增益不同，从而导致信号传输产生误码。l p f g 是一个传输型带阻滤波器，把一个或几个不同谐振波长和透射率的l p f g 级联， 得到一个与e d f a 的增益谱倒像的损耗特性，使得e d f a 增益谱中的高增益部分 有较大的损耗，从而使e d f a 的增益谱平坦。a m v e n g s a r k a r 等人【5 3 】于1 9 9 6 年 将两个具有不同谐振波长的l p f g 级联，使得平坦后的e d f a 的增益谱在2 5 3 0 n m 带宽内的不平坦度小于o 2 d b 。i s o h n 等人晔l 于2 0 0 1 年用基于机械微弯法制作的 l p f g 实现了可调谐增益平坦器。r p m o e l l o r 等人【5 5 】利用l p f g 平坦光纤陀螺仪 5 重庆大学硕士学位论文 中e d f a 的增益谱，使陀螺仪的质心波长的温度相关性减低到小于0 2 p m * c ，从 而大大提高了陀螺仪的温度稳定性。j u nk b a e 等人 5 6 1 提出了利用两个分离加热器 环绕l p f g 实现可调谐带阻滤波器应用于e d f a 的增益平坦。本实验室也在近年 提出了基于商频c 0 2 写入l p f g 各种特性的可调增益均衡器 5 7 , 5 8 】。 滤波器：用与平坦增益谱类似的方法，选择合适的l p f g 可以用来抑制e d f a 在1 5 3 0 n t o 附近的放大自发辐射( a s e ) ，而在信号波长区域和抽运光波长区域完 全透明，从而大大减小放大器的自发辐射噪声系数【5 9 6 0 1 。基于l p f g 的滤波特性， 选择合适的l p f g 可以滤出波长大于9 8 0 n m 的泵浦光能量，从而稳定9 8 0 n m 泵浦 激光器的输出，提高泵浦效率【”。x j g u 6 1 1 和c d s u 6 2 l 等人利用两个级联l p f g 实现了d w d m 的多通道滤波器和多波长光纤光源。 波长选择及耦合器：p k l a m 等人1 6 3 l 于2 0 0 0 年在四端口的渐逝型光纤耦合器 的两纤芯中写入一对相位相反的l p f g 实现了带通滤波器，并通过适当设计这两 个l p f g 的耦合比和耦合长度以致特定波长a 的耦合得到抑制而其它波长的光能 通过纤芯l 耦合到纤芯2 ，从而实现了选择波长允的带通滤波功能。vg r u b s k y 等 人 6 4 1 于2 0 0 0 年用两个相同的l p f g 紧密平行贴合实现了波长选择耦合器。光由光 纤1 的输入端口进入l p f g l ，经模式耦合谐振波长 处的纤芯基模转化为包层模 并在公共区域传播，并激发出光纤2 的包层模，l p f g 2 将激发的包层模耦合为光 纤2 的纤芯基模并从光纤2 的输出端1 2 1 输出 ，从而实现对波长五的选择。w - t c h e n 等人【6 。删于1 9 9 9 年利用l p f g 基模和包层模之间的耦合特性制成了一种基 于l p f g 的具有较长工作距离的单模光纤耦合器。这种耦合器由于在端面集成有 半球型透镜以及l p f g 独特的耦合特性，因此可以降低耦合效率对轴向工作距离和 横向容差的依赖。b a c h i mb l 等【67 l 于2 0 0 5 年实现了基于c 0 2 激光写入l p f g 的光纤 一波导耦合器，并在实验中介绍了l p f g 取代电子器件，成为芯片级、组装级互连器 的具体原理和方法。 光分插复用器( o a d m ) ：光分插复用器是在波分复用系统中可以灵活上、下 路一个或多个波长信道的器件，它的结构对d w d m 网络的性能和功能具有极大的 影响。何瑾琳等人 6 8 1 提出了一种新型的基于相移l p f g 带阻滤波器的光分插复用 器。y o u n gg e u nh a r t 等人 6 9 1 将基于l p f g 的电压调制光分插复用器应用于结构简 单的波分复用系统。此外，在vg r u b s k y 等人畔】的文献中，他们还用两个波长选 择耦合器实现了光分插复用器。 光开关：基于l p f g 的全光光开关也是其重要应用之一。b j e g g l e t o n 等人 7 0 1 于1 9 9 7 年利用y l f 激光脉冲在紫外光写入的l p f g 中观察到了比光纤布拉格光栅 更强的非线性效应，即当脉冲能量i 增强时光栅的折射率将发生变化，从而导致谐 振波长发生漂移。波长漂移量a 2 , = 2 i a n ，其中血，为纤芯和包层的群折射率 6 1 引言 差，对硅光纤系数栉，约为2 6 1 0 。1 6 c 研2 矿。当输入脉冲的中心波长与l p f g 的谐 振波长相近时，由于光纤折射率的非线性效应，脉冲通过l p f g ，且脉冲变窄，即 光开关处于通过状态。当输入脉冲的中心波长大于l p f g 的谐振波长时，由于光 纤折射率的非线性效应，脉冲能量被l p f g 耦合到包层损耗掉，即光开关处于断 开状态。当输入激光脉冲能量只有5 g w e m 2 时就能观察到脉冲通断的开光效应， 这个能量远小于基于光纤却拉格光栅的光开关所需的脉冲能量，并且低于损伤光 纤的门槛能量。因此这种基于l p f g 的全光光开关将在全光网络中有着广泛应用。 模式转换和色散补偿器：因为l p f g 实现的是前向纤芯基模和前向包层模之 间的耦合，选择不同的光栅周期和不同的纤芯与包层折射率差，就能使纤芯基模 耦合到不同的包层模，从而实现模式转换。n g u y e nh o n gk y 等人【”】于1 9 9 8 年设 计了基于紫外写入的l p f g 的l p 0 1 l p 0 2 模式转换器，该模式转换器带宽1 4 - - 2 5 n m ， 耦合效率达9 0 ，可用于1 5 5 0 h m 附近的色散补偿。把该模式转换器和波长为 1 4 9 0 m 的光纤结合，在5 n m 波长范围内获得了一3 5 5 p s ( r i m - 向竹) 的负色散补偿。 d b s t e g a l l 等人1 7 2 佣耦合模理论分析了啁啾l p f g 传输谱特性，认为其具有较好 的色散补偿能力，因此与啁啾光纤布拉格光栅类似，啁啾l p f g 可望用于光纤通 信中的色散补偿。 l p f g 在传感中的应用 虽然l p f g 的传感中的应用和f b g 比较相似，也是通过外界参量对谐振峰波 长或幅度的调制来获取传感信息，但由于f b g 是反射型光栅，以致在传感系统通 常需要隔离器来抑制反射光对测量系统的干扰，而l p f g 却是一种透射型光纤光 栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器。而且l p f g 的满足相位匹配条 件的是同向传输的纤芯基模和包层模，这一特点导致了l p f g 的谐振波长和幅值 对外界环境的变化非常敏感，具有比f b g 更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向 负载、浓度和折射率灵敏度 8 , 7 3 , 7 4 , 7 5 1 。因此，l p f g 在光纤传感领域具有比f b g 和其它传感器器件更多的优点和更加广泛的应用。 单个物理参数的测量：l p f g 谐振波长对于温度、应变等物理参数的高灵敏度 反应，决定其优良的物理参数传感性能。h g e o r g e s 7 6 , 7 7 等人发现用电弧法写入的 l p f g 具有良好的高温特性，在高温段的温度灵敏度远高于低温段，可用作高温 ( 1 0 0 0 ) 下的温度传感器。yl i u 等人1 7 8 的研究结果表明l p f g 的横向负载灵敏 度比光纤布拉格光栅高两个数量级，并且谐振波长随负载线性变化，因此是很好 的横向负载传感器。h j p a t r i c k t 丹l 和gd v a n w i g g e r e n 等人【8 0 】的实验结果表明 l p f g 的谐振波长随着弯曲曲率的增大而线性漂移，其灵敏度具有方向性，因此可 用于测量弯曲曲率。l a w a i l 矿1 1 和t j a h n 【8 2 1 等人已分别用单个和多个l p f g 级 联的扭曲实验，表明用l p f g 可实现对扭曲的直接测量。本实验室在对高频c 0 2 7 重庆大学硕士学位论文 写入l p f g 的研究过程中也提出了实现扭曲、弯曲、压力等参数测量的新型光纤 光栅传感器“。 多参数测量：与f b g 传感器一样，l p f g 传感器在应用中一直存在温度、应变、 折射率、弯曲等物理量之问的交叉敏感问题。目前，解决交叉敏感问题的主要方 案一是利用两种或两种以上传感器的组合，二是利用l p f g 有多个损耗峰的特性， 并在这两个方案的基础上实现了对多参数的测量。h j p a t t i c k 等人于1 9 9 6 年用 l p f g 和f b g 的组合解决了温度和应变间的交叉敏感问题，实现了对温度和应变 的同时测量【8 4 1 。vb h a t i a 等人t s s 于1 9 9 6 年用温度不敏感的l p f g 实现了折射率和 应力的测量，解决了温度、应变、折射率之间的交叉敏感问题。r a o ，z e n g 等人利 用l p f g 、f b g 和非本征型光f - b 干涉腔等其它传感器的结合实现了温度一静态 应变一振动一横向负载四参数同时测量【8 6 】。m y o k o t a 等人【8 7 】于2 0 0 2 年提出了用 机械微弯法制作的l p f g 实现了分布式压力传感。y o u n gg e u nh a n 等人【8 8 】于2 0 0 5 年实验完成了利用相移l p f g 实现弯曲和温度的同时测量。本实验室也在近年提 出一系列基于高频c 0 2 激光脉冲写入l p f g 的多参数测量传感器，如横向负载和 温度同时测量【s 9 】、应变温度扭曲三参数同时测量、高温应变同时测量f 9 1 1 等。 化学及生物传感：利用l p f g 制成的化学传感器可以实现对液体折射率和浓度 的实时测量。s p i l e v a r 等人于2 0 0 0 年用l p f g 和f b g 的组合制成了抗体一抗原 生物传感器f 9 2 1 。s l u o 等人于2 0 0 2 年提出了基于在外表面涂有特殊塑料覆层的 l p f g 的化学传感器，可以实现对相对湿度和有毒化学物质特别是对化学武器的实 时监测。其原理是湿度或有毒化学物质会引起塑料涂覆层的折射率发生变化，从 而改变l p f g 的模式耦合特性。这种化学传感器对相对湿度的测量范围是0 到 9 5 ，对有毒化学物质的测量精度可达l p p m 。由于l p f g 的谐振波长对光栅包层 周围物质的折射率很敏感，因此谐振波长的漂移与侵入液体中的光栅长度有关， 根据此原理s w j a m e s 等人m 】于2 0 0 2 年用l p f g 制成了液位传感器。 非线性测量：yh k i m 等人【9 5 l 于2 0 0 2 年用一对l p f g 进行了对掺y b 3 十a 1 3 + 光纤非线性特性的测量，结果发现该光纤在1 5 8 0 n m 附近的相位变化随着9 8 0 r i m 泵浦功率的增加而增加并趋于饱和。yi s h i i 等人【9 6 】于2 0 0 2 年提出了一种新颖的用 l p f g 高精度测量光纤局部双折射的方法，该方法通过在光纤中写入l p f g 并测量 分析光栅的传输损耗和偏振相关损耗从而测量光纤的局部双折射，其测量精度是 现有其它测量方法的1 0 0 倍，约为1 0 4 。 1 3 长周期光纤光栅的研究前景 经过十余年的发展，l p f g 已在制备、理论、应用等各方面取得了巨大的研究 成果，从目前发展的趋势看来，研究者除了将继续研制各种新型l p f g 的制备方 8 1 引言 法以及拓展理论研究外，更多的注意力将转向开拓l p f g 的应用，使其能更为广 泛地应用于光纤通信和光纤传感领域。 在光纤通信领域，光纤光栅使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光 有源无源器件，以改善各种激光光源的性能，如使其波长稳定、频谱变窄、波长 可调、