（光学工程专业论文）光纤光栅光谱特性及调谐技术的研究.pdf

西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 光纤光栅光谱特性及调谐技术的研究 摘 要 光纤光栅的发明被称为光纤通信发展史上继掺饵光纤放大器 ( e d f a )之后的又一 个里程碑。自1 9 7 8 年h i l l 等人首次发现光纤的光敏性以来，经过短短2 4 几年的发展，光 纤光栅在理 论、 制作技术等方面都 得到了长足的发展， 各种结构的 新型光纤光栅不断涌 现， 应用领域日益扩展。目前它己经被广泛的应用于光通信、 光传感、 激光技术等领域， 并给相关领域带来了革命性的变化。 本文以 光纤光栅应用中的 一项关键技术 一波长调谐技术为核心。从光纤光栅理论、 调谐技术以及应用等方面进行了详细分析。论文主要内容如下: 1 .从光纤中的麦克斯韦方程组出发， 首先建立了描述光波在光纤中传播的波动方 程， 进而分析了光 纤中光波场的 模式特性， 并在此基础上， 严格推导出 描述模式祸合的 祸合模方程。并用祸合模理论对最简单的均 匀光纤b r a g g 光栅进行分析，建立其祸合 模 方程，并给出解析解。 2 . 通过建立不同 类型光纤光栅的 传输矩阵， 利用传输矩阵法数值模拟了不同光栅 参 量 ( 光栅长度、藕合系数等) 对光纤 b r a g g 光栅、长周期光纤光栅、碉啾光纤光 栅、双 周期光纤光栅、相移光 纤光栅、 超结构光纤b r a g g 光栅以及各种切趾光纤光栅的反射光 谱和色散特 it 的影响。 3 . 分析了基于弹性梁 ( 简支梁、悬臂梁和扭梁) 的光纤b r a g g 光栅波长调谐原理， 推导了与其对应的波长调谐关系式， 最后重点讨论了利用等强度梁调谐实现线性无惆啾 调谐的 方法， 并作了相应的 模拟计算和实验研究。 理论分 析和实验证明， 悬臂梁是一种 很好的波长线性调谐装置。采用等截面梁调谐时，在小挠度情况下，光纤光栅惆啾不明 显， 但在较大调谐 范围 下， 调谐过程中引起的光纤b r a g g 光栅碉啾将使反射谱带宽展宽， 反 射功率峰值下降: 而采用变截面梁则可以 实现波长的线性无01 . 啾调谐。 4 . 最 后 对用 于 传 感 领 域 的 光 纤 b r a g g 光 栅 调 谐滤 波 方 法的 基 本原 理 进 行了 介 绍， 推 导了该方法的灵敏度公式以 及光电 探测器噪声引起的误差公式， 并作了相应的实验研 究 。 关键词: 光纤光栅、藕合模理论、数 值模 拟、反 射光谱、 色散特性、弹性 梁、调谐 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 t h e s t u d y o n s p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e wa v e l e n g t h t u n i n g t e c h n i q u e s o f f i b e r gr a t i n g ab s t r a c t t h e i n v e n t i o n o f fi b e r b r a g g g r a t i n g i s v i e w e d a s a n o th e r la n d m a r k i n t h e h i s t o ry o f o p t ic a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n , s u c c e e d i n g t h e in v e n t i o n o f e r b iu m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ( e d f a ) . s i n c e p h o t o s e n s it i v it y o f o p t ic a l f i b e r w a s f i r s t d is c o v e r e d b y k . o . h i l l e t a l . a t t h e c a n a d i a n c o m m u n i c a t io n r e s e a r c h c e n t e r i n 1 9 7 8 , d r a m a t i c im p r o v e m e n t s h a v e b e e n m a d e i n b o t h f ib e r b r a g g g r a t i n g t h e o ry a n d f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e s . a n d a l l t h e s e i mp r o v e me n t s a r e a c h i e v e d in o n ly a l i t l e mo r e t h a n t wo d e c a d e s . v a r i o u s k in d s o f f ib e r b r a g g g r a t in g wit h d i ff e r e n t n o v e l s t r u c t u r e s h a v e b e e n c o min g f o r t h c e a s e le s s l y a n d t h e i r a p p l i c a t i o n f ie ld s e x p a n d in g in c r e a s i n g l y . n o w a d a y s , f ib e r b r a g g g r a t i n g h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n t h e f i e l d s s u c h a s f ib e r o p t i c a l c o m mu n i c a t i o n , o p t ic a l s e n s i n g a n d l a s e r t e c h n o lo g y e t a l . , a n d r e v o l u t i o n i z e d t h e s e f i e ld s . t h i s d i s s e rt a t i o n i s m a i n l y f o c u s e d o n f ib e r b r a g g g r a t i n g s p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c s a n d t u n i n g t e c h n i q u e s . ma i n c o n t e n t s o f t h i s t h e s i s a r e c l a s s i f i e d a s f o l l o w s : l . s ta rt i n g f r o m t h e m a x w e l l - f i e ld e q u a t io n s , w e d e d u c e t h e w a v e - p r o p a g a t i o n e q u a t io n s , a n d t h e n a n a ly z e t h e c h a r a c t e r i s t ic s o f g u i d e d m o d e s i n o p t ic a l f i b e r . b a s e d o n t h e s e , w e d e r i v e t h e c o u p l e d - m o d e e q u a t i o n s t h a t d e s c r i b e th e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e m o d e s . f u rt h e r m o r e , w e a n a ly z e f i b e r b r a g g g r a t i n g o f a c o n s ta n t r e f r a c t i v e in d e x m o d u l a t i o n a n d p e r io d , f o u n d t h e c o u p l e d - m o d e e q u a t i o n s t h a t d e s c r i b e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e f o r w a r d - p r o p a g a t in g g u id e d c o r e m o d e a n d t h e b a c k w a r d - p r o p a g a t i n g g u i d e d c o r e m o d e . n e x t l y , t r a n s f e r m a tr i x t h e o ry , a n d f o u r ie r t r a n s f o r m s m e t h o d o f fi b e r g r a t in g a r e b r i e fl y in t r o d u c e d . 2 . s i m u l a t i o n r e s u l t s , u s i n g t h e t r a n s f e r ma t r i x me t h o d , o f s e v e r a l k i n d s o f fi b e r b r a g g g r a t i n g a r e p r e s e n t e d , s u c h a s f i b e r b r a g g g r a t i n g , l o n g p e r i o d f i b e r g r a t i n g , c h i r p e d f i b e r g r a t i n g , d o u b le - p e r i o d fi b e r b r a g g g r a t in g , p h a s e - s h i ft e d f i b e r g r a t i n g , s u p e r - s t r u c t u r e f ib e r g r a t i n g , a n d e ff e c t s o f a l l k i n d s o f a p o d i z a t i o n p r o f i l e f u n c t i o n s a n d s i m u l a t i o n p a r a m e t e r s s e l e c t io n o n t h e r e s u lt s a c c u r a c y a r e a n a l y z e d . 3 . s t r e s s t u n i n g t e c h n i q u e s o f f ib e r b r a g g g r a t in g a r e s t u d ie d s y s t e ma t i c a l l y . a n e ff e c t iv e s t r e s s t u n i n g m e c h a n i s m , n a me d e l a s t i c b e a m, i s i n tr o d u c e d . t h e b a s ic l i n e a r t u n in g p r i n c ip l e o f fi b e r g r a t i n g w a v e l e n g t h w i t h o u t c h i r p e ff e c t u s i n g v a r ia t io n a l s e c t i o n b e a m w i t h u n i f o r m i n te n s it y i s t h e o r e t i c a l ly a n a l y z e d . t h r e e k i n d s o f b a s i c d e s ig n s c h e m e o f v a r i a t i o n a l s e c t i o n b e a m a n d t h e c o n d i t i o n t h a t t h e e l a s t ic b e a m s e c t io n a s t u n i n g d e v i c e o f t h e w a v e l e n g t h o f f i b e r g r a t i n g w it h o u t c h i r p e ff e c t m u s t s a t is f y a r e p r e s e n t e d . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t u n in g t e c h n o l o g i e s u s i n g c a n t i le v e r b e a m b a s e d o n id e n t i c a l s e c t io n a n d v a r i a t i o n a l s e c t i o n a r e d i s c u s s e d . i t is s h o w n t h a t b y b r i n g la te r a l l o a d t o b e a r o n s i m p l e b e a m a n d c a n t i le v e r b e a m a l in e a r t u n i n g o f f i b e r g a t i n g w a v e le n g t h w i t h o u t c h i r p e ff e c t c a n b e r e a l i z e d , a n d t h e s e t u p i s s i m p l e i n s t r u c t u r e a n d e a s y t o d e s i g n . t u n i n g s e n s it iv i t y o f t h is d e v i c e c a n b e d e s ig n e d a c c o r d i n g t o p r a c t i c a l n e e d s , s o i t p r o v i d e s t h e u s e r w i t h g r e a t e r fl e x i b i l it y . it c a n b e u s e d in t h e f ie ld s s u c h a s t u n a b le f i b e r l a s e r s , h i g h s e n s it i v e o p t i c a l s e n s o r s e t a l 4 . a w a v e l e n g t h s h i ft d e t e c t i n g t e c h n o l o g y f o r fi b e r b r a g g g r a t i n g b a s e d o n t u n a b l e - f i l t e r i n g t e c h n o l o g y is a n a l y z e d t h e o r e t i c a l ly a n d e x p e r i m e n t a l l y . n u m e r ic a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u lt s s h o w t h a t t h e r e i s a n o p t i m u m b r a g g w a v e le n g t h d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e t w o f i b e r b r a g g g r a t i n g s t h a t m a x i m i z e t h e s e n s i t i v i t y f o r t h i s d e mo d u l a t i o n t e c h n i q u e . k e y wo r d s : f i b e r g r a t i n g , c o u p l e d - mo d e t h e o r y , f i b e r b r a g g g r a t i n g , n u m e r ic a l s i mu l a t i o n , e l a s t i c b e a m t u n i n g t e c h n i q u e s 西 北 工 业 丸 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章 绪论 光纤光栅简介 光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。自 从 1 9 7 8 年 k . o . h i l l 等 人首 先在掺锗光纤中 采用驻波写入法制成世界第一只光纤光栅以来 ， ，由 于它具有许多 独特的 优点， 因而在光纤通信、 光纤传感等领域均有广阔的应用前景同。 随着光纤光栅 制造技术的不断完善，应用成果的日 益增多，使得光纤光栅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。 由于光纤光 栅的出现， 使许多复杂的 全光纤通信和传 感网成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性 ( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作 用引起折 射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间 相位光栅。 其作用实质上是在纤芯内 形成一个 窄带的 ( 透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源 器件。 例如， 利用光纤光栅的窄带高 反射率 特性构成光纤反 馈腔， 依靠掺饵光纤等为增 益介 质即可制成光纤激光器6 ， ;用光纤光 栅作为激光二极管的外腔发射器，可以构成外 腔可调谐激光二极管 ， - 9 l ; 利用闪耀型光纤光栅制作光纤平坦滤波器【 ,a l ; 利用非均匀光纤 光栅制作光纤色散补偿器 1 l - 1 7 等。 此外， 利用光纤光栅还可以 制成用于检测应力、 应变、 温度等诸多 参量的光纤传感器和各种光纤传感网 1 ” 一 刘 。 1 . 1 . 1 光纤光栅的分类 ( 1 ) 均匀周期光栅 均匀周期光纤光栅包括光纤b r a g g 光栅 ( f i b e r b r a g g g r a t i n g , f b g ) 与长周期光纤光 栅( l o n g p e r io d f ib e r g ra tin g ,l p f g ) a 1 9 9 5 年 ， a .m . v e n g s a r k a r el0， 利 用l p f g 实 现了 带 阻 滤 波以 及 掺 饵光 纤 放大 器 的 增 益 均衡 问 题， 标 志 着l p f g 的 诞 生。 随后t u r a n e r d o g a n i 根据模式祸合理论分析研究了l p f g的 谱特性， 奠定了l p f g的理论基础。 虽然同 是光 纤光栅， 但 l p f g与f b g差异很大。从 模式 祸合机理来看， f b g是前向传输的纤芯模 式与后向 传输的纤芯模式之间的祸合; 而l p f g是前向 传输的 纤芯模式与同向的各阶次 包层 模式之i b j 的藕合。 所以， 前者是反射型光纤器件， 插入损耗较大 ( 几d b ) ; 而后 者 是 透射型光纤器 件， 插入损耗可以 小得多。 由于 是反向模式之间的祸合， f b g周期一 般 较短( 小于 f p m) ; 而l p f g周期较长， 达几百 微米。 基本没有后向 反射的 优点， 使l p f g 在光路中不会对光源产生光反 馈。在谐 振波长调 谐方面， 两者对应力的调谐基本相当 但 在温度方面， l p f g要比f b g敏感得多 l 2 。并且 l p f g制备简单易行，成本要低于 fbg. 尽管 l p f g有着上述种种优点，但它在实际应用中仍存在着一些局限性。比如，它 对弯曲非常敏感，一个很小的弯曲会将它的峰值波长向短i7 区域称动，而峰佰也会从 西 北 工 业 丸 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章 绪论 光纤光栅简介 光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。自 从 1 9 7 8 年 k . o . h i l l 等 人首 先在掺锗光纤中 采用驻波写入法制成世界第一只光纤光栅以来 ， ，由 于它具有许多 独特的 优点， 因而在光纤通信、 光纤传感等领域均有广阔的应用前景同。 随着光纤光栅 制造技术的不断完善，应用成果的日 益增多，使得光纤光栅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。 由于光纤光 栅的出现， 使许多复杂的 全光纤通信和传 感网成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性 ( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作 用引起折 射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间 相位光栅。 其作用实质上是在纤芯内 形成一个 窄带的 ( 透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源 器件。 例如， 利用光纤光栅的窄带高 反射率 特性构成光纤反 馈腔， 依靠掺饵光纤等为增 益介 质即可制成光纤激光器6 ， ;用光纤光 栅作为激光二极管的外腔发射器，可以构成外 腔可调谐激光二极管 ， - 9 l ; 利用闪耀型光纤光栅制作光纤平坦滤波器【 ,a l ; 利用非均匀光纤 光栅制作光纤色散补偿器 1 l - 1 7 等。 此外， 利用光纤光栅还可以 制成用于检测应力、 应变、 温度等诸多 参量的光纤传感器和各种光纤传感网 1 ” 一 刘 。 1 . 1 . 1 光纤光栅的分类 ( 1 ) 均匀周期光栅 均匀周期光纤光栅包括光纤b r a g g 光栅 ( f i b e r b r a g g g r a t i n g , f b g ) 与长周期光纤光 栅( l o n g p e r io d f ib e r g ra tin g ,l p f g ) a 1 9 9 5 年 ， a .m . v e n g s a r k a r el0， 利 用l p f g 实 现了 带 阻 滤 波以 及 掺 饵光 纤 放大 器 的 增 益 均衡 问 题， 标 志 着l p f g 的 诞 生。 随后t u r a n e r d o g a n i 根据模式祸合理论分析研究了l p f g的 谱特性， 奠定了l p f g的理论基础。 虽然同 是光 纤光栅， 但 l p f g与f b g差异很大。从 模式 祸合机理来看， f b g是前向传输的纤芯模 式与后向 传输的纤芯模式之间的祸合; 而l p f g是前向 传输的 纤芯模式与同向的各阶次 包层 模式之i b j 的藕合。 所以， 前者是反射型光纤器件， 插入损耗较大 ( 几d b ) ; 而后 者 是 透射型光纤器 件， 插入损耗可以 小得多。 由于 是反向模式之间的祸合， f b g周期一 般 较短( 小于 f p m) ; 而l p f g周期较长， 达几百 微米。 基本没有后向 反射的 优点， 使l p f g 在光路中不会对光源产生光反 馈。在谐 振波长调 谐方面， 两者对应力的调谐基本相当 但 在温度方面， l p f g要比f b g敏感得多 l 2 。并且 l p f g制备简单易行，成本要低于 fbg. 尽管 l p f g有着上述种种优点，但它在实际应用中仍存在着一些局限性。比如，它 对弯曲非常敏感，一个很小的弯曲会将它的峰值波长向短i7 区域称动，而峰佰也会从 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 0 d b降 至 3 d b左右， 从而完全丧失了 原来的特性。 另外，由于l p f g的透射谱具有几 个峰，且每个峰都有一定的带宽，这将限制其在复用传感系统中的应用。 ( 2 ) 碉啾光纤光栅 所 谓 明 啾 光纤 光 栅 ( c h i rp e d fi b e r g r a t in g ,c f g ) 是 指 光 栅的 折 射 率 调 制 幅 度 不 变， 而周期沿光栅轴变化的光栅。 光纤光栅的周期、 平均折射率或者两者沿光 栅纵向 ( 长度 方向)改变均可使光栅惆啾，在实际应用中，均匀光栅受到外界非电场量 ( 如应力、温 度、应变等) 的影响 时也 会产生碉啾。 因 此， 在测量时， 通常的方法是采用预置ap j 啾光 栅的办法来抵消外界惆啾a c f g传感器也随着光纤光栅制作技术的不断发展而有多种类 型 。 b y r o n 等 人 第 一 次 用锥 化 光 栅 区 域内 的 光 纤 来 制 造 惆啾 光 栅 !_a1沿 着 削 减的 长 度方 向， 减少纤芯尺寸就减少 有效折射率， 结果产生惆啾。 h i l l 等人曰提出了另一种方法， 将一非惆啾光栅连接到一种 “ 软胶 ， 衬底，可沿光栅纵向由胶的不同剪切应力梯度，制 成光栅后光谱形状和光栅位置都能动态控制惆啾。 1 . 1 . 2光纤光栅的写入技术,+y 1 光纤光栅的折射率分布反映了光纤光栅的周期和折射率调制度等结构参数， 这些参 数决定了光纤光栅的b r a g g 波长、 带宽和反射特性， 从而使不同的 折射率调制 及不同 结 构的光纤光栅具有了不同的功能， 形成不同的光纤光栅器件。光纤光栅的 形成基于光纤 的光 敏性、 不同 类型的曝光条件， 不同类型的光纤产生多 种不同折射率分布的光纤光 栅。 ( 1 ) 全息干涉法 入射的紫外光经分光镜分成两束，经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正 弦分布的明暗相间的千涉条纹。 光纤经过一定时间的照射后，在纤芯内部引起干涉条纹 强度分布相同的折射率变化，从而在光纤上写入正弦分布的折射率光栅。千涉条纹间距 由两束光的夹角决定。 ( 2 ) 相位掩模法 相位掩模法利用石英相位掩模板实现衍射光相干而形成光栅。 其基本原理是利用+ 1 阶和一 1 阶衍射光束 之间的干涉， 在掩模板后面形成周期的光强分布， 其周期为掩 模光 栅 周期的一半。从而在纤芯引起折射率调制。 其优点是稳定可靠， 重复性好， 简单实用。目前已成为制作光纤光栅最常用的方法。 但是传统的相位掩模法有两大缺点:一是由于光源相干性较低，成栅时要求光栅尽量靠 近掩模因而易致掩模的损坏;二是一种 掩模只能制作一种特定b r a g g 波长 的光栅， 灵活 j性较差 ( 3 ) 逐点写入法 利用精密电 机控制光纤运动位移， 将紫外光 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，通过控制电机速度可以写入任意周期的光栅。此方法的优点是制 作过程灵活方便， 但由于机械位移的精度控制难度较大， 而且需要对紫外光进行良好的 聚焦，使其应用受到限制。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 0 d b降 至 3 d b左右， 从而完全丧失了 原来的特性。 另外，由于l p f g的透射谱具有几 个峰，且每个峰都有一定的带宽，这将限制其在复用传感系统中的应用。 ( 2 ) 碉啾光纤光栅 所 谓 明 啾 光纤 光 栅 ( c h i rp e d fi b e r g r a t in g ,c f g ) 是 指 光 栅的 折 射 率 调 制 幅 度 不 变， 而周期沿光栅轴变化的光栅。 光纤光栅的周期、 平均折射率或者两者沿光 栅纵向 ( 长度 方向)改变均可使光栅惆啾，在实际应用中，均匀光栅受到外界非电场量 ( 如应力、温 度、应变等) 的影响 时也 会产生碉啾。 因 此， 在测量时， 通常的方法是采用预置ap j 啾光 栅的办法来抵消外界惆啾a c f g传感器也随着光纤光栅制作技术的不断发展而有多种类 型 。 b y r o n 等 人 第 一 次 用锥 化 光 栅 区 域内 的 光 纤 来 制 造 惆啾 光 栅 !_a1沿 着 削 减的 长 度方 向， 减少纤芯尺寸就减少 有效折射率， 结果产生惆啾。 h i l l 等人曰提出了另一种方法， 将一非惆啾光栅连接到一种 “ 软胶 ， 衬底，可沿光栅纵向由胶的不同剪切应力梯度，制 成光栅后光谱形状和光栅位置都能动态控制惆啾。 1 . 1 . 2光纤光栅的写入技术,+y 1 光纤光栅的折射率分布反映了光纤光栅的周期和折射率调制度等结构参数， 这些参 数决定了光纤光栅的b r a g g 波长、 带宽和反射特性， 从而使不同的 折射率调制 及不同 结 构的光纤光栅具有了不同的功能， 形成不同的光纤光栅器件。光纤光栅的 形成基于光纤 的光 敏性、 不同 类型的曝光条件， 不同类型的光纤产生多 种不同折射率分布的光纤光 栅。 ( 1 ) 全息干涉法 入射的紫外光经分光镜分成两束，经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正 弦分布的明暗相间的千涉条纹。 光纤经过一定时间的照射后，在纤芯内部引起干涉条纹 强度分布相同的折射率变化，从而在光纤上写入正弦分布的折射率光栅。千涉条纹间距 由两束光的夹角决定。 ( 2 ) 相位掩模法 相位掩模法利用石英相位掩模板实现衍射光相干而形成光栅。 其基本原理是利用+ 1 阶和一 1 阶衍射光束 之间的干涉， 在掩模板后面形成周期的光强分布， 其周期为掩 模光 栅 周期的一半。从而在纤芯引起折射率调制。 其优点是稳定可靠， 重复性好， 简单实用。目前已成为制作光纤光栅最常用的方法。 但是传统的相位掩模法有两大缺点:一是由于光源相干性较低，成栅时要求光栅尽量靠 近掩模因而易致掩模的损坏;二是一种 掩模只能制作一种特定b r a g g 波长 的光栅， 灵活 j性较差 ( 3 ) 逐点写入法 利用精密电 机控制光纤运动位移， 将紫外光 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，通过控制电机速度可以写入任意周期的光栅。此方法的优点是制 作过程灵活方便， 但由于机械位移的精度控制难度较大， 而且需要对紫外光进行良好的 聚焦，使其应用受到限制。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 .2光纤光栅调谐技术的发展概述 随着波分复用 ( w d m)技术的不断发展，光纤通信系统中的信道数 越来越多，信 道间隔越来越小。在全光网中，为了增加网络扩容的灵活性和路由选择的灵活性，必须 采用动态可配置分 插复用器 ( r - o a d m )和波分复用器 ( r - d w d m ) 。光纤光栅的可调 谐特性， 使其成为实现 ( r - o a d m)的最佳选择。光纤光栅作为激光器的选频器件和波 长锁定器件时， 为了获得准确的波长定位， 也需要对光纤光 栅进行调谐和控制。 在波长 调制型传感器方面， 光纤光栅的可调谐特性也十分有用。 所以 光纤 光栅的 调谐技术是一 个 深 受 关 注 的 研 究 热 点 之 一 阶 11 。 根 据b r a g g 衍 射 条 件 (24, ， 光 纤 光 栅 反 射 谱 的 峰 值 波长 为 人 = 2 n , r a ( 1 .2 . 1 ) 式中 n , ff 为光纤的有效折射率， a 为光栅的周期。 温度和应力的变化会使光纤的 有效折 射率和光栅的周期变化， 从而引 起光纤光栅b r a g g 波长的变化。 基于此原理目 前己 发展 了多种调谐方法。若按其对光纤光栅作用方式可分为机械调谐、电磁调谐和热调谐等。 从对波长的调谐关系而言，又可分为线性调谐和非线性调谐。上述各种方法， 适用于不 同的调谐系统。电磁调谐是利用可编程磁场， 利用磁极间的吸力与斥力对光纤光栅施加 应力 。 s . s in 等人 用 此 种 方 法 获 得 1 5 .7 n m的 调 谐范 围 【z o g . a . b a ll 等 人 直 接 用步 进马 达 对光纤光栅施加轴向应力， 达到了 3 2 n m的 调谐范围6 。 还有把光纤光栅粘结在不同温 度系数的材料上，当温度变化时，利用两种材料产生的不同方向形变对光纤光栅施加拉 应力或 压应力进行调谐， 此方法实质上 是利用温度变化进行应力调谐。 h . m a v o o r i 等人 在温度 变化4 0 0 c时，调谐了4 n m a 。 但这些调i 皆 方式最终都归于热调谐和机械调谐或 者说是温度调谐和应力调谐。 1 .2 . 1热调谐 热调谐基于折射率与温度的 依赖关系， 利 用在光纤光栅外层镀膜， 或在光纤上 涂覆 温 度敏感 材料等方法， 通过改变 膜或涂层的 温度实现调谐。 h . g . l i m b e r g e r 等人 在光纤 外镀有良好导热性能的金，通过控制金膜的电流控制温度，在直流 电压下获得 2 . 1 5 n m 的调谐范围， 调谐效率为4 . l n m / v . l p f g是一种透射损耗光栅， 对温度的 敏感 性比短 周期光纤光栅高很多。有研究表明，对于a = 1 5 5 0 n m 的石英光纤光栅，其温度敏感性仅 为0 . 0 1 0 3 4 n m / 0 c ， 如果要 达到l n m的调 谐范围， 则需温度变化1 0 0 的范围， 这使得调 谐器件的实现与控制极为复杂。 1 . 2 . 2机械调谐 机 械 调 谐 基于 折 射率 与 应 力的 依 赖关 系 。 b r a g g 波 长 对 应 变具 有0 .0 0 1 2 n m / f e 的 灵 敏 度，已 制作出基于各种纵向 应力 ( 使光纤光栅轴向 拉伸与压缩) 、横向 应力 ( 使光纤光 栅侧 向弯曲) 、扭转应力 ( 使光纤光栅产生形变)调谐的光纤光栅波长调谐器件。在恒 温条件下， 光纤光栅轴向应变e i 起的 相对波长变化为 .114=k-， 式中k ( k = 1 - p e ) 为应 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 .2光纤光栅调谐技术的发展概述 随着波分复用 ( w d m)技术的不断发展，光纤通信系统中的信道数 越来越多，信 道间隔越来越小。在全光网中，为了增加网络扩容的灵活性和路由选择的灵活性，必须 采用动态可配置分 插复用器 ( r - o a d m )和波分复用器 ( r - d w d m ) 。光纤光栅的可调 谐特性， 使其成为实现 ( r - o a d m)的最佳选择。光纤光栅作为激光器的选频器件和波 长锁定器件时， 为了获得准确的波长定位， 也需要对光纤光 栅进行调谐和控制。 在波长 调制型传感器方面， 光纤光栅的可调谐特性也十分有用。 所以 光纤 光栅的 调谐技术是一 个 深 受 关 注 的 研 究 热 点 之 一 阶 11 。 根 据b r a g g 衍 射 条 件 (24, ， 光 纤 光 栅 反 射 谱 的 峰 值 波长 为 人 = 2 n , r a ( 1 .2 . 1 ) 式中 n , ff 为光纤的有效折射率， a 为光栅的周期。 温度和应力的变化会使光纤的 有效折 射率和光栅的周期变化， 从而引 起光纤光栅b r a g g 波长的变化。 基于此原理目 前己 发展 了多种调谐方法。若按其对光纤光栅作用方式可分为机械调谐、电磁调谐和热调谐等。 从对波长的调谐关系而言，又可分为线性调谐和非线性调谐。上述各种方法， 适用于不 同的调谐系统。电磁调谐是利用可编程磁场， 利用磁极间的吸力与斥力对光纤光栅施加 应力 。 s . s in 等人 用 此 种 方 法 获 得 1 5 .7 n m的 调 谐范 围 【z o g . a . b a ll 等 人 直 接 用步 进马 达 对光纤光栅施加轴向应力， 达到了 3 2 n m的 调谐范围6 。 还有把光纤光栅粘结在不同温 度系数的材料上，当温度变化时，利用两种材料产生的不同方向形变对光纤光栅施加拉 应力或 压应力进行调谐， 此方法实质上 是利用温度变化进行应力调谐。 h . m a v o o r i 等人 在温度 变化4 0 0 c时，调谐了4 n m a 。 但这些调i 皆 方式最终都归于热调谐和机械调谐或 者说是温度调谐和应力调谐。 1 .2 . 1热调谐 热调谐基于折射率与温度的 依赖关系， 利 用在光纤光栅外层镀膜， 或在光纤上 涂覆 温 度敏感 材料等方法， 通过改变 膜或涂层的 温度实现调谐。 h . g . l i m b e r g e r 等人 在光纤 外镀有良好导热性能的金，通过控制金膜的电流控制温度，在直流 电压下获得 2 . 1 5 n m 的调谐范围， 调谐效率为4 . l n m / v . l p f g是一种透射损耗光栅， 对温度的 敏感 性比短 周期光纤光栅高很多。有研究表明，对于a = 1 5 5 0 n m 的石英光纤光栅，其温度敏感性仅 为0 . 0 1 0 3 4 n m / 0 c ， 如果要 达到l n m的调 谐范围， 则需温度变化1 0 0 的范围， 这使得调 谐器件的实现与控制极为复杂。 1 . 2 . 2机械调谐 机 械 调 谐 基于 折 射率 与 应 力的 依 赖关 系 。 b r a g g 波 长 对 应 变具 有0 .0 0 1 2 n m / f e 的 灵 敏 度，已 制作出基于各种纵向 应力 ( 使光纤光栅轴向 拉伸与压缩) 、横向 应力 ( 使光纤光 栅侧 向弯曲) 、扭转应力 ( 使光纤光栅产生形变)调谐的光纤光栅波长调谐器件。在恒 温条件下， 光纤光栅轴向应变e i 起的 相对波长变化为 .114=k-， 式中k ( k = 1 - p e ) 为应 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 变调 制参数， p 。 为 有效弹光系数 与光纤泊松比、纤芯折射率有关) 。 采用应力拉伸或压缩光纤光栅的手段， 其调谐范围比较大。以下 6 种调谐方法均基 于应力拉伸或压缩的原理。 ( 1) 利 用 压电 陶 瓷 拉 伸 光 纤光 栅19 7 压电陶瓷具有压电效应，当给它加上一定的电压时，它将产生一定的形变， 利用这 一特性，可以采用压电陶瓷来拉伸光纤光栅.其结构如图 1 . 1 所示. 图 1 . 1 压电 陶瓷拉伸光纤光栅的 结构 压电陶瓷的 左右两端与光纤光栅的两端紧紧 粘在一起， 在其上下边加上稳定的高电 压时，压电陶瓷将向左右两端膨胀，以致拉伸光纤光栅使其光栅周期a变大， 从而使其 中心波长向长波方 向移动。光纤光栅中心波长在 1 5 5 0 n m左右时 ( 以下在没有作专门的 说明时， 光纤光栅中心波长都是在 1 5 5 0 r m左右) ， 压电陶瓷拉伸光纤光栅的调谐率一般 小于 2 .4 n m / 1 0 0 vo ( 2 ) 利用磁铁的互作用力拉伸光纤 光栅 so 电磁铁排斥拉伸光纤光栅的结构如图 1 . 2 所示。两个电磁铁与光纤光栅的两端紧紧 粘在一起， 当给线圈 加上相反的脉冲电 流时， 两个电 磁铁产生的磁场相互排斥，以 致拉 伸光纤光栅使其中心波长向长波方向发生改变。 f i b e r g r a t i n g 图1 .2电磁铁拉伸光纤光栅的结构 由 于电 磁铁的铁芯采用很强的 磁滞性 材料做 成， 因而当电 流断开之后， 两个电 磁铁 由于剩磁力的作用将仍然拉伸着光纤光栅，使其中心波长保持不变， 这样就可以节省功 耗。当给线圈再加上不同的脉冲电流时，两个电磁铁的磁场将发生改变，以致再次调谐 光纤光栅的中心波长。利用电磁铁拉伸光纤光栅的调谐范围可达到 1 5 n m左右。 电磁铁拉伸光纤光栅的方法的优点是:功耗小，调谐速度比较快;缺点是:在调谐 的初始阶段，电磁铁带动着光纤光栅将在受力平衡点附近左右震荡一段时间。然后由于 阻尼的作用稳定下来。 ( 3 )同时压缩光纤光栅和有机物聚合体l 3 1 同时压缩光纤光栅和有机物聚合体的结构如图 1 . 3 所示。光纤光栅被理在一种特殊 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 的有机物聚合体中， 该有机物聚合体具有很强的弹性。 当使用应力压缩有机物聚合体时， 也同时对光纤光栅进行了压缩，使其中心波长向短波方向移动，达到了调谐的目的。当 撤消应力时，由于弹性的作用 ， 有机物聚合体将完全恢复原样，被埋在其里面的光纤光 栅的中 心波长也将恢复成原来的 值。 采用拉 伸的方法调谐时，由 于光纤光栅有一定的 弹 j性范围， 因而有可能 被拉断， 而采用这种压缩的 方法时， 光纤光栅的 压缩范围 相对更大 一点。因此，这种方法的可调谐范围可达到2 0 n m左右。 p o ly m e r c o a t i n g fi b e r 图 1 .3压缩光纤光栅和有机物聚合体的结构 压缩光纤光栅和有机物聚合体的方法的优点是调谐范围比较大，缺点是长时间后， 有机物聚合体弹性恢复能力降低，光纤光栅中心波长的调谐范围将受到影响。 (4 ) 利 用 有机 物 聚 合 体 热 胀冷 缩 的 特 性 来 调 谐 光纤 光栅 ,12 这种方法的结构类似于图 1 . 3 ，只不过这里的有机物聚合体具有很大的热胀系数， 是通过温度来调谐的。当 升高有机物聚合体的温度时， 利用有机物聚合体的 膨胀伸长作 用， 拉伸里面的光纤光栅， 使其中心波长向长波方向 移动:当降低有机物聚合体的 温度 时， 光纤光栅将被压缩， 其中心 波长向 短波方向移动。 这样通过改变有机物聚合体的 温 度就可以 达到调谐的目的。 采用这种方法既可以 拉伸光纤光栅， 又可以压缩光纤光 栅， 因而调