（光学工程专业论文）长周期光纤光栅偏振相关损耗及降低方法研究.pdf

中文摘要 摘要 本实验室饶云江教授提出的高频c 0 2 激光脉冲制作长周期光纤光栅( l p f g ) 是一种成本低廉、写入效率高、简单实用的l p f g 制作方法。本文详细研究了这 种新型l p f g 的偏振相关损耗( p d l ) 并提出了几种有效的p d l 降低方法。 新型l p f g 是采用高频c 0 2 激光对单模光纤面向激光一侧单面曝光写入 l p f g ，在光纤面向激光入射的一侧，透射入的激光能量较强，温度较高，残余应 力释放较多，折射率变化较大。随着曝光时间越长，l p f g 谐振峰幅值越大，光栅 横截面折射率分布就越不均匀，感生双折射也就越大。研究发现l p f g 的p d l 是 一个随波长变化的双峰结构，其最大值一般出现在谐振峰幅值附近，且与光栅周 期、谐振波长无关，而仅与谐振峰幅值大小有关，是随谐振峰幅值增加而增加， 但并不呈线性关系，在谐振峰值较小时( 1 8 d b ) p d l 增加趋势十分明显。 高频c 0 2 激光单侧写入单模光纤的u l p f g 的p d l 特性和l p f g 的p d l 特性 相似，也是随波长的双峰结构，随谐振峰幅值增加而增加，且增长趋势也和l p f g 的p d l 增长趋势相同。说明了这种新型l p f g ( u l p f g 可看作为l p f g 特例) 的 p d l 与光栅周期和光栅谐振峰闪耀阶次均无关，只随谐振峰幅值增加。在考察 u l p f g 的不同闪耀峰的谐振波长分离( r w s ) 时，我们却发现不同闪耀峰r w s 大小与谐振峰闪耀阶数的倍数关系一致，并从u l p f g 的相位匹配公式得到了很好 的解释。 在不改变原来l p f g 的高写入效率、低成本( 不使用掩膜、不用光敏光纤) 等优点的基础上，本论文遵循改善光栅横截面折射率分布不均匀性以降低双折射 的思路，从双面和扭曲两个方面出发，首次提出了针对高频c 0 2 l p f g 的双面曝光、 曝光扭曲单模光纤、扭曲l p f g 、双面扭曲曝光等四种p d l 降低方法，并通过实 验证明这几种方法的有效性。这几种p d l 降低方法，特别是双面扭曲曝光结合了 双面和扭曲两者之长，比较好地解决了高频c 0 2 l p f g 其p d l 太大的问题，达到 了对偏振敏感系统的低p d l 实用要求，具有重要的学术和实用价值。 关键词：长周期光纤光栅，高频c 0 2 激光脉冲，偏振相关损耗，双折射，扭曲 英文摘要 a b s t r a c t p r o f r a oy u n j i a n go fo u rl a b o r a t o r yp r o p o s e dan o v e lm e t h o dt of a b r i c a t e l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g s ( l p f g ) b yu s i n gh i g h - f r e q u e n c yc 0 2 l a s e rp l l l s e s ，a n dt h i s m e t h o ds t a n d so u tf o ri t sa d v 锄m g e s ，s u c ha ss i m p l ep r o c e d u r e s ，l o wc o s t , h i g l lw r i t i n g e f f i c i e n c y , e ta i t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fp o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tl o s s ( p d l ) o f t h e s el p f g sa n de x p l o r e st h ew a y st or e d u c ep d l t h en o v e ll p f gi sw r i t t e no n as i n g l e - m o d ef i b e rb ye x p o s u r i n gt oh i g h - f r e q u e n c y c 0 2l a s e rp u l s e sf r o mo n es i d eo f t h ef i b e r f o rt h es i d ee x p o s e dt ol a s e rp u l s e s ，m o r e l a s e rp o w e ri st r a n s m i t t e da n dh e n c er e s u l t si nh i g h e rt e m p e r a t u r e , m o r er e s i d u a ls t r e s s r e l e a s ea n dl a r g e rr e f i a c t i v ei n d e xc h a n g ei nt h ef i b e r w i t ht h ei n c r e a s ei nt h ee x p o s u r e t i m e , t h ep e a kl o s si n c r e a s e st o o ，r e s u l t i n gi nl a r g e ra s y m m e t r yi nr e f r a c t i v ei n d e x d i s t r i b u t i o no nt h ec r o s s s e c t i o no ft h el p f gt h eb i r e f r i n g e n c ei n d u c e db e c o m e s l a r g e r o u rs t u d yi n d i c a t e st h a tp d li ns u c hal p f gh a sad u a l - p e a ks t r u c t u r et h a t v a r i e sw i t ht h er e s o n a n tw a v e l e n g t h t h em a x i m u mp d lt e n d st oa p p e a rn e a rt h e r e s o n a n tp e a ka n di n c r e a s ew i t hi t sp e a kl o s sa n di si n d e p e n d e n to nt h el p f g sp e r i o d a n dr e s o n a n tw a v e l e n g t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp d li nu l t r al o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g s ( u l p f g ) b y s i n g l e - s i d ee x p o s u r et oh i g h - f r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e si ss i m i l a rt ot h a to f p d l i nt h e l p f gb yt h es a m es i n g l e - s i d ee x p o s u r ei nt e r m so fp d lf e a t u r e s t h i ss u g g e s t st h a t p d li nt h en o v e lu l p f gi si n d e p e n d e n to nt h ef i b e rp e r i o da n dt h eo r d e r so f r e s o n a n t 溅a n do n l yd e p e n d e n t o ni t sr e s o n a n tp e a kl o s s a l s o ，i ti sf o u n dt h a tt h er e l a t i o n s h i p b e n v e r e s o n a n tw a v d e n g t hs e p a r a t i o n ( r w s ) a n dt h et i m e so ft h eo r d e r so f r e s o n a n tp e a k so f t h eu l p f gi si d e n t i c a ld u r i n gt e s t i n gr w so f t h eu l p f g t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sf o u rd i f f e r e n tm e t h o d st or e d u c ep d li nt h el p f g t h e s em e t h o d s ，i n c l u d i n gt h ed u a l - s i d ee x p o s u r em e t h o d ，t h ef i b e r - t w i s t i n gm e t h o d ，t h e l p f g - t w i s t i n gm e t h o da n dt h ed u a l s i d ee x p o s u r em e t h o df o rt h et w i s t e df i b e r , a c c o r d i n gt ot h ei d e ao f i m p r o v i n gt h es y m m e t r yo f t h ed i s t r i b u t i o no f r e f r a c t i v ei n d e x o nt h ec r d s s - s e c t i o no ft h el p f g , w h i c ha r ea 1 1b e t t e ri nt e r m so fp d lr e d u c t i o no v e r t h es i n g l e - s i d ee x p o s u r em e t h o d ，p r o v e nb yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i ss t u d yi so fi m p o r t a n c et or e a l i z ep r a c t i c a lf i b e r - o p t i cd e v i c e sw i t hl o wp d l f o ra p p l i c a t i o n si no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n ds e n s i n g m 重庆大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g s ，h i g hf r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e s ，p o l a r i z a t i o n 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，也不包含为获得重瘥太堂 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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：互芳铬 签字日期： 弘可年占月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、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。本人授权重庆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( x ) 。 ( 请只在上述一个括号内打。”) 学位论文作者签名：互荔勃 签字日期：知了年z 月争日 牛辫带 名 期 签 日 | 姜j 字 引 签 i 概述 1 概述 1 1 长周期光纤光栅概述 1 1 1 光纤光栅的分类、发展 2 0 世纪6 0 年代，基于光通信技术的研究，高锟博士首次提出带有包层材料的 石英玻璃光学纤维的传输损耗可以低于2 0 d b k m ，能够用作通信信号的传输媒质； 1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了 传输损耗每千米只有2 0 分贝的光纤。从那以后，光纤技术有了飞速的发展，已经 逐步占据了通信领域的主导地位，并在传感领域也呈现出异军突起的状况。 近些年，光纤技术中又涌现出一个新的研究热点：光纤光栅技术。光纤光栅 的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ：f b g ) 。自从加拿大通 信研究中心的h i l l 等人【1 】在1 9 7 8 年首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第 一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅光纤布拉格光栅以来，对其研 究与应用得到了很大的发展。驻波法又称内部写入法，该方法写入的光纤光栅的 反射率可达9 0 以上，反射带宽可小于2 0 0 m h z ，但是由于需要特制的掺锗光纤， 且要求掺锗量高，芯径小，因此其实用性受到限制。 1 9 9 8 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人【2 蟪出了用两束相干 的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的横向全息成栅 技术，相对于内部写入法该方法又称为外侧写入法。与h i l l 提出的驻波写入法相 比，m e l t z 的横向全息成栅技术是一个很大的进步，通过选择激光波长或改变两束 相干光之间的夹角可以在任何感兴趣的可用波段写入光纤布拉格光栅，使制作的 光纤布拉格光栅具有潜在的使用价值。但是，这种写入方法对光源和周围环境的 稳定性要求较高，并且对光源的相干长度要求很严格，因此实用起来也比较困难。 1 9 9 3 年，h i u 等人【卅又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光 氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，使得光纤光栅真正走向实用化和产 品化。该方法的一个很大的优点是写入光栅的周期仅仅取决于相位光栅周期而与 辐射光的波长无关，因此这种方法对激光光源的相干性要求大大降低，使采用低 相干光源写入光纤光栅成为可能。相位掩模法是目前为止最成熟的光纤布拉格光 栅写入方法，该方法降低了写入装置的复杂程度、简化了光纤光栅的写入过程、 并且对周围环境的要求大大降低，这使得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。 目前周期为几十至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 ) 得到了人们越来越广泛的重视。实际上能够实 重庆大学硕士学位论文 现正向模式间耦合的周期较长的光纤光栅在九十年代就已经出现，它被用于实现 多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换【4 ，5 】。然而现在通常意义上的 纤芯基模耦合到同向传输的包层模的长周期光纤光栅是由a t & t 贝尔实验室的a m v e n g s a r k a r 等人【6 】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，这标志着长周期光纤光栅的诞生。1 9 9 6 年b h a t i a 等人1 7 j 详细研究了长 周期光纤光栅的各种特性，提出了其在通信与传感领域中的应用。t e r d o g a n t 8 , 9 1 于1 9 9 7 年相继在j o f l i g h t w a v et e c h n o l o g y 和j o p t s o e a m a 发表两篇论文从 模式耦合的角度深入研究了长周期光纤光栅的光谱特性，从而奠定了长周期光纤 光栅的理论基础。1 9 9 8 年d d d a v i s 等人 t o , i l l 首次提出了用c 0 2 激光脉冲轴向周 期性加热光纤写入长周期光纤光栅的技术，使长周期光纤光栅的制作和应用进入 了一个新的发展阶段。 自从k o h i l l 等人于1 9 7 8 年首次研制出世界上第一只光纤光栅光纤布拉 格光栅以来，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发展。 在光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的基础上人们己先后研制出了一些具有特殊 用途的光栅，比如啁啾光纤光栅、高斯光纤光栅、高斯变迹光纤光栅1 4 1 、相 移光纤光栅垮】、超结构光纤光栅【1 6 】、倾斜光纤光栅【1 刀等。可以相信随着研究的深 入和应用的需要，光纤光栅必将在通信、传感及其相关领域获得进一步的发展和 更加广泛的应用。 由于对光纤光栅的研究不断深入，现如今已经发展出种类繁多特性各异的不 同光栅。人们已经从不同的角度出发对光纤光栅进行了分类，其中最主要的是根 据光栅的周期分类，同时也有按照光栅相位和写入方法等诸多方面对光纤光栅进 行分类。 按照传统的定义，光纤光栅按周期长短可以分为长周期光纤光栅和短周期布 喇格光纤光栅，通常把周期小于l 微米的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光 纤b r a g g 光栅或反射光栅；而把周期为几十或几百微米的光纤光栅称为长周期光 纤光栅，又称为透射光栅；短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发 生耦合，属于反射型带通滤波器，其反射谱如图1 1 ( a ) 所示。长周期光纤光栅的特 点是同向传输的纤芯导模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤 波器，其透射光谱如图1 1 ( b ) 所示。 2 l 概述 w w , e l e n g t | | ( n r o ) ( a ) w a v e ! i e n g t h ( n m ) c o ) 图1 1 ( a ) 光纤b r a g g 光栅反射谱( b ) 长周期光纤光栅透射谱 f i 9 1 1 ( a ) r e f l e c t i o n8 p e c t r u l n o f f g b ，( b ) t r a n s m i s s i o ns p e c t r u m o f l p f g 鼬龇幽龇匕k t 8 n 哂、翻哥 、翻咀 弦龇舭 ( o 图1 2 按波导结构光纤光栅的分类：( a ) 均匀光纤光栅，( b ) 啁啾光纤光栅，( c ) 高斯变迹光 纤光栅，( d ) 升余弦变迹光纤光栅，( e ) 相移光纤光栅， ( f ) 超结构光纤光栅，( g ) 倾斜光纤光栅 f i 9 1 2 t y p e s o f f i b e r g r a t i n g sa s c l a s s f i e d b y v a r i a t i o n o f t h e i n d u c e d i n d e xc h a n g e a l o n g t h e f i b e r a x i s ，i n c l u d i n g ( a ) u n i f o r m , ( b ) c h i r p e d , ( c ) c , a u s s i a n - a p o d i z e d , ( d ) r a i s e d - c o s i n e - a p o d i z e dw i t h z e r o - d e - i n d e xc h a n g e , ( e ) d i s c r e t ep h a s es 雠，a n d ( f ) s u p e r s t r u c t u r e ( g ) t i l t e ds t l u c t u r e 光纤光栅按其波导结构( 空间周期和折射率相对与光纤轴线的分布特性) 大 致可分为如图1 2 所示的几种类型，其中最典型的几种介绍如下：( a ) 均匀周期光纤 光栅，这是最为常用的一种光纤光栅，均匀周期f b g 在光纤激光器( 包括环行腔 3 0之4七4坦侣侣， 一丑de口co一嚣一磊c巴一 e)鼻p口5苗m譬e i 概述 1 概述 1 1 长周期光纤光栅概述 1 1 1 光纤光栅的分类、发展 2 0 世纪6 0 年代，基于光通信技术的研究，高锟博士首次提出带有包层材料的 石英玻璃光学纤维的传输损耗可以低于2 0 d b k m ，能够用作通信信号的传输媒质； 1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了 传输损耗每千米只有2 0 分贝的光纤。从那以后，光纤技术有了飞速的发展，已经 逐步占据了通信领域的主导地位，并在传感领域也呈现出异军突起的状况。 近些年，光纤技术中又涌现出一个新的研究热点：光纤光栅技术。光纤光栅 的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ：f b g ) 。自从加拿大通 信研究中心的h i l l 等人【1 】在1 9 7 8 年首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第 一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅光纤布拉格光栅以来，对其研 究与应用得到了很大的发展。驻波法又称内部写入法，该方法写入的光纤光栅的 反射率可达9 0 以上，反射带宽可小于2 0 0 m h z ，但是由于需要特制的掺锗光纤， 且要求掺锗量高，芯径小，因此其实用性受到限制。 1 9 9 8 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人【2 蟪出了用两束相干 的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的横向全息成栅 技术，相对于内部写入法该方法又称为外侧写入法。与h i l l 提出的驻波写入法相 比，m e l t z 的横向全息成栅技术是一个很大的进步，通过选择激光波长或改变两束 相干光之间的夹角可以在任何感兴趣的可用波段写入光纤布拉格光栅，使制作的 光纤布拉格光栅具有潜在的使用价值。但是，这种写入方法对光源和周围环境的 稳定性要求较高，并且对光源的相干长度要求很严格，因此实用起来也比较困难。 1 9 9 3 年，h i u 等人【卅又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光 氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，使得光纤光栅真正走向实用化和产 品化。该方法的一个很大的优点是写入光栅的周期仅仅取决于相位光栅周期而与 辐射光的波长无关，因此这种方法对激光光源的相干性要求大大降低，使采用低 相干光源写入光纤光栅成为可能。相位掩模法是目前为止最成熟的光纤布拉格光 栅写入方法，该方法降低了写入装置的复杂程度、简化了光纤光栅的写入过程、 并且对周围环境的要求大大降低，这使得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。 目前周期为几十至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 ) 得到了人们越来越广泛的重视。实际上能够实 重庆大学硕士学位论文 现正向模式间耦合的周期较长的光纤光栅在九十年代就已经出现，它被用于实现 多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换【4 ，5 】。然而现在通常意义上的 纤芯基模耦合到同向传输的包层模的长周期光纤光栅是由a t & t 贝尔实验室的a m v e n g s a r k a r 等人【6 】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，这标志着长周期光纤光栅的诞生。1 9 9 6 年b h a t i a 等人1 7 j 详细研究了长 周期光纤光栅的各种特性，提出了其在通信与传感领域中的应用。t e r d o g a n t 8 , 9 1 于1 9 9 7 年相继在j o f l i g h t w a v et e c h n o l o g y 和j o p t s o e a m a 发表两篇论文从 模式耦合的角度深入研究了长周期光纤光栅的光谱特性，从而奠定了长周期光纤 光栅的理论基础。1 9 9 8 年d d d a v i s 等人 t o , i l l 首次提出了用c 0 2 激光脉冲轴向周 期性加热光纤写入长周期光纤光栅的技术，使长周期光纤光栅的制作和应用进入 了一个新的发展阶段。 自从k o h i l l 等人于1 9 7 8 年首次研制出世界上第一只光纤光栅光纤布拉 格光栅以来，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发展。 在光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的基础上人们己先后研制出了一些具有特殊 用途的光栅，比如啁啾光纤光栅、高斯光纤光栅、高斯变迹光纤光栅1 4 1 、相 移光纤光栅垮】、超结构光纤光栅【1 6 】、倾斜光纤光栅【1 刀等。可以相信随着研究的深 入和应用的需要，光纤光栅必将在通信、传感及其相关领域获得进一步的发展和 更加广泛的应用。 由于对光纤光栅的研究不断深入，现如今已经发展出种类繁多特性各异的不 同光栅。人们已经从不同的角度出发对光纤光栅进行了分类，其中最主要的是根 据光栅的周期分类，同时也有按照光栅相位和写入方法等诸多方面对光纤光栅进 行分类。 按照传统的定义，光纤光栅按周期长短可以分为长周期光纤光栅和短周期布 喇格光纤光栅，通常把周期小于l 微米的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光 纤b r a g g 光栅或反射光栅；而把周期为几十或几百微米的光纤光栅称为长周期光 纤光栅，又称为透射光栅；短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发 生耦合，属于反射型带通滤波器，其反射谱如图1 1 ( a ) 所示。长周期光纤光栅的特 点是同向传输的纤芯导模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤 波器，其透射光谱如图1 1 ( b ) 所示。 2 l 概述 w w , e l e n g t | | ( n r o ) ( a ) w a v e ! i e n g t h ( n m ) c o ) 图1 1 ( a ) 光纤b r a g g 光栅反射谱( b ) 长周期光纤光栅透射谱 f i 9 1 1 ( a ) r e f l e c t i o n8 p e c t r u l n o f f g b ，( b ) t r a n s m i s s i o ns p e c t r u m o f l p f g 鼬龇幽龇匕k t 8 n 哂、翻哥 、翻咀 弦龇舭 ( o 图1 2 按波导结构光纤光栅的分类：( a ) 均匀光纤光栅，( b ) 啁啾光纤光栅，( c ) 高斯变迹光 纤光栅，( d ) 升余弦变迹光纤光栅，( e ) 相移光纤光栅， ( f ) 超结构光纤光栅，( g ) 倾斜光纤光栅 f i 9 1 2 t y p e s o f f i b e r g r a t i n g sa s c l a s s f i e d b y v a r i a t i o n o f t h e i n d u c e d i n d e xc h a n g e a l o n g t h e f i b e r a x i s ，i n c l u d i n g ( a ) u n i f o r m , ( b ) c h i r p e d , ( c ) c , a u s s i a n - a p o d i z e d , ( d ) r a i s e d - c o s i n e - a p o d i z e dw i t h z e r o - d e - i n d e xc h a n g e , ( e ) d i s c r e t ep h a s es 雠，a n d ( f ) s u p e r s t r u c t u r e ( g ) t i l t e ds t l u c t u r e 光纤光栅按其波导结构( 空间周期和折射率相对与光纤轴线的分布特性) 大 致可分为如图1 2 所示的几种类型，其中最典型的几种介绍如下：( a ) 均匀周期光纤 光栅，这是最为常用的一种光纤光栅，均匀周期f b g 在光纤激光器( 包括环行腔 3 0之4七4坦侣侣， 一丑de口co一嚣一磊c巴一 e)鼻p口5苗m譬e 重庆大学硕士学位论文 光纤激光器、单频光纤激光器、高功率包层泵浦激光器、光纤拉曼激光器、光栅 稳定输出的半导体激光器、光纤激光器锁模等) d s 、光纤传感器【1 9 , 2 0 1 、光纤波分 复用解复用1 2 1 皿】等领域具有重要的应用价值；( b ) 啁啾光纤光栅，其主要特点是光 栅周期的非均匀性，啁啾光纤光栅被广泛应用于w d m 系统的色散补偿 2 3 - 2 5 、掺 饵光纤放大器与光纤激光器的性能优化1 2 6 等方面；( c ) 超结构与重叠光纤光栅，在 光栅制作过程中对写入光源进行调制可以制作超结构光纤光栅 2 7 1 或者取样光栅 【2 8 1 ，或者在光纤同一位置重叠写入多个具有不同中心波长的光栅【2 9 趣两种光栅在 多波长光纤激光器方面有一定的应用价值；( d ) 相移光纤光栅，主要是通过在制作 过程中制作光栅相移得到【3 0 , 3 1 1 ，这种光栅在多通道光波系统中，可被用来选择通 道；( e ) n 耀光纤光栅( 倾斜光栅) 其主要特点是光栅平面与光纤轴向有一定的夹 角，闪耀光纤光栅主要可以用做掺饵光纤放大器的增益平坦滤波器【3 2 1 、光传播模 式转换器【3 3 】等。 按照光纤光栅成栅机制的差异可分为：( a ) 利用光敏性形成的光纤光栅，其 特点是利用激光曝光掺杂光纤诱导其光敏性导致折射率变化从而形成光纤光栅。 其代表是紫外光通过相位掩模或振幅掩模曝光氢载掺锗光纤，通过掺锗光纤的光 敏性引起纤芯折射率周期性调制，从而形成光纤光栅；( b ) 利用弹光效应形成的 光纤光栅，其特点是利用周期性的残余应力释放或光纤的物理结构变化从而轴向 周期性地改变光纤的应力分布，通过弹光效应导致光纤折射率发生轴向周期性变 化从而形成光纤光栅。其代表有c 0 2 激光加热使释放光纤残余应力、氢氟酸腐蚀 改变光纤物理结构 3 4 1 、电弧放电使光纤微弯3 5 】和微透镜阵列法等方法形成的光 纤光栅。由于目前对各种光纤光栅的形成机理的解释还不完全统一，以致以上按 形成机理的分类可能不太全面，但相信随着研究的深入按形成机理对光纤光栅的 分类必将更加完善。 1 1 2 长周期光纤光栅的研究及应用现状 制作方法研究方面，长周期光纤光栅的写入方法很多，常用的是用2 4 8 n m 的 紫外光通过振幅掩模板曝光载氢掺锗光纤，通过掺锗光纤的光敏性引起光纤纤芯 折射率周期性分布而形成长周期光纤光栅。这种方法主要是利用掺锗光纤的光敏 性，载氢可以增加光敏性。a m v e n g s a r k a r 等人【3 力于1 9 9 6 年首先用该方法在载 氢光纤中写入了长周期光纤光栅，这标志着长周期光纤光栅的诞生。在此基础上 人们提出了许多运用幅值掩模法制作长周期光纤光栅的方法，不同之处主要为了 提高制作效率而采用了不同材料的幅值掩模或者不同波长的激光器，比如1 9 3 n m a r f 准分子激光器、2 4 4 n m 双频a r 离子激光器或者1 5 7 n m 氟分子激光器。 近来，d d d a v i s p 即卅等人于1 9 9 8 年提出的用1 0 6 n n 的c 0 2 激光在普通通信 光纤中写入长周期光纤光栅的方法，其机理主要是残余应力释放。这种方法只需 4 1 概述 普通通信光纤，不必载氢，并且可随意改变写入周期从而可以写入非均匀周期的 具有特殊用途的长周期光纤光栅，成本低，制作周期短。s y l i u 等人【帅】于1 9 9 9 年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， 投影到单模光纤上从而写入长周期光纤光栅。这种方法提高了光能量的利用率， 写入一个长周期光栅仅仅需要数十秒钟时间，因而大大地提高了写入的效率。 韩国的i nk a gh w a n g 等人 4 l 】于2 0 0 0 年提出了利用电弧使光纤发生微弯而形 成长周期光纤光栅的方法。该方法简便、容易控制，光栅周期取决于石英槽的周 期，还可以根据需要调整电弧电流的大小和光纤被加热的长度来控制光谱特性， 而且这种方法可以应用于常规光纤，无需掺杂和载氢。i s o h a t 4 2 】和m y o k o t a 4 3 j 等人分别于2 0 0 1 年和2 0 0 2 年用机械微弯法制作了长周期光纤光栅。c y l i n 等人 】提出了一种用腐蚀法制作长周期光纤光栅的方法，该方法利用氢氟酸周期性腐 蚀光纤形成周期性的环槽结构，从而形成长周期光纤光栅。他们对该长周期光纤 光栅的各种特性作了比较深入的研究，并提出了其在光纤通信和传感中的应用。 vi k a r p 0 5 】和艾江m l 等人提出了一种利用制作耦合器的熔融拉锥工艺制作长周 期光纤光栅的方法，该方法首先对光纤光栅周期性刻槽然后加热拉伸引入光纤形 变从而纤芯折射率产生周期性变化。黎敏等人【4 7 j 提出了一种用莫尔条纹振幅模板 在硫化物光纤中写入长周期光纤光栅的方法，这种方法可以随意改变模板周期， 因此可以简化模板的制作工艺和降低写入成本。k0 h i l l t 4 s 和d c j o h n s o n l 4 9 等 人分别于1 9 9 0 年和1 9 9 2 年提出了逐点曝光法写入周期较长的光纤光栅，这种光 纤光栅虽然实现了前向模式问的耦合但并不是通常意义上的长周期光纤光栅。长 周期光纤光栅的不同制作方法各有其优缺点，但都有待进一步改进。 理论研究方面，长周期光纤光栅的理论模型经历了一个逐步发展的过程。早 在光纤光栅出现之前，人们就已经用模式耦合理论研究平面波导中的光栅，其中 的许多方法和结论可以用于研究长周期光纤光栅，只是需要具体考虑光纤中传输 模式的不同。经过胁1 5 0 ，s i p e l 5 1 , 5 2 j ，e r d o g a n l 5 3 - 5 5 等人的努力，目前已经形成了 一套比较完善的分析长周期光纤光栅传输特性的耦合模理论。e r d o g a n 运用模式耦 合理论研究了长周期光纤光栅的导模、包层模和辐射模之间的模式耦合及传输谱 特性。它不仅对均匀的光栅，而且对不均匀光栅、倾斜光栅等特殊光栅都进行了 比较深入的理论分析，得到了长周期光纤光栅的谐振波长，谐振峰幅值，带宽、 耦合系数，传播常数等参数的具体表达式及其与光橱周期、周期数，有效折射率 的关系，从而奠定了长周期光纤光栅的理论基础。h j p a t t i c k 等人i s 6 运用模式耦 合理论详细分析了长周期光纤光栅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【5 - q 研究了长周期光纤光栅 与包层直径、外部环境折射率之间的关系，并建立了光栅谐振波长与包层直径、 重庆大学硕士学位论文 外部环境折射率的关系模型。由于模式耦合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 1 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长周期光纤光栅传输特性的方法 5 s , 5 9 ，该方法没有太 多的近似，精确度较高，且适合于进行数值运算，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。模式耦合理论和传输矩阵法是分析包括长 周期光纤光栅在内的光纤光栅特别是非均匀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。刘勇等人嗍分析研究龙格- 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。 此外，b l o c h 波理论【6 1 l 、w k b 法【6 2 1 、散射理论【6 3 1 ，也可用于计算光纤光栅 的特性，这些方法都比较复杂。 光纤光栅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具有广泛的应用。 人们在光纤布拉格光栅传感应用中发现其存在一定的局限性，比如灵敏度不 高，对单位应力或温度的改变所引起的波长漂移较小，此外由于光纤布拉格光栅 是反射型光栅，以致光纤布拉格光栅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。自长周期光纤光栅问世以来，人们发现长周期光纤光栅是一种透 射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器，测量精度较高。此 外，与人们熟知的光纤布拉格光栅不同，长周期光纤光栅的周期相对较长，满足 相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模。这一特点导致了长周期光纤光 栅的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比光纤布拉格光栅更好的 温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度f 7 ，矾6 5 1 。因此，长周期 光纤光栅在光纤传感领域具有比光纤布拉格光栅和其它传感器器件更多的优点和 更加广泛的应用。利用长周期光纤光栅具有体积小，能埋入工程材料的优点，可 以实现对工程结构的实时监测，实现所谓的智能结构，这种全新概念的智能结构 必将给工程结构的设计和制造带来一次革命性的变化。 长周期光纤光栅谐振波长随温度变化而线性漂移，是一种很好的温度传感器。 d d d a v i s 6 6 】和h g c o r g c s 6 7 j 等人发现用电弧法写入的长周期光纤光栅在高温段 的温度灵敏度远远高于低温段，中间有明显的过度段，因此这种长周期光纤光栅 适合于作高温( 1 0 0 0 ) 下的温度传感器。y 【，i u 等人【6 8 】的研究结果表明长周期光 6 1 概述 纤光栅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 6 9 】和gd v a n w i g g e r e n 等 人 7 0 3 的实验结果表明长周期光纤光栅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 , m g _ n 】和t - j a l m 【7 2 1 等人已分别用单个和多个长周期光纤光栅级联的扭曲实验，表明用长周期光纤光 栅可实现对扭曲的直接测量。 利用长周期光纤光栅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。vb h a t i a 等人【7 3 1 于1 9 9 6 年用温度不敏感的长周期光纤光栅实现了折射率和 应力的测量。s l u o 等人1 7 4 1 于2 0 0 2 年提出了基于在外表面涂有特殊塑料覆层的长 周期光纤光栅的化学传感器，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，从而改变长周期光纤光栅的模式耦合特性。这种化学传感器对相对湿度的 测量范围是o 到9 5 ，对有毒化学物质的测量精度可达i p p m 。由于长周期光纤 光栅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【7 5 】于2 0 0 2 年用长周期光 纤光栅制成了液位传感器。长周期光纤光栅在生物传感技术领域也有着独特应用。 s p i l e , c a r 等人门6 】于2 0 0 0 年用长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的组合制成了抗体 一抗原生物传感器。 利用长周期光纤光栅有多个损耗峰的特性，可以用一个长周期光纤光栅实现 对多参数的测量【7 ”。r a o ，z e n g 等人利用长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅和非 本征型光纤法一泊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1 7 8 】。m y o k o t a 等人【7 9 1 于2 0 0 2 年提出了用机械微弯法制作 的长周期光纤光栅实现了分布式压力传感。 与光纤布拉格光栅传感器一样，长周期光纤光栅传感器在应用中一直存在温 度、应变、或折射率、弯曲等物理量之间的交叉敏感问题，即当长周期光纤光栅 传感器用于测量其中一个物理量时，由于外界环境的变化可能使其它物理量发生 变化，进而导致光栅的耦合条件发生变化，而长周期光纤光栅传本身不可能分辨 出被测量与其它物理量所分别引起的光栅谐振波长的变化，从而使测量精度大大 降低。如此，长周期光纤光栅具有比光纤布拉格光栅更好的灵敏度的优点却成了 其在实际测量中的缺点。因此，解决长周期光纤光栅测量过程中的交叉敏感问题 尤其重要。至今人们已提出了多种解决传感应用中交叉敏感问题的方案，它们各 有特点。但总体而言，均需要两种或两种以上传感器的组合才能较好地解决该问 题。h j p a t r i c k 等人忙o 】于1 9 9 6 年用长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的组合解决 了温度和应变之间的交叉敏感问题，实现了对温度和应变的同时测量。vb h a t i a 7 重庆大学硕士学位论文 等人【7 3 1 于1 9 9 6 年用温度不敏感的长周期光纤光栅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。 1 2 长周期光纤光栅中的偏振相关损耗及研究现状 在许多重要的光学器件中，偏振现象往往扮演着一个十分重要的角色