（光学专业论文）应力长周期光纤光栅特性研究.pdf

ab s t r a c t l o n g - p e r io d fi b e r gr a t i n g ( l p f g ) is a k i n d o f t r a n s m i s s i o n gr a t 吨. u n l i k e fi b e r b r a g g gr a t i n g ( f b g ) , l p f g s 二 c o u p l e f u n d a m e n t a l g u i d e d m o d e t o d is c r e t e c o- p r o p a g a t i n g c l a d d i n g m o d e s . l p f g s h a v e m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s e a s y f a b r i c a t i o n , lo w i n s e rt i o n l o s s , l o w b a c k - r e f l e c t i o n , p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n c e a n d i n t e gra t e d v o l u m e e t c . t h e y c a n a c t a s fi b e r m o d e c o n v e rt e r s , fi b e r b a n d - r e j e c t i o n fi l t e r s , e d f a g a i n fl a t t e n i n g fi l t e r s a n d fi b e r s e n s o r s . i n t h i s t h e s i s , i c a ll y - i n d u c e dl o n g - p e r i o d fi b e r gra t i n g s ar e ni vi t s f a b r i c a t i o n m e t h o d , g e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d p o l a r i z a t i o n a r e a r e d i s c u s s e d . t h e m a i n o f t h e t h e s i s i s a s f o ll o ws : 1 . i n t r o d u c t i o n s a r e g i v e n t o t h e a p p l i c a t i o n o f fi b e r gra t i n g s , t h e f a b r i c a t i o n m e t h o d o f fi b e r gr a t i n g s i s a l s o g iv e n . 2 . i n t r o d u c t i o n s a r e g i v e n t o t h e r e c e n t d e v e l o p m e n t s o f f a b r i c a t i o n me t h o d o f l o n g - p e r i o d fi b e r gra t i n g s , e s p e c i a ll y s o m e m e c h a n i c a l m e t h o d s a n d t h e i r a p p li c a t i o n s 。p h o t o n i c c ry s t a l fi b e r ( p c f ) . t h e i r f a b r ic a t i o n a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . 3 . t h e o r e t i c a l s i m u l a t i o n w i t h c o u p l e d m o d e t h e o ry o n t h e l o n g - p e r i o d fi b e r gr a t i n g w a s m a d e . we a n a l y z e d t h e e ff e c t i v e i n d e x o f t h e f u n d a m e n t a l g u i d e m o d e a n d c l a d d i n g m o d e s , t h e c l a d d i n g m o d e i n t e n s i t y d is t r i b u t io n a n d t h e v a r i a t i o n o f t h e c o u p li n g c o e ffi c i e n t s 4 . e x t e n d e d p r e v i o u s w o r k o n b i r e f r i n g e n c e a n d p d l t o i n c l u d e o t h e r t y p e s o f l p f g b y i d e n t if y i n g t h r e e g e n e r a l c a t e g o r i e s o f b i r e f r i n g e n t l p f g , n a m e ly ; t h o s e w i t h c o r e - o n l y b i r e f r i n g e n c e , w i t h c l a d d i n g - o n l y b i r e f r i n g e n c e , a n d w i t h b o t h c o r e a n d c la d d i n g b i r e fr i n g e n c e .助n a t i o n s r e l a t i n g r e s o n a n t ab s t r a c t w a v e l e n g t h s e p a r a t i o n , o n e f a c t o r t h a t d e t e r m i n e s p d l , a n d m o d a l b i r e - fr i n g e n c e h a v e b e e n p r e s e n t e d f o r e a c h c a t e g o r y o f l p f g . i ll u s t r a t e t h e s i g n i fi c a n t d i ff e r e n c e s t h a t c a n e x i s t i n p d l a n d b i r e f r i n g e n ce b y t w o t y p e s o f l pf g. k e y wo r d s : l o n g - p e r i o d fi b e r g r a t i n g ( l p f g ) , p r e s s u r e , e ff e c t i v e i n d e x , b i r e - 丘 i n g e n ce, p o l a r i z a t i o n 插图目录 插 图 目录 459181819222526303132353739414751525353 图1 . 1 紫外曝光相位掩模法写制系统 图 1 .2 光 纤 布 拉 格 光 栅 . . . . . . . . ， ， . . 图1 .3 利用长周期光纤光栅的e d f a 增益平坦结构 . . . . . . 图 2 . 1 长周期光纤光栅带通滤波原理图 . . . . . . . . . . . 图2 .2 长周期光纤光栅组成的波长选择祸合器原理图 图2 .3 两个包层模式藕合器组成的o a d m. . . . . ， . 图 2 .4 振幅掩模法制作长周期光纤光栅 二， . . ， . 图2 .5 腐蚀刻槽法制l p f g的原理图 图2 .6 机械压力法制作l p f g的原理图.， 图 3 . 1 长周期光纤光栅中模式祸合的示意图 图3 .2 阶跃折射率单模光纤的三层模型. ， . . . . . . . . 图 3 .3 纤芯基模有效折射率随波长的变化关系， . ，. . 图 3 .4 包层模l p 0 3 l p 1 5 的 有效折射率 . . . . . . . . 图3 . 5 四个一阶低次包层模的光密度分布 . . . . . . 图 3 .6 一阶各次包层模的 祸合特性. . . . . . . . . . . . . ， . 图 3 . 7 相位匹 配条 件在口 坐标轴的 体现 . . . . . . . . . . . 图 4 . 1 三个类型长周期光纤光栅双折射 . ， 二 ， . . . . . 图 4 .2 两种长周期光纤光栅的 传输光谱 . . . . . . . . . . 图4 . 3 两种光栅的p d l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图 4 .4 两种光栅的最大和最小传输功率 . . . . . . . . . 图4 . 5 两种光栅的最大和最小传输功率二 ， 二 ， . . . . - vi - 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收 集、 保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版 本; 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供 目 录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 7,t 成 ) ooh 年f 月 ) 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在 本授权书。 年解密后适用 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长5年，可少于 5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 id年，可少于 1 0 年) 机密20年 ( 最长2 0 年，可 少于20年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 每 :，t 汉 2 0 01 年 r 月蹄日 第一章绪论 第一章绪论 第一节前言 1 9 6 6 年7 月， 华裔科学家高馄博士在英国发表了一篇论文，论文的题目 很 平淡: 光频率的介质纤维表面波导，。但正是这篇文章开创性地指出可 以用玻璃制作光学纤维，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 ， 可以 用作 通信媒 质; 1 9 7 0 年康宁 ( 美 ) 公司 成功 地研 制出 损 耗 为 2 0 d 侧k m的光纤。 在此后的 两 三年间， 研制出 的 光纤不仅具 有优良 的 传输 特性，而且具有良好的机械性能，达到了实用化程度。事情发展也巧，也就是 在2 0 世纪7 0 年代前期研制成功了 低噪声的光检测器;另一方面，贝尔实验室研 制成功室稳连续运转的半导体激光器。于是三个技术难题全部得到了解决， 光 纤通信就有了基础，从此光通信技术得到了 蓬勃的发展il l , 光纤光栅的研究始于1 9 7 8 年，加拿大的k h il l 首先观测到掺锗光纤在氢离 子4 8 8 n m或5 1 4 .5 n m的注入激光与光纤断面的菲涅尔反射形成的 干涉驻波场曝 光作用下产生光栅效应12 1 。 但此后十年， 光纤光栅的 研究并未取得多大 进展， 直到1 9 8 9 年， 美国联 合技术研究中 心的 g m i l t z 等人提出 不需要去掉包层用紫 外光侧向 全息干涉技术来制作光纤光栅，以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料 激光器输出的 2 4 4 n m紫外光为光源， 用全息干涉法在掺饵石英光纤上研制出第 一 支b r a g g 波长位于通信波段的 光纤光 栅13 1 。 从此各国对光纤光栅的研究飞速发展起来，经过十几年的发展，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.随着光纤光栅技术的日 臻成熟， 基于光纤光栅的各种光子学器件 ( 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， 被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域4 ) 。 尤其是它易于集成的特性， 使得全光纤一维光子集成成为可能，从而在促进光子学乃至信息科学的发展中 第一章绪论 显示出越来越重要的作用。 人们普遍认为光纤光栅的研制成功是继掺饵光纤放 大 器( e d f a ) 之 后 在 光 纤 领 域的 又 一次 重大的 技术 突 破， 并 将 成为 光纤 通信 发 展 史上的又一个里程碑5 , 第二节光纤光栅的制作技术 光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性制作而成的。光纤的光敏性是指激光通 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变化的特性，它是 光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。 光纤光敏性的微观机理目前还不是十分清楚，主要的一种解释是:在 掺锗光纤中，锗的加入使s i 0 2 晶格阵列产生了扭曲，形成了畸变的晶格结 构， 产生了 缺陷， 称为锗氧缺陷中心 ( g o d c ) 。 在掺 锗石英的 吸收谱中 有两 个主要的吸收峰，位于2 4 0 n m 和3 3 0 n m 处，分别称为单态 单态g o d c吸收和 单奋 三态g o d c吸收17 。 对于单杏 单态g o d c吸收， 可以 用色心模型来解 释这种效应。色心模型是用来解释光纤光敏性最具代表性的理论模型之一， 由 h a n d 和r u s s e l 于1 9 9 0 年提出 7 i 。该模型认为: 掺锗光纤中 g o d c的 g e 一 s i 键 对应的吸收峰在2 4 0 n m附近，它对2 4 0 n m的紫外光有强烈吸收.紫外光照 射光纤后，光纤中的g o d c吸收光子，g e 一 s i 键会被打破并释放电子，导 致2 4 0 u m 处吸收峰的漂白，释放出的电子又被临近的锗俘获，形成新的色心， 并产生新的吸收峰，从而引起光纤吸收光谱的变化，吸收光谱的变化将引起光 纤折射率的 变化， 二者通过 k r a m e r s - k r o n i n g ) c 系相联系. 此外， 利用3 3 0 n m 处 的单奋 三态g o d c 吸收峰也可以制作永久性的折射率光栅，但是相比2 4 0 n m 处 的单杏 单态吸收峰激发，这种方式造成的折射率调制量要小的多，低三个数 量级以上。 从1 9 7 8 年以 来， 特别是1 9 8 9 年以 来，人们提出了多种不同的 光纤光栅写入 技术，可分为内 部写入法和外部写入法两大类。内部写入法在历史上曾 成功制 作出第一只光纤光栅，意义重大。目 前常用的制作方法是外部写入法， 主要包 第一章绪论 3 .超结 构与 重叠光 纤光 橱( s u p e r - s t r u c t u r e d a n d mo i r e f i b e r g r a t i n g ) 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网或取样 光栅2 5 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 8 1 ， 这两 种光栅在多波长光纤激光器以及色散补偿方面有一定的应用价值。 相 移 光纤 光 姗( p h a s e - s h i f t e d f i b e r g r a t i n g ) 主要是通过在制作过程中引入相移得到2 7 , 2 8 1 ，破坏了折射率分布的连续 能够在其布拉格反射带中打开透射窗口，它在波分复用光通信系统中的波 4.性 长解复器方面有着潜在的应用价值2 9 . 相移长周期光纤光栅具有丰富的光谱 特征，通过选择适当的相移点位置和相移量，能使长周期光纤光栅更好地满 足 e d f a 增 益平坦的 需 要3 0 , 3 1 1 . 5 .闪 报光纤 光栅( b l a z e d f i b e r g r a t i n g ) 其主要特点是光栅平面与光纤轴向有一定的夹角，这种光栅不但能引起反 向导波模藕合，而且还能将基模祸合到包层模中损耗掉。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 1 等。 8 .长周 期光纤 光 橱( l o n g - p e r i o d f i b e r g r a t i n g ) 长周期光纤光栅是指周期大于1 0 0 w m 的 光纤光栅. 长周期光纤光栅的 工作 原理不同于光纤布拉格光栅，它是将导模中某波段的光波祸合到包层中损耗 掉，而不产生反射，是一种理想的 e d f a 增益平坦元件3 4 1 。实验证明，长周期 光纤光栅对外界应力、温度、折射率等因素的反应比f b g 的反应更加敏感，是 一种理想的 传感元件3 5 , 3 6 , 3 t , 3 8 ，因此长周期光纤光栅在传感领域有着广泛的 应用。 第一章绪论 第四节光纤光栅的应用 由于光纤光栅特殊的频谱特性，它的应用己经渗透到光纤通信的每个环 节， 可 用于光纤 激光 器的 频率 选择， 传输光 纤的 色散补 偿， e d f a ( 掺饵光纤 放 大 器) 的 增 益均衡以 及 构 成 o a d m 、 波长 变换 器 等， 光 纤 光 栅 在 传 感 器方 面的 应 用也越来越受重视. 务 1 . 4 . 1 传感器方面的 应用 光纤传感器是通过将待测物理参数的变化转化为信号光在波长、强度或相 位上的变化，从而对待测物理参数进行监测的器件。光纤传感器的种类繁多， 具有抗磁、抗腐蚀、体积小、重量轻、易于集成、分辨率高、精度高等诸多特 点。 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，波长调制型的光纤光 栅传感器具有许多 独 特的 优点3 9 1 1抗干扰能力强， 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测 器老化等因素的影响; 2 ， 传感头结构简单、 尺寸小， 便于埋入复合材料结构及大型建筑物内 部，同 时也便于传感器的集成; 3利用波分复用技术可形成光纤传感网络，进行大面积的多点测量。 光纤光栅传感器的关键技术是波长漂移的检测.目 前检波方法主要有f - p ( 法布里 一 拍罗 ) 腔滤 波法、 m - z ( 马 赫曾 德) 干涉仪法、 光纤光栅滤波法、惆 啾 光 栅色散 法、 c c d ( 电 荷 藕合 器件 ) 光 谱分析 法， 但是 这 些方法都 不能同 时 满 足 高速、高精度、大容量、低成本的复用，因此不适合用于大的传感网络。 随 着 d w d m 技 术 的 发 展， 将 a w g ( 阵 列 波 导 光 栅 ) 用 于 多 波 长 的 多 点 传 感 系 统的解调更具潜力， 其工作原理是宽带光源发射的光经多个光纤光栅反射后， 第一章绪论 传入a wg , a wg 根据波长将信号光从不同的窄带通道输出，由于温度或压力 的作用，致使光纤光栅的反射光发生波长漂移，将输出信号光进行光电 转换和 放大，最后送入微处理器处理，即可检测出波长的变化。该结构具有高速、高 精度、低损耗特点，不像传统的f - p 腔，它不需机械移动任何部件，有很好的 复用能力，可以复用多达1 0 ( 】 个分布光纤光栅反射的光波长，不足之处是当信道 增多时 容易 产生串 扰，由 于制作 上的 原因 会出 现偏振现象(4 0 , 4 1 1 . 1 . 4 . 2 激光器方面的应用 基于光纤光栅的 光纤激光器是光纤通信系统中非常有前途的光源，它的优 点主要体现在: 1 . 稀土掺杂光纤激光器利用光纤光栅能非常准确地确定波长，且成本较低。 2 . 用作增益介质的稀土掺杂光纤制作工艺比 较成熟，掺杂过程简单， 耗小，插入损耗低。 3 . 有较高的功率密度，光纤结构具有较高的面积体积比，因而散热效果好; 与标准通信光纤的兼容性好， 可采用多种光纤元件，减小了 对块状光学元 件的需求和光路机械调谐的不便，极大地简化了光纤光栅激光器的设计及 制作。 4 . 宽带是光纤通信的主要发展趋势之一，而光纤光栅激光器可以通过掺杂不 同的 稀土离子， 在3 8 0 -3 9 0 0 n m 的宽带范围内 实现激光输出，波长选择容 易且可调谐。 1 .4 .3 用 于 偏 振 模 色 散( p m d ) 补 偿 随着光纤通信系统速率的提高和传输距离的增加，特别当单路速率 达 4 0 g b / s 以 上时， p m d 对系统性能的 影响 越来越 不容忽视. 虽然用保偏光纤 的分布式补偿能达到理想的效果，但由于其设备复杂且价格昂贵，很难在实 一8- 第一章绪论 际中应用。近来有用光纤光栅作为色散补偿器件。目 前，主要有惆啾光纤光 栅( c f g ) ， 长周期光纤光栅， 均匀周期光纤光栅， 取样光纤光栅( s f g ) 和切趾 明啾光纤光栅，不同 种类的光纤光栅可以 补偿不同的色散。 无论用什么方法， 其基本原理相似，都是在通信系统中 插入具有负色散系数的光纤光栅， 平衡系 统中积累的正色散，或者用脉冲压缩的 方法将被展宽的脉冲压窄。 非线性光纤光栅对两偏振态产生的时延差是不同的，随着波长的增大， 时延差降低;外加应力之后，光栅反射波长向长波长方向移动;对于相同的 波长，加应力之后产生的时延差增大。因此光栅上外加应力不同，所能补偿 的p md 值也是不同的，利用这种特性可做成可调群时延差的p md 补偿器，现 在已 经实 现了 对1 0 g b / s 系 统的 p m d 补偿。 1 . 4 . 4 增益平坦 e d f a 几乎是wd m系统中理想的光放大器，但其增益与波长有关，导 致e d f a 的增益谱不平坦，因此需要采用增益平坦技术。目 前广泛采用的是利 用长周期光纤光栅进行增益平坦2 1 ， 如图1 .3 所示。该结构是将不同的长周期光 纤光栅组合，使其光谱特性设计成与e d f a 增益谱相反的波形，从而获得很好 的增益平坦度网。 图1 .3 : 利用长周期光纤光栅的e d f a 增益平坦结构 肚. 4 . 5 光编、解码器与 o a d m方面的 应用 1 . 光编、解码器 近年来， 光纤光栅在光码分多址( o c d m a ) 领域的应用受到了 人们极大的 关注， 被认为是o c d m a 技术实用化的关键器件。目 前的研究趋势是利用光纤 参考文献 光栅实现全光纤化、易集成的光编p 解码器。 f b g 的 基本特征是以 b r a g g 波长 为中 心波长的窄带光学反射器，因而按照特定要求排列的 f b g 序列就可能实现 对信号的编p 解码。目 前，f b g编p 解码器在直接序列扩频、谱域编码、跳频 等o c d ma系统中的应用已 得到广泛的研究。 2 .光分 插复 用器( o a d m) 目 前已 有多种结构的o a d m， 如基于波分复用器的o a d m、基于a wg 的 o a d m . 基于声光滤 波器( a o t f ) 的 o a d m . 基于 f b g 和环形 器的 o a d m。由 于基于光纤光栅的o a d m具有尺寸小、插入损耗低、温度稳定性好、波长选择 性好以及柱对称易于与光纤系统祸合等优点，并且可通过调节光纤光栅的周期 来达到选择不同波长的目 的，所以光纤光栅是o a d m的一种理想选择。 参考文献 1 解金山 等， 光纤 数字通信技术，电 子工业出 版社， 2 0 0 2 年1 0 月: 前言 2 k . o .h i ll , y . f u j i , d . c .j o n s o n a n d b .s . k a w a s a ld , p h o t o s e n s i t i v it y i n o p t i c a l fi b e r w a v e g u i d e s :却p li c a t i o n t o r e fl e c t i o n fi l t e r f a b r i c a t i o n , a p p l p h y s l e t t , 3 2 ( 1 9 7 8 ) : 6 4 7 - 6 4 9 . 3 m e l t z g , m o r e y w w， g l e n n w h . f o r m a t i o n o f b r a g g g r a t i n g i n o p - t i c a l fi b e r b y a t r a n s v e r s e h o l o g r a p h i c m e t h o d e . o p t l e t t , 1 9 8 9 , 1 4 ( 1 5 ) : 8 2 3 8 2 5 c .r . g i l e s . l i g h t w a v e a p p li c a t i o n s o f fi b e r b r a g g g r a t i n g s , j o u r n a l o f a v e t e c h n o l o g y v o l. 1 5 , n o .8 , ( 1 9 9 7 ) : 1 3 9 1 1 4 0 4 5 原 荣， 光纤 通 信网 络，电 子 工 业出 版社， 北 京， 1 9 9 9 ( 2 ) :5 2 5 5 . 参考文献 6 d i a n o v e m , e t a l . r e fr a c t i v e 2 i n d e x g r a t i n g s w r i t t e n b y n e a r u l t r a v i o l e t r a d i a t i o n . o p t l e t t , 1 9 9 7 , 2 2 ( 4 ) :2 2 1 2 2 3 . 闭 h a n d d p , r u s s e ll ma n - q i l i c a t e fi b e r s . p s t . r e fr a c t i v e i n d e x c h a n g e s i n g e r - o p t l e t t , 1 9 9 0 , 1 5 : 1 0 2 1 0 4 . 8 姜 莉， 光 纤 光 栅 写 入 及 其应 用 研究， 南 开 大 学 博 士 学 位论 文， 2 0 0 5 . 9 b y r o n k .c . , s u g d e n k , e t a l , f a b r i c a t io n o f c h i r p e d b r a g g gr a t i n g i n p h o t o s e n s i t i v e fi b r e , e le c t r o n . l e t t . , v o 1 . 2 9 , ( 1 9 9 3 ) : 1 6 5 9 1 0 m a l o b . , e t a l , p o i n t - b y - p o i n t f a b r i c a t i o n o f m i c r o- b r a g g gr a t i n g s i n p h o t o s e n s i t i v e fi b e r u s i n g s i n g l e e x c i m e r p u l s e r e fr a c t i v e i n d e x m o d i f i - c a t i o n t e c h n i q u e , e l e c t r o n . l e t t ， v o l .2 9 , ( 1 9 9 3 ) : 1 6 6 8 1 6 6 9 . 1 1 c . g .a t k i n s , t .e .t s a i , g .m .wi l l i a m s , m .a .p u t n a m , m .b a s h k a n s k y a n d e .j .f r i e b e l e , f i b e r b r a g g r e fl e c t o r s p r e p a r e d勿 a s i n g l e e x c i m e r p u l s e , o p t . l e t t ， 1 7 , ( 1 9 9 2 ) : 8 3 3 . 1 2 k .o .h i l l , e t a l . , b r a g g gr a t i n g f a b r i c a t e d i n m o n o m o d e p h o t o s e n s i t i v e o p t i c a l fi b e r 勿u v e x p o s u r e t h r o u g h a p h a s e m a s k , a p p l . p h y s . l e t t . , 6 2 ( 1 9 9 3 ) : 1 0 3 5 1 0 3 7 . 1 3 a m d e r s o n .d . z . , e t al . , p r o d u c t i o n o f i n - fi b e r gr a t i n g s u s i n g a o p t i c al e l e m e n t , e l e c t r o n . l e t t . , v o l .2 9 , ( 1 9 9 3 ) : 5 6 6 5 6 8 . 1 4 k a s h y a p . r . , a s s e s s m e n t o f t u n i n g t h e w a v e l e n g t h o f c h i r p a n d u n c h i r p fi b e r b r a g g gr a t in g w i t h s i m p l e p h a s e m a s k , e l e c t r o n . l e t t . , v o 1 . 3 4 , ( 1 9 9 8 ) : 2 0 2 5 2 0 2 7 . 1 5 j e a n - l u ca n s s t e p h e n g . g r u b b , f i b e r gra t i n g s i n l a s e r s a n d a m p l i fi e r s , j . o f l i g h t w a v e t e c h n o l . , v o 1 . 1 5 , n o .8 ( 1 9 9 7 ) : 1 3 7 8 1 3 9 0 . 1 1 参考文献 1 6 a . d . k e r s e y , m . a .d a v is , h .j .p a t r i c k , e t a l , f i b e r g r a t in g s e n s o r s , l i g h t - w a v e t e c h n o l , 1 9 9 7 , 1 5 ( 8 ) : 1 4 4 2 - 1 4 6 3 1 7 y . j .r a o , i n - fi b e r b r a g g g r a t in g s e n s o r s , m e a s s c i 而长周期光纤光栅是前向传输的纤芯模式与同向的各阶次包 层模式之间的 祸合. 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， b r a g g 光纤光栅周期一般较短:而长周期光纤光栅周期要长，达几百微 米。基本没有后向反射的优点，使长周期光纤光栅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， 长 周 期 光 纤 光 栅约 为 b r a g g 光 纤 光 栅的 7 倍3 ， 优势 更大 些. 并 且， 长 周期 光纤光 栅制备简单易 行， 成本要低于 b r a g g 光纤 光栅。 第二节长周期光纤光栅的应用 长周期光纤光栅在通信、传感领域应用价值很大。不仅可以用于e d f a增 益平坦、带阻滤波器、光纤温度、压力传感，而且近期研究表明，在带通滤 波、光上下路复用、光纤光源、光纤祸合、偏振器件等通信领域，在磁场传 感、载重传感、液体气体化学传感、分布传感等传感方面都有一定的应用. 第二章长周期光纤光栅 1 . e df a增益平坦 通 信系统中， 掺 饵光 纤 放大器 ( e d f a ) 增 益谱分 布不 平坦， 这样各 个 信道 增益不同，一方面限 制了 无中继跨接距离， 第二也造成接收端误码率的增大。 闪耀光栅可以 平坦增益， 但缺陷在于总存有一定的反射光。 长周期光纤光栅可以克服这一缺点，将两个具有不同工作波长的长周期 光纤光栅组合使用，对e d f a进行增益平坦，结果表明，在2 5 - 3 0 n m带宽 内 e d f a增益谱的 起伏小于1 2 d b . 将之应用于 2 0 x 5 g b / s 的 wd m通信系统 中，增益平坦带宽提高了三倍。 2 . 带阻滤波器 长周期光纤光栅的藕合机理决定了 它对特定的波长具有损耗的能力， 在谱 特性曲线上表现为一个损耗波峰。 特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度，可 以使谐振波长强烈衰减，而其余波长基本没有损耗的通过，从而实现了基于光 纤的光学带阻滤波。其中光栅周期与调制深度决定谐振波长，而光栅长度决定 阻带带宽。 3 . 应力或温度传感器 长周期光纤光栅用作传感器不仅具有光纤传感器的 一切优点:如体积小、 重量轻、 可重复性好等，而且对温度、 应力、微弯等变化非常灵敏。 它是一种 比 较理想的 温度或应力敏感元件。 研究表明，长周期光纤光栅温度灵敏度是光 纤 b r a g g 光栅的 7 倍。 长周期光纤光栅的多个损耗峰可以同时进行多轴应力及 温度测量，也可以将级联的长周期光纤光栅作为传感器阵列进行多参数分布式 测量。 4 。 带通滤波器 1 7- 第二章长周期光纤光栅 b r a g g 光纤光栅带 通滤波器潜在 的缺点是产生光反馈或不希望的光 谐振。基于长周期光纤光栅的带通 滤波器件可以避免这一点。原理如 图 2 . 1 ( a ) .在瞬逝型( e v a n e s c e n t ) 光 纤藕合器两纤芯中分别写入一对相位 相反的长周期光纤光栅。光栅的周期 与折射率调制深度设定为特定比率， 图2 . 1 : 长周期光纤光栅带通滤波原理图 这样在祸合作用长度内，特定波长的光祸 合得到抑制，而其它波长能够进行光祸合，从祸合器纤芯1 藕合进纤芯2 ，由 端口 2 输出。祸合得到抑制的光波长由于祸合极弱，保持在纤芯1 中，由主端 口1 输出，从而实现了波长选择的带通滤波。为增强纤芯2 的衰减程度，可以在 外部环 绕放置 金属吸收物质或采用高吸收能力的 光纤 ( 图 2 . 1 ( b ) 或( c ) ) 。 5 . 波长选择藕合器件及光上下路复用器( o a d m) 基于长周期光纤光栅 的波长选择祸合器件原理 如图 2 .2。两根光纤紧密 接触保证有效光祸合。光 进入光纤1 ，长周期光纤 光栅l p g 1 将光栅谐振波 长经模式祸合由纤芯基模 口 a n代目翻自目 l 如 m 图2 . 2 : 长周期光纤光栅组成的波长选择辐合器原 理图 转化为包层模式，祸合的包层模式在两根光纤的接触区域内 传播，在光纤2 包 层激发出包层模式，光纤2内的光栅 ( 与光纤1内光栅完全相同)将光纤2内 激 发的包层模式祸合转化为纤芯基模，从端口2输出。而其余波长不受影响，保 持在光纤1 纤芯，由端口1 输出。 第二章长周期光纤光栅 使用两个以上的波长 选择藕合器，可实现特定 波长的光上下路复用方 案。图2 .3 中，波长下路 时， l p g l、l p g 2起作 用。多波长的光进入输 入端口1 ，欲下路的波长 在l p g 1 和l p g 2 作用下， i n p u 乒 叭 图2 . 3 : 两个包层模式藕合器组成的o a d m 经三态祸合 ( 主光纤中的基模转化为包层模式，主光纤的包层模式激发l p g 2 所在光纤中的包层模式， l p g 2所在光纤的包层模式转化为此光纤中的 基模)，在l p g 2所在光纤纤芯产生基模，经输出端口1 输出。波长上路 时，l p g 4、l p g 3 起作用。欲上路的波长由输入端口2 进入，经过三态祸合， 由 l p g 4 所在光纤纤芯基模转化为主光纤纤芯基模，与其它波长一起由输出端 口2输出。 6 . 多波长光源 长周期光纤光栅可实现多波长的光纤光源。一种方法是把级联的长周期光 纤光栅接续在光纤光源之后，但功率损耗较大。更好的作法是将级联的长周期 光纤光栅写入光纤光源之中，提高每个信道的功率，改善各个信道的信道消光 比。方法如下:激光二极管产生的泵浦光通过一个波分复用器进入掺饵光纤进 行光放大;光纤另一端也配有一个波分复用器， 用以分离残余的泵浦信号和产 生的前向信号;之后是级联的长周期光纤光栅，第一个光栅使满足相位匹配条 件的前向信号部分能量转化为包层模式，在包层中传播，其余的在纤芯中传 播。纤芯模式与包层模式有效折射率指数不同，传播同样长度后，两模式存有 光程差。在第二个长周期光纤光栅作用下，包层模式重新又转化为纤芯模式， 与纤芯原有的模式发生干涉， 表现为输出谱上形成多波长带通结构， 两个光栅 设计成3 d b型， 保证纤芯、包层能量均等; 级联光栅后的 光纤镜面反射前向信 _1 9- 第二章长周期光纤光栅 号为后向信号，经两个波分复用器、掺饵光纤返回，并通过一个避免光反馈的 隔离器到输出端口。 7 . 两光纤之间的轴向藕合 机械式连 接器( p c . s c ) 对光祸 合的 光纤轴向 距离及横向 容差要求相当 严 格，误差大时祸合效率明显降低.长周期光纤光栅有助于降低轴向距离及横向 容差对藕合效率的影响。具体如下:接收祸合光的光纤一个端面设计成球面透 镜，紧接其后是一长周期光纤光栅:光束经一根光纤射出，经过一段轴向工作 距离传播，由 一定半径的半球状透镜端面光纤接收。光束中的大部分被激发为 包层模式， 长周期光纤光栅使满足光栅相位匹配条件的波长由 包层模式祸合转 化为纤芯模式，实现了光纤之间的祸合。祸合效率与长周期光纤光栅透射损 耗，激光器与光栅谐振波长的误差，透镜与光栅的 距离以及透镜直径有关系. 5 . 光纤偏振器 光纤能够产生双折射，所以在光纤中写入长周期光纤光栅后，不同偏振状 态的模式就有不同的有效折射率，满足相位匹配条件的谐振波长就不同。这 样，光栅谱特性表现出波峰分离，一定波长的光某个偏振状态能量就高度损 耗，从而实现了光纤型偏振器件。为提高光纤偏振器件的性能，需要提高光纤 的双折射能力。一种办法是采用特殊掺杂光纤，如硼锗掺杂光纤;也可以采用 特种光纤，如保偏光纤;还可以对光纤截面特殊设计:光纤纤芯为椭圆形，包 层圆形，在包层中轴对称的形成两个边孔。 9 . 磁场传感器 基于长周期光纤光栅的磁场传感器原理如下:在长周期光纤光栅的外层涂 一层磁性物质或将长周期光纤光栅固化于磁致伸缩材料中，还可以在光纤光栅 表面粘贴磁性薄膜。外界磁场使磁性物质发生磁致伸缩，引起长周期光纤光栅 轴向应变，弹光效应使光纤内折射率变化，影响光纤光栅的谱特性，在谱图上 _2 o- 第二章长周期光纤光栅 表现为谐振峰移动.以镍为磁致伸缩材料，可得谐振波长变化量与磁场强度的 关系: a a ， 一 、 1， 一 华 (p i， 一 2 w p i2 ) . 、 二 . h 0 .5 ( 2 . 1 ) 式中 a 二 为 谐 振 波 长 变化 量; k 为 镍的 磁 致 伸 缩 系 数; n 2m 为 光纤 纤 芯 折 射 率; it 为 光纤 材料泊 松比 : p u , p i e 为 光纤 材料弹光系 数张 量; a r 为初 始 谐振波 长; h 为待测磁场强度. 随外部磁场强度增大，谐振波长向短波方向移动，又称蓝移。 1 0 . 载重传感器 在光纤中写入长周期 光纤光栅， 外加载重使光纤双折射发生变化， 继而影 响光纤光栅的谱特性，使损耗峰的分离状况发生变化，变化程度反映了外加的 载重。 实现如下:将有光栅的光纤与另一根同样材质的光纤 ( 无光栅)一起放在 两块平板之间，在上面平板施加载重。宽带 l e d光源产生的多波长非偏振光 经光纤偏振分离器、偏振控制器， 形成一定偏振指向的偏振光， 进入写有长周 期光纤光栅的光纤，光谱分析仪对光纤出射光进行谱分析。随外加载重逐渐增 大，两种偏振状态波峰谐