（机械设计及理论专业论文）双芯长周期光纤光栅制备方法及特性研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： i i i ii ii iii iii i ii 1 1iil 18 0 9 3 5 5 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f d e n g r e s e a r c ho nf a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s o f l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n gb a s e do n r o n 11 1 1 。1 w i n - c o r es t r u c t u r e c lf1 h e r c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y - d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n g x u e p r o f y u a nl i b o d o c t o ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y a p r i l ，2 0 1 0 j u n e ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 卜 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人孕担。乙 作者( 签字) ：勿 日期： 加p年衫月乡日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 讶在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：砂荔 日期： 乃f 口年b 月，弓日 导师c 签专) ：彬砜l 如f 。年舌月，拍 双芯长周期光纤光栅制各方法及特性研究 摘要 人类社会经过漫长的发展演变过程，目前进入了一个高度信息化的时 代，信息化已经成为当代发展的大趋势，信息化程度也成为衡量国家现代 化水平重要标志之一。在越来越多的科学技术融入到人们的生活中的同时， 人们对信息的需求更是与日俱增，高速率、大容量的信息传输成为众多学 者的共建目标。光纤以及以光纤为基础的各类光纤器件作为通信领域中的 重要组成部分，在信息化高速发展中发挥着主力军的作用。长周期光纤光 栅因其具有插入损耗低、制作工艺简单、无后向散射等优点，广泛应用于 光纤通信和光纤传感领域。 本文在国内外学者的研究基础上，提出了采用改进的c 0 2 激光写入技 术在传统单芯光纤及特殊结构的双芯光纤上制备长周期光纤光栅的方法， 并对光纤光栅的光谱特性和传感特性进行了理论和实验研究。本文研究的 主要内容包括： 1 设计制作了一套三维光纤同轴旋转控制系统，能够满足c 0 2 激光脉 冲单侧曝光、多角度曝光、旋转曝光等不同制作需求，并可以完成长周期 光纤光栅写入后立即进行应变特性的测试以及辅助弯曲特性的测试。 2 研究了采用对称双侧曝光写入方法用c 0 2 激光制作的长周期光纤 光栅( l p f g ) 的光谱特性及传感特性。对称双侧曝光写入法首先在光纤的一 侧写入l p f g ，然后在光纤横截面圆周上与首次曝光对称的另一侧以相同的 能量和参数写入相同周期的l p f g ，双侧曝光使光纤折射率先后两次分别发 生周期性变化。通过透射谱的演变发现，在对称的一侧再次写入l p f g 会 削弱首次曝光的透射谱，且谐振波长会向长波方向漂移。 3 研究了采用非对称双侧曝光方法制作的长周期光纤光栅( l p f g ) 的 传输谱特性和传感特性。非对称热应力作用的理论分析表明，先后两次热 应力作用的角度差的不同，导致长周期光纤光栅谐振峰会向长波或短波方 向漂移。实验结果与理论分析结果一致，并得出了长周期光纤光栅谐振波 长漂移方向随方位角度差的变化规律，这一特性可用于长周期光纤光栅制 备过程中对光栅谐振波长的调节与控制。 哈尔滨t 稃大学博十学位论文 4 根据模式耦合理论分析了纤芯偏移的长周期光纤光栅的纤芯、包层 有效折射率的变化，并进行了模拟计算。在此基础上提出了一种基于双芯 光纤长周期光纤光栅，这种器件结构能够将两个平行的长周期光纤光栅集 成在一根光纤中。本文结合两个平行正规光波导之间的模式耦合，建立了 对称双芯长周期光纤光栅模式耦合理论模型，并对光谱特性进行了深入分 析和模拟计算。 5 通过c 0 2 激光脉冲单侧曝光以及加扭转预应力曝光两种方法在一 种非对称结构的偏双芯光纤中分别实现了长周期光纤光栅的制备。我们发 现采用单侧曝光方法制作的双芯长周期光纤光栅透射谱依赖于在双芯光纤 圆周上的曝光方向。由于光纤扭曲过程中会产生扭曲应力，光纤扭曲度越 大时写入光栅的耦合强度也越大，因此采用加扭转预应力曝光方法能够提 高长周期光纤光栅的写入效率。 关键词：长周期光纤光栅；双芯光纤；c 0 2 激光；耦合模理论；光纤传感 双芯长周期光纤光栅制备方法及特性研究 a bs t r a c t t h r o u g hal o n gp r o c e s so fe v o l u t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y h a sn o we n t e r e da h i g h l yi n f o r m a t i o n - o r i e n t e de r a t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y h a sb e c o m et h em a j o rt r e n do fc o n t e m p o r a r yd e v e l o p m e n t ，a n dt h ed e g r e eo f i n f o r m a t i o nh a sa l s ob e c o m ea i li m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i ct oe v a l u a t et h el e v e lo f t h e c o u n t r y sm o d e r n i z a t i o n w i t hm o r ea n dm o r eh i 曲一t e c h n o l o g yp r o d u c t s g o i n gi n t op e o p l e sl i v e s ，t h e r ei sm o r ed e m a n df o ri n f o r m a t i o no nh i g h - s p e e d a n dl a r g e - c a p a c i t yi n f o r m a t i o nf o rt r a n s m i s s i o n t h e s eh a v eb e e nt h et a r g e t sf o r m a n yr e s e a r c h e r s a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d ， o p t i c a lf i b e ra n dv a r i o u st y p e so p t i c a ld e v i c ep l a yam a i nr o l ei nt h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gh a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ef i e l do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n ds e n s i n ga p p l i c a t i o n sd u e t oi t sl o wi n s e r t i o nl o s sa n de a s ym a n u f a c t u r et e c h n i c s t h eo b j e c t i v eo ft h i sw o r ki st os t u d yt h ef a b r i c a t i o nm e t h o do f l o n gp e r i o d f i b e rg r a t i n g su s i n gi m p r o v e dc 0 2l a s e re x p o s u r et e c h n o l o g yf o rt r a d i t i o n a l s i n g l ec o r es i n g l em o d ef i b e ra n ds p e c i a lt w i n c o r ef i b e r t h et r a n s m i s s i o n s p e c t r u m a n ds e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e g r a t i n g s h a v ea l s ob e e n i n v e s t i g a t e da n dd e m o n s t r a t e d t h em a i nw o r k si n c l u d e ： 1 w eh a v ed e s i g n e das e to ft h r e e - d i m e n s i o n a lf i b e r - o p t i cr o t a r yc o a x i a l c o n t r o ls y s t e mt om e e td i f f e r e n tn e e d so fl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o n f o rs i n g l es i d ee x p o s u r e ，m u l t i s i d ee x p o s u r ea n dr o t a t i n ge x p o s u r eu s i n gc 0 2 l a s e rp u l s e ，a n da c h i e v et h et e s t i n gi m m e d i a t e l yf o rs t r a i na n db e n d i n ga f t e rt h e f a b r i c a t i o no fl p f g 2 t h es y m m e t r i c e x p o s u r e m e t h o df o r l o n gp e r i o d f i b e r g r a t i n g f a b r i c a t i o ni sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d ，i tp u tc 0 2l a s e rf o c u s e do no n es i d e o ft h ef i b e rc r o s ss e c t i o na n dt h e nt h eo t h e rs i d ew i t ht h es a n l ee n e r g ya n d e x p o s u r ep a r a m e t e r s t h i sm a k et h ef i b e rr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ep e r i o d i c i t y r e s o n a n tp e a ko fl p f gw i l ls h i f tt os h o r to rl o n g w a v ed i r e c t i o nw i t hd i f f e r e n t a n g l eo ft w oa s y m m e t r i ce x p o s u r ed i r e c t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r e a g r e e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ia n dt h e c r i t i c i i la n g l ed i f f e r r n c ef d rt h e r e s o n a n tp e a kc h a n g et r e n di sa l s oo b t a i n e d t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sc a nb eu s e dt o r e g u l a t ea n dc o n t r o lt h ew a v e l e n g t ho fl p f g i nt h ew r i t i n gp r o c e s s 4 b a s e do nt h ec o u p l e - m o d et h e o r y , at h e o r e t i c a lm o l df o rd i s c r i p t i n gt h e l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gi na l lo f f s e tc o r ef i b e ri sg i v e n w eh a v es i m u l a t e dt h e c l a d d i n gr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e sw i t hd i f f e r e n ta n g l e s b a s e do n t h i sr e s u l t ，t h e t w i n c o r ef i b e rl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n gh a sb e e np r o p o s e da n df a b r i c a t e d ，t h i s d e v i c ei n c l u d e st w op a r a l l e ll o n gp e r i o df i b e r 孕a t i n gi n t e g r a t e di no n e o p t i c a l f i b e r t h ec o u p l e - m o d et h e o r ym o d e lo ft h et w i n c o r el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g i se s t a b l i s h e da n dt h es p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oi n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t s 5 t h et w i n - c o r el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gf a b r i c a t e du s i n gc o ：l a s e ra r e c a r r i e do u tb ys i n g l es i d ee x p o s u r ea n dp r e s t r e s s e dt o r s i o ne x p o s u r em e t h o d ， r e s p e c t i v e l y w eo b t a i nt h a t t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo ft h et w i n - l p f g f a b r i c a t e db ys i g l es i d ee x p o s u r ei ss t r o n g l yd e p e n d so nt h ee x p o s u r ed i r e c t i o n a r o u n dt h et w i n - c o r ef i b e ra n dt h ep r e s t r e s s e dt o r s i o ne x p o s u r em e t h o dc a n s i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h eg r a t i n gw r i t i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d s ：l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ，t w i n - c o r ef i b e r , c 0 2l a s e r , c o u p l e m o d e t h e o r y , o p t i c a lf i b e rs e n s o r s 一- 双芯长周期光纤光栅制备方法及特性研究 目录 第1 章绪论l 1 1 本课题的目的与意义l 1 2 长周期光纤光栅研究的发展及现状2 1 2 1 长周期光纤光栅理论2 1 2 2 长周期光纤光栅制作技术3 1 2 3 长周期光纤光栅应用4 1 3 多芯光纤光栅研究及应用现状6 1 3 1 双芯光纤光栅的应用。6 1 3 2 多芯光纤光栅的应用8 1 4 本课题的研究背景及研究内容1 2 第2 章长周期光纤光栅的理论与制作方法一1 4 2 1 长周期光纤光栅的理论分析方法1 4 2 1 1 长周期光纤光栅的耦合模理论1 4 2 1 2 长周期光纤光栅的模式耦合1 6 2 1 3 导模与包层模的模式分析2 0 2 1 4 光谱特性2 6 2 2c 0 2 激光脉冲制作长周期光纤光栅的方法及原理2 9 2 2 1 长周期光纤光栅制备方法2 9 2 2 2c 0 2 激光脉冲写入法的机理2 9 2 3 实验系统设计及操作流程3 0 2 3 1 长周期光纤光栅制作实验系统的设计3 0 2 3 2 长周期光纤光栅的写入流程3 3 2 4 本章小结3 7 第3 章双侧曝光l p f g 写入方法及特性分析3 8 3 1 对称双侧曝光l p f g 制备方法及特性3 8 3 1 1 对称双侧曝光制备原理3 8 一r - i 4 2 1 两个光波导的横向耦合81 4 2 2 正规光波导的横向模式耦合方程8 1 4 2 3 双芯光纤的横向耦合系数8 6 4 3 对称双芯长周期光纤光栅耦合模理论模型8 7 4 4 本章小结9 l 第5 章双芯l p f g 单侧曝光制备方法及特性。9 2 5 1 偏双芯长周期光纤光栅耦合模理论模型与仿真结果9 2 5 2 双芯长周期光纤光栅单侧曝光的制备方法9 6 5 3 双芯l p f g 特性10 3 5 3 1 应变特性10 3 5 3 2 弯曲特性1 0 5 5 3 3 扭转特性。1 0 8 5 3 本章小结1 l o 第6 章加扭转预应力双芯长周期光纤光栅1 1 1 6 1 加扭转预应力双芯l p f g 理论分析1 11 6 2 加扭转预应力双芯l p f g 制备1 1 3 双芯长周期光纤光栅制备方法及特性研究 6 3 加扭转预应力双芯l p f g 特性1 1 7 6 3 1 轴向应变特性117 6 3 2 弯曲特性1 1 9 6 3 3 扭转特性1 2 3 6 3 4 温度特性1 2 5 6 4 本章小结1 2 6 结论1 2 7 参考文献1 3 0 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 4 1 致 射1 4 3 k_ 1， l 一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的目的与意义 光纤通信和光纤传感技术的迅猛发展不断改变着人们的生活，同时对 人类信息技术的发展进步起到了极大地推动作用。在二十世纪六十年代， 首次出现了一种带有包层材料的石英玻璃光学纤维构成的传输媒质，美国 康宁公司在1 9 7 0 年成功地研制出传输损耗约为2 0 d b k m 的光纤。光纤的诞 生为世界通信事业和传感领域提供了新的发展方向，光纤通信和光纤传感 技术被认为是最具有发展前途的高技术产业，广泛地应用于智能结构、军 工产品【l 】、复合材料【2 3 】、生物医学、交通运输、安全检测等各个领域。 随着人们对信息传输和检测技术需求的日益增长，以光纤为基础的各 种新型器件不断涌现，一种在光纤内部形成周期性的波导结构得到了人们 的广泛关注，1 9 7 8 年，k o h i l l 4 首先发现了掺锗光纤中的光致光栅现象 并制造出世界上第一只光纤光栅，光纤光栅因具有许多独特的优良特性， 如体积小、完全集成于光纤中、可以实现微米量级光信号的处理等，目前 已经成为最具有挑战性和最具有发展前途的光纤无源器件之一，它的出现 极大地促进了全光通信和光纤传感技术的发展。1 9 9 6 年，a m v e n g s a r k a r 等人【5 】首次在掺g e 的光敏光纤中写入了长周期光纤光栅( l o n gp e r i o df i b e r g r a t i n g ，l p f g ) ，进一步扩大了光纤光栅的研究范围，长周期光纤光栅具有 体积小、灵敏度高、插入损耗小、无后向反射等优点，目前广泛应用于制 作掺饵光纤放大器的增益均衡器、全光开关、耦合器以及各种温度、应变、 弯曲、折射率等单参量传感技术和多参量的同时测量领域。 近年来，国内外学者对光纤光栅的研究主要集中于单芯光纤光栅的制 备方法、特性及应用方面的研究，并提出了许多新颖的制备方法。许多研 究人员开始探索更广阔的研究范围，着力于研究在多芯光纤中写入光纤光 栅的机理和制备方法。目前对于多芯光纤光栅的研究仍处于初级阶段，由 于多芯光纤的特殊结构，多芯光纤光栅的模式耦合机理也比较复杂。能否 1 2 1 长周期光纤光栅理论 长周期光纤光栅理论分析的方法很多，其中最常用的方法是耦合模理 论【6 吲和传输矩阵法f 9 , 1 0 。t e r d o g a n 等人【1 l 】采用耦合模理论详细地分析了 长周期光纤光栅中纤芯导模、包层模及辐射模之间的耦合问题，给出了直 流耦合系数、交流耦合系数、传播常数、谐振波长、损耗峰幅值、带宽、 耦合常数、透射率等描述长周期光纤光栅的参数的表达式及相互之间的关 系，并对均匀光栅、非均匀光栅及倾斜光栅等进行了比较分析，这些理论 分析结果为后来长周期光纤光栅理论研究的发展奠定了基础。李志全【l2 j 等 人根据耦合模理论研究了长周期光纤光栅和级联长周期光纤光栅的透射系 数，并总结了透射谱随光栅长度、耦合系数等参数的变化规律。h j p a t r i c k 等人【l3 】采用耦合模理论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。王目光等人【1 4 j 利 用耦合模理论分析了一种新型复合型双周期光纤光栅的理论模型。何万迅 等人【l5 】根据耦合模理论对圆周对称轴向均匀型长周期光纤光栅建立了数学 模型，并进行了仿真研究。徐艳平等人【l6 】建立了三包层结构长周期光纤光 栅的特征方程，并进行了仿真研究，研究结果发现一阶低次h e 模式的耦合 强度远大于一阶低次e h 模式。李新碗等人【1 7 】采用简化的三层光纤模型着 重分析了包层模场分布及其与纤芯导模的耦合系数并进行了建模计算，利 用图解法和简化计算的方法得出了纤芯导模和一阶低次包层模场、能量分 布及其互耦合规律。刘勇等人【18 】通过对龙格库塔法和传输矩阵法的比较发 现，传输矩阵法在计算过程中运算速度快、精度高，特别适合求解非均匀 2 第1 章绪论 长光栅的问题，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。 1 2 2 长周期光纤光栅制作技术 随着长周期光纤光栅理论研究的深入与不断发展，越来越多的学者们 致力于研究通过各种方法来实现长周期光纤光栅的制备，将这种器件的研 究领域从理论延伸到实际应用之中。a m v e n g s a r k a r 等人【5 】于1 9 9 6 年首先 采用紫外光通过振幅掩模板照射氢载光纤制成了长周期光纤光栅，这是长 周期光纤光栅诞生的标志。 l a s e rb e a m t r a n s l a t i o ns t a g e 图1 1 光纤旋转写入法 f i g 1 1f i b e r - r o t a r yw r i t i n gm e t h o d 19 9 8 年，d d d a v i s 等人【1 9 2 0 】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。1 9 9 9 年，饶云江教授【2 l 】提出了用高频c 0 2 激光脉冲 在普通单模光纤中写入长周期光纤光栅的技术。该方法采用能量集中的高 频脉冲，加热效率高，写入效率高，对光纤物理损伤小，插入损耗低、无 需光敏光纤、无后向反射，并且可以任意改变写入光栅的周期，制作成本 低而且操作简单，为特种长周期光纤光栅的制作提供了基础。近年来，c 0 2 3 0 旋转折变型光纤光栅3 2 1 及薄包层长周期光纤光栅的制作。本文将在这些 研究的基础上研究采用c 0 2 激光脉冲在单模双芯光纤中写入长周期光纤光 栅的方法。 1 2 3 长周期光纤光栅应用 长周期光纤光栅因其插入损耗低、不受电磁干扰、无后向反射等优点， 以及谐振波长对应变、弯曲、温度、环境折射率等具有较高的敏感性而成 为近年来众多学者关注的热点。随着长周期光纤光栅制作技术的不断发展 和完善，以及各种特殊结构光栅和新型光纤光栅的出现，光纤光栅在光纤 通信和光纤传感领域中的应用也越来越广泛，图1 3 给出了长周期光纤光栅 的应用领域框图。 4 l i 第1 章绪论 i i 图1 3 长周期光纤光栅应用领域框图 f i g 1 3d i a g r a mo fl o n gp e d o df i b e rg r a t i n ga p p l i c a t i o n s 长周期光纤光栅对外界环境的变化非常敏感，因此通过监测长周期光 纤光栅谐振波长位置和谐振峰幅值的大小随外界环境变化的改变即可实现 对环境参量的测量。饶云江课题组在采用高频c 0 2 激光脉冲在普通单模光 纤中写入长周期光纤光栅后，比较详尽地对c 0 2 激光脉冲制作的长周期光 纤光栅在轴向应变、温度、扭曲等传感方面进行了理论和实验研究【34 | ，长 周期光纤光栅可应用于应变、温度、扭曲等各类传感器。王义平【3 5 】等人对 高频c 0 2 激光脉冲制作的长周期光纤光栅横向负载特性进行了研究，发现 谐振波长的横向负载特性具有较强的负载方向相关性，而谐振峰幅值的横 向负载特性的方向相关性则较弱，因此可用于负载大小和方向的测量。 h j p a t r i c k 3 6 】等人对长周期光纤光栅的谐振波长对弯曲的响应进行了研究， 实验结果表明谐振波长随弯曲曲率的增加而线性漂移，且谐振波长的弯曲 灵敏度具有方向相关性，可用于弯曲曲率的测量。在传感应用过程中通常 要克服温度应变交叉敏感的问题，对于实现温度和应变同时测量的方法很 多，如采用l p f g e f p i 集成式光纤传感剐3 7 1 ，长短双周期光纤光栅【3 8 , 3 9 ， 哈尔滨t 程大学博十学何论文 旋转折变型光纤光栅【4 0 j 等。利用长周期光纤光栅还可以实现应变、温度、 扭曲、折射率等其他多参量的同时测量【4 卜4 8 1 。长周期光纤光栅在光纤通信 领域中最重要的应用之一是作为掺饵光纤放大器( e d f a ) 的增益均衡器1 4 引， 通过两个具有不同谐振波长的长周期光纤光栅级联来实现e d f a 的增益。 此外长周期光纤光栅还可用作阻带通滤波器1 5 0 , 5 1 】，噪声滤波器、波长选择 器【5 2 】，耦合器，光分插复用裂5 3 1 ，光开关【5 4 】等。 1 3 多芯光纤光栅研究及应用现状 多芯光纤光栅是近几年发展起来的新型光纤光栅，由于多芯光纤的几 个纤芯共用同一包层，能够形成天然多光束干涉，而且可以自动补偿由于 温度热膨胀所带来的影响。在多芯光纤中写入光栅，使多个光栅集成在同 一根光纤中，能够大大地减小光栅器件的体积，降低制作成本，同时在多 参量测量方面具有独特的优势。光纤光栅的出现为多芯光纤的研究提供了 一个新的方向，在多芯光纤中写入光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅并进 一步构成多芯光纤集成光栅将为光纤传感和光纤通信领域中的应用提供了 一种新型光栅器件。 1 3 1 双芯光纤光栅的应用 1 双芯光纤光栅在光纤通信中的应用 光纤光栅在光纤通信中重要应用之一就是作为波长选择器，v i c t o r 咖b s k y 等人【5 5 】采用两根长周期光纤光栅实现了波长选择，其原理图如图1 4 所示。将写有长周期光纤光栅的两根光纤紧靠在一起放置，光束注入到第一 个光纤的纤芯中，l p g l 将特定波长的光耦合到光纤的包层内，在包层中传播 的光束经过两个光纤物理连接区域时，通过消逝场的作用耦合到第二个光纤 的包层模中，然后l p g 2 又将第二个光纤包层模中的光耦合到第二个光纤的纤 芯中，这样满足特定波长的光就可以从第一个光纤的纤芯中耦合到第二个光 纤的纤芯中，并可由输出端1 2 2 获得，其他波长的光可由输出端口1 获得。 6 第1 章绪论 c o u p l i n gr e g i o n r e s o n a n tl i g h t 图1 4 两个长周期光纤光栅实现波长选择耦合器 f i g 1 4t h ew a v e l e n g t h s e l e c t i v ec o u p l e ru s i n gt w ol o n g - p e r i o dg r a t i n g s p o r t 2 双芯光纤光栅在一根光纤中集成了两根单芯光纤光栅，并且两个纤芯共 用同一个包层，如果采用双芯光纤光栅来实现上述结构不但可以使结构更加 简洁、成本低廉，还能够避免因需要精确调整两根光纤光栅位置所带来的影 响。 c o r e1 p o r t l p f g 少| _ o 曲 a m n - 、- l p f g2 _ o 劬 c l a d d i n g c o r e2 图1 5 双芯长周期光纤光栅实现波长选择耦合器原理图 f i g 1 5p r i n c i p l eo fo p e r a t i o no ft h ew a v e l e n g t h s e l e c t i v ec o u p l e ru s i n g t w i n - c o r e l o n g - p e r i o dg r a t i n g s 图1 5 为双芯长周期光纤光栅实现波长选择耦合器的原理图。在双芯光纤 的两个纤芯中分别写入长周期光纤光栅，并使两个光栅在光纤轴向上有一段 距离。光束注入到纤芯1 中传输过程中，在l p f g1 的作用下耦合到双芯光纤 的包层中，由于两个纤芯共用同一个包层，l p f g 2 则可以直接将包层模中的 光耦合到纤芯2 中，因此通过合理选择光栅的周期、长度等参数可以实现波长 f|卜0 通滤波的示意图【5 6 1 ，在双芯光纤的一个纤芯中写入光纤布拉格光栅，通过前 向传输模式的耦合实现波长选择功能。 九l 如b 吣 图1 6 光栅辅助双芯光纤带通滤波示意图 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fb a n d p a s sf i l t e r i n gi nag r a t i n g - a s s i s t e dt w i nc o r ef i b e r 2 双芯光纤光栅在光纤传感中的应用 长周期光纤光栅的谐振波长能够随环境物理量的变化发生漂移，这一 特性使其在光纤传感领域中充当着重要的角色。对于双芯长周期光纤光栅， 它将两根光纤光栅集成在一根光纤，在光纤传感应用中，这种器件融合了 双芯光纤和光纤光栅的双重特性，可应用于轴向应变测量、扭曲大小和方 向的测量、温度测量及弯曲测量等传感领域。 1 3 2 多芯光纤光栅的应用 目前多芯光纤光栅的研究主要集中在多芯光纤布拉格光栅在传感领域 中的应用。法国电信公司研究小组利用n a s a 提供的芯内掺硼的高光敏四 芯光纤，如图1 7 所示，制成光纤光栅后，对多芯光纤的横向载荷进行了研 究【5 7 , 5 8 。2 0 0 0 年，g a n d e r , m j 等人【5 叼首次在四芯光纤的两个分立芯中写 8 1 i j l i 第1 章绪论 入光纤光栅，目的是发展一种在工程结构中使用的准分布式光纤弯曲传感 器，并实现了用四芯光纤布拉格光栅对负载的大小和方向测量，之后用三 芯光纤布拉格光栅测量弯曲和物体形状的研究也相继获得成功。 图1 7 n a s a 制作的高光敏4 芯光纤 f i g 1 7f o u r - c o r eo p t i cf i b e ro f n a s a 2 0 0 4 年，m a n u e l 等人【6 0 , 6 1 】在四芯光纤中写入布拉格光栅，并利用光纤 在面临负载时各纤芯双折射的差异实现了负载的大小和方向性的测量。 2 0 0 6 年，gm h f l o c k h a r t 6 2 】等人在包层直径1 2 5 1 t m ，芯间距5 0 岫的四芯 光纤中写入周期位置完全一样的布拉格光栅，由相位生成解调技术提取干 涉相位，在布拉格传感器中相位的变化量与压力线性成比例，进而得到待 测压力和曲率。同年，r o g e rg d u n c a n 等人【6 3 ，删在纤芯呈等边三角形分布 的三芯光纤中写入布拉格光栅。2 0 0 8 年，a m a n d af e n d e r 等人【6 5 j 利用四芯 光纤光栅弯曲传感器实现了对顺变柱体受压情况下径向信息的测量。 图1 8 为采用三根光纤实现的多路波长选择器结构【5 4 1 ，与图1 4 所示的 耦合机理相同，从入射端口1 入射的光经过l p g l 滤掉某个波长的光，再 通过l p g 2 耦合到其所在光纤的纤芯中，进而从输出端口l 接收；在入射 端口2 入射的光经过l p g 4 和l p g 3 的作用与其余在主导光纤中不符合 l p g l 谐振条件的光耦合，由输出端口2 接收。这样一种结构同样可以采用 多芯光纤中的三芯光纤来实现，将三个纤芯分别代替图1 8 中所示的三根光 纤，在实际制作过程中对长周期光纤光栅写入的位置要求精度较高。 9 哈尔滨t 稗大学博十学位论文 ( “d r o p ”) 图1 8 三个长周期光纤光栅实现的多路波长选择耦合器 f i g 1 8m u l t i p l e x e rc o u p l e ru s i n gt h r e el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s p o r t 2 图1 9 多芯光栅横向负载测试系统 f i g 1 9l a t e r a ll o a dt e s ts y s t e mw i t hf o u rm u l t i c o r ef i b e rg r a t i n g 随着学者们对多芯光纤光栅关注度的提高，这种在多芯光纤中写入光 纤光栅的器件在光纤传感应用领域中也逐渐占有重要的位置。m a n u e l s i l v a - l 6 p e z 等人 6 6 1 对多芯光纤布拉格光栅的横向负载特性进行研究时发 现，布拉格峰由于压力引起的双折射效应而产生分裂现象，其大小取决于 负载和光栅与负载轴的相对位置，这种四芯光纤布拉格光栅能够测量负载 轴角度为士5 0 ，负载量高达2 5 0 0n m ，其测试系统如图1 9 所示。文献 6 7 】 1 0 lliliilllllijijlllli-1-1 第1 章绪论 i i i i i i i i i i i i i 宣i 置i i i i i ii 一一 i 置 用多芯光纤布拉格光栅实现双轴曲率测量，在如图1 1 0 所示的四芯光纤的 纤芯1 ，2 ，3 中同时写入布拉格光栅，其测试装黄图如图1 1 1 所示。 黪 4 3 镧 图1 1 0 四芯光纤剖面结构 f i g 1 1 0c l e a v e d f a c eo f am u l t i c o r ef i b e r 由于三个光纤布拉格光栅集成在同一根光纤内，可以避免受到外界环 境温度的影响，每个纤芯中的布拉格光栅反射波长依赖于温度和轴向应变， 因此每个光栅波长的变化差揭示了不同的应变量，进而可以获得曲率。这 种多芯光纤的直径与标准单模光纤类似，因此可以植入复合材料以适应智 能结构的应用，在多传感参数测量方面具有良好的潜在应用前景。 b b s c i r c u l a t o r 蚤t f 孟 c o n n e c t o r s t a i n l e s ss t e e l f a n s - p l i o u t c - e m 口钥m u c a p l t i c i l l o r e a r yf i a n 竺ds p l i c e刎。 l o a d i n g m i c r o m e t e r s y 图1 1 l 弯曲测量实验装置示意图 f i g 1 11s c h e m a t i co fe x p e r i m e n t a lc o n f i g u r a t i o nu s e df o rc u r v a t u r em e a s u r e m e n t s 1 4 本课题的研究背景及研究内容 综上所述，由于多芯光纤的特殊结构使得多芯光纤光栅与常规单芯光 纤光栅相比，既可以作为光传输介质，又可以构造新器件，在光纤通信和 光纤传感领域中有着广泛的应用前景。本文在c 0 2 激光脉冲制作长周期光 纤光栅的研究基础上，初步探索在最简单的多芯光纤即双芯光纤中实现长 周期光纤光栅的制作，并对这种双芯长周期光纤光栅的特性进行初步理论 分析及实验研究，论文主要研究内