（光学专业论文）闪耀光纤光栅传感特性及光纤光栅解调技术的实验研究.pdf

摘要 -.一一. . -. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .-. . 一 置。 该 方法可同 时 对多个入射波长 进行同 时 解调， 且 解调系统采用纯光 纤 器件， 因此该系统结构简单、具有较高的稳定性与重复性。 5 . 将 气体池 应 用于光纤光栅 解调系 统中 作 为 波长标定器件。 实 验证明， 与 传统的参考 光 栅组相比，应用气体池的 光纤 光 栅解调系统的稳定性得到了 很好 的改善，同时使其解调精度提高了一个数量级。 关键词:光纤光栅， 闪耀光纤光栅， 气体池， 传感， 解调 ab s t r a c t ab s t r a c t a s n o v e l p a s s i v e o p t i c a l c o m p o n e n t s , fi b e r g r a t i n g s h a v e a c o m p r e h e n s i v e p r o s p e c t i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n a n d s e n s i n g s y s t e m s , d u e t o t h e i r e x c e l l e n t o p t i c a l p r o p e r t i e s . b l a z e d f i b e r b r a g g g r a t i n g , a n i m p o r t a n t m e m b e r o f fi b e r g r a t i n g s , b e c a u s e o f it s s p e c i a l s t r u c t u re , n o t o n ly h a s a l l p r o p e r t i e s o f f i b e r b r a g g g r a t in g , b u t a l s o h a s i t s o w n u n i q u e p r o p e rt i e s . wi t h t h e f i b e r s e n s i t i v i t y e n h a n c e d a n d t h e t e c h n o l o g y o f f a b r i c a t i o n f i b e r g r a t i n g i m p r o v e d , b l a z e d f i b e r b r a g g g r a t i n g w i t h a n e x c e l l e n t c h a r a c t e r c o m e s t r u e . n o w a g r o u p o f r e s e a r c h e r s h a v e m a d e t h e i r b e s t e ff o rt o n it s a p p l i c a t i o n s a n d i t h a v e b e e n u s e d i n t h e a r e a o f g a i n fl a t t e n , s e n s i n g s y s t e m a n d w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n . g a s c e l l i s a s t a n d a r d r e f e r e n c m a t e r i a l u s i n g t h e s p e c i a l g a s m o l e c u l a r v i b r a t i o n - r o t a t o i n a b o r p t i o n l i n e s w h i c h u n s e s i t i v e w i t h t h e e n v i r o n m e n t t e m p e r a t u re a n d p r e s s u r e . t h e r e f o r e t h e s t a b i l i z a t i o n o f t h e f b g d e m o d u l a t i o n s y s t e m w i t h t h e g a s c e l l w i l l b e i m p r o v e d a l o t . t h e o b j e c t i v e o f t h i s t h e s i s i s t o i n v e s t i g a t e a n d d e v e l o p t e c h n i q u e s o f b l a z e d f i b e r b r a g g g r a t i n g a n d t h e f b g d e m o d u l a t i o n s y s t e m w i t h t h e g a s c e l l . t h e t h e s i s i s s u p p o r t e d勿 t h e n a t i o n a l h i g h - t e c h r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t p r o g r a m o f c h i n a ( 8 6 3 p r o g r a m ) , t h e n a t i o n a l b a s i c r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t p r o g r a m o f c h i n a ( 9 7 3 p r o g r a m ) , t e c h n o l o g i c a l t a c k l e k e y p r o b l e m p r o j e c t o f t i a n j i n , o p e n p r o j e c t f o u n d a t i o n o f k e y l a b o r a t o ry o f o p t o - e l e c tr o n i c i n f o r m a t i o n s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , mi n i s t r y o f e d u c a t i o n i n n a n k a i u n i v e r s i t y . i n t h e t h e s i s , t h e t h e o r e t ic a l m o d e l o f b l a z e d fi b e r b r a g g g r a ti n g h a s b e e n m a d e ; t h e e x p e r im e n t a l r e s e a r c h o n i t s s e n s i n g a n d d e m o d u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c h a s b e e n t a k e n ; t h e a p p l i c a t i o n o f t h e g a s c e l l i n f b g d e m o d u l a t i o n s y s t e m h a s b e e n m a d e . t h e c o n t e n t s a r e l i s t e d a s f o l l o ws : 1 . a b r i e f i n tr o d u c t i o n o f h i s t o ry , r e s e a r c h s i g n i f i c a n c e i s p r e s e n t e d . t h r e e m a t u r e t e c h n o l o g i e s o f w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n , t h e i r o w n c h a r a c t e r i s t i c h a v e b e e n r e c o m m e n d e d a n d t h e h i s t o ry o f b l a z e d fi b e r b r a g g g r a t i n g , i t s s e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c a n d w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c h a v e b e e n p r e s e n t e d h e r e 2 . u s i n g c o u p l e d m o d e t h e o ry a n d v o l u m e c u r r e n t m e t h o d a n a l y s e d t h e m o d e t r a n s m i s s i v e c h a r a c t e r i s t i c i n b l a z e d f i b e r b r a g g g a t i n g . t h e w a v e e q u a t i o n s , m o d e s c o u p l e d c o e ff i c i e n t a n d p o y n t i n g v e c t o r h a v e b e e n g o t h e r e . 人b s t r a c t 3 . t h e s e n s i n g t h e o ry o f b l a z e d fi b e r b r a g g g r a t i n g i s p r e s e n t e d h e r e . t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n i t s t e m p e r a t u r e s e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c , s t r a i n s e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c a n d r e fr a c t i v i t y s e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c h a v e b e e n t a k e n . t h e b l a z e d fi b e r b r a g g g r a t i n g h a s t h e s a m e t e m p e r a t u r e s e n s i n g a n d s t r a i n s e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c a s f i b e r b r a g g g a t in g . t h e t r a n s m i s s i o n p o w e r o f t h e b l a z e d fi b e r b r a g g g a t in g d e c r e a s e d l i n e a r l y w i t h t h e e n v i r o n m e n t r e fr a c t i v e c h a n g e d a n d t h e s e n s i t i v i t y c a m e t o 1 .7 1 8 w w / ( 1 0 3 in d e x c h a n g e d ) . 4 . t h e d e m o d u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f b la z e d fi b e r b r a g g g r a t i n g i s p r e s e n t e d u s i n g e d g e fi l t e r l i n e a r d e m o d u l a t i o n m e t h o d a n d s i d e d e t e c t i o n o f s t r o n g r a d i a t i o n - m o d e m e t h o d . t h e r o e c a l l y a n a l y s i s t h e p r i n c i p l e o f e d g e f i l t e r i n g o f b f b g d u m p e d i n g l y c e r i t e w h i c h i s u s e d a s e d g e fi l t e re r . i t h a s b e e n p r o v e d i n t h e e x p e r i m e n t th a t t h e d e m o d u la t i o n s y s t e m w i t h b f b g h a s a g o o d p r o p e r ty o f w a v e l e n 纳 l i n e a r ly . t h e r e a re d i ff e r e n t p o s i t i o n s p o i n t i n g t o t h e d i ff e m n t w a v e l e n g t h s o f t h e i n c i d e n t l i g h t w h i c h c o m e s i n t o b f b g a n d i t h a s b e e n p r o v e d i n t h e e x p e r im e n t s . t h e f b g d e m o d u l a t i o n s y s t e m w i t h s u c h m e t h o d h a s t h e a b i l i ty o f s i m p l e , s t a b l e a n d r e p e a t b l e 5 . g a s c e l l i s a p p l i e d i n t h e f b g d e m o d u l a t i o n s y s t e m. i t h a s b e e n p r o v e d t h a t c o m p a r e d w i t h t h e r e f e r e n c e f b g w h i c h w a s u s u a l l y u s e , t h e s y s t e m w i t h g a s c e l l i s m o r e s t a b l i l i ty a n d t h e p r e c i s i o n o f t h e s y s t e m i m p r o v e d a b o u t 1 0 p e r c e n t o f t h e f o r m e r s y s t e m k e y wo r d s : fi b e r b r a g g g r a t i n g , b l a z e d f i b e r b r a g g g r a t i n g , g a s c e l l , s e n s i n g , 符号说明 符号说明 n ff- 磁场强度 电场强度 电位移矢量 磁感应矢量 感应极化矢量 电流密度矢量 矢量磁位 坡印亭矢量 分子角速度 分子转动角动量 分子转动惯量 普朗克常数 真空中光速 光纤的介电常数 真空中的介电常数 相对介电常数 光纤的磁导率 真空中的磁导率 相对磁导率 光纤极化系数 光纤纤芯半径 光纤包层半径 光纤固有折射率 光纤包层折射率 光纤纤芯折射率 光纤纤芯模有效折射率 光纤第i 阶包层模有效折射率 纤芯平均折射率变化量 ( 直流分量) 闪耀光纤光栅栅面倾角 写制闪握光纤光栅时紫外光的倾角 传播常数 光纤光栅周期/ 闪耀光纤光栅栅格周期 闪耀光纤光栅沿纤芯方向栅格周期 写制光纤光栅紫外光波长 闪耀光纤光栅纤芯模谐振峰布拉格波长 ( 中心波长) hedbp，as口plhce旬导产殉踌zabno均服 符号说明 滋 卿 j峪， a a 闪耀光纤光栅第i 阶包层模谐振峰布拉格波长 ( 中心波长) 光栅布拉格波长漂移量 光纤有效弹光系数 光纤热膨胀系数 光纤热光系数 八均场 vi l l 南 开. 大 学 学 位 = e 文 电 子 版 授 丰 5 c i x用 协 议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论 文 a n u y 枷 i1 x 4 4 1 k t 4 i 44 ,w v 7 ;k , z 7 a 升 先 系 本 人 在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并己 通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:已 提交的学位论文电 子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本 人 完 全 了 解 主 丑 达 堂 鱼 圭 丝 去 至 的 . 土 退 位i t 3 c 丝 置 里 丛 上 同 意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目 录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前1 6 页)。 公开级学位论文全文电 子版于提交1 年后， 在校园网 上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文” 在保密期限过后同样适用。 院 系 所 名 称 : -if,院 无 j b 于 作 者 签 名 : u . 学号:o 4 o 2 d 日 期 :a - 祥 - t 月 刁 日 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 : y l a - 1 年店 月 ) 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 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 1 1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于 2 0 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。 除文中己 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、 己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 : 来 y _b, ,1 , 7 年o k- 月叩日 第一章 绪论 第一章 绪论 传感器在当代科技领域及工程应用中占有十分重要的地位，各种类型的传 感器在诸多领域已经有了广泛的应用。1 9 7 0年低损耗光纤的研制成功，极大地 改变了传感器的设计方式，为研制新型传感器光纤传感器提供了物质基础。 光纤因其具有灵敏度高、频带宽、抗电 磁干扰、柔韧灵巧、可远程感测、易埋 植、易贴敷等优良特性而被用于多种传感器的设计。近些年来，各种类型的光 纤传感器不断涌现，许多己在多领域得到了广泛的实际应用。 第一节 传感技术概述 传感技术同计算机技术、通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。它是 关于从信源获取信息，并对之进行处理和识别的一门多学科交叉的现代科学与 工程技术。 传感器( t r a n s d u c e r / s e n s o r ) 是与人的感 觉器官相对应的元件， 是指能够感受 规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由 敏感 元 件和 转换元件组成。 通常 而言， 敏感 元 件( s e n s in g e l e m e n t ) ， 是 指传感 器 中 能 直 接感受 或响应被测 量的 部分: 转 换元 件( t r a n s d u c t i o n e l e m e n t ) ， 是 指传感 器中 能 将敏感 元件感受的被探测量转 换成 适 于 传输和测量的 信号 部分 d .q 。 传 感 器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，其生产能力与应用水平直 接影响到信息技术的发展与应用。按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品 质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感系统构造 中的第一个关键。 现代电子技术和计算机技术的发展为信息转换与处理提供了 十分完善的手 段，使检测与控制技术发展到一个崭新的阶段。因此，传感器技术也越来越显 得重要。近年来世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术，视为现代 高新技术发展的关键。从 2 0世纪 9 0年代起，日 本就将传感器技术列为优先发 展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展 的重点内容。我国从2 0世纪9 0年代以来也己 将传感器技术列为国家高新技术 发展的重点。未来的传感器将向着小型化、集成化、多功能化、智能化、系统 第一章 绪论 化、无线化和网络化的方向发展。 第二节 光纤光栅传感技术概述 2 . 1 光纤光栅概述 光纤光栅( f g : fi b e r g r a t in g ) 是一种新型的光无源器件。 它是利用光纤材料的 光敏特性在光纤的纤芯上设置的一种具有空间周期性折射率分布的特种光纤， 其作用在于由被测参量改变或控制光在该区域的光本征参量 ( 波长漂移) ，实现 光在该区域的传播行为方式的改变与控制。通过适配的解调系统获取感知的被 测信息，从而实现对被测量的可靠测量。它的出现，使许多复杂的全光纤通信 网络和传感网络成为可能，并极大地拓宽了光纤技术的应用范围，由此产生了 许多重要的应用。 1 9 7 8年， 加拿大的h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光栅的效 应 1 .z 。 他们利用4 8 8 n m氢离子激光照射 掺锗的光纤， 在光纤中 产生驻波干涉条 纹，制成纤芯折射率沿轴向的周期性分布的光纤光栅。这是世界上第一只被称 为 “ h il l 光栅” 的光纤光栅 1 .3 3 ， 并由 此开 辟了 光纤 光栅传感器研究与应用的 新领 域。 此后，由于受写入效率低等因素的影响，在相当一段时间内，其进展缓慢。 但在1 9 8 9 年， 美国的m e lt z 等人发明了 紫外光侧面写入光敏光纤的技术 1 .4 3 ， 这 项技术不仅有效地提高了光纤光栅的写入效率，而且还可以通过改变两束相干 光的夹角对光纤光栅波长进行调控，为光纤光栅实用化开辟了一条可行的道路。 1 9 9 3年， h i l l 等人 提出了 位相 掩 模写入技术 1 .s ， 极大地 放宽了 对写 入光源 相干性的要求，使光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此 后，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展。光纤光栅的制作及光纤光 敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。随着研究的不断 深入，光纤光栅的优良特性也逐步展现出来，如成本低，稳定性好，体积小， 抗电磁干扰，感应信息被波长编码等，尤其传感器本身就是由光纤制作而成， 便于与光纤结合，使得全光纤化的一维光子集成测控系统成为可能。光纤 光栅的研制成功，成为继掺杂光纤放大器技术之后，光纤领域的又一重大突 第一章 绪论 破( l 6 1 1 .7 j l .8 1 . 2 .2光纤光栅的分类 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据 物理机制的不同，可分为蚀刻型光栅和折射率调制型相位光栅两类。前者在光 纤结构中形成明显的物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期分布。在学 术研究和实际应用等各方面后者均占 主导地位。因此，通常所说的光纤光栅指 的是折射率调制型相位光栅。 一 、 根 据光敏机制的不同， 可 将光纤 光 栅分为以 下 三种类型 1 .9 1 : 1 型、 ii 型 和i i a ( i i i ) 型 光纤光栅。 1 . i 型光纤光栅:连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的 传统意义上的光折变光栅被称之为i 型光栅。 2 . i i 型光纤光栅1 .1 0 : 用单 脉冲 成栅时，不断提高脉冲能量， 发现 存在一 个 取 决 于 光 纤 中 锗浓 度的 闽 值 ( - i i / c m ) ， 低 于 该 闭 值 时 形 成 的 光 栅 均 为i 型 光 栅，而高于该闭值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近1 0 0 %， 称此时 的光栅为1 1 型光栅。 3 . i i a型光纤光 栅1 . 11 1 : 是 在i 型 光 栅的 基础上， 随着曝光时 间的 进 一步增 加而形成的，此类光栅的折射率调制深度随曝光量呈现负增长趋势，需要较高 的u v 曝 光 量 ( 5 0 0 j / c m ) ， 或 者 在 掺 杂 浓 度 较 高 的 光 纤 ( 例 如 高 掺 锗 或 硼 锗 共 掺 光 纤) 内 形 成结 构重构引 起折 射率 变 化 1 .1 2 1 ， 其温度稳定 性较好， 可 达5 0 0 1 c . 二、根据折射率的变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折射 率调制深度分布是否均匀，可以将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大 基本类型。 ( 一) 均匀光纤光栅: 指栅格周期沿纤芯 轴向 均匀且折射率调制深度为常数的 一类光纤光栅。从光栅周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光 栅的典型代表有光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅和闪耀光纤光栅等。 1 、 光 纤 布 拉 格光 栅 【 13 1 ( f b g : fi b e r b r a g g g r a ti n g ) : 栅 格 周 期 一 般 为1 0 2 n m 量级， 折射率调制深度一般为1 0 -1 -1 0 - 1 ， 光栅波矢方向与光纤轴线方向 一致， 如 图1 . 1 所 示。 这种光纤 光 栅具 有 较 窄的 反 射带宽 ( -1 0 1 n m ) 和 较 高的 反 射 率 ( 一 1 0 0 % ) ， 其反 射带宽和反射率可以 根据需要， 通过改变写入条件而加以 灵活地调 第一章 绪论 节。 这是最早发展起来的一类光纤光栅，目 前在光纤通信及光纤传感领域应用 极其广泛。 i n d e x mo d u la ti o n 图1 . 1均匀周期光纤布拉格光栅的结构、折射率分布及光谱特性 2 、 长 周 期 光 纤 光 栅 1. 1a ( l p g : lo n g p e r i o d g r a t i n g ) : 栅 格 周 期 远 大 于 布 拉 格 光栅的栅格周期，一般为几十到几百微米，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。 与光纤布拉格光栅不同，长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，它不是将某 个波长的光反射，而是祸合到包层中损耗掉。 3 、 闪 耀光 纤 光 栅 1 .16 ( b f b g : b la z e d f ib e r b r a g g g r a t i n g ) : 当 光 栅 制 作 时 ， 紫 外侧写光束与光纤轴不垂直时， 造成其折射率的空间分布与光纤轴向 有一个小 角度， 形成闪耀光纤光栅。这种光栅不但可以将入射光部分藕合为后向 传导的 导模， 而且还可将一部分入射光藕合为后向传导的包层模。这部分包层模不仅 受纤芯有效折射率的影响，还要受到包层有效折射率的影响。 ( 二 ) 非均匀光纤光栅: 栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常 数。从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线 性惆啾光纤光栅、分段惆啾光纤光栅以 及非均匀特种光纤光栅等。 1 、 线性惆啾光纤光栅 1 1 .1 6 , 栅格周 期 沿纤芯轴向 在整个区 域内 单调、 连续、 准周期线性变化，折射率调制深度为常数。这种惆啾光纤光栅可视为仅对光栅 周期进行线性调制的情况。 2 、 分段惆啾光纤 光栅 1 .1 7 . 栅格周 期沿纤芯轴向 在分段区 域内 单调、 连续、 准周期线性变化，而折射率调制深度为常数。 这两种惆啾光纤光栅具有的共同 特点是:反射带宽远大于均匀周期光栅的 第一章 绪论 带宽，可达几十纳米，主要用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 3 、非均匀特种光纤光栅:采用特定形式的函数对光纤光栅的栅格周期或折 射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的明啾光纤光栅。 第三节 闪耀光纤光栅概述 对于普通的布拉格光纤光栅 ( f b g ) ，由于它的栅面与光纤轴向垂直，一部 分入射光由于满足b r a g g 条 件， 祸合为反向 传导的纤芯模。 其入射光与反射光均 在纤芯中传播。对于闪耀光纤光栅 ( b f b g )由于栅面倾斜了一定的角度，前向 传导的入射光除一部分藕合为后向传导的纤芯模外，部分还将祸合到包层中， 形成后向传导的包层模。由于单模光纤仅允许 l p u 】 模传输，因此包层模在传播 过程中迅速损耗，最终形成一系列包层模透射峰。由于 b f b g具有一系列包层 模，因此与f b g相比具有很多得天独厚的优势。 内c la d d in g ndeent lghr ! caeiigmi,- ( a )( a ) 图 1 . 2 ( a ) f b g原理图 ( b ) b f b g 原理图 3 . 1闪耀光纤光栅发展简史 由于 b f b g结构相对复杂，且受光纤光敏性及光栅写制技术的限制，在第 一根光纤光栅写制成功后的很长一段时间内 b f b g一直没有引起人们的注意， 直 到1 9 9 。 年， m e lt z 等 人 在o f c会议 上第一次 提出了b f b g的 模型 p .1 8 。 从此 以 后， 作为光纤光栅的一个分支， b f b g引起了 人们的广泛关注。 首先引起人们关注的是 b f b g在掺饵光纤放大器增益平坦中的应用。1 9 9 3 年， k a s h y a p 等人在掺饵光 纤中 直 接写 入b f b g ， 实 现了 掺 饵光 纤 在c 波段3 0 n m 带宽 范围内的增益平坦 l 1 9 由于 b f b g要求光纤具有很高的光敏性，且对写制精度要求很高，因此早 第一章 绪论 期的 工作 主要集中 在 理论 分析 上。1 9 %年， e r d o g a n 与s i p e 一起利用祸合模理 论对相 位模板写制的b f b g 进 行了 理论分析 1 .1 5 ， 他们推导出 了 栅面倾角与模间 藕合系数之间的关系，并且模拟出不同倾角 b f b g 的反射谱图及不同倾角下的 透射损耗。从此，人们对 b f b g的认识有了新的方向，越来越多的人开始从事 b f b g的研究工作。 在2 0 0 0 年之前， b f b g的相关报道较少， 且多数集中在理论方面。2 0 0 0 年 之后，人们开始转向b f 13 g的应用研究。2 0 0 0 年， r a c h e l p a r k e r 等人发现了 对 b f b g扭转时， 它的部分包层模的强度将发生变化， 他们应用模式藕合理论对这 种现象 进行了 理论 解释 1 o 1 ; 2 0 0 1 年， l a ff o n t 等人 提出了 通 过测量b f b g包层 模的数量与归一化包层模包络面积实现了 一种浓度传感器1 .2 q ; 同 年，m ih a i lo v 等人 提出 了 使 用b f b g 作 为 偏 振 相 关 损耗 均 衡 器 “ 2 2 1 ; 2 0 0 2 年， s e u n g i n b e a k 等 人对不同微弯方向的b f b g的透射谱进行分析归类，通过对b f b g透射谱l p i 模谐振峰强度的检测实现了 一种微弯传感器 1 .2 3 1 2 0 0 3年之后，b f b g的发展进入了一个新的阶段，英国a s t o n大学光子学 课题组起到了关键性的作用。在此之前，人们仅对 b f b g的透射谱或反射谱进 行研究。 这一年， 该课题组的z h o u 等人发现，当b f b g浸没到环境折射率大于 光纤包层折射率的溶液中时，它的包层模将不再在光纤中传播，而是藕合到外 界环境中， 形成 辐射模 1 .2 4 1 。 从 此， 人们对b f b g的 研究 进 入了 一 个新的阶 段， b f b g的 辐射模引 起了 人 们的 浓厚兴 趣。 随后， 2 0 0 4年， 该 课 题组的s i m p s o n 等人发现，当 b f b g入射光波长不同时，其辐射模在空间中将具有不同的辐射 方向 1 .2 5 1 。 他们使 用柱透 镜 将b f b g的 辐射模从 溶液中 祸合出 来， 并汇聚到 表面 镀有y 2 0 2 s : e r , y b 的线阵c c d上。 不同的入射波长将对应于线阵c c d的不同位 置;通过检测c c d的空间信息即可得到光波长信息，这就是包层模侧辐射光波 长解调技术。该技术的提出是对光谱成像法光波长解调技术的一个重要突破。 以往的光谱成像法光波长解调技术均需要将光信号从光纤祸合到光纤外的色散 器件，不仅祸合效率低，而且工艺复杂。采用包层模侧辐射光波长解调技术无 需将光纤中传播的光信号祸合至外界的色散器件中，色散器件与光导波器件是 一个整体，很容易实现光波长解调系统的全光纤化。 第一章 绪论 1 . 3 .2闪耀光纤光栅的国内外研究现状 国外闪耀光纤光栅的相关研究工作起步较早，无论理论研究还是实验研究， 工作均开展的比较深入。人们首先在理论方面对 b f b g进行研究，这方面美国 罗彻斯特光学所开展的工作相对较早，并且取得了很多成绩。该研究所的 e r d o g a n 等人采用祸合模理论对b f b g中模式传播特性进行了 推导， 并且计算出 栅面倾角对光栅反射率的影响，并且对 b f b g包层模谐振模式进行了分析。之 后， 该所的l i y u f e n g 等人采用体电 流法对b f b g进行了 分析， 推导出了 光波在 光栅中传播的坡印亭矢量的表达式，并且对不同偏振态的辐射密度进行了分析。 关于b f b g实验方面， 比 较有代表性的是k a s h y a p 等人， 他们第一次将b f b g 应用于实验研究，成功的将 b f b g应用于掺饵光纤放大器的增益平坦。另外， 更值得一提的是 a s t o n大学的光子学课题组。他们发现了当b f b g浸没在折射 率匹配液中，其包层模可以从光栅侧向祸合到外界环境中，并通过使用c c d对 光栅侧向藕合的包层模空间位置的探测，实现了 b f b g入射光波长的解调，从 而提出了一种全光纤化的光谱成像光波长解调方法。 在国内，b f b g相关工作开展的较少。2 0 0 0年，刘崇琪对 b f b g的反射特 性进行了 简 单的理论研究， 推导出了 栅面 倾角对光栅反 射率的 影响 t .z s l ; 2 0 0 4 年， 吉林大学的z h a o z h i y o n g 等人通过在同 一根光栅上写制多个倾角的b f b g ，实 现了一种特定反射谱的光栅，该光栅在 1 5 5 1 n m-1 5 5 5 n m之间具有平坦的反射 峰 1 .2 9 1 1 . 3 . 3闪耀光纤光栅在传感方面的应用 b f b g具有与普通f b g相同的性质，它们在纤芯处具有均匀周期的折射率 调制，因此当外界环境改变栅格周期或改变纤芯折射率时，b f b g与f b g的纤 芯模均会受到影响，表现出来的是纤芯模谐振峰波长的漂移。因此，f b g所具 有的传感特性b f b g也将全部具有。 因此， b f b g可应用于温度、 应变等常规环 境参量的感测。 由于 b f b g栅面具有一定的倾角，它除了将正向传导的纤芯模祸合为反向 传导的纤芯模外，部分还将祸合为反向传导的包层模。包层模不仅与栅格周期、 纤芯的有效折射率有关，还与包层的有效折射率有关，而包层的有效折射率受 第一章 绪论 外界环境的影响， 因此， b f b g的包层模能够在一定范围内感测环境浓度与折射 率的变化。人们通过对包层模包络有效面积的检测实现环境浓度、折射率的解 调，这方面的工作是由法国l a 而n t 等人首先提出的。之后，由于b f b g栅面结 构具有不对称性，人们通过对 b f b g包层模包络变化特性的检测实现了扭转传 感器与微弯传感器。 2 0 0 5 年， c h e n x ia n f e n g 等人对多模光纤上写制的b f b g进 行腐蚀， 通过对低阶包 层模的 漂 移量的检测实现了 一种折 射率 传感器1 2 6 1 ; 2 0 0 6 年，z h a o c h u n l i u 等人使用一根3 0 倾角的b f b g实现了 温度与折射率的同时测 量1 .2 7 1 。 可以 说， b f b g传感方 面的 工作均围 绕b f b g包 层模 展开的。 对于普通 的f b g而言，是不具备上述特性的.因此b f b g在传感方面有着很广阔的应用 前景。 1 .3 .4 闪耀光纤光栅在光波长解调方面的应用 由于 b f b g栅面倾斜，因 此它会将部分前向 传导的纤芯模祸合为后向 传导 的包层模:当外界环境的折射率大于光纤包层的折射率时， 它的包层模在包层 中的传播条件将遭到破坏， 进而被藕合到外界环境中。对于不同的入射光波长， b f b g的包层模将具有不同的出射方向， 也就是不同的波长将应对于不同的空间 信息:我们通过对空间光信号位置的检测实现b f b g入射光波长的解调. 事实上，当b f b g浸没在折射率大于光纤包层折射率的环境中时，它的透 射谱具有一段范围很宽且线性度很好的下降沿与上升沿，因此，我们可以将 b f b g用作边沿滤波器件， 应用边沿滤波法实现其入射光波长的解调。 第四节 光纤光栅解调技术 光纤光栅传感信号解调技术，是将光纤光栅传感器检测到的传感信息从以 波长编码的传感信号中解调出来，然后转换为电信号以进行显示和计算的技术。 测量波长变化量的经典方法是直接采用光谱仪测量和使用多波长计两种方法。 但这两种方法所需设备体积大，成本高，仪器价格昂贵，故仅适合在实验室中 使用. 为此，除上述两种方法外，人们又提出了多种解调办法。其中比较典型的 解调办法如千涉法、可调谐滤波法、边沿滤波法、成像光谱法、匹配光纤光栅 第一章 绪论 法等。 表1 . 1 列出了典型的光纤光栅传感信号的解调方法。 表1 . 1典型光纤光栅解调方法 赢 12 q.v v um 精度解调速度解调范围稳定性 干涉法极高( - o .o l p m )快(一l m s )大( 1 0 0 n m ) 差 可调谐滤波法高 ( -l p m )慢( l o o m s )较大( 5 0 n m )好 边沿滤波法 高 ( - o . l p m ) 快( 一l m s )小( 2 0 t i m ) 较差 光谱成像法 低 (- 5 0 p m )快( 一l m s )较大( 4 0 n i n ) 好 匹配光纤光栅法高 ( - o . l p m )慢( 一1 0 0 0 m s )小( 2 0 n m )较好 下面仅对几种常用的解调方法予以介绍。 1 . 4 . 1可调谐滤波法 ， 3 5 1 光纤f - p滤波器具有类似8函数的性质，其干涉原理如图1 . 3 所示。 入射光 户种种种种今 出射光 -一一卜 部分透射/ 反射镜 图1 . 3光纤f - p 滤波器原理 设f - p 腔长 度为l ， 入 射光 功率为石 ， 出 射 光 功 率 为 i a ， 腔 镜 的 反 射 率 为 凡， 则 f - p 滤波器的 透射率t i, 可 表 示 为 : ( 1 一 r m 2 (1一 * . )2 一 4 r . sin 夸 ( 1 . 4 . 1 ) 式中8 表示谐振腔中每个波和它前一个波的相位差，表示为: : = 竺丝 c o s b , 十 2 0 兄 ( 1 . 4 . 2 ) 式中n 为f - p 腔中 介质的 折射率; 1 为f - p 腔的腔长:a 为 入 射 波 长: 叹为入 第一章 绪论 射至f - p 腔光 线的 入射角， 当 光线垂直入 射时s , 二 。 ;护 为 光 线在腔内 反 射时的 相移，常可忽略。 由上两式可知， f - p 滤波器的透射率与腔长l 及入射光波长a 有关， 因 此它具 有波长选择透过的能力，通过调节f - p 滤波器的腔长可以选择不同的透射波长. 若使用压电陶瓷改变f - p 滤波器的腔长， 则可通过在压电陶瓷上施加周期性驱动 电压实现一定范围内波长的选择。 图1 .4 为 采用可 调谐 光