（电磁场与微波技术专业论文）基于重叠写入啁啾光栅fp腔滤波器的研究.pdf

中文摘要 摘要：近年来，准分布式光纤光栅传感技术凭借着测量精度高、测量距离远、可 多点分布式测量、寿命长、适应各种恶劣环境等优势，在现代工程长期实时健康 监测领域中的应用越来越广泛，而作为整个传感系统核心器件的法布里玻罗腔滤 波器( f p 腔滤波器) 更是目前的研究热点之一。 本文利用重叠写入啁啾光栅技术，分别应用不同方法形成f p 腔滤波器，应用 耦合模理论对其进行理论分析，并结合实验及仿真结果对各种方法进行比较。本 文的主要工作及创新点如下： 1 概述光纤及光纤传感技术的发展历程及其在实际中的应用现状，分析比较了目 前几种主要f p 腔滤波器的结构和特点。 2 详细阐述f p 腔滤波器的原理，分析了f p 腔滤波器的装置结构，调谐过程以 及自由光谱范围。介绍光纤光栅的理论模型，并应用耦合模理论，分析啁啾光 栅的光谱特性和折射率调制。基于对f p 腔滤波器和啁啾光栅的研究，利用重 叠写入啁啾光栅形成f p 腔滤波器。 3 比较了三种形成f p 腔滤波器的方法，即啁啾光栅串联法，施加应力重叠写入 啁啾光栅法和移动相位掩模板重叠写入啁啾光栅法。啁啾光栅串联法结构简 单，但由于啁啾光栅长度过长，梳状透射光谱不明显。应用施加应力法重叠写 入啁啾光栅法，可形成明显梳状透射光谱，证明了利用重叠写入啁啾光栅形成 f p 腔滤波器的可行性。移动相位掩模板法可形成明显的梳状透射光谱，并且可 精确控制两段啁啾光栅中心波长的偏差，透射光谱的自由光谱范围明显展宽。 4 理论分析了移动相位掩模板重叠写入啁啾光栅法制作f p 腔滤波器的特性，获 得高精细度谐振峰的参数特性，并分析了啁啾光栅的啁啾量大小对f p 腔滤波 器性能的影响。结果表明，两段啁啾量为3 胁的啁啾光栅重叠写入同一段光纤 后，透射光谱可形成精细度良好的谐振峰，自由光谱范围可达1 3 n m ；重叠写 入啁啾量4 衄的啁啾光栅后，自由光谱范围可达1 7 m ，重叠写入啁啾量5 衄 的啁啾光栅后，谐振峰仍保持较高的精细度，自由光谱范围可达2 l 吼，完全满 足单路传感光栅波长解调的要求。 5 分别采用施加应力法和移动相位掩模板法进行实验，在同一段光纤中，重叠写 入啁啾光栅形成f p 腔滤波器。两种方法，都可形成明显梳状透射光谱，且使 用移动相位掩模板法，透射光谱的自由光谱范围可达0 6 姗。实验结果表明， 利用廉价而又成熟的啁啾光栅重叠写入技术可以形成f p 腔滤波器。 关键词：f p 腔滤波器，啁啾光栅，耦合模理论 分类号lt n 2 5 3 a bs t r a c t a b s t r a c t ：h lr e n ty e a 墙，t a l 【i n gn 坞a d v 锄t a g c so f 廿l et l i 曲a c c 盯y m el o n g d i s t a i l o fm e 舔u r i n g i n u l t i p l e - p o i n tm e 鼬u r e r n t ，1 el o n gl i f e t i m e ，a d a p t e dt 0a l l k i i l d so fs e v e 饥讥r 0 i 蛐e n t 她ds oo i i t 1 1 ea p p l i c a t i o 瑚o fq u 鹪i - d i s t r i b u t i o n a l0 p t i c a l 6 b 盯黟撕n gs e l l s i n gt e d l n i q u e ，a g e 钍i n gm o r e 锄dm o r ew i d e s p r e a di nt l l el o n g - 缸e 觚dr e a l - t i m eh e a l t l lm o m t o 血go fm o d 锄p r o j e c t s ，l e n 弱t l l ek e yd e v i c eo f i ew h o l e s e n s m gs y s t 锄，f a b r i - p 啪tc 州t yf i l t 呱f pc a v 时f i l t 神i so n eo fh o ts p o t so fr c s e 瞰湘 a t 呻a l t t l l i sa n i d e m a l 【e sm e6 f m c 枷q u e o f s u p 甜m p o s i i l gc b j 印e db r a 鹊咖g s t 0 f o mf pc 撕t ) ，丘1 t 盯祈t l ld i f j 衙e n tm e c i l o 出，锄a l y s i si t st l l r y 谢l 圮c o u p l e dm o d e t l l 吼m a l 【鹤c o m p a i i s o nt 0 船c hm e d l o dc 伽曲i i l i n g 、) i r i lm er e s u l t so fe x p 耐m e n t s a n ds i i n u l 鲥。粥t h em 旬o r 锄di n 】v 撕o nw o r ki s 鹪f o l l o w s ： 1 s n m a r i z e dm ed e v e l o p r n e n tp r o c 鹤s 锄d l ec i m a n ta p p l i 硎o ns i t u a t i o no fo 砸c a l f m 钉鳃w e l l 鹤廿l eo 州c a jf i b 盯s e 璐i i l gt c “q u c ，i i l 仃( ) d u c e ds 吼r e r a lm a i l lk i i l d so f f pc 撕t ) rf i l t 酽ss 咖c t u 溺a n dm ec h 撇c t 耐s t i 娼 2 e l a b o 栩慨廿l ef pc 撕t y1 6 i l 吲sp 咖c i p l ei nd “l ，锄a l y z e d 岫m e d h a l l i 锄s 仃u c t i l 他 o ff pc 撕t ) rf i l t e r ，h a n n o i l i o u sp r o c 懿s 嬲w e l l 弱仔s p e c h 试r 锄g e ；i i l 仃o d l l c e dn i e l 侧i c a lm o d c lo f 曲盯b m 鹊野l t i n g s ，舳d 璐i 1 1 9p a i rm 砒c h e dm o l d sm a n a l ) r s i s 廿l es p e c t r a lc h 撒c t 甜s t i ca n dm em o d u l a t i o no f 阳觑蜥v ei i l d 懿o f 唧e 咖l p o s e dc h i r p e db m 鹊乎a l i n g s p r o p o s e dn 地f p 谢v i 够1 6 i l t 盯f o l m e db y 跚阿咖p o s e d 出巾e db m 路舯衄g sb 船e d t l 坞溺既r c l lo ff p 谢v i 哆丘l t 贫觚d 舭c h 卸e db m 鹊乒a 血笋 3 c 0 m p a 同l i 优m e t l l o d so ff 0 珊曲gf pc 撕t ) ，6 l t 懿，m 砒l ( ，do fd l i r p e db r a 鲳 铲a t i n g ss e r i 嚣，s u p e r i l n p o s i i l gc h i 印e db m g g 孕a t i n g s 丽t l im e m o d o ff 0 r d n gs 懒s ， s u p 钟i m 】p o s i i l g 出印c db m g g 伊撕n g s 州廿lm e m o do fp h 鹪em 鹪kg i l i n i n g t h e s 臼m c 嘶i ss i i i l p l ei i l 邯m gm e t l l o do f s 丽鹤c i l i 叩e db m 鹊孕砒i i l 铲，b u t 廿l e 佗i s o b 、r i o 啪c o n l b - l i k et r a n s m i s s i o ns p m 吼b 肌s et h e 蛳e db r a g gg r a l 妇笋a 啪l o n g t h e 旭i so b v i o 瑚c 0 i i 】l b - l i k e 眦m 蛐 1 i s s i o ns p 仪= 协l ma r 盯s u p e r i m p o s i i l g c h i 叩e db m 鹊鲫i n 挚w 池m e 吐1 0 do ff o r c m gs 懒s t l l i sm e m o dh a dp m v m e f e 嬲i b i l i t yo ff o m l i n g 廿l ef pc a 访t yf i l t 盯w i ms u p 盯岫s i n gc h i 印e db r a 昭 f 撕n g s w i t l l 也em e 怕d o fm e t l l o do fp h 鹪em a s k 蛳f t i n gt 0s u p 嘶m p o s em 叩e d b r a 鹊莎a t i n 擎，m e 舱i s a l s o n l b - l i k e 仃a n s m i s s i o ns p e c t r 啪，舳dm eg a p b e 帆e 锄t 、oc h i 巾c db r a g g 黟a t i n g s c e 曲面w a v e l e n g t l lc 锄b ec o r 蜘1 1 e d a c c i l r a t e l y i i la d d i t i o l l ，l e 疳e es p e c 仃a 1 舢g ei nt r a n s m i s s i o ns p e c t r 哪i sw i d 盯 o b 、，i o u s l y 4 a n a l ) ，z e dt l l ec h a r a c t e r i s t i c so ff pc a v i t ) rf i l t e 船b ys u p e r i m p o s i n gc _ 1 1 i 叩e db 强略 蓼a 缸g s 晰也m e m o do fp h 弱em 斌s h i m n gi n 也e 0 m 0 b t a i n e d 也ep 盯a m 勖懿 o fr e s o n 锄c ep e a l 【w i 廿li l i c ej f i n 铋懿s ，锄d 觚a l y z e dm ei n f l u c eo fc h i 印q 啪n t i 锣t 0 m ep e r f o n l l 觚c eo ff pc a v 时丘l t e 陪t h es i r 肌l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dn l a t 姐盱 s u p c r i m p o s i n gc _ i l i 印e db r a g g 刚i n g s 谢mc t l i 印q 啪t i t yo f3 衄，t l l e r e i s r c n 锄c ep e a l 【谢mi l i c e 丘n 懿s ，趴dt l l e 舶es p e c n 面砌g ec o l u l dr e a c h1 3 姗； a r 盯鲫p e 脚s i i l gc h i r p e db r a 鹊伊a t i n g sw i 廿lc k 印q 瑚m i 哆o 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治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来裴老 师对我的关心和指导。 裴丽教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向裴老师表示衷心的谢意。 裴丽教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李卓轩、彭万敬等同学对我论文中的理论分 析，仿真及试验等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母和同学，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 k 。 1 引言 近年来，准分布式光纤光栅传感技术凭借传统电传感技术无可比拟的高精度、 远距离、分布式和长期性等优势，已成为现代工程结构长期实时健康监测领域的 研究热点。而目前的光纤光栅传感系统中，大多数都采用f p 腔滤波器进行波长调 制和解调。作为整个系统的核心器件，f p 腔滤波器性能的优劣，直接决定整个传 感系统的好坏【1 h 4 1 。 1 1 光纤传感的发展与现状 1 9 8 9 年，美国的g m e l t z 等人发明了紫外光侧写入技术，他们利用两束干涉 的紫外光从光纤的侧面写入了光栅，这项技术大大提高了光栅的写入效率【5 】。同 年，m o r e y 首次报道了光纤光栅用作传感器的研究【6 1 。4 年后，k o h i l l 等人又提 出了相位掩模写入技术，让紫外光经过相位掩模板，利用衍射后的l 级衍射光形 成的干涉条纹，对光纤曝光，形成光纤光栅。此项技术的提出，极大地降低了对 曝光光源相干性的要求，制作光纤光栅更加容易，并且为光纤光栅的批量生产提 供了可行性【7 1 。光纤光栅写入技术的逐渐成熟，激起了全球对于光纤光栅技术研 究的热情，利用光纤光栅制作的各种有源器件和无源器件，及其在通信和传感方 面的应用不断涌现。 传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型 和“干涉型”。光强型光纤传感器 测量光强的大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素 会影响测量精度；干涉型光纤传感器读取的是观察干涉条纹的变化，所以对于干 涉条纹的清晰度要求较高。但是两路干涉光的光强相等，才能使干涉条纹清晰， 这就使得光纤光路灵活和连接方便等优点大打折扣。而且它作为过程传感器，必 须要有一个匹配参考点，这种要求，就给光纤传感器的在实际中的应用增加了不 少的麻烦。表1 1 列出了目前比较有代表性，并且应用较为广泛的光纤传感器，并 比较了它们的特性。其中光纤光栅传感器的各项性能均较为优越，是时下光纤传 感技术研究的热点。 光纤光栅( f b g ，f i b 盯b r a 鹤g r a t i n g ) 由均匀周期光纤布拉格光栅构成的，它是 直接在光纤纤芯中写入周期性的条纹。白光射入到光纤光栅时，光纤光栅只反射 满足b r a 】陷条件波长的光，对于其他波长的光没有任何影响，完全透射。一个2 锄 的f b g 是由大约2 万个条纹构成的，所以它的q 值极高，即光纤光栅的反射带宽 极窄，如此窄的波长特性十分适合应用于传感领域，可达到相当理想的精度。 表1 1 代表性的光纤传感器的特性比较 t a b l e1 1c h a m c t 谢s t i cc o m p a s o no fr e p r e s e n t a t i v eo p t i c a lf i b e rs e n s o r s 光纤传感器类型多路复用能力灵敏度长度范围适应性埋入l o 个传感点 m a c h z c h n d 盯 好 高低差 m i c h d s o n好高中等差 s a g n 好中等 低 差 分布式传感器 r 姗a n 好 低低好 r 丑y l e i g l l 好低低好 s a g n a c ，m a c h - z c h n d c 好低低好 f a b d ，p e t 干涉仪 好高高好 微弯好中等中等好 双模传感器差高低差 偏振计 差 高低 差 断裂传感器差中等低好 光纤光栅传感器好高高好 采用适当的光源和光纤增敏技术，几乎可以在各种光纤上不同程度地写入光 栅。光纤光栅就是光敏光纤在选定波长光照射后形成的折射率呈固定周期性分布 的一种无源光器件，其结构及光谱特性如图1 1 所示： 光栅 包层纤芯 波长 图1 1 光纤布拉格光栅结构及光谱特性 f i 9 1 1s n l l c t u 他蚴ds p e c 仃a lc h 眦c t 丽s t i co f o p t i c a lf i b 盯b m 鲳( 髓t 抽g 光纤光栅传感的基本原理：利用光纤光栅的平均折射率和栅格周期对外界参 量( 例如温度，应变) 的敏感特性，将外界参量的变化转化为光纤光栅布拉格波 长的改变，通过检测光纤光栅波长移动，实现对外界参量的测量。 相对于传统电传感器，光纤光栅传感器具有一些明显的优点。其中最重要的 就是它以波长调制作为传感信号，这一传感机制的好处在于： 1 光纤作为传输介质，具有抗电磁干扰、防水、耐高温、抗腐蚀等特点，信息 在传输过程中具有很好的保密性，可用于比较恶劣的环境下工作。 2 光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全 因素，因此防爆性能好，非常适于易燃、易爆对象，如石油化工、矿井等的参数 测量。 3 光纤直径小、细而柔软，可制成小巧的传感器探头用于测量特殊对象的参数。 4 光纤光栅传感单元易于与光纤耦合，耦合损耗小，有利于与光通信技术结合， 组成光纤传感网络。 5 测量对象广泛，包括温度、应变、压力、磁场、加速度、位移、电压等。 6 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。 7 光纤光栅是自参考的，可以进行绝对测量，避免一般干涉型传感器中相位测 量不清晰和对固有参考点的需要。 8 能方便的使用波分复用、时分复用、空分复用等复用技术，也可以综合使用 各种复用方法，便于构成各种形式的传感网络拓扑结构，进行大面积的多点测量。 9 光纤光栅的写入工艺较为成熟，制作成本相当低廉，因此便于形成商品化大 规模生产，从而使得整个系统的成本大大降低。 l o 光纤光栅很容易埋入材料中，对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范 围的测量。 光纤光栅的布拉格波长对温度和应力敏感，其他的物理量进行测量时，可以 通过一定装置，将其他物理量转化为温度或应力进行测量，再对测量结果进行相 应转换。因此，光纤光栅传感技术的应用领域十分广泛，已经应用到包括民用工 程、军事、化工、医疗、电力等各个方面。 1 2f p 腔滤波器的发展现状 可调谐f p 滤波器是光纤光栅传感系统中最为核心的关键器件之一，目前，对 f p 腔滤波器实用化研究正越来越受到人们的高度重视。在光纤光栅传感中，可调 谐f p 腔滤波器作为波长解调装置，其性能的优劣直接决定了整个传感系统性能的 3 好坏【8 h 9 1 。 目前世界上主要的可调谐f p 腔滤波器可分为如下几类：微型电动机械系统 ( m e m s ) f p 腔滤波器、波导f p 腔滤波器、液晶f p 腔滤波器、光纤f p 腔滤波器 ( f f p f ) 、固体腔f p 腔滤波器。此外还有独立多腔光纤f p 腔可调谐光滤波器，角 度可调谐f p 腔光滤波器等。 1 2 1m e m s 型f p 腔滤波器 m e m s 型可调谐f p 腔滤波器可由多种不同的材料和构造制作而成。下面介绍 两种m e m s 型可调谐f p 腔滤波器【1 0 】。 图1 2 ( a ) 所示的是基于薄膜材料的i n p 空气隙结构的m e m s 可调谐f p 腔滤波 器。 该滤波器由三大部分组成：上反射镜，下反射镜以及中间的空气腔。上下反 射镜的材料不同，分别掺杂p 和掺杂n 。上边三层h l p 薄膜构成的布拉格反射镜， 被厚度为名4 的空气隙隔开，h l p 薄膜和空气的折射率对比度很高，所以少许几层 薄膜就可以达到很高的反射率( 9 9 以上) ，并且形成一个的抑制频带，这个抑制 频带非常宽，范围为1 2 5 0 1 1 m 1 8 0 0 1 1 m i j 。下边的布拉格反射镜的组成和上边的反 射镜组成原理相同。此种m e m s 结构的f p 腔滤波器，分别在两个反射镜上加反 偏电压，反偏电压产生的静电力使腔长收缩，改变腔长，持续调节滤波器的谐振 波长，完成滤波扫描。 与普通的m e m s 滤波器相比，此种m e m s 滤波器具有非常好的性能：首先， 自由光谱范围非常广，可以达到6 3 0 衄，其次，扫描滤波的实现也很容易，只需 加3 2 v 的驱动电压就可实现1 4 0 i l m 的可调谐范围。另外，抑制频带很宽达5 5 0 n m ， 可用于粗波分复用( c w d m ) 系统中【1 2 1 。 图1 2 ( b ) 所示为另一种m e m s 型f p 腔滤波器。该滤波器整体结构为一浮桥， 由顶部和底部两片光学反射镜组成f p 腔，两个反射镜分别位于在硅底层上和浮桥 上。反射镜是由薄膜和& d 2 薄膜交替沉积而成，其总厚度为元4 ，由于和q 都具有很高的折射率对比度，所以由其形成的反射镜也有很高的反射率( 达9 9 ) 。 此种f p 腔滤波器的腔长调节同之前介绍的m e m s 型滤波器相同，在顶端和底端 分别加一个电极，通过电极上的驱动电压获得静电力，由静电力的作用来调节腔 长，完成扫描滤波，透射所需要的波长。但是该滤波器在制作过程中，需要的非 常低的温度( 2 0 0 ) ，由于超低温这一特性，其制作过程适用于不同材质的底层， 并且最终形成f p 腔滤波器的透射光谱也不受任何底层的限制，该滤波器除了可以 光纤传感系统，w d m 系统外，还可以与其它的光学设备结合使用，如可调谐 4 v c s e l ，干涉仪和光谱仪等【13 1 。 掺杂p 掺杂n 项层金属垫片 顶部分布布拉格反射镜 空气腔 底部分布布拉格反射镜 i n p 衬底 _ i n g a a s ( a ) 结构l 桥形结构顶部反射镜顶部电极 底部电极底部反射镜 ( b ) 结构2 图1 2m e m s 型f p 滤波器垂直结构 f i 9 1 2n ev e r t i c a ls 觚i c t 嗽o f m sf pc 州够f i 腧 m e m s 型可调谐f p 腔滤波器在光纤传感，光信号处理和无线电通信中都有着 较为广泛的应用。它可调谐范围大，精细度高，自由光谱区宽，当与活性激光媒 介结合时，可以实现可调谐激光器的诸多特性。m e m s 型可调谐垂直腔表面发射 激光器( v c s e l ) 在需要频率灵敏的光发射机的光网络中有着广阔的应用前景【l 。 1 2 2 波导f p 腔滤波器 在实际工程项目中，不仅要求可调谐f p 腔具有足够宽的由光谱范围和足够高 的精细度，对f p 腔滤波器的调谐速度也有一定要求。微型电动机械滤波器的调谐 时间范围在，凇到几十个伊之间，而波导f p 腔滤波器的调谐速度可达到几十个船， 甚至还可以达到几个淞。 图1 3 所示的是t i ：l i n b 0 ，波导滤波器，它是由两个f p 腔滤波器级联而成的。 沿着y 轴方向的t i 扩散的直波导制作在l i n b o ，衬底上。完成之后在波导的两端进 行抛光，然后在两端镀膜，膜层的材料为反射率8 9 的绝缘反射膜。这种f p 腔滤 波器的中心波长是通过加载在波导上的电压产生的电光效应来调节的，其调谐速 度非常快，可以达到5 0 凇。对于噪声信号，这种级联的波导滤波器可以有效地进 行抑制，并且可以用于1 2 5 g 娩间隔的1 2 8 个信道的密集波分复用技术，促进了 大范围的光学视频路由网络的发展【1 5 】。 输入 腔长 图l - 3t i ：l i n b 0 3 波导型f p 腔滤波器 f i 9 1 3t i ：l i 0 3w 删伊i d c f p c 撕t ) r f n 噼 图1 4i n g 山p 恤p 短腔f p 滤波器 f i 9 1 4妣p h i ps h 砸c 毗yf 1 pf i l t e r 1 2 3 液晶光调谐f p 腔滤波器 囝 液晶光调谐滤波器的原理和f p 腔滤波器的原理大致相同。 图1 5 所示即为液晶光调谐滤波器的结构。基本结构为一f p 标准具( e t a l o n ) ， 中间层为液晶物质，两边为玻璃衬底，在玻璃体的内侧加入透明电极( 一般为i n d i u m t i i lo 虹d ee l c c 呐d c ) ，然后用高反射率物质进行多层镀膜，形成f p 腔滤波器。液 晶滤波器的调谐由两电极形成，具体过程如下：两电极间电压变化引起电极间电 场的改变，从而引起液晶分子晶向排列的变化，进而改变液晶物质的折射率来完 成调谐工作。液晶光调谐滤波器属于块状结构，所以不利于与光纤的输入输出耦 合。液晶光调谐滤波器的一些其他特性如下所示： 1 自由光谱范围在5 0 n m 左右； 2 插入损耗在枷左右； 3 分辨率在o 1 7 o 4 n m 左右： 4 调谐电压低； 5 偏振态敏感； 6 液晶存在散射损耗与吸收【1 7 】。 此滤波器可用作光纤传感系统和w d m a 光网络系统中的信号解调器【1 8 】，可 调谐激光器中的调谐元件，还可以用于光谱成像系统中进行目标识别【1 9 】，用途十 分广泛。 a r 表层 玻璃_ 村底 透明电极 多层介质高反射族 环氯密封胶 准直层 液晶 图1 5 可调谐液晶f p 腔滤波器基本结构 f i 9 1 5b 勰i cs 咖c eo f a b l eu q i l i df pc 州锣f i l t e r 7 1 2 4 光纤f p 腔滤波器 为满足实际工程项目对自由光谱范围和插入损耗的不同要求，光纤可调谐f p 腔滤波器分别采用了下面三种不同的结构。 光纤 压电陶瓷 图1 6 波导型光纤f p 腔滤波器 f i 9 1 6w 觥弘i d e f i b 盱f p c 撕缈f i l t e r 压电陶瓷 图1 7 空气隙型光纤f p 腔滤波器 f i 9 1 7a i 卜g 印f i b 盯f p c 州哆f i l 衙 压电陶瓷 图1 8 改进型波导f p 腔滤波器 f i 9 1 8i n l p v e dw a v e g i l i d ef i b c r f pc 州锣f i l t e r 最早研制的光纤f p 腔滤波器如图1 6 所示，采用了波导腔型的结构。即在光 纤两端面直接镀高反膜，使光纤本身构成f p 谐振腔，通过压电陶瓷改变光纤长度 8 来实现对腔长的调节，进而实现波长扫描滤波。但此种光纤f p 腔滤波器由于受结 构的限制，f p 腔的腔长一般为厘米到米量级，所以其自由光谱范围较小。 图1 7 为空气隙腔型的光纤f p 腔滤波器。与波导型光纤f p 腔滤波器相同， 都是在光纤端面镀高反膜作为反射镜，不同之处在于此种结构的光纤f p 腔滤波器， 是利用两个端面与之间的空气隙构成f p 谐振腔。压电陶瓷驱动其中一个反射镜沿 轴向伸缩，调节腔长，进行滤波扫描。这种结构的光纤f p 腔滤波器的腔长很短， 一般都小于l o 朋，所以自由光谱范围较大，但是插入损耗较大。d m a r c 峪e 等人 指出这是由于开腔的模场分布与光纤的模场分布不匹配所造成的，限制了这一结 构的光纤光栅f p 腔的腔长不能大于1 0 朋。j s t o n e 等人利用大模场与光纤模场的 匹配，得到了插入损耗为4 3 d b 的光纤f p 腔滤波器( 细度为l o o ，光纤模场半径为 7 1 5 脚，腔长为7 朋) 。 图1 8 所示的第三种结构为改进型的波导f p 腔滤波器。在滤波器空气隙腔内， 再加入一段光纤波导，通过调节波导段的长度来实现对其自由光谱范围的调整( 其 长度一般在1 0 0 朋到几硎范围内) ，其自由光谱范围可调的优点，正好填补了前 两种结构的光纤f p 腔滤波器的空白。同时，这种结构的f p 腔滤波器不仅解决了 第二种光纤f p 腔滤波器存在的模式失配的问题，并且由于其腔长可以大于1 0 朋， 还有效的克服了损耗过大的问题，弥补了前两种光纤f p 腔滤波器的缺点。j s t o n e 等人报道了细度为1 0 0 0 ，插入损耗为伽的最好结果。 光纤f p 腔滤波器作为光纤器件，输入端和输出端均为光纤，这样的结构非常 有利于实现光通信系统的全光纤化。结合上述几种光纤f p 腔滤波器，对光纤f p 腔滤波器的特点进行总结： 1 纤入纤出，器件的损耗可以做到很小( 约3 招左右) ； 2 自由光谱范围覆盖范围极大，从肘：陇量级到上百个以m ，可根据不同的要 求以不同的结构来满足其不同的自由光谱范围； 3 分辨率高，精细度可以做到上千； 4 器件稳定性好，与偏振无关： 5 调谐简单。 光纤f p 腔滤波器用途十分广泛，在光纤传感系统可用作传感元件进行温度， 压强和应力的测量。此外在光通讯系统中，可作在w d m 系统的解复用，还可用 在光纤环形激光器中实现可调谐波长输出，用在掺铒光纤放大器( e d f a ) 中进行噪 声抑制等。 1 3 课题研究的目的和意义 9 光纤f p 腔滤波器，具有准确度高，体积小，结构简单，插入损耗小，抗电磁 干扰，耐腐蚀，适用于恶劣环境的优点，并且可用于多点分布式传感网络，近些 年来，在桥梁、隧道等大型建筑的监控测量工程上，应用越来越广泛。 以石英晶体作为反射面的f p 腔滤波器，在实际应用中难以实时保持完全平行， 所以目前国内外许多企业和高校都在致力于各种光纤f p 腔滤波器的研究和生产。 但能够满足实际工程中应用的光纤f p 腔滤波器，基本依靠国外公司进口，价格不 菲。例如m i c r o no p t i c si n t e 心a t i o n a l ( m o i ) 公司生产的通用型号的光 纤f p 腔滤波器，单支价格在人民币三万元以上，如根据特殊需求定制的光纤f p 腔价格将更加昂贵。 现有大部分光纤f p 腔的结构都是将光纤切断，在两端面上镀膜作为反射面， 再将两镀膜端面分开一段距离，利用p z t 或其他材料控制镀膜端面的距离，形成 可调谐f p 腔滤波器，其工艺复杂，要求较高。本文利用啁啾光栅能够反射一段波 长内的光这一特性，以啁啾光栅作为反射面，在同一段光纤中，重叠写入两段啁 啾光栅，形成f p 腔滤波器。以价格低廉的光纤和技术成熟的相位掩模光纤光栅写 入技术，制作新型廉价光纤光栅f p 腔滤波器，为f p 腔滤波器的研究提供新方向， 并争取在一些场合替代昂贵的进口光纤f p 腔。 1 4 本文的主要工作 利用重叠写入啁啾光栅形成f p 腔，此项研究在国内外均属于研究阶段，在企 业和实验室都还没有成熟的产品。本文理论结合实验，研究了基于重叠写入啁啾 光栅的f p 腔特性，应用不同方法形成f p 腔滤波器，比较各种方法优缺点，对实 验中各参数的选取做了优化性研究，主要工作如下： 第一章介绍光纤传感技术及f p 腔滤波器的发展与应用现状，以及本课题研究 的目的和意义。 第二章介绍f p 腔滤波器的原理以及目前f p 腔滤波器的几种结构，啁啾光栅 的理论模型，折射率调制及耦合模理论分析，给出了基于重叠写入啁啾光栅f p 腔 滤波器的理论模型与具体实验方案。 第三章研究了重叠写入啁啾光栅的实验方案，分别应用啁啾光栅串联法，施 加应力重叠写入啁啾光纤光栅法，移动相位掩模板重叠写入啁啾光栅法，形成基 于啁啾光栅的f p 腔滤波器。理论分析了上述三种方法形成f p 腔的特性，并和实 验结果对三种方法进行比较。 第四章重点研究移动相位掩模板重叠写入啁啾光栅法。理论分析了获得高精 细度实验结果的优化参数，分析了重叠写入更大啁啾量的啁啾光栅的f p 腔特性， 1 0 结果表明，在形成明显梳状透射光谱基础上，自由光谱范围进一步增大。分析了 实验结果精细度差的原因，并给出了改进方案。 第五章总结本文工作，并对下一步研究的方向做出建议和展望。 2 基于重叠写入啁啾光栅f p 腔滤波器原理 基于重叠写入啁啾光栅的f p 腔滤波器原理与传统f p 腔滤波器大致相同，主 要特点是以啁啾光栅取代传统反射镜面，并且由于啁啾光栅长度通常较大，所以 为保证该f p 腔滤波器有一定宽度的自由光谱范围，将两段啁啾光栅重叠写入在同 一段光纤中，形成f p 腔。本章着重介绍基于重叠写入啁啾光栅f p 腔滤波器的原 理与结构。 2 1f p 腔滤波器原理 目前f p 腔干涉装置主要如下有两种结构，可调谐f p 腔滤波器结构和f p 标准 具结构【2 们。 图2 1 为可调谐f p 腔滤波器结构。由两块相互平行的、并且内表面具有高反 射率的平面玻璃板组成，通过压电陶瓷或其他装置改变两块玻璃板之间的距离， 实现扫描滤波的功能； 图2 1 可调谐f p 腔滤波器 f i 9 2 1t u n a b i e f p c 州锣f i l t e r 高 反 一l 1r 射 膜 图2 2f p 标准具 f i 9 2 2f pe t a l 1 2 屏暮 图2 2 为f p 标准具结构。一块外表面都是高反射率的平行平面玻璃板，并且 固定两个反射面之间的距离，这种形式结构称为标准具。 本文讨论的f p 腔滤波器属于第一种f p 腔结构。 f p 腔的特性如图2 3 和图2 4 所示，当光照射在一个反射率为9 9 的高反射 镜后，若不考虑反射镜损耗的理性情况下，入射光只有1 能够到达光电探测器。 入射光 0 1 本 9 9 9 的高反射膜光电探测器 图2 3 光通过高反射镜光路图 f i 9 2 3l i g h tp a mo f l i g h tn 期l g hh i g hr c n t o r 当在光路中加入第二块反射率为9 9 的高反射镜时，结构如图2 4 所示。当第 二块高反射镜与第一块高反射镜的间距为刀允2 时( 以是整数) ，整个光路出现完 全透射的情况，即在光电探测器上测得的透射光功率不是入射光光功率的 0 1 0 1 ，而是入射光的1 0 0 。其主要原因是光波进入f p 腔后，会在两个具 有高反射率内表面之间来回多次反射，这些反射波彼此干涉，形成多光束干涉。 具体的定量数学表达式相见相关文献。 一- 9 9 9 的高反射膜 图2 4 f p 腔滤波器中的光路图 f i 9 2 4l i g l l tp a t ho f f pc 撕t yf i l 衙 2 1 1f p 腔滤波器的装置结构 1 3 本 光电探测器 图2 5 是平面f p 腔滤波器的示意图，在两块以高反射物质镀膜的石英板( 或 玻璃板) p l 、p 2 间形成一厚度均匀的空气膜，在空气膜间产生多光束干涉。为避 免未镀膜外表面发射光的干扰，两板外侧各做成楔形( 楔形角度范围通常在l 至1 0 内) 。通过精密导轨( 通常采用压电陶瓷) 调谐一块反射板的位置，获得不同腔长 i i ，实现波长扫描，完成滤波功能。 图2 5 平面f p 腔滤波器 f 啦5p l 觚c f p c 撕t ) ，f i l t e r 图2 6 共焦球面f p 腔 f i 9 2 6c 毓8 ls p h 酣c a lf pc 州锣 此外，还有如图2 6 所示的球面f p 腔滤波器，与平面f p 腔滤波器不同的是， 它是由两个球面反射镜组成。下面以共焦球面f p 腔滤波器为例，简单阐述一下球 面f p 腔滤波器的原理和特性。 1 4 设定两块反射镜半径相同，均为r ，光轴与两镜面交点间的距离为办，则 = r ， 即两反射镜交点重合，并位于两球面顶点连线的中点处，所以称为共焦球面f p 腔 滤波器。由近轴光学知，从两个球面上任意点发出的任意光线，在腔内往返进行2 次后，仍回到原来的位置，因此在腔内形成稳定的闭合回路。 与平面f p 腔相比，对与同一个腔长( 间距) j i l ，共焦球面f p 腔滤波器的“光 学间隔”是平面腔的2 倍。可以得出球面反射镜的多光束干涉光强分布公式，并 可得知，与平面腔一样，当相位差为2 万整数倍时，干涉极大；当相位差为万的奇 数倍时，干涉极小。 在平面腔的情况下，对于与光轴成p 角( p 0 ) 方向入射的光束，均会由于 平面镜口径的限制及反射光束的横向偏折，导致相干光束的数目受到限制。但在 共焦球面腔内，任意入射方向的光束都可以在腔内按闭合光路多次往返，而不会 横向偏折出腔外。 图2 7 表示了扩展光源上任意一点发出的一束光，在平面f p 腔滤波器的两反 射镜之间经过多次反射、透射后，被透镜会聚与一点，相邻的平行光束之间的相 位差为 万= 尬= 七2 万j i ic o s f ( 2 1 1 ) 式中：为相邻光束的光程差；七为自由空间中光的传输常数，且七= 2 万旯；以为 折射率，刀= l ；j | i 为腔长：f 为倾斜角，为变量。 扩展光源 f p 腔透镜 观察屏 图2 7 平面f p 腔滤波器光路图 f i 9 2 7l i g l l tp a t l lo fp l 肌ef pc 州哆f i l 衙 在可见光波段，一般f p 腔滤波器的精细度大约为3 0 ，对于高反射率的球面 f p 腔的精细度可达1 0 0 0 。 2 1 2f p 腔滤波器的调谐 如图2 8 所示，一束发散光经过会聚透镜后，准直照射进入f p 腔滤波器。在 透镜厶经平面的圆环条文中心放置一小孔h 光阑，并在光阑小孔后放置一光电探 测器d ，用来测量中心点的干涉光强。通过移动反射镜厶或者厶来改变腔长j j i ， 从而获得满足干涉极大条件的连续可调的输出波长名，使入射光波长在自由光谱范 围内按顺序连续逐一通过小孔h 和光电探测器d ，并将输出光强转换成电信号， 这就是f p 腔滤波器的调谐原理。下面分别介绍两种结构的可调谐f p 腔滤波器。 s 光源 八 f 1 牛 f p v - 一 一 。 峄 厶厶 hd 图2 8f p 腔滤波器的波长扫描技术 f i 9 2 8w 蹦i l 饥g ms c 眦啦o f f pc 撕t yf i l t e r 图2 9 中，压电陶瓷在锯齿波电压的驱动下带动反射镜沿光轴方向连续伸缩， 这时f p 腔滤波器的输出光的波长就会随腔长j i i 变化而变化。 f p 腔反射镜 镜片 压电陶瓷 图2 9 压电陶瓷驱动的p f 腔滤波器 f i 9 2 9f p c 州锣f i l t e r 诵t l l p z td r i v e d 由于f p 腔滤波器对反射镜的平行度要求很高，在调谐扫描过程中，压电陶瓷 1 6 带动反射镜来回移动，可能会引起平面镜倾斜，降低f p 腔滤波器的性能。为了更 容易实现f p 腔滤波器的扫描，经常采用球面共焦f p 腔滤波器。图2 1 0 为球面共 焦f p 腔的结构示意图。 h c - n e - - - - i _ _ - 弋 图2 1 0 球面共焦f p 腔滤波器 f i 9 2 1 0c 妣a ls p h 鲥c a lf pc a v i t yf i l t e r 2 1 3自由光谱范围 光电探测器 自由光谱范围是衡量可调谐f p 腔滤波器的一项重要参数，其大小直接影响到 分布式传感系统的传感器复用数量，自由光谱范围越大，可复用在一起的待解调 光信号越多。 f p 腔滤波器的干涉极大值条件：相邻光束的光程差等于入射光波长的整数倍， 即 = 2 疗j i l c o s f 。= m a( 2 1 2 ) 如果光源光谱包含不同的波长，就有可能发生不同级次( 不同的朋) 光谱的 重叠现象，即在同样的腔长情况下，会有多个不同波长的光发生干涉，进行分析 时就会产生错误，所以要避免这种重叠现象。为了便于理解，假设f p 腔的两平面 镜间距为i i i ，在中心处f 。= 0 ，则光程差为 = 2 j i i 伽= 1 ) ( 2 1 3