（光学专业论文）二氧化碳激光制作的长周期光纤光栅特性及应用研究.pdf

卜海交通大学博， ? 学位论文摘要 二氧化碳激光制作的长周期光纤光栅特性及应用研究 摘要 采用二氧化碳激光制作的长周期光纤光栅是当前光纤通信和光纤传 感领域研究的热点之一。二氧化碳激光作为一种不同于紫外激光方法的 长周期光纤光栅的制作光源具有成本低，可靠性高，适用光纤类型广泛 等优点，基于这种方法制作的长周期光纤光栅引起人们越来越多的关注。 本论文研究了二氧化碳激光器制作的长周期光纤光栅的特性及相关领域 的应用基础研究，包括光栅中的新的非对称模式耦合特性，腐蚀光栅包 层对光栅进行模式控制，周期啁啾随步长变化的光栅特性以及级联长周 期光纤光栅的偏振及其在可开关三波长掺铒环形光纤激光器中的应用。 本文作者自行搭建了一个利用连续二氧化碳激光单侧面曝光制作长 周期光纤光栅的实验平台，并对平台进行了一些优化，在平台基础上进 行了制作长周期光纤光栅的研究。 。 与紫外激光制作的长周期光纤光栅不同，单侧面聚焦二氧化碳激光制 作的长周期光纤光栅是光纤包层和芯层的同时发生非对称折射率变化的 结果。为了研究这种折射率变化对于光纤模式耦合的影响，我们利用激 光与物质相互作用理论和光纤模式耦合理论，结合有限元分析方法，对 激光作用前后的光纤的模式进行了分析，创新性地提出这种光栅起源于 光纤在二氧化碳激光作用下形成的非对称模式耦合。这一结论对于二氧 化碳激光制作长周期光纤光栅有重要的指导意义，而且这种方法也提供 了一种除了倾斜光栅外能够将光耦合到对称性不相同的模式上的新方 法，这在模式耦合以及色散补偿及传感方面有重要的作用。 第1 页 j ：海交通大学博l ：学位论文 摘要 其次，我们对长周期光纤光栅包层进行氢氟酸腐蚀的实验研究。非对 称模式耦合产生的光栅与通常的对称模式的光栅透射谱不同，而且随腐 蚀进行，损耗峰变化情况比较复杂：一方面不同模式耦合的损耗峰的红 移速率不一样；另一方面经过一段时间后，一些模式的损耗峰消失。这 些现象反映了光栅中存在多个模式耦合( 包含非对称模式) ，也证实了导 致光纤模式变化的非对称的光纤折射率分布集中于光纤包层靠近外层介 质处。这个实验实现了一种新型的控制模式耦合的方法。 第三，我们利用二氧化碳激光制作了周期随步长变化的啁啾长周期光 纤光栅，实现了周期的分段线性啁啾，首次实现了周期的级联线性啁啾 以及反对称级联线性啁啾。通过测量光谱，发现通过周期啁啾和折射率 啁啾一样，可以实现特殊光谱的整形。对于级联线性啁啾的光栅施加轴 向应力，实现了所有损耗峰最大1 6 n m 的调谐量和- 0 5 5 9p m g 的斜率。 第四，我们在一根普通光纤上利用点聚焦，单侧曝光逐点法制作了级 联长周期光纤光栅，并观测到了这种级联长周期光纤光栅的梳状滤波光 谱和较强的偏振相关效应。通过理论分析，我们提出级联光栅增强了单 个光栅的偏振特性，并且创新性地将这样的级联光栅置于环形掺铒光纤 激光器中，通过控制腔内偏振抑制了激光器的模式竞争，实现了三波长 的任意可开关组合。这是一种我们所知的非常简单的实现三波长开关激 光器的方案。 此外，我们还提出了利用长周期光纤光栅束耦合实现波长上下路耦合 以及利用特殊光纤上的长周期光纤光栅实现传输飞秒激光的设想。 关键词：二氧化碳激光，长周期光纤光栅，光纤模式耦合，光纤腐蚀， 啁啾，光纤激光器，偏振相关效应。 一卜海交通大学博。 ：学位论文 a b s t r a c t 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇_ l i i i i i 鼍曼曼曼舅 c h a r a c t e r i s t i ca n d a p p l i c a t i o ns t u d yo fl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g s f a br i c a t e db yc 0 2l a s e r a b s t r a c t l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n gf a b r i c a t e db yc 0 2l a s e ra t t r a c t sm a n ya t t e n t i o n s i nt h ef i e l do ff i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o na n df i b e ro p t i cs e n s o r sr e c e n t l y a sa n e w l yd e v e l o p e dl a s e rs o u r c ef o rf a b r i c a t i n gl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g s ，t h e c 0 2l a s e rm e t h o dh a v et h ea d v a n t a g eo fl o w - c o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , s u i t a b l ef o r v a r i e st y p e so ff i b e r sa n ds oo n w es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o n o fl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g s ，i n c l u d i n gt h ea s y m m e t r i cm o d e c o u p l i n gi nt h e g r a t i n g ，t h e e t c h e r o d e c l a d d i n g o ft h e g r a t i n gb yh f , p e r i o d - c h i r p e d s t e p - c h a n g e dl o n g - p e r i o d f i b e rg r a t i n gb yc 0 2l a s e ra n dt h ep o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fc a s c a d e da s y m m e t r i ce x p o s u r el o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g sa n d t h e i ra p p l i c a t i o ni nt h et r i p l e - - w a v e l e n g t hs w i t c h a b l ee r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r f i r s to fa l l ，t h ea u t h o rs e t su pa p l a t f o r mf o rf a b r i c a t i n gl o n g p e r i o df i b e r g r a t i n g su s i n gc o n t i n u o u sw a v ec 0 2l a s e rb ys i n g l es i d ee x p o s u r em e t h o d ， a n do p t i m i z e si t s e c o n d l y , q u i t ed i f f e r e n tf r o mt h el o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g si n d u c e db y u l t r a - v i o l e tl a s e r t h es i n g l es i d ee x p o s u r e dl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g si n d u c e d b yc 0 2l a s e ri st h er e s u l to ft h ea s y m m e t r i cr e f r a c t i o ni n d e xc h a n g ei nb o t h t h ef i b e rc o r ea n dt h ec l a d d i n g a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fl a s e r - m a t e r i a l i n t e r a c t i o na n dt h ec o u p l e d m o d et h e o r y , a n db yi n t r o d u c i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，w es t u d yt h ef i b e rm o d ef i e l da f t e rl a s e ri r r a d i a t i o n ，a n df i n do u tt h e p h e n o m e n ao fm u l t i p l ed i p si st h er e s u l to fa s y m m e t r i cm o d ec o u p l i n g t h i s r e s u l tp r o v i d e su saw a yt oe x p l a i nt h es i m i l a rg r a t i n gf a b r i c a t i o nm e t h o d ，a n d a l s o ，i tg i v e su sam e t h o dt oc o u p l el i g h tt om o d ew i t h o u tc i r c u l a r l y 第l i i 页 s y m m e t r i c ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti nm o d ec o u p l i n g ，d i s p e r s i o nc o n t r o la n d f i b e ro p t i cs e n s o r s t h i r d l y , w es t u d y t h e l o n g p e r i o d f i b e rg r a t i n gi nt h eh y d r o f l u o r i c e t c h e r o d ee x p e r i m e n t t h eg r a t i n gw i t ha s y m m e t r i cm o d ec o u p l i n ge x h i b i t s m o r ec o m p l e xb e h a v i o rt h a nt h en o r m a lg r a t i n g t h e s ep h e n o m e n ai n d i c a t e t h a tt h em u l t i p l em o d ec o u p l i n gi se x s i t i n g i nt h eg r a t i n g ，a n da l s ot h e e f f e c t i v ea s y m m e t r i ci n d e xc h a n g ei sv e r yc l o s et ot h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e c l a d d i n ga n dt h es u r r o u n d i n gm e d i u m t h i se x p e r i m e n tp r o v i d e saw a y t o c o n t r o lm o d ec o u p l i n gi nt h ef i b e rg r a t i n g f o u r t h l y , w eu s et h es p o t f o c u s e dc 0 2 l a s e rt of a b r i c a t et h ep e r i o dc h i r p s t e p c h a n g e dl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g sf o rt h ef i r s tt i m e ，i n c l u d i n g t h el i n e a r c h i r p ，s y m m e t r i cc a s c a d e dl i n e a rc h i r pa n da n t i s y m m e t r i cc a s c a d e dl i n e a r c h i r p t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u m si n d i c a t e t h a tl i k et h ei n d e xc h i r p ，t h e p e r i o dc h i r pa l s oc a nb eu s e df o rs p e c i a ls p e c t r u ms h a p i n g a x i a l s t r a i ni s a p p l i e dt ot h es y m m e t r i cc a s c a d e dl i n e a rc h i r pg r a t i n g ，t h er e s u l to f1 6 r i m t u n i n gr a n g ea n d - 0 5 59 p m g et u n i n gr a t eh a v eb e e ng o t f i f f h l y t h es p o t f o c u s e dc 0 2l a s e ra n ds i n g l es i d ee x p o s u r e ，s t e p - b y s t e p m e t h o di su s e dt of a b r i c a t ec a s c a d e dl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g so nan o r m a l t e l e c o m m u n i c a t i o nf i b e et h ec o m bf i l t e rs p e c t r u ma n de n h a n c e dp o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sg r a t i n g f o rt h ef i r s tt i m e ，w ei n s e r t t h i sk i n do fg r a t i n gi n t oa ne r b i u m d o p e df i b e rl a s e rc a v i t y ；t h e m o d e c o m p e t i t i o ni ss u p p r e s s e du s i n gp o l a r i z a t i o nc o n t r o li n s i d et h ec a v i t y f i n a l l y , s t a b l et r i p l e w a v e l e n g t hs w i t c h a b l ef i b e rl a s e ri sr e a l i z e db yu s i n gt h i ss i m p l e c o n f i g u r a t i o n w ea ls o p r o p o s e f i b e r g r a t i n g b u n d l ef o rm u l t i - c h a n n e l a d d d r o p w a v e l e n g t hm u l t i p l e x e ra n daf e m t o s e c o n dl a s e rt r a n s m i s s i o nm e t h o du s i n g l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n go ns p e c i a ld e s i g n e df i b e r k e y w o r d s ：c 0 2l a s e r , l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ，f i b e rm o d ec o u p l i n g ，f i b e r e t c h e r o d e ，p e r i o dc h i r p ，f i b e rl a s e r , p o l a r i z a t i o ne f f e c t s 第页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 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，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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承担。 学位论文作者签名： 尹一同 日期：r 年月rp 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 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 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 一 ：- 学位论文作者签名：垆砂i 指导教师签名： 日期：缉厂月扣日 强繁西 日期：印睁 月f 乙日 一 ：海交通大学博，t ：q - 位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤光栅的研究进展概述 随着现代社会的进步以及科学技术的飞速发展，信息及信息的传递在现代社会中 的重要性已经不言而喻了。稳定而可靠的高速信息传输一般采用的方法分为有线和无 线两种，以光纤通信为代表的有线通信则是现代通信的基石之一。基于光纤的器件在 现代光通信领域中扮演着至为关键的角色。在光纤通信网络中，使用掺杂介质的全光 纤放大器是光通信史上的一个重要的里程碑，而在现代高端的网络建设中，光纤器件 在耦合，滤波以及开关交换等应用上起到了非常重要的作用。 在传感领域，相对于其它的传感技术，光纤传感有着明显的优势，这些优势主要 包括：良好的电磁屏蔽性，高灵敏度，大带宽，成本低，体积小，操作简单等。 1 9 7 8 年，k o h i l l 等在加拿大通信研究中心( c a n a d i a nc o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h c e n t e r ) 对掺锗光纤特性进行研究时，将氩离子激光( 波长为4 8 8 n m ) 导入光纤( 一 端有反射镜) 一段时间后，发现反射光强增加直至将入射光几乎全部反射，随后的光 谱测量表明光纤中产生了沿光纤轴向周期性分布的折射率变化，形成了窄带布拉格光 纤滤波器【1 】，当时这种光栅被称为“希尔光栅”( h i l lg r a t i n g s ) 2 】。 此后，在1 9 8 9 年，m e l t z 等发明了紫外光( 倍频氩离子激光，波长2 4 4 n m ) 侧面 写入制作光折变光纤光栅技术【3 】，如图1 1 所示【2 】，这是光栅写入技术的一次飞跃， 但是这种方法仍然存在对光源相干度和周围环境要求均比较高，实用化程度不是很 高。但是从此以后，光纤光栅的写入技术逐渐步向成熟，特别是相位掩模板的出现( 图 1 2 ) 【4 】，利用半导体工艺中的衍射条纹曝光技术，使得光纤光栅的周期取决于掩模 板的相位周期而不是激光波长，这样对光源的要求大大降低，而制作光纤光栅的重复 性大大提高，能够大规模应用于生产【2 】。 上海交通大学博 ? 学位论文 第一章 绪论 1 图1 - 1 双光束侧写入法制作光纤光栅( 见【2 】) f i g 1 1f i b e rg r a t i n g sf a b r i c a t e db yt w ob e a ms i d ee x p o s u r em e t h o d ( f r o m 2 】) 甄导薏器 | 图l 一2 相位掩模板制作光纤光栅( 见【2 】) f i g 1 - 2f i b e rg r a t i n g sf a b r i c a t e db yp h a s em a s km e t h o d ( f r o m 【2 1 ) 作为一种重要的全光纤器件，光纤光栅自发现之初就引起了人们的重视，较短周 期的光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 是常见的应用最为广泛的光纤光栅， 它是由纤芯内周期性的折射率变化引起的，其周期一般在数百纳米的量级，将某些波 2 卜海交通大学博l 二学1 奇：论文第一荦 绪论 长的光能量从光纤的前向传输的芯层模式耦合到背向传输的芯层模式，因此它是一种 全光纤的波长选择的反射镜 5 】。光纤布拉格光栅因其良好的滤波特性，与光纤通信 系统的兼容性得到广泛的研究，在现代光通信系统中它是一个不可缺少的角色。可以 说它是继掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 以来最有价值的发 明。有权威人士称：“光纤光栅的出现迫使人们不得不重新考虑光通信系统中的每一 个设计”；还称：“将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同传统光学系统中没有镜 片一样让人难以置信”【6 】。 涉及光敏性原理的光纤材质对紫外光的响应也是研究比较多的一个方面，d p h a n d 等人的色心模型提出了光纤折射率变化与光漂白的缺陷色心之间的定量关系 【7 】。j p b e r n a r d i n 等人的机构重组模型认为高强度u v 脉冲将扰动玻璃内部晶格结 构，使之在光解过程中发生变化【8 。在一般的普通单模通信光纤上要引起明显的折 射率变化，必须预先经过载氢处理，在写入完成后还应进行退火，才可以保证折射率 变化不会消失【9 】。 光纤光栅的在光通信中的可用作密集波分复用解复用器【1 0 】，脉冲压缩 1 1 】，模式 转换器 1 2 等。不仅仅在密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e r , d w d m ) 系统，在d w d m 向全光智能网过渡的中也将起到重要的作用。光纤布拉格光栅有独 特的滤波作用，在光路中加上光环形器或是耦合器，又可以将其背向反射光取出。因 此可构成非常灵活的光网络。在传统g 6 5 2 型光纤网络的色散补偿方面，啁啾光纤布 拉格光栅是最好的选择之- - 1 3 】。通信光源用多波长激光器如果采用光纤布拉格光栅 则可大大降低成本，对于正在迅猛发展的光纤接入网有着重要的意义。 在光码分多址( o p t i c a lc o d e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s ，o c d m a ) 的系统应用中， 光纤布拉格光栅及其相关的各种光栅类型是非常好的编码解码器件，也是o c d m a 系统的核心器件之- - 1 4 】。 光纤布拉格光栅除了在通信方面有巨大的前景，同时由于它对温度和应力非常敏 感，在光纤传感方面也有重要作用【1 5 ，1 6 】，现在基于光纤光栅的光纤传感系统的发展 很快，而且已经应用于国内的道路、桥梁、油井及矿井监测 1 7 ，1 8 。 卜海交通大学博l ：学位论文 第一章绪论 1 2 长周期光纤光栅 在光纤布拉格光栅( f b g ) 及其相关应用快速发展的同时，一种周期远长于f b g 的全光纤器件一长周期光纤光栅( l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g ，l p f g ) 引起了人们极大 的关注 1 9 】，这种光栅的主要特征是引起光栅效应的折射率变化的周期量级在几十到 数百微米，其模式耦合与光纤布拉格不同 5 】，由于是同向传输的芯层模式与包层模 式之间的耦合，从光谱上看，几乎没有反射谱，在透射光谱上也可看出l p f g 的谐振 峰谱宽非常大，在数a m 到1 0 n m 以上 5 】。 1 2 1 光敏性的研究 石英光纤光敏性是现有光栅的主要制作方法和成因，但是至今为止，光纤材料的 光敏性研究仍在继续，对于光敏性的内在微观物理解释还未完善。 对于掺锗石英光纤的紫外光敏性，人们一般提出了色心模型【7 】和结构模型 8 ，2 0 】 两种解释方法，普遍认为紫外光照射下光纤材料中缺氧锗缺陷的光电离是掺锗石英光 纤材料光敏性的主要来源之一。 掺锗石英光纤材料中缺氧锗缺陷的光电离过程根据约2 4 0 n m 的紫外光照射前和 照射后，2 4 0 n m 吸收带的降低或消失以及g e o ) 、g e ( 2 ) 、g e e 缺陷浓度的增加这些 事实，g e s i 缺陷的光电离过程可以归结为下述光化学反应： o 00 。一l 。一。三。 o g e 一s i 一0 - 0 g e 4 o 十g e 1 5 4 0 n m ) 形成近透明的通道。l p f g 也被用来消除不需要的级联拉曼放大器和激光器的斯托克斯线 8 5 】。 可调谐滤波器 作为波长相关的滤波器，长周期光纤光栅受到外界折射率变化和应力影响使之成 为非常优秀的可调谐滤波器。在对于长周期光纤光栅的研究中这种也是非常多见的。 最深的损耗峰( - 6 0 d b ) 是由r s l a v i k 用c 0 2 激光实现的 8 6 1 ，此后，他利用这种光 栅进行了应力调谐的实验 8 7 1 。 集成增益与可调谐的滤波器 在掺杂光纤上制作长周期光纤光栅引起了人们的关注 4 8 5 0 ，主要是在掺杂的增 益光纤上写入的光栅能够根据增益光谱的能量分布来自动调节增益均衡性，而不是仅 仅像以往的l p f g 增益均衡器一样对高增益区进行功率衰减，此外，在不同泵浦下， 这种l p f g 还表现出可调谐的特性 5 0 ，8 8 。 带阻和带通滤波器 1 9 9 7 年，a m v e n g s a r k a r 等人提出利用长周期光纤光栅作为带阻滤波器 1 9 】，它 也是本领域内引用次数最多的论文之一。 d s s t a r o d u b o v 等人在1 9 9 8 年利用一对长周期光纤光栅将光从芯层模式完全耦 合到包层模式然后再次耦合回芯层，在耦合最大处，利用包层模调制器实现了可调谐 的带通滤波器 8 9 1 。而在o d e p a f i s 等人则利用兀相移光栅实现了带通滤波器并将其 应用于主动锁模光纤激光器上 9 0 1 。2 0 0 7 年，i t o r r e s g 6 m e z 等人在扭曲的空心光纤 上利用压槽实现了可调谐带宽的带通滤波器 9 1 1 。 1 0 ，卜海交通大学博上学位论文第一章绪论 ( 3 ) 模式转换器 对于普通的紫外光写入的长周期光纤光栅，人们很早就提出它能用于相同圆对称 模式的模式转换 1 9 1 。而早在1 9 9 4 年，c d p o o l e 等人就提出在双模光纤中利用c 0 2 激光对光纤表面周期性损伤处理后，然后用电极放电退火，就能实现l p o l 到l p l l 的 模式转换【5 9 】，严格说来，这也是一种长周期光纤光栅，只是在当时还没有统一到这 样的名称。而i k h w a n g 等人的论文则利用电极放电进行切趾处理的长周期光纤光 栅，并进行优化，得到了性能优异的模式转换器 9 2 】。另外，还有利用倾斜l p f g 实 现的l p o l 至l p i m 模式转换等方案 4 3 】。 近年来最为引人注目的是利用在新设计的少模光纤上写入的l p f g 作为模式转换 器用于飞秒脉冲的传输 9 3 ，9 4 】。这种新颖的方法通过特殊的光纤设计，使得通过l p f g 耦合到的光纤的高阶包层模式具有很大的负色散值( 接近于9 0 0 p s n mk m ) ，这样的 设计能够在石英光纤中无畸变传输高达1 纳焦，脉宽小于1 5 0 飞秒的超短脉冲【9 3 1 。 另外，利用高阶模式( l p 0 7 ) 的大模场直径( 达到2 1 0 0 1 t i n 2 以上) 来降低非线性的影 响，将1 4 纳焦的飞秒脉冲传输1 2 米的光纤，经过5 米的光纤后被压缩，其峰值功率 高达6 1 千瓦 9 4 】。 ( 4 ) 光纤光纤与光纤波导耦合器 在集成光电子学中，光纤到光纤和光纤到波导的耦合是非常复杂的，主要是因为 进入和出射于单模光纤的光是芯层模式，所以模式匹配比较难，损耗较大，一种解决 的方案是采用发散角较大的光纤包层模式，而l p f g 则提供了这样的一种可能性。图 1 3 分别列举了几种无需透镜系统，基于长周期光纤光栅的光纤到光纤和波导到光纤 的情况，其中有，两侧光纤均具有光栅结构 9 5 1 ，一侧具有光栅结构 9 5 】，激光二极 管到光栅 9 6 ，9 7 ，以及光栅到自由空i h - 9 8 1 ；而b l b a c h i m 则提出将光栅放置于波 导侧面进行耦合的新方法 9 9 】( 图1 4 ) ，还有近年来提出的两光栅侧面相接近形成的 对称 1 0 0 1 0 3 以及非对称 1 0 4 的光纤到光纤新型耦合器。 、 ，一，、 ii ，、一u ，： 、一o 一7 i d 事 ： 4 一一一j ， 图1 3 利用长周期光纤光栅实现的包层模式辅助光纤到光纤- 9 5 9 8 】( a ) 两侧光栅，( b ) 一侧光栅， 激光二极管到光纤( c ) ，以及光纤到自由空间的耦合 f i g 1 - 3s c h e m a t i co f f i b e rt of i b e rc o u p l i n gu s i n gd o u b l es i d e sl p f g 【9 5 9 8 】( a ) ，s i n g l es i d el p f g ( b ) l a s e rd i o d et of i b e r ( c ) a n df i b e rt of r e es p a c ec o u p l i n gb yc l a d d i n gm o d e 图1 4 利用长周期光纤光栅实现的侧向光纤到波导的耦合【9 9 】 f i g 1 - 4s i d ec o u p l i n gc l a d d i n gm o d ef r o ms i n g l em o d ef i b e r t ot h ew a v e g u i d eb yi l s eo fl p f g 9 9 ( 5 ) 光纤激光器 长周期光纤光栅可以用于光纤激光器中作为波长损耗器件 1 0 5 和偏振损耗器件 1 2 上海交通大学博j j 学位论文 第一苹绪论 mi 【1 0 6 ，在yw l e e 的文章中 1 0 6 】，在保偏光纤上的长周期光纤光栅被用于波长的可 开关调谐，yqh a n 1 0 7 1 贝j l 展示了作为可调谐的级联光纤光栅在多波长拉曼激光器中 的作用。而m y a n 1 0 s l 的文章则利用利用级联光栅实现了三波长的开关。 在s b a e k 等人的论文中 1 0 9 ，提出了一种新颖的基于长周期光纤光栅的泵浦耦 合器，在双包层光纤激光器腔内，它将双包层光纤的内包层泵浦光耦合到纤芯中，提 高了3 5 的泵浦效率，最后使得最大输出功率提高了5 5 。 ( 6 ) 全光纤起偏器 1 9 9 7 年，b o r t e g a 等人的论文提出了一种在保偏光纤上制作的基于长周期光栅 的全光纤起偏器【l1 0 1 ，而s r a m a c h a n d r a n 等人则在少模保偏光纤上制作光栅实现了 宽带的光纤起偏器【1 1 1 ，王义平等人则在光子晶体光纤上利用c 0 2 激光写入光栅实 现了新型的光纤起偏器 1 1 2 1 。 ( 7 ) 传感器 长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅一样具有很好的传感特性，调节长周期光栅的 温度，应力，扭曲以及外界折射率将使得光栅特性发生变化。 变化l i ) f g 的温度将会引起谐振波长的变化【l1 3 11 6 】，变化的数值取决于模式的 阶数，波长，光栅周期，可能是正或者负 1 1 7 ，1 9 。也有人发现在某些方法写入的光 栅的温度稳定性尤其高 2 5 ，6 9 。 拉伸光栅同样也能引起谐振波长的移动 1 1 7 ，1 9 ，1 1 8 ，在刻蚀的形成的光栅上，轴 向拉伸并不移动谐振波长，仅仅影响谐振峰的深度【1 1 9 ，7 7 】。而侧向应力则导致光纤 的谐振峰将会分裂为- 1 2 0 】。扭曲光栅引起的波长位移取决于扭曲的角度 1 2 1 ， 6 3 ，1 1 3 ，1 2 2 】。弯曲的光栅则能引起三种变化：中心波长的位移，谐振强度的变化以及 谐振峰分裂，这种现象的原理人们原来以为是相互正交的偏振模式引起的，后来经修 正为高阶包层模式的作用 1 2 3 1 。 因为包层模式是被光纤包层以及外界介质直接决定的，所以长周期光纤光栅的性 质也取决于包覆的介质的折射率以及吸收系数等 1 2 4 ，1 2 5 ，1 2 6 ，因而外界的折射率变 化或者吸收系数的变化使得谐振峰波长变化 1 1 7 ，1 2 7 燃度的变化 1 2 8 1 ，令l p f g 卜海交通大学博l 学位论文 第一章绪论 或者敏感材料包覆l p f g 成为一种理想的化学生物传感器 1 2 9 ，1 3 0 。 ( 8 ) 超高速光纤光学微分元件 2 0 0 5 年m k u l i s h o v 在论文【4 7 】中提出在线性区工作的均匀长周期光纤光栅可被 视为一个超高速光纤光学时域微分元件，当光纤上的l p f g 将芯层中的能量完全耦合 到包层模式时，光脉冲在光纤出射端的时域波形与脉冲进入光纤时时域波形的一阶导 数成正比，而当l p f g 将光重新耦合回到芯层模式时，其时域脉冲波形为原来的二阶 导数。而r s l a v i k 等人则随后在实验上实现了基于长周期光纤光栅的时域微分器 1 3 1 】，将7 0 0 飞秒的高斯脉冲微分成为偶对称的厄米高斯波形和两个5 0 0 飞秒相移 为兀的时域边带。这一结果对于超高速全光模拟数字信号处理电路和光脉冲整形有 重要的意义。 ( 9 ) 全光开关和重复频率倍增器 早在1 9 9 7 年，b j e g g l e t o n 等人就已经发现 4 6 】，在锁模皮秒脉冲的作用下，注 入功率密度在1 - 2 0 g w c m 2 的脉冲后，长周期光纤光栅出现了开关以及脉冲整形的现 象。这一现象可用于新型的全光开关。 而t j e o m 等人则利用数个级联的长周期光纤光栅实现了脉冲的复制，并实现了 脉冲重复频率的倍增 1 3 2 】，从理论上说，这一方法可以使得脉冲频率得到数倍的提 高，实验中得到了4 1 6 7 g h z 的高重复频率脉冲，在超高速光时分复用系统( u l t r a f a s t o p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o t d m ) 【13 2 】以及光码分复用系统( o p t i c a l c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ，o c d m a ) 13 3 的编解码有着广阔的应用前景。 1 2 5 c 0 2 激光制作长周期光纤光栅的研究进展 c 0 2 激光作为一种制作长周期光纤光栅的光源始于9 0 年代。1 9 9 4 年，c d p o o l e 就利用c 0 2 激光对光纤表面进行损伤处理，然后经过退火来获得用于模式转换器的 周期性结构【5 9 】，当时还没有提出长周期光纤光栅这一名词，所以这一器件还是依照 它的用途被归于模式转换器，如图1 5 所示。 1 4 卜海交通大学博i ：学位论文第一章绪论 c o l ；葛rb d m 一鬯1j | l厂 r 、。7 w 、 i 1 j： 图1 5 二氧化碳激光与退火作用产生的芯层周期性折射率变化【5 9 】 f i g 1 - 5t w os t e p sf o rc 0 2l a s e ra n da n n e a l i n gt of o r map e r i o d i cd e f o r m a t i o ni nt h ef i b e rc o r e 【5 9 在1 9 9 7 年至1 9 9 8 年，贝尔实验室的d d d a v i s 等人提出利用连续c 0 2 激光在 普通通信光纤上制作长周期光纤光栅，并发表了一系列文章 6 0 6 2 ，研究了这种方法 制作长周期光纤光栅的光谱，偏振 6 1 】及高温稳定等特点。 在国内，重庆大学的饶云江教授发明了高频c 0 2 激光制作长周期光纤光栅的方法 【6 4 ，这一方法利用高频c 0 2 激光脉冲在光纤上进行刻写，形成长周期光纤光栅。对 于这种光栅的传感特性，特别是这种光栅的谐振波长随扭曲发生漂移而且有着明显的 方向性和横向负载的方向性【6 3 ，1 6 2 ，王义平和饶云江进行了很多的相关的研究和实 验。包括香港城市大学，大连理工大学，武汉理工大学和上海理工大学的研究者也相 继开展了这方面的研究。 对于c 0 2 激光制作的均匀长周期光纤光栅，r s l a v i k 在普通光纤上利用单周期的 过耦合实现了深度达到6 0 d b 的损耗峰 8 6 1 ，在此基础上，利用侧向应力，实现了在 4 5 d b 以下的谐振峰调谐 8 7 】。 新加坡南洋理工大学的y i n i a nz h u 在单模光子晶体光纤上利用c 0 2 激光制作了制 作了长周期光纤光栅 1 3 4 1 3 6 1 。王义平继续在光子晶体光纤上利用c 0 2 激光实现了 全光纤的偏振器 11 2 。h w l e e 则利用c 0 2 激光在通常的保偏光纤和保偏的光子晶 i ：海交通大学博十学位论文 第一辛绪论 体光纤上制作了长周期光纤光栅，发现激光沿慢轴方向的曝光能使光栅制作效率提高 1 3 7 】。 对于c 0 2 激光的单侧曝光非对称写入的实验和分析以及相关的应用，在这几年内 成为热点。 从写入光栅的情况来看，d d d a v i s 在他的文章里发现利用连续激光脉冲写入的 光栅偏振不敏感 6 1 】。h s r y u 利用c 0 2 激光在普通的光纤上制作光栅，观测到了由 于非对称应力释放导致的光栅的偏振效应 1 7 8 。而王义平则在普通光纤上利用高频 c 0 2 激光单面刻蚀周期性微槽，实现了长周期光纤光栅，而且测量了它的应力和温度 传感特性 1 7 2 】。随后，王义平观测到高频c 0 2 激光写入长周期光纤光栅的模场分布 具有非对称性 1 3 8 。 为了消除单侧曝光带来的偏振，使得光栅能用于通信和传感系统。大连理工大学 的宋世德和于清旭等人在高频c 0 2 激光制作光栅的基础上提出三束激光聚焦制作光 栅的方法，这种方法有效的消除了光栅的偏振相关特。t 生 1 7 ，6 5 ，6 6 。而在国际上，韩 国的s e u n g t a eo h 等人在螺旋形光纤上制作长周期光纤光栅，有效的消除了光纤的折 射率分布不均匀及偏振相关特性 1 8 0 。v i c t o rg r u b s k y 等人则提出使用夹角1 2 0 度的 反射镜来消除折射率分布的不均匀 1 6 9 。饶云江等人则提出多面曝光法来实现低偏 振损耗的光纤 13 9 1 。 对于c 0 2 激光非对称写入的光栅的偏振特性，b l b a c h i m 与紫外激光写入的光 栅进行了对比，发现c 0 2 激光引入的偏振相关损耗比紫外激光大 1 6 7 。m y a h 等人 利用级联非对称光栅的偏振增强效应实现了三波长可开光的光纤激光器 1 0 8 1 。n k c h e n 等人则在这种非对称的光栅上利用光纤表面的烧蚀实现了宽带高灵敏度的调谐 【1 4 0 】。 总的说来，利用c 0 2 激光是一种行之有效的制作高效率的高性能的长周期光纤光 栅的方法。这种制作长周期光纤光栅的方法还有很多尚未解决的困难和问题，尤其在 这种方法同时引入了包层折射率和芯层折射率的变化，很多情况下形成了非对称的模 式分布，而这种对称性的破缺一方面会带来实际应用中的困难，也使得这种方法制作 1 6 j ：海交通大学博士学位论文第一章绪论 的光栅本身具有特殊的性质，从而应用于不同的领域。 1 3 论文的意义和研究内容 长周期光纤光栅从发现之初 5 3 5 5 n 现在已经发展经历了二十多年的时间，在相 当长的时间内，它被布拉格光栅的光芒所掩盖。但是现在由于与它相关的新的性质及 相应的用途不断地被开发出来，并且已经应用到光纤通信和传感的各个方面，很多方 面的研究还在继续进行中。 本文作者认为，由于长周期光纤光栅的周期一般在数百微米，紫外激光制作长周 期光纤光栅的方法一般需要价格较贵的准分子激光器，采用振幅