（电磁场与微波技术专业论文）特殊结构光纤光栅理论与应用技术.pdf

f l 。 - 北京邮电大学博士论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：杰堑查3 ：! 刍： 日期：翌! ! 至璺竺9 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：垒亟兰刍! 兰刍：日期：竺! ! 罕! 同兰竺9 导师签名：坌釜鱼垒暨：日期： 翌! 仝孝! 星竺璺 习 i 0r*下+v，l；i；i-十。 北京邮电大学博士论文摘要 特殊结构光纤光栅理论与应用技术 摘要 随着光纤通信系统的迅猛发展，光纤光栅已成为全光通信技术的 关键器件和当前国际研究的热点。作为一种新型的光电子器件，光纤 光栅不仅在光纤通信技术和光纤传感技术而且在其他相关领域中均 引起了一场新的里程碑式革命，其市场近年来不断扩大。本文以提高 光纤光栅器件性能、开发新型光纤光栅器件为目标，从光纤光栅基本 理论出发，深入研究了特殊结构光纤光栅的特性及其在色散斜率补偿 技术、光纤光栅传感及复用技术方面的应用，并取得了一些研究成果， 主要内容包括： 一、有效折射率调制光纤光栅( e i m f b g ) 1 在推导有效折射率调制光纤光栅耦合模方程的基础上，使用传 输矩阵法全面地数值模拟了4 种e i m f b g ( 线性有效折射率 调制均匀光纤布拉格光栅、非线性有效折射率调制均匀光纤布 拉格光栅、线性有效折射率调制啁啾光纤光栅、非线性有效折 射率调制啁啾光纤光栅) 的反射谱和时延特性，同时也仿真分 析了不同长度、不同切趾函数对e i m f b g 特性的影响。 2 采用二次曝光法，利用振幅模版+ 相位掩模版制作了线性有效 折射率调制均匀光纤布拉格光栅( l e i m u f b g ) 和线性有效 折射率调制啁啾光纤光栅( l e i m c f b g ) ，实验研究了它们的 光谱特性，实验结果与理论分析及数值模拟结果相吻合。 3 数值研究了非线性有效折射率调制啁啾光纤光栅( n e i m c f b g ) 的色散斜率特性；给出了一个用于计算n e i m c f b g 时延特性的简单模型；提出了n e i m 。c f b g 的制作方案以及色 散斜率补偿方案。 二、腔式光纤布拉格光栅( 腔式f b g ) 1 对腔式f b g 进行了理论分析，给出腔式f b g 的传输矩阵以及 反射率表达式；模拟研究了单双腔f b g 的光谱特性，并且对 光谱进行了傅立叶分析；指出了不同子光栅的中心波长失配量 i 北京邮电大学博士论文 摘要 影响腔式f b g 傅立叶峰频振幅的特性。 2 实验研究了单腔f b g 和双腔f b g 的光谱特性及其傅立叶波频 谱，其实验结果与数值模拟结果相吻合。 3 给出了腔式f b g 的差分应变传感机理；分析了腔式f b g 的差 分应变传感灵敏度以及波长分辨率对腔式f b g 传感信号解调 的影响；研究了同一腔式f b g 在不同波长分辨率下傅立叶峰 频振幅的变化以及不同分辨率下差分应变灵敏度的变化。 4 报道了一种新型的单腔f b g 差分应变传感器，采用新型的傅 立叶振幅解调方法进行传感信号的解调。该差分应变传感方案 可避免外界环境温度场的影响，并且适用于光谱编码复用 ( s c m ) 系统。 5 提出了基于单腔f b g 的s c m 差分应变传感系统方案并进行了 实验研究，基于l a b v i e w 8 0 自主开发了傅立叶变换解调技术 软件，并对复用信号进行了解调，实验测量结果的标准误差小 于8 ；模拟和实验研究了系统的串话，并提出了对数变换 法和差值法两种有效方法来对系统的串话数据进行处理。 关键词光纤光栅；非线性有效折射率调制；色散斜率补偿；腔式光 纤布拉格光栅；差分应变传感；光谱编码复用。 一 一 北京邮电大学博七论文 t h e o r y a n da p p l i c a t i o n so ff i b e rg r 棚n g s w i t hs p e c i a ls t r u c t u r e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f i b e r b r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) h a v eb e c o m et h ek e yc o m p o n e n t si na l l o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h eh o t t o p i c s i nc u r r e n t i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e s a san e wk i n do fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e ，f b gh a s b r o u g h tam i l e s t o n er e v o l u t i o nn o to n l yi no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n do p t i c i lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yb u ta l s oi no t h e rr e l a t e d f i e l d s i t sm a r k e th a se x p a n d e dc o n t i n u o u s l yi nr e c e n ty e a r s i no r d e rt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ff i b e rg r a t i n gd e v i c e sa n dd e v e l o pn e w k i n d o ff i b e rg r a t i n gd e v i c e s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rg r a t i n g sw i t hs p e c i a ls t r u c t u r e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nd i s p e r s i o n s l o p ec o m p e n s a t i o n s ，f i b e rg r a t i n gs e n s o r sa n dm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e s s o m ec r e a t i v ec o n t r i b u t i o n sh a v eb e e na c h i e v e da sf o l l o w s ： i r e s e a r c ho ne f f e c t i v ei n d e xm o d u l a t e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( e l m f b g ) 1 u s i n g t h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ( t m m ) ，t h er e f l e c t i o n sa n d g r o u pd e l a y c h a r a c t e r i s t i c so f4 t y p e s o fe l m f b g sa r e c o m p l e t e l y s i m u l a t e db a s e do nt h ec o u p l e dm o d ee q u a t i o n s ( c m e s ) f o re i m f b g t h e e f f e c t so f g r a t i n gl e n g t h a n d a p o d i z a t i o no nt h ee l m f b g a r ea n a l y z e da sw e l l 2 t h el i n e a d ye f f e c t i v ei n d e xm o d u l a t e du n i f o r n lf i b e rb r a g g g r a t i n g ( l e i m u f b g ) a n dt h el i n e a r l ye f f e c t i v ei n d e xm o d u l a t e d c h i r p e d f i b e r b r a g gg r a t i n g ( l e i m c f b g ) a r e f a b r i c a t e d e x p e r i m e n t a l l yb yu s i n ga m p l i t u d em a s ka n dp h a s em a s k ，a n d t h e i r s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v eag o o da g r e e m e n tw i t hs i m u l a t i o n s 3 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r l ye f f e c t i v ei n d e xm o d u l a t e d c h i r p e d f i b e r b r a g gg r a t i n g ( n e i m - c f b g ) a r en u m e r i c a l l y l l l 北京邮电大学博士论文 i n v e s t i g a t e d as i m p l em o d e lu s e df o rc a l c u l a t i n gt h eg r o u pd e l a y o fn e i m - c f b gi sp r o p o s e d t h ef a b r i c a t i o nm e t h o do fn e i m c f b ga n dd i s p e r s i o n s l o p ec o m p e n s a t i o ns c h e m e b a s e do n n e i m - c f b ga r eg i v e n i i r e s e a r c ho nf b g sw i t hc a v i t i e s 1 t h ef b g sw i t hc a v i t i e sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h e i rt r a n s f e r m a t r i x e sa n dr e f l e c t i v i t i e sa r es h o w e d w r es i m u l a t et h es p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c so ff b g sw i t hc a v i t i e sa n da n a l y z et h e i rr e f l e c t i o n s u s i n gf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( e f t ) w r ef i n dt h a tt h em i s m a t c h e d b r a g gw a v e l e n g t hb e t w e e ns u b g r a t i n g sc a na f f e c tt h ea m p l i t u d e o ff o u r i e rp e a k f r e q u e n c y 2 t h eo p t i c a ls p e c t r aa n dt h ef o u r i e rs p e c t r ao fb o t hf b g sw i t ha c a v i t ya n d f b g sw i t ht w oc a v i t i e sa r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t sa g r e ew e l lw i t hs i m u l a t i o n s 3 t h es e n s i n gm e c h a n i s mo ff b gw i t hc a v i t i e si nd i f f e r e n t i a ls t r a i n i sp r o p o s e d t h ed i f f e r e n t i a ls t r a i ns e n s i t i v i t ya n dt h ee f f e c to f w a v e l e n g t hr e s o l u t i o no nt h ed e m o d u l a t i o na r ea n a l y z e d t h e c h a n g e s i nt h e a m p l i t u d e o ff o u r i e r p e a k f r e q u e n c y a n d d i f f e r e n t i a ls t r a i n s e n s i t i v i t y u n d e rd i f f e r e n t w a v e l e n g t h r e s o l u t i o n sa r er e s e a r c h e d 4 an o v e ld i f f e r e n t i a ls t r a i ns e n s o rb a s e do nf b gw i t hac a v i t yi s r e p o r t e d t h es e n s i n gs i g n a li sd e m o d u l a t e db yt h ea m p l i t u d ei n f o u r i e rd o m a i n t h ep r o p o s e dd i f f e r e n t i a l s t r a i ns e n s o ri s t e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v ea n dc a nb eu s e df o rs p e c t r a l l yc o d e d m u l t i p l e x i n g ( s c m ) s y s t e m 5 t h es c m t e c h n o l o g yb a s e do nf b g sw i t hac a v i t yf o rd i f f e r e n t i a l s t r a i n s e n s i n g i s p r o p o s e d a n ds t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y w e s e l f - d e v e l o pt h ed e m o d u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do nl a b v i e w8 0 a n d d e m u l t i p l e x t h e s e n s i n gs i g n a l t h e s t a n d a r de r r o ro f m e a s u r e m e n tr e s u l t si sl e s st h a n 8 a n dw ep r o p o s et w o e f f e c t i v em e t h o d sf o r p r o c e s s i n g t h ec r o s s t a l kd a t af r o m m u l t i p l e x e ds y s t e m s 一j 椰 刁 - 北京邮电大学博士论文 k e yw o r d s ： v ：1，埘 一i o ， 北京邮电大学博：t 论文 目录 目录 摘要。i a 】e l s t 】 t a c t i i i 目录一v i 第一章 绪论。1 1 1 论文研究背景及意义1 1 2 光纤光栅技术简介2 1 3 特殊结构光纤光栅研究现状8 1 4 论文的主要工作”1 0 参考文献1 1 第二章光纤光栅基础理论及制作技术1 5 2 1 引言1 5 2 2 光纤光栅耦合模理论1 5 2 3 均匀光纤布拉格光栅的解析19 2 4 非均匀光纤光栅的传输矩阵解析法2 1 2 5 光纤光栅剥层算法2 3 2 6 光纤光栅的制作2 6 2 6 1 光敏性及载氢技术2 6 2 6 2 光纤光栅制作技术2 8 参考文献3 1 第三章特殊结构光纤光栅的光谱特性研究3 4 3 1 有效折射率调制光纤光栅( e l m f b g ) 3 4 3 1 1e l m f b g 理论基础3 4 3 1 2 e i m f b g 反射谱和群时延特性的仿真分析3 6 3 1 3 光栅长度对e l m f b g 的影晌4 1 3 1 4 切趾函数对e l m f b g 的影响4 2 3 2 腔式光纤光栅4 4 3 2 1 腔式光纤光栅的基本理论4 4 3 2 2 单双腔光纤光栅的光谱特性4 7 3 2 3 腔式光栅光谱特性的傅立叶分析4 9 3 3 特殊结构光纤光栅的研制5 0 3 3 1 光纤光栅的制作系统设计5 0 v l 北京邮电大学博士论文 目录 3 3 2 载氢系统的实现5 3 3 3 3e i m f b g 的制作与讨论5 4 3 3 4 单腔光纤光栅的刻写与结果分析5 8 3 3 5 双腔光纤光栅的实验制作6 0 3 4 本章小结6 1 参考文献”6 1 第四章n e i m c f b g 色散斜率补偿技术6 4 4 1 光纤色散、色散斜率简介6 4 4 2 非线性c f b g 色散斜率补偿6 6 乞 4 2 1c f b g 的时延特性6 6 4 2 2 热啁啾f b g 色散斜率补偿6 7 4 2 - 3 应变啁啾f b g 色散斜率补偿6 9 4 2 4 锥形f b g 色散斜率补偿一7 2 4 3 基于n e i m c f b g 的色散斜率补偿”7 3 4 3 1 描述n e i m c f b g 时延特性的简单模型7 4 4 3 2n e i m c f b g 色散斜率特性的仿真研究7 5 4 4 n e i m c f b g 制作方案7 8 4 5 本章小结”7 9 参考文献8 0 第五章腔式f b g 差分应变传感技术8 3 5 1 引言8 3 5 2 腔式f b g 的传感机理8 4 5 3 波长分辨率对传感信号解调的影响8 6 5 3 1 单腔光纤光栅反射谱对波长分辨率的要求8 6 5 3 2 波长分辨率对腔式光栅傅立叶谱振幅的影响8 7 飞 5 4 单腔f b g 差分应变传感的实验研究9 0 = 5 4 1 传感头的制作及实验装置9 0 5 4 2 实验测量与结果讨论9 2 5 5 本章小结9 3 参考文献”9 3 第六章基于腔式f b g 传感器的光谱编码复用技术9 5 6 1 光纤光栅传感系统及复用技术简介9 5 6 2 光谱编码复用( s c m ) 技术基本原理一9 9 6 3 基于单腔f b g 的s c m 差分应变传感技术研究 1 0 1 北京邮电大学博士论文 6 3 1 复用原理分析及验证 6 3 2 系统结构与实验装置 6 3 3 实验测量与结果讨论 6 a 基于l a b v i e w 的傅立叶变换解调技术- 1 0 5 6 5 系统串话的数据处理10 8 6 5 1 对数变换法10 8 6 5 2 差值法1 0 9 6 6 本章小结11 1 参考文献11 1 结束语k 。1 1 3 缩略词。1 1 5 致谢一1 1 7 攻读博士期间发表论文1 1 9 v i i a 北京邮电大学博士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 随着光纤通信和光纤传感技术的不断发展，人类社会进入了一个崭新的信息 技术和传感技术时代。目前，光纤通信已经成为信息社会的中流砥柱，是一种不 可替代的、最主要的信息传输技术，也是今后世界通信建设的主体之一。光纤以 其低损耗、宽频带、原材料丰富的特性，成为现代大容量通信传输的重要媒质。 光纤传感以其高灵明度、不受电磁干扰、低成本、易于复用、可远距离探测等特 点在传感领域也备受关注并被广泛应用。 近年来，光纤光栅技术引起了人们极大的兴趣。光纤光栅是利用光纤材料的 光敏性通过紫外曝光在光纤芯层内形成的一维周期性折射率调制结构。它的出现 是光纤通信领域继掺铒光纤放大器之后的又一个重大事件，它不仅为光纤通信、 光纤传感等领域带来了又一次里程碑式的革命，也将改变人们在光电子器件中传 统的设计思想。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专家们预言，从光纤通 信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。 光纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入 全光信息时代带来了无限生机和希望。光纤光栅作为一种无源器件，已经渗透到 通信和传感领域的各个角落。均匀光纤光栅可用作滤波器，光的上下路分插复 用器( o a d m ) 乜3 ，光纤激光器b 1 等；啁啾光纤光栅可用于通信系统的色散补偿 h 1 ；长周期光纤光栅可以实现掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益平坦巧3 等。在光纤 传感器方面，作为传感器发展的主导方向，光栅传感器被广泛用于航空航天、建 筑工程、电力、纺织等军用和民用领域，特别是适于在易燃、易爆、强腐蚀等恶 劣环境下使用咱1 。 随着人类社会经济的发展和现代化程度的提高，人们对通信技术和传感技术 提出了新的要求，正在努力发展更大容量、更高速率的密集系统。然而，高速发 展的光纤通信技术和传感技术给人们的生活和工作带来极大便利的同时，也对相 应的系统器件提出了更高要求。比如：越来越高的通信速率使得系统中的高阶色 散已经无法被忽视，线性啁啾光纤光栅显然无力补偿；基于波分复用的光纤光栅 传感网络已不能满足大尺寸结构健康检测对通道数的要求等。光纤光栅作为最有 发展前途和最具代表性的光纤无源器件，是人们解决如上问题的首选器件。进一 步研究新型的特殊结构光纤光栅有重大实际应用意义，是今后研究的发展趋势。 1 北京邮电大学博士论文第一章绪论 1 2 光纤光栅技术简介 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人n 1 在研究掺锗石英光纤的非 线性特性时发现了它的光敏性，第一次使用驻波法制成了稳定的光纤布拉格光栅 ( f b g ) 。驻波法又称内部写入法，该方法制作的光纤光栅的反射率可高达9 0 以上，但是光栅共振波长为激光器波长的一半，因此受到激光器波长的限制，而 且需要空间光耦合，使得其实用性也受到限制。直到1 9 8 9 年，美国e a s th a r t f o r d 联合技术研究中心的gm e l t z 等人田1 提出了横向全息写入法刻写光纤光栅，才使 得它正式成为研究热点。他们使用两束相干的2 4 4 n m 高强度紫外激光形成的干 涉条纹对光纤侧面进行曝光，形成光纤纤芯折射率的轴向空间调制，该方法又称 为外侧写入法。横向全息成栅技术是光纤光栅发展过程中取得的一个很大进步， 不仅大大简化了光栅的制作，而且可以通过改变两束相干光之间的夹角来改变光 纤光栅的周期。自此此后，光纤光栅技术得到了迅猛发展。在1 9 9 3 年，k o h i l l 等人n 町使用相位掩模法刻写了光纤光栅，该方法使用紫外光垂直照射相位掩模版 形成的衍射条纹曝光载氢光纤来写入光纤布拉格光栅，大大降低了对光源相干性 的要求，提高了刻写光栅的重复性，使得光纤光栅真正走向实用化和产业化，极 大地推动了光纤光栅的发展及其在光纤通信和光纤传感领域的应用。 光纤光栅的分类 自从1 9 7 8 年光纤光栅出现至今短短三十年里，由于研究的深入，适用于各 种用途的光纤光栅层出不穷，种类繁多，特性各异。但归结起来主要可以从光纤 光栅周期的长短、轴向折射率分布、折射率调制深度以及写入光栅的光纤材料等 几个方面进行分类。 1 ) 按光纤光栅的周期分类 根据光栅周期的长短，一般把周期小于l p m 的光纤光栅称为短周期光纤光 栅，又称为光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) ；把周期为几十到几百o n 的光纤光栅称为长周期光纤光栅( l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ，l p f g ) 。f b g 的特 点是传输方向相反的两个模式之问发生耦合，如图1 - 1 ( a ) 所示，所以f b g 是 一种反射型工作器件，其功能实质上是在光纤内的一个窄带的带通滤波器，其反 射谱如图1 - 1 ( b ) 所示。l p f g 的特点是耦合发生在同向传输的纤芯导模和包层 模之间，无后向反射，如图1 2 ( a ) 所示，它是一种透射型工作器件，其功能实 质上是透射型带阻滤波器，其透射谱如图1 2 ( b ) 所示。 2 、 北京邮电大学博士论文 勺 静 督 罄 ( a ) f b g 的模式耦合 ( b ) f b g 的反射谱 图1 - 1f b g 的模式耦合和反射谱 勺 斟 罄 蓊 ( a ) l p f g 的模式耦合 波长( r a n ) ( b ) l p f g 的透射谱 图1 - 2l p f g 的模式耦合和透射谱 3 l n d e xm o d u l a t i o n 图1 _ 4 均匀光纤光栅结构 啁啾光纤光栅( c f b g ) n 4 1 这种光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向逐渐 单调变化的。由于光栅中不同的周期对应不同的反射波长，因此啁啾光纤光栅具 有较宽的反射谱。而且不同波长的光在光栅的不同位置被反射，所以啁啾光栅能 够产生大而稳定的色散，被广泛用于大容量密集波分复用( d w d m ) 系统中的 色散补偿器件。啁啾光栅可以是线性的，也可以是非线性的。线性啁啾光纤光栅 4 北京邮电大学博士论文 的平均色散与光纤长度的平方成正比，与啁啾量成反比。 切趾光纤光栅( a p o d i z e df b g )它的特点是光致折射率变化的大小沿光 纤轴向分布不是均匀的，其包络满足某种特定的函数。切趾对均匀光栅反射谱的 边模震荡具有很强的抑制作用，选择不同的切趾函数能起到不同的抑制效果，图 1 5 示出了几种常用的切趾函数包络。 - u 2 切趾函数 l 2 图1 - 5 切趾函数的包络 超结构光纤光栅( s u p e r s t r u c t u r ef b g ) 2 1 超结构光纤光栅的折射率调制 是周期性间断的，即由许多小段光栅构成。这种光栅如果不连续区域的出现有一 定的周期性，则又称为取样光纤光栅或者抽样光纤光栅，其反射谱出现类似梳状 滤波的等间距反射峰，且光栅长度越长，每个尖峰的带宽越窄，反射率越高。 倾斜光纤光栅( t i l t e df i b e rg r a t i n g ) n 列也称为闪耀光纤光栅。在光栅制 作过程中，紫外侧写光束与光纤轴不严格垂直，使光栅条纹与光纤轴成一个小于 9 0 。的夹角。光栅条纹倾斜的主要影响是有效地降低光栅的条纹可见度，而且还 将基模耦合至包层模中或辐射模中，从而使布拉格反射减弱。在光栅传输曲线上， 布拉格波长的短波方向会出现一系列损耗带，其强度随倾斜角大小而变化。倾斜 光纤光栅主要用于e d f a 的增益平坦n 刚和空间模式转换器n7 l 。 有效折射率调制光纤光栅( e f f e c t i v ei n d e xm o d u l a t e df b g ：e i m f b g ) n 8 叫钔 这种光栅是在折射率交流调制的基础上，再叠加有效折射率调制( 也就是直流折 射率调制) 的光纤光栅。它的平均有效折射率不是一个常数，可以是线性的，也 可以是非线性的，但其周期远大于折射率交流调制的周期。e l m f b g 的主要特 性是在反射谱范围内产生线性色散或者非线性色散，从而实现高速光纤通信系统 中色散和色散斜率补偿。 相移光纤光栅( p h a s es h i f t e df b g ) 相移光纤光栅是在均匀周期光纤光栅 的某些位置上，通过某些方法破坏其周期的连续性使其发生相位跳变，通常是j r 相位跳变，从而改变光谱分布。相移布拉格光纤光栅能够在布拉格反射带中打开 5 北京邮电大学博i 卜论文 第一章绪论 透射窗口。相移的大小决定了窗口在反射谱中的位置，而相移在光栅波导中的位 置决定窗口的深度，当相移恰好出现在光栅中央时窗口深度最大。相移光栅可用 来构造窄带通滤波器，也可以用它来实现分布反馈式( d f b ) 光纤激光器侧。 3 ) 按折射率调制深度分类 根据折射率调制的强弱，光纤光栅可分为四类，即t y p ei ，b p e ，t y p e i i a ( 也称t y p e i i i ) 和t y p eia 。t y p ei 光纤光栅是最为常用的一种光栅类型， 由连续紫外光( u v ) 或者能量较弱的多个u v 光脉冲曝光形成，折射率变化较 弱，约为1 0 。5 量级国2 ，其折射率调制深度与平均折射率均呈单调增长。它的优 点是具有比较理想的透射谱，包层耦合损耗较弱，但其热稳定性较差。t y p e i i 光 纤光栅一般由高能量的u v 光脉冲在高掺锗光纤中写入，折射率变化较大，约为 1 0 。3 量级乜刳。它的优点是只需单个脉冲曝光就可制成1 0 0 反射率的光栅，且热 稳定性较好，缺点是在波长小于布拉格波长的区域内具有较大的包层或辐射模损 耗。t y p e i i a 光纤光栅一般是在掺锗浓度较高、纤芯较小的光敏光纤中写成的， 可通过对t y p ei 光纤光栅过量曝光得到，其平均折射率随曝光量的增加呈负增 长趋势，温度稳定性介于t y p ei 和t y p ei i 光纤光栅之间乜3 1 。t y p eia 光纤光栅 是最近几年发现的，只能在载氢的光敏光纤或单模光纤中实现。它与i ia 型光栅 类似，在i 型光栅的基础上继续曝光，使光栅逐渐消失，继续曝光几个小时之后， 再次出现光栅，即ia 型光纤光栅。这种类型的光栅具有极低的温度灵敏度，可 用于光纤传感等领域胁1 ，避免了温度一应力的交叉敏感。 4 ) 按写入光栅的光纤材料分类 按写入光栅的光纤材料类型，光纤光栅可分为硅玻璃光纤光栅和聚合物光纤 光栅。硅玻璃光纤光栅是此前研究和应用最多的一种光纤光栅。最近几年，随着 聚合物光纤的发展，在聚合物光纤中写入光栅也引起了人们极大的兴趣乜5 。2 7 1 。与 硅玻璃光纤光栅相比，它具有很大的波长调谐范围、很高的温度和应变灵敏度， 并且生物相容性比较好，因此该种光纤光栅在通信和传感领域有着许多潜在的应 用2 7 1 。 光纤光栅在光通信和传感领域的应用 光纤光栅由于其体积小、熔接损耗小、能埋入智能材料等优点，不仅让现代 通信系统起着革命性变化，由其制作的光纤传感器，对传统的电传感器市场也形 成了强烈的冲击。 1 ) 光纤光栅在光通信领域的应用 6 北京邮电大学博士论文 光纤光栅是下一代高速光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一。 纤光栅也使各种全光器件的研制成为可能。因此国内外诸多研究机构都在大力研 究和开发光纤布拉格光栅及其在全光通信网中的应用。光纤光栅在通信网中的应 用主要表现在以下几个方面： 光纤滤波器n 1 光纤光栅本身就是一种滤波器件。均匀布拉格光栅的模式耦合方式是传输方 向相反的模式之间的耦合，正向基模的能量耦合到反向基模或者包层中，使得谐 振波长处正向基模的能量减弱，反向基模的能量增强。因此若采用透射连接，它 可用作带阻滤波器，如果与光纤环行器配合采用反射连接，可作为带通滤波器使 用。相移光栅由于在其反射谱的相应位置打开一个缺口，可用来制作窄带通滤波 器啪1 。长周期光纤光栅是一种宽带带阻滤波器件，它把共振波长范围内在芯层传 输的光耦合进包层，由于包层外有折射率更高的涂覆层，耦合迸包层的光迅速衰 减，从而产生带阻滤波功能啪，。 光纤激光器口卿妇 光纤光栅激光器产生的光信号更符合全光通信系统对光源的要求。光纤光栅 激光器利用光纤光栅的波长选择特性作为激光器的腔镜，实现模式选择和窄带反 馈。其与光纤的兼容性、输出稳定性和光谱纯度比半导体激光器好，且具有较高 的光输出功率、极窄的线宽和较宽的调谐范围。 e d f a 的增益平坦晦1 掺铒光纤放大器增益谱的不平坦限制了其真正的使用带宽。早期有人提出用 闪耀光纤光栅来平坦e d f a 的增益谱，但制作难度较大。由于长周期光纤光栅能 将正向传播的纤芯导模耦合到同向传播的包层模中去，无背向反射，近年来，人 们普遍倾向于用长周期光纤光栅来实现e d f a 增益谱的平坦化。 色散补偿器n 纠4 3 2 侧 光纤的损耗、色散和非线性是影响光纤传输性能的三个最主要的因素。掺铒 光纤放大器的研制成功基本解决了损耗的问题。随着全光通信速率的提高，色散、 色散斜率和非线性对系统传输能力的影响变得愈发显著。啁啾光纤光栅的出现为 色散补偿提供了一种新的方案，它的色散量大，成本低，非线性效应小，是大容 量密集波分复用系统中常用的色散补偿器件。 光上下路复用器 光纤光栅由于其带宽较窄，且切趾后具有很高的边模抑制比，因此在d w d m 系统有很重要的应用口驯。光纤光栅加环行器很容易实现光上下路复用器( o a d m ) 乜t3 5 - 3 6 ，它在国内外的发展都很迅速。可调谐光纤光栅实现动态o a d m 的技术国 内外报道已经很多，且已经很成熟，它可在环形光网络中实现全光的平滑入出， 7 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 在降低了成本的同时又提高了传输效率，且它的结构简单，适应于光纤通信系统 的全光化、集成化要求。 光交叉连接 光交叉连接( o x c ) 是全光网的核心器件，是光通道层的主要网络单元， 其功能有些象同步数字体系( s d h ) 中的数字交叉连接( d x c ) 。它主要负责网 络和网络之间的波长信道交换，将来自一个波分复用( w d m ) 系统的波长插入 另一个w d m 系统中，可直接在光域网实现高速光信号的路由选择、网络恢复等， 无需进行光电光转换和电处理。1 9 9 9 年，s i c l i a w 等人口7 1 报道了基于光纤光 栅的可重配置o x c 。 2 ) 光纤光栅在光纤传感领域的应用 光纤光栅传感的基本原理是：应变、温度等外界环境的变化引起光纤有效折 射率或者光栅周期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变 化，通过测量谐振波长的变化就可获得周围环境参量的变化。光纤布拉格光栅的 传感信息通常是以波长编码的，这使其克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接 器和耦合器损耗及光源输出功率起伏的不足。它除了具有普通光纤传感器所有的 优点之外，还具有测量信号不受光强波动及系统损耗的影响、抗干扰能力更强、 复用能力强、便于构成各种形式的传感网络、可进行大面积的分布式测量等独特 优点，特别适用于强磁场和辐射性、腐蚀性或危险性大的环境，可以在地质学 嘲删、航空工业及船舶口t 州、土木工程晦4 糊1 、电力工业引、石油化工m 叫射、医 学h 渊1 、化学h 蝴1 以及核工业鼯妇等诸多领域得到应用。目前，已有光纤光栅传感 系统丌始商用，并且大量的实验研究被完成。然而，在光栅传感领域里仍有一些 非要重要的技术挑战，