（电磁场与微波技术专业论文）光纤光栅的两端固定压杆调谐技术研究.pdf

、i五l一， 原创性声明 川1 | | | l | | | | | | i i l l 川| | | | | 川l | i | l | l | | | i 17 913 81 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已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拯茎至l 日 期：丝! ! ：幺! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰之盔! 委】导师签名： l 1一，1- l 山东大学硕士学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t 3 第一章绪论5 1 1 研究背景和目的5 1 2 光纤光栅发展简介6 1 3 光纤布拉格光栅的基本概念6 1 4 光纤光栅的写入技术7 1 5 光纤光栅的分类8 1 5 1 按光纤光栅的周期分类8 1 5 2 按光纤光栅的波导结构分类8 1 6 光纤光栅的理论分析方法一1o 1 7 论文安排l l 第二章光纤光栅理论13 2 1 光纤光栅理论模型13 2 2 光纤光栅基本理论1 4 2 2 1 耦合模理论l5 2 2 2 传输矩阵法一1 7 2 3 光纤布拉格光栅的光谱特性19 2 4 啁啾光纤光栅的光谱特性2 l 2 5 啁啾光纤光栅的切趾分析2 4 2 6 本章小结2 5 第三章光纤光栅调谐系统的设计2 7 3 1 步进电机简介2 7 3 1 1 步进电机的结构及基本工作原理一2 7 3 1 2 步进电机和驱动器的选择一2 9 山东大学硕士学位论文 3 2 上位机控制界面设计3 2 3 2 1 上位机控制界面功能3 2 3 2 2 基于m s c o m m 控件串行通信的设计3 4 3 2 3 串口通信协议的设计3 5 3 3 移动平台控制电路的设计3 7 3 4 难片机控制程序设计4 0 3 5 本章小结4 0 第四章基于两端固定压杆光纤光栅调谐方法的研究4 1 4 1 光纤光栅调谐技术4 1 4 2 两端固定压杆调谐光纤光栅原理4 2 4 3 两端固定压杆应变分布仿真结果及分析4 4 4 4 光纤光栅波长调谐仿真结果及分析4 5 4 5 光纤光栅波长调谐实验结果4 6 4 6 啁啾光纤光栅带宽调谐仿真结果及分析5 l 4 7 啁啾光纤光栅带宽调谐实验结果5 3 4 8 本章小结5 8 第五章啁啾光纤光栅的应用5 9 5 1 啁啾光纤光栅色散补偿技术5 9 5 2 啁啾光纤光栅光实时延迟线在相控阵雷达上的应用6 1 5 3 本章小结6 4 第六章总结。6 5 参考文献6 7 致谢一7 3 作者在攻读硕士学位期间发表的论文7 5 l l 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) 1 a b s t r a c t ( e n g l i s h ) 3 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 5 1 1b a c k g r o u n da n dp u r p o s e 5 1 2d e v e l o p m e n to f f i b e rg r a t i n g s 6 1 3b a s i cc o n c e p to f f i b e rg r a t i n g s 6 1 4w r i t i n gt e c h n o l o g yo f f i b e rg r a t i n g s 7 1 5t y p e so ff i b e rg r a t i n g s 8 1 5 1c l a s s i f i c a t i o na c c o r d i n gt op e r i o d 8 1 5 2c l a s s i f i c a t i o na c c o r d i n gt ow a v e g u i d es t r u c t u r e 8 1 6a n a l y s i sm e t h o d so ff i b e rg r a t i n g s 10 1 7a r r a n g e m e n to f t h i st h e s i s 11 c h a p t e r2t h e o r yo ff i b e rg r a t i n g s 1 3 2 1t h e o r ym o d e lo ff i b e rg r a t i n g s 13 2 2b a s i ct h e o r yo f f i b e rg r a t i n g s 1 4 2 2 1c o u p l e dm o d et h e o r y 15 2 2 2t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d 。17 2 3s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rb r a g gg r a t i n g s 1 9 2 4s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so f c h i r p e df i b e rg r a t i n g s 2 1 2 5a p o d i z a t i o no f c h i r p e df i b e rg r a t i n g s 2 4 2 6s u m m a r y 2 5 c h a p t e r3d e s i g no ff i b e rg r a t i n g st u n i n gs y s t e m 2 7 3 1i n s t r u c t i o no fs t e pm o t o r 2 7 3 1 1s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f s t e pm o t o r 2 7 3 1 2s e l e c t i o no fs t e pm o t o rd r i v e r 2 9 3 2i n t e r f a c ed e s i g no f u p p e rc o m p u t e r 3 2 3 2 1f u n c t i o no f u p p e rc o m p u t e r 3 2 3 2 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb a s e do nm s c o m m 3 4 3 2 3d e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 3 5 3 3c i r c u i td e s i g no f m o b i l ep l a t f o 咖一3 7 i l l ，一， 山东大学硕士学位论文 3 4d e s i g no fc o n t r o lp r o g r a m 4 0 3 5s u m m a r y 4 0 c h a p t e r4 t u n i n gm e t h o do ff i b e rg r a t i n gb a s e do n t w o f i x e d - 。e n de l a s t i c c o m p r e s s i v eb a r 4 1 4 1t u n i n gm e t h o do f f i b e rg r a t i n g s 4 1 4 2 p r i n c i p l e o ft u n i n gf i b e rg r a t i n gb a s e do n t w o f i x e d _ 。e n de l a s t i c c o m p r e s s i v eb a r 4 2 4 3 s t r a i nd i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft w o - f i x e d e n d e l a s t i c c o m p r e s s i v eb a r 4 4 4 4w a v e l e n g t ht u n i n gs i m u l a t i o na n da n a l y s i so ff i b e rg r a t i n gb a s e do n t w o f i x e d e n de l a s t i cc o m p r e s s i v eb a r 4 5 4 5e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f w a v e l e n g t ht u n i n g 4 6 4 6b a n d w i d t ht u n i n gs i m u l a t i o na n da n a l y s i so fc h i r p e df i b e rg r a t i n gb a s e d o nt w o f i x e d e n de l a s t i cc o m p r e s s i v eb a r 5 1 4 7e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f b a n d w i d t ht u n i n g 5 3 4 8s u m m a r y 5 8 c h a p t e r5 a p p l i c a t i o no f c h i r p e d f i b e rg r a t i n g s 5 9 5 1d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do nc h i r p e df i b e rg r a t i n g s 5 9 5 2a p p l i c a t i o no fc h i r p e df i b e rg r a t i n gt r u et i m ed e l a yf o rp h a s e da r r a y a n t e n n a 一6 l 5 3s u m m a r y 6 4 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n s 6 5 r e f e r e n c e s 6 7 a c k n o w l e d g e m e n t 7 3 t h ea u t h o r sa c a d e m i cp a p e r sa n dp a t e n t sd u r i n gp u r s u i n gm a s t e r sd e g r e e 7 5 山东大学硕士学位论文 摘要 自从1 9 7 8 年，k o h i l l 等人在掺锗光纤光栅中采用驻波法制成世界上第一只 光纤b r a g g 光栅以来，光纤光栅以其丰富的选频特性、低的插入损耗、优良的动 态调谐性能以及与光纤的天然兼容性成为光纤通信和光纤传感领域中重要的光器 件。 本论文围绕可调谐光纤光栅这一主题，对基于两端固定压杆的光纤光栅波长 调谐和带宽调谐方案进行了深入的理论和实验研究，主要内容包括： 1 、简要回顾了光纤光栅的发展史、光纤光栅基本概念以及分类，同时对光纤 光栅的写入技术进行了总结 2 、介绍了光纤光栅常用的理论分析方法，在折射率调制模型的基础上，根据 本征模的展开式以及本征模的正交关系，推导出光纤光栅的耦合模方程。在给定 的边界条件下，得出了均匀布拉格光栅的反射特性公式，分析了光栅长度、折射 率调制深度对反射特性的影响；对于啁啾光纤光栅，利用矩阵传输法将整个光栅 离散为多个均匀布拉格光栅的级联从而得到啁啾光栅的反射特性，对光栅长度、 啁啾系数、折射率调制深度等因素的影响进行了详细分析。 3 、设计了一个基于精密步进电机的光纤光栅调谐系统。该控制系统包括上位 机控制界面、单片机控制电路、驱动器以及步进电机。根据系统的功能需要，使 用c + + b u i l d e r 编写上位机控制界面，通过串口对下位机发送命令，实现对电动位 移平台的运行方向、位移距离、速度和细分的控制。使用p r o t e l 9 9 s e 绘制印刷电 路板，单片机控制程序使用k e i lc 编写。 4 、提出了一种新型的基于两端固定压杆光纤光栅布拉格波长的非线性调谐方 法。推导出了光纤光栅波长调谐量的具体表达式，通过自行设计的可计算机编程 控制步进电机驱动的调谐系统进行了光纤光栅波长调谐实验。验证并分析了调谐 过程中出现的谐振峰现象，光纤光栅中心波长的双向准无啁啾调谐量大于3 5n l n ， 迟滞误差为0 0 8 ，调谐过程中3 d b 带宽的改变量小于0 0 9a m 。 提出了一种新颖的啁啾光纤光栅反射谱中心波长无移动的光纤光栅啁啾度调 山东大学硕士学位论文 谐方法。仿真分析了啁啾光纤光栅啁啾度调谐过程中的反射谱以及时延特性曲线。 带宽展宽调谐的实验实现了啁啾光纤光栅的带宽从6 5 2n n l 增加到1 2 7 8n mg 而 带宽压缩调谐实现了啁啾光纤光栅的带宽从6 5 7 n m 压缩到0 9 5n i n 。 5 、简单介绍了啁啾光纤光栅在光纤通信系统色散补偿方面应用以及啁啾光纤 光栅光实时延迟线在相控阵雷达上的应用。 2 关键词：啁啾光纤光栅；波长调谐；啁啾度调谐；色散补偿；实时延迟线 1 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ef i r s tf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) w a sw r i t t e ni n t oa g e - d o p e df i b e rb yt h e m e t h o do fs t a n d i n g - w a v ei n19 7 8 ，f b gh a v eb e c o m ean o t a b l ep h o t o n i cd e v i c ei n a l l - o p t i c a ln e t w o r ka n df i b e rs e n s o rn e t w o r k ，f o ri t sa b u n d a n tf r e q u e n c ys e l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，l o wi n s e r t i o nl o s s ，e x c e l l e n tt u n i n gp e r f o r m a n c e sa n dn a t u r a l l y c o m p a t i b i l i t yw i t hf i b e r t h em e t h o do ft u n i n gf b gb a s e do nt h et w o f i x e d e n dc o m p r e s s i v eb a rh a v e b e e ni n v e s t i g a t e dd e e p l yb o t hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i s i n c l u d ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ff b gt h eb a s i cc o n c e p t i o no ff b ga n dt h es o r t so f f b ga leb r i e f l yr e v i e w e d ，t h et e c h n i q u e so fw r i t i n gf b ga r ea l s os u m m a r i z e d 2 c o m m o na n a l y s i st h e o r i e so ff b ga r ei n t r o d u c e d b a s e do ni n d e xm o d u l a t i o n m o d e l ，t h ec o u p l e dm o d ee q u a t i o n sa r ed e r i v e db ye i g e n m o d ee x p a n s i o no fl i g h tf i e l d b yt h eg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h er e f l e c t i v i t yf o r m u l ao f u n i f o r mf b g i so b t a i n e d t h ei n f l u e n c e so fg r a t i n gl e n g t ha n di n d e xm o d u l a t i o n d e p t ho nu n i f o r mb r a g gg r a t i n g a r ea n a l y z e d r e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n ga r ed e s c r i b e db y t r a n s f e rm a t r i xm e t h o dw h i c hd i v i d e st h eg r a t i n gi n t om a n yu n i f o r mg r a t i n g s t h e i n f l u e n c e so fg r a t i n gl e n g t h ，c h i r pp a r a m e t e ra n di n d e xm o d u l a t i o nd e p t ho nc h i r p e d f i b e rg r a t i n ga r ed e m o n s t r a t e di nd e t a i l 3 as y s t e mo ft u n i n gt h ef b gb a s e do i lt h es t e pm o t o ri sd e s i g n t h es y s t e m i n c l u d e st h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r e ，t h em c u c i r c u i t ，t h ed r i v e ra n dt h es t e pm o t o r t h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r ei sd e s i g n e du s i n gt h ec + + b u i l d e r , t h ef u n c t i o ni n c l u d i n g t h er u n n i n gd i r e c t i o n ，d i s t a n c e ，s p e e da n dt h es u b d i v i s i o nc o n t r o lb ys e r i a lp o r t t h e m c uc i r c u i ti sd e s i g n e du s i n gp r o t e l 9 9 s ea n dk e i lc l a n g u a g e a 4 an o v e lt u n a b l ew a v e l e n g t hf i l t e ri sd e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e d ，w h i c hi s r e a l i z e db yb e n d i n gaf i b e r b r a g gg r a t i n gm o u n t e do n at w o f i x e d e n d e l a s t i c 3 山东大学硕士学位论文 c o m p r e s s i v eb a r a c c o r d i n gt om a t e r i a lm e c h a n i c s ，e q u a t i o n sa r ed e r i v e dr e l a t i n gt h e w a v e l e n g t ht u n i n go ff i b e rb r a g gg r a t i n g st ot h eb e n d i n gs t r a i n t h ef i b e rg r a t i n g w a v e l e n g t ht u n i n ge x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u tu s i n gs e l f - d e s i g n e dt u n i n ga p p a r a t u s t h er e s o n a n tp e a k sp h e n o m e n o nd u r i n gt u n i n gp r o c e s si sa n a l y z e di nd e t a i l t h e w a v e l e n g t hc h a n g eh a sas t r i c t l ye x p o n e n t i a lc u r v er e l a t i o n s h i pw i t ht h ed i s p l a c e m e n t o ft h et r a n s l a t i o ns t a g e t h ee x p e r i m e n t a lt u n i n gr a n g ei sl a r g e rt h a n3 5n l t la n dt h e 3 d bb a n d w i d t hc h a n g ei sl e s st h a n0 0 9a m t h et u n i n gh a sn i c er e p e a t a b i l i t yw i t ht h e h y s t e r e s i so f 0 0 8 。 an o v e lm e t h o df o rt u n i n gt h ec h i r pr a t i oo ff i b e rg r a t i n gw i t h o u tt h ec e n t r a l w a v e l e n g t hs h i f ti sp r o p o s e du s i n gat w o f i x e d - - e n dc o m p r e s s i v eb a rw h i c hi n d u c e sa l i n e a rs t r a i nd i s t r i b u t i o na l o n gt h eg r a t i n g t h ec h i r pr a t i ot u n i n gp r i n c i p l ei sa n a l y z e d a c c o r d i n gt om a t e r i a lm e c h a n i c sa n dt h er e f l e c t i o na n dt i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c so ft h e g r a t i n gd u r i n gt h et u n i n gp r o c e s sa r es i m u l a t e da sw e l l t h eb a n d w i d t ht u n i n gr a n g ei s f r o m6 5 2a mt o12 7 8n l nw h e nt h eg r a t i n gi st u n e di nt h eb r o a d e n i n gw a y , m e a n w h i l e ， t h eb a n d w i d t ht u n i n gr a n g ei sf r o m6 5 7n n lt o0 9 5n n li nt h ec o m p r e s s i n gw a y 5 t h ea p p l i c a t i o no fc h i r p e df i b e rg r a t i n gf o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni no p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no ft r u et i m ed e l a yo ft h ec h i r p e df i b e rg r a t i n g f o rp h a s ea r r a yr a d a ra r eb r i e f l yi n t r o d u c e d k e y w o r d s ：c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ；w a v e l e n g t ht u n i n g ；c h i r pr a t i ot u n i n g ； d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ；t r u et i m ed e l a y 4 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和目的 第一章绪论 1 9 6 6 年，在英国标准电信实验室工作的华裔科学家高锟( c k k a o ) 首先提出 用石英玻璃纤维作为光纤通信的媒质并分析了玻璃光纤损耗大的主要原因，并预 言只要能够设法降低玻璃中的杂质就能降低光纤传输损耗【l 】。他也因为这一巨大 贡献获得了2 0 0 9 年诺贝尔物理学奖。以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技 术和传感技术从2 0 世纪后半叶至今的几十年罩日新月异，极大地推动了人类社会 的进步。光纤通信是信息社会的支柱，是“信息高速公路”的骨干网，也是世界 通信建设今后发展的主体之一。光纤以其损耗低、带宽宽的特性，已成为现代通 信网络中的最佳传输媒质，将通信系统的传输容量扩展了几个数量级，达到了数 t b i t s 的传输速度，使得图像、声音、数据的同时高速传输成为现实，光纤到户 已成为必然的发展趋势。光纤传感以其本质安全、不受电磁干扰、灵敏度高、质 量轻、体积小、易于复用、可远距离遥测、能埋入工程结构等特点而在传感领域 备受关注并得到广泛应用，已成为传感器技术发展的主流方向之一。将光纤传感 器埋入到结构中形成神经网络使得智能结构成为可能，这将会极大地改变人们的 生活方式【2 1 。 近年来，一种可以在光纤中制作光栅的新技术引起了人们极大的兴趣，这是 因为光纤光栅的出现不仅给光纤通信和光纤传感领域，而且给相关领域带来了又 一次里程碑式的革命，同时使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光有 源无源器件和智能传感器。光纤光栅技术的出现将是光纤通信领域继光纤放大器 之后的又一个重大事件。正如权威人士指出【3 】：“光纤光栅的出现迫使人们不得不 重新考虑光纤通信系统中的每一个设计将来光纤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令人难以置信。” 本文结合山东省中青年科学家奖励基金“利用大尺寸啁啾光纤光栅对短脉冲 激光的展宽和压缩( 2 0 0 6 b s 0 1 0 0 1 ) 和山东省自然科学基金“基于光纤光栅的光 学延迟线的研究( q 2 0 0 7 g 0 3 ) ”，主要以光纤布拉格光栅和啁啾光纤光栅为研究对 5 山东大学硕士学位论文 象，从理论和实验两方面对光纤光栅的波长和带宽调谐进行了新的探索。 1 2 光纤光栅发展简介 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k h i l l 等人【4 】使用波长为4 8 8 n m 的氩离子激光 器，在硅基掺锗光纤中，利用驻波法写出了世界上第一根光纤光栅。这种光纤光 栅能够把光纤中某个方向传输的本征模能量耦合到反方向传输的本征模能量中， 从而导致某一特定波长一定带宽的光的反射，由于其谐振波长满足b r a g g 衍射方 程，所以把这种光栅称为光纤布拉格光栅( f b g ) 。光栅的波长受到写入激光波长 的限制，且该方法对掺锗光纤的要求较高，实用性受到限制。 直到1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人【5 】利用两束干涉的紫外光 从光纤的侧面写入了光栅。用炳束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光载氢光 纤，写制出布拉格波长与写入波长不同的光纤光栅。这项技术大大提高了光栅写 入效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角达到控制布拉格波长的目的，从而 在世界范围内掀起了光纤光栅的研究热。但是，该方法对光的相干性、写入装置 的稳定性要求较高。 1 9 9 3 年h i l l 等人【6 】又提出了相位掩模法。用紫外光垂直照射相位掩模板后形 成的l 级衍射光对载氢光纤曝光写入布拉格光栅。该方法优点是写入光栅的周 期仅仅取决于相位掩模板的周期而与写入波长无关，对光源的相干性要求不高， 简化了写入装置，使光纤光栅的实用化和产品化成为可能，是目前广泛采用的一 种方法。 1 3 光纤布拉格光栅的基本概念 光纤布拉格光栅实际上就是一段光纤，只是在光纤纤芯的轴向折射率有周期 性的的改变。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子 相互作用引起折射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上 是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波或反射镜。光纤光栅就是带阻滤 波器，满足布拉格条件的光被反射回来，其他光则继续向前传播。 6 山东大学硕士学位论文 本质上讲，光纤光栅是通过光波与波导的相互作用，将在光纤中传输的特定 频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限 定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。 光纤光栅的形成基于光敏性，不同的曝光条件、不同类型的光纤可产生多种 不同折射率分布的光纤光栅。下面是对于整个光纤曝光区域，针对三层阶跃模型 的折射率分布的一般描述【7 】： fn i 1 + f ( r ，缈，z ) 】i r i 口。 n ( r ，仍z ) = 他口i i r i 口2 ( 1 3 1 ) l n 3 h 口： 其中，a ，为纤：笛半径；口：为包层半径；n 。为纤芯初始折射率；刀：为包层折射率； 伤为环境折射率；f ( r ，j ，z ) 为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其最大值为 折射率变化最大值除以l l i 。 1 4 光纤光栅的写入技术 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人首次在掺锗光纤中用氩离子激 光成功地进行了光纤光栅的写入实验。实验中，两束反向传播的4 8 8 n m 氩离子激 光在光纤中产生驻波干涉条纹，造成光纤纤芯沿轴向的周期性折射率微扰。这种 被称为“h i l l 光纤光栅”的器件具有极好的波长选择特性，对某一极窄带宽内的 光的反射率接近1 0 0 ，而其它波长的光则可以全部通过。 1 9 8 9 年，联合技术研究中心的g m e l t z 等人利用两束干涉的紫外光从光纤的 侧面写入可以用于光纤通信的红外波段的光纤光栅。此技术大大提高了光纤光栅 的写入效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角从而达到控制布拉格波长的目 的。 1 9 9 1 年f o u e l l e n e 【8 1 等人利用光纤载氢处理增强了光纤的光敏特性。 1 9 9 3 年k o h i l l 和d z a n d e r ! 的n 【9 1 采用相位掩膜版写入技术使光纤光栅有了 一种大批量复制的能力。 1 9 9 5 年m j c o l e 1o 1 等人提出了移动光纤或者相位掩膜版扫描法，随后提出 7 山东大学硕士学位论文 的连续光纤光栅写入法，采用这种光纤光栅制作方法可以制作具有任意折射率调 制幅度和相位的光栅。 1 9 9 9 年r f e c e d 1 2 , 1 3 1 等人提出了一种称之为差分层析的光纤光栅逆：i = 程设计 方法，使得人们可以根据需要设计一些特殊需求的光纤光栅，如矩形光纤光栅、 无色散光纤光栅、色散斜率补偿光纤光栅。 目前为止，已经有很多光纤光栅的写入方法，常用的写入方法主要有：外写 入成栅方法、逐点写入方法【1 4 】、相位掩膜版方法，其中相位掩膜版方法因其操作 简便、价格低廉、适用于大批量生产而被广泛应用。 1 5 光纤光栅的分类 在光纤光栅出现至今的短短3 0 多年罩，随着研究的深入和应用的需要，各种 用途的光纤光栅层出不穷，种类十分繁多，特性各异。人们从各种不同的角度提 出了很多分类的方法，各种分类的方法虽不完全相同，但归结起来主要可以从光 纤光栅的周期、相位以及写入技术方法等几个方面对光纤光栅进行分类。 1 5 1 按光纤光栅的周期分类 根据光纤光栅周期的长短，通常把周期小于l p m 的光纤光栅称为短周期光栅 【1 5 】，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅 称之为长周期光纤光栅【1 6 1 ，又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向 相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器。长周期光纤光栅的特点是同 j 向传输的纤芯基模和包层之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。 1 5 2 按光纤光栅的波导结构分类 根据光纤光栅的波导结构即光纤光栅轴向折射率分布，光纤光栅可分为以下几 类【7 】： ( 1 ) 均匀光纤光栅。特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数，这是 最常见的一种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模振荡。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 啁啾光纤光栅r 】。特点是光栅的周期沿轴向长度逐渐变化，该光栅在 光纤通信中最突出的应用是作为大容量密集波分复用( d w d m ) 系统中的色散补偿 器件。啁啾光纤光栅可以是线性的也可以是非线性的。线性啁啾光纤光栅的平均 色散与光纤长度的平方成正比，与啁啾量成反比。 ( 3 ) 高斯变迹光纤光栅【1 8 1 。特点是光致折射率变化大小沿光纤轴向为高斯 函数。高斯函数变迹光纤光栅的反射谱不具有对称性，在长波边缘光谱平滑，在 短波边缘存在边模振荡结构，并且光栅长度越长振荡间隔越密，光栅越强，振荡 幅度越大。 ( 4 ) 升余弦变迹光纤光栅【1 9 】。光致折射率变化大小沿光纤轴向分布为升余 弦函数，且直流“d c ”折射率变化为零。变迹对于均匀光栅反射谱的边模振荡具 有很强的抑制作用，选择不同的变迹函数能起到不同的抑制效果。这种光纤光栅 在d w d m 中有很重要的应用。常用的变迹函数有高斯函数、双曲正切函数、余 弦函数和升余弦函数等。 ( 5 ) 相移光纤光栅f 2 0 】。特点是光栅在某些位置发生相位跳变，通常是7 相 位跳变，从而改变光谱的分布。相移的作用是在相应的反射谱中打开一个缺口， 相移的大小决定了缺口在反射谱中的位置，而相移在光栅波导中的出现的位置决 定了缺口的深度，当相移恰好出现在光栅中央时缺口深度最大，因此相移光纤光 栅可以用来制作窄带带通滤波器，也可用于分布式反馈( d f b ) 光纤激光器。 ( 6 ) 超结构光纤光栅。特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续， 如果这种不连续区域的出现有一定周期性则称为取样光栅，其反射光谱出现类似 梳状滤波的等间距尖峰，且光栅长度越长则每个尖峰的带宽越窄，反射率越高。 ( 7 ) 倾斜光纤光栅f 2 l 】。也称为闪耀光纤光栅，其特点是光栅条纹与光纤轴 向成一小于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 并显著影响辐射模耦合，从而使布拉格反射减弱，因此合理选择倾斜角度可增强 辐射模和束缚模耦合，从而抑制布拉格反射。倾斜光纤光栅主要可以用作掺铒光 纤放大器的增益