（材料学专业论文）长周期光纤光栅的制作与特性研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领 域。智能材料与结构具有四种主要特性，即敏感特性、传输特性、智能特性和 自适应特性，它代表着2 1 世纪先进新材料发展的一个方向。光纤传感器作为智 能材料与结构理想的核心部件，正在受到越来越多的关注，而其中光纤光栅传 感器是目前研究和应用的热点。 自从1 9 9 5 年a m v e n g s a r k a r 等人在光纤中成功地写入长周期光纤光栅 ( l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g 以下简称l p g ) 以来，l p g 作为光纤器件在光纤通 信和传感领域得到了越来越广泛的研究和应用。已经证实l p g 可以改进掺铒光 纤放大器系统，因此可以用作带阻滤波器和增益平坦滤波器，另外它也可以用 作温度和压力传感器，还可以用作光纤光栅传感解调器。l p g 的独特之处在于 其对包层的灵敏性，这是l p g 一个独一无二的特性，它的这种包层灵敏性可以 用来制作生物化学传感器。 为了能使l p g 广泛的应用于光通信和传感领域，本论文研究了l p g 的制 作、特性和其在光通信和传感领域的应用情况。文章首先采用耦合模理论模拟 了长短周期光纤光栅的光谱形状基础，然后进行光纤的载氢增敏实验，采用普 通单模光纤，经过载氢增敏，利用振幅掩模法和逐点法制作出l p g ，并对其的 传感特性进行了研究。 以三层阶跃折射率波导结构和耦合模理论为基础，考虑到氢分子引起的折 射率变化，针对氢载l p g 提出了一个简单的模型，对l p g 的退火进行了分析和 模拟，所得到的结果与实验符合得很好。 采用l p g 实现了r t m 工艺中的流动前沿监测。实验研究了l p g 在各种工 艺条件下的光谱信号响应情况，结果表明l p g 能可靠地探测中低纤维体积含 量预成型体中的树脂流动前沿，在高纤维体积含量情况中以及探测三维厚度方 向不同深度的树脂流动前沿时的应用受树脂折射率的限制 采用普通单模光纤设计制作l p g ，在此基础上，普通单模光纤l p g 的双 折射效应进行了研究，获得了很好的横向压力敏感性，证明这种l p g 具有极大 的用作高灵敏度的光纤横向压力传感器的潜力。 提出了一种新颖双周期光纤光栅传感器，在一段氢载光纤的相同位置上先 后写入l p g 、短周期布拉格光纤光栅( f b g ) ，这样就可以利用l p g 和f b g 对 武汉理工大学博士学位论文 应变和温度敏感性的差异，实现应变和温度的同时测量；利用l p g 和f b g 对 横向和径向压力灵敏度的不同，实现多轴应变传感测量；基于波分复用技术， 利用双周期光栅极大地增加分布式传感系统的测量点数目。 关键词：光敏性光纤光栅长周期光纤光栅( l p g ) 耦合模理论 应力温度折射率 i i 童堡堡三奎兰堡圭兰堡篁塞 a b s t r a c t w i t hf o u rm a i nf e a t u r e si n c l u d i n gs e n s i n g ，i n f o r m a t i o nc o n v e r t i n g ，a u t o m a t e d r e s p o n s ea n ds e l f - a d a p t a t i o n ，s m a r tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sb e c o m et h en e w f i e l d o fm a t e r i a l sr e s e a r c h ，a n dw h i c hr e p r e s e n t sad i r e c t i o no fa d v a n c e dn e wm a t e r i a lo f 2 1 t hc e n t u r y b e c a u s eo fe x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c ，f i b e r sa r ec o n c e r t ib ym o r ea n d m o r er e s e a r c h e r , t h e r e i n t of i b e rg r a t i n gi st h em o s ti m p o r t a n t p a r t s i n c ea m v e n g s a r k a re ta 1 w r o t es u c c e s s f u l l yl o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g s ( l p g ) i no p t i c a lf i b e r si n1 9 9 5 ，l p gh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a r a s f i b e r - o p t i cd e v i c e sf o ro p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n ds e n s i n g l p gh a v eb e e n d e m o n s t r a t e da sb a n d r e j e c t i o na n dg a i n - f l a t t e n i n gf i l t e r sf o ri m p r o v i n ge r - d o p e d f i b e ra m p l i f i e rs y s t e m s ，a n da l s ou s e da st e m p e r a t u r e s t r a i n s e n s o r s ，a sw e l la s s e n s i n gd e m o d u l a t o r s o n eo ft h e i ru n i q u ec h a r a c t e r i s t i c si st h es e n s i t i v i t yt ot h e r e f r a c t i v ei n d e xo ft h ec l a d d i n g ，w h i c hc a nb eu s e da sb i o c h e m i c a ls e n s o l t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h ef a b r i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o n ，a n da p p l i c a t i o n so f l o n g p e r i o dg r a t i n g si no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sa n ds e n s i n gs y s t e m s t h ea i m o ft h i sp r o j e c ti st oa s s e s sl o n g - p e r i o dg r a t i n g sa sf i b e r - o p t i cd e v i c e sf o ro p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o na n ds e n s i n g ar e v i e wo ft h ep r o p e r t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e r g r a t i n g sa s s o c i a t e dw i t ht h es i m p l es i l i c a t ef i b e r si sp r o v i d e d ，w h i c hi n c l u d e sa t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e so fo p e r a t i o nf o rs h o r t p e r i o dg r a t i n g s ( f i b e r b r a g gg r a t i n g s ) a n dl o n g p e r i o dg r a t i n g s t h es i m u l a t i o n so ft h es p e c t r a lr e s p o n s e f r o mt h e s et w o t y p e so fg r a t i n g sa r ea l s op r e s e n t e d an u m b e ro fl o n g - p e r i o dg r a t i n g f a b r i c a t i o nm e t h o d sa n dt e c h n i q u e s ，w h i c hw e r er e p o r t e db ys o m er e s e a r c h e r s ，a r e r e v i e w e d i nt h i sp r o j e c t ，t h en o r m a ll o n g p e r i o dg r a t i n g sa r ef a b r i c a t e db yu s i n ga k r fe x c i m e rl a s e rc o m b i n e dw i t ht h em e t a la m p l i t u d em a s kt e c h n i q u ea n dp o i n t b y - p o i n te x p o s u r et e c h n i q u e t h em e t a lm a s ki sm a d eo fas t a i n l e s ss t e e ls h e e t ，a n dt h e s l o tw i d t h ( p e r i o d i c i t y ) i sp r o c e s s e db yu s i n gh i g hq u a l i t yp h o t o g r a p h i ct o o l i n g c o n s i d e r e dt h er e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e sc a u s e db yh y d r o g e n m o e c u l a r , t h i s p a p e rd e v e l o p e das i m p l em o d e lb a s e dt h r e e l a y e rs t e pi n d e xw a v eg u i d ea n d c o u p l e dm o d et h e o r yt oa n a l y z ea n ds i m u l a t et h ea n n e a l i n go fl p gi n s c r i b e di n h y d r o g e nl o a d e df i b e r t h er e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t s i i i 武汉理工大学博士学位论文 l p gw a su s e dt om o n i t o rt h ef l o wf r o n tp r o g r e s s i o ni nr t m t h er e s p o n s e so f s p e c t r u ms i g n a l so fl p gu n d e rv a r i o u sp r o c e s sc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d i n d e t a i l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tl p gs e n s o r sw e r er o b u s ta n dr e l i a b l e t od e t e c tt h ea r r i v a lo fr e s i ni ns t r u c t u r e sw i t hl o w m e d i u mf i b e rv o l u m ef r a c t i o n w h i l el i m i t e db yt h er e f r a c t i v ei n d e xo fr e s i na td i f f e r e n td e p t h si ns t r u c t u r e sw i t h h i g hf i b e rv o l u m ef r a c t i o n l p gw e r e d e s i g n e d a n df a b r i c a t e di nt h e h y d r o g e n - l o a d e df i b e r ，w h i c h c o n s i d e r a b l y d e c r e a s e dt h ef a b r i c a t i o nc o s t t h eb i r e f r i n g e n c ee f f e c ti nt h e c o n v e n t i o n a ls i n g l em o d ef i b e r sw a si n v e s t i g a t e d a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t l p f ga c h i e v e d v e r yh i g h t r a n s v e r s es t r a i n s e n s i t i v i t y , s h o w i n g c o n s i d e r a b l e p o t e n t i a lf o ru s ea st r a n s v e r s es t r a i ns e n s o r sw i t hh i g hs e n s i t i v i t y an o v e ld u a lp e r i o df i b e rg r a t i n gs e n s o ri sd e m o n s t r a t e d ，w h i c hc a nm e a s u r e s t r a i na n dt e m p e r a t u r es i m u l t a n e o u s l y t h ed u a lp e r i o df i b e rg r a t i n gc o n s i s t so fl p g a n df b gt h a ti sw r i t t e ni nt h es a m es e c t i o no fah y d r o g e n l o a d e df i b e ro r d e r l y t h i s w i l lb e n e f i c i a lt h e s et h r e e q u e s t i o n s ：m e a s u r i n g s t r a i na n d t e m p e r a t u r e s i m u l t a n e o u s l y , m u l t i p l es e n s i n gt e c h n i q u ee n c o d i n ga n dm u l t i a x i ss t r a i ns e n s i n g k e y w o r d s ：p h o t o s e n s i t i v e t y ，f i b e rg r a t i n g ，l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p g ) ， c o u p l em o d et h e o r y , s t r e s s ，t e m p e r a t u r e ，r e f r a c t i v ei n d e x 独创性声明 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的地方外，论文中不包含其他人已经发表的和撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它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作的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 1 马 同期： 趋2 篁：! ! ：” 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学关于保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩影或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：璐导师签名挫同期：三二肛、， v 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 光纤智能材料与结构 1 1 1 智能材料与结构的背景 材料技术是人类进步的里程碑，是各个历史时期技术革命的重要支柱，甚 至成为时代的标志，如石器时代、铁器时代等。一种新材料的诞生往往会推动 社会发生巨大变革。今天随着国民经济的高速发展，信息、生命、能源、交通、 环境科学、高科技产业和国防建设等对新型材料的需求比以往更迫切，对材料 应用范围的广泛性，使用条件的复杂性和安全可靠性的要求也越来越高，所以 研究与开发各种性能优越的新型材料，发展材料科学与工程学科是一项重要而 迫切的战略任务。 智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领 域。设想一下，如果混凝土能自己发现混凝土结构里的裂缝：玻璃能根据环境! 光强的变化而自行改变透光率，使进入室内的阳光变暗或变亮：墙纸可以变化 颜色以适应不同环境；空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复等等。 凡此种种均属智能材料与结构。这种智能材料与结构是能对环境有感觉并产生 反应的流体、合金、玻璃、陶瓷、高分子等材料与结构。它们可使结构感知其 内部的裂缝并能在破裂前发出警报，在飞机机身上复盖探测疲劳的智能光纤材 料，能预知飞机及其构件的损伤，它们能在一定上程度上自己诊断损伤甚至自 己修复，以处长构件寿命，保证构件的安全。 智能材料与结构是高技术新材料领域中正在形成的一门新的分支学科，是 2 1 世纪的先进材料，智能材料与结构也是当前工程学科发展的国际前沿，材料 的“智能化”是一项具有挑战性的课题，要求材料本身具有类似生物所具有的高 级功能，如对环境和各种信息的感知功能、自诊断和预警功能、自适应和自修 复功能等。智能结构把高技术的传感器或敏感元件和结构材料及功能材料结合 在一起，从而赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得有了“感觉”和“知觉”， 能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。智能材料与结 构是一门交叉学科，它的发展不仅是材料学科本身的需要，而且可以带动许多 相关学科的发展，也是国民经济建设发展的需要。目前各国有一大批各学科的 专家和学者正积极致力于发展这一学科，其中包括化学家、物理学家，材料学 武汉理工大学博士学位论文 家、机电专家、计算机专家、土木工程和航空领域的专家等。 智能材料与结构概念是美国和日本科学家首先提出的，1 9 8 9 年日本高木俊 宜教授将信息科学融于材料的特性和功能，提出智能材料( i n t e l l i g e n tm a t e r i a l s ) 概念，它是指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。美国的r e n e w n h a i n 教授提出了灵巧( s m a r t ) 材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵 巧材料分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。 国际上于1 9 8 8 年在美国召开了第一届“光纤机敏结构与蒙皮”会议( f i b e r o p t i cs m a r ts t r u s t u r ea n ds k i n s ) 。美、日、德、法等国科技工作者在会议上发表 了不少有关智能材料、制造技术、强度分析、信号处理以及工程应用的论文和 报告。此后，每年国际上都有大量文章和专利发表。智能材料应用范围越来越 广，现已发展成为当代高新技术领域里的一项重要研究内容。 1 1 2 智能材料、器件与结构的基本概念 智能材料与结构是指能模仿生物体，同时具有感知和控制等功能的材料或 结构，它既能感知环境状况又能传输分析有关信息，同时作出类似有生命物体 的智能反应，如自诊断、自适应或自修复等。这种材料与结构一般具有四种主 要功能。对环境参数的敏感；对敏感信息的传输：对敏感信息的分析、 判断；智能反应。 早期的智能材料往往是一处种材料集上述四种功能于一身，因此种类极少， 而且适应面很狭窄，功能单一。例如形状记忆合金( s m a ) 智能材料，就集上 述四种功能于一体，但其功能和应用范围有限。随着科学技术的不断发展，尤 其是8 0 年代光纤传感技术和微电子技术的高速发展，给智能材料注入了新的活 力和概念，科技工作者开始对智能材料的四种功能分别进行处理，分别按需要 进行设计，制造多种性能优越的智能材料和结构。因此，智能材料与结构往往 不是研制一种材料使之具备多种智能特性，而是根据需要在所使用的基体材料 中埋入某种新的材料和器件，这种埋入的材料或器件一般具有某种或多种智能 特性，这样使智能材料与结构的性能和应用得到了很大扩展，它可以根据人们 的需要来设计和制作具有多种智能属性的智能材料和结构，它的智能特性不是 在单一材料中予以表现，而往往是在最终结构体中才得以表征。由于智能材料 构件需要在所使用的材料构件中埋入新的材料或器件，所以目前它们主要用于 复合材料中，并且对埋置材料和工艺有一些共性要求。 与智能材料、结构有关的特性很多，下面对一些主要特性作介绍。 ( 1 ) 敏感特性：埋入材料使新的复合材料能感知环境的各种参数及其变化。 可供埋入的材料很多，但必须具备对环境不同参数的敏感特性。例如常用的光 2 武汉理工大学博士学位论文 导纤维传感器，就具备多种参数的敏感特性，因为它不仅与各种复合材料有较 好的相容性，而且光纤传感技术的发展使得光导纤维本身就可以制成能检测力、 热、声、光、电等物理参数的几百种传感器。它体积小，种类多，而且能测量 多种物理参数和分布状况。 ( 2 ) 传输特性：智能信息的传递类似人的神经网络、智能材料、结构中常 用光纤传递信息，光导纤维不仅体积小，传输信息容量大，而且据医学专家介 绍，光导纤维的构造和人的神经构造十分相近，国外也常把埋入机敏材料中的 光纤比之为玻璃神经网络。 ( 3 ) 智能特性：实现这个特性，一是埋入智能材料中的超小型电脑芯片， 国外已研制成的这类芯片比人体血管还细：二是埋入人工神经网络，可由光导 纤维组成。这些系统的高度并行性，容差性以及自学习、自组织、自适应等功 能，经过“训练”可以使智能材料能模仿生物体的各种智能。 ( 4 ) 自适应特性：这个特性主要是由智能材料中的各种微型驱动系统来实 现。该系统是由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应环境 中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。目前常用的微型驱动+ 系统有形状记忆合金，磁致伸缩材料，电脑变体等，尤其是电流变体材料在自 适应材料中的应用特别引人注目。 ( 5 ) 相容性：相容性的内容很多，原则上是以埋置的材料性质与原构件的 材料基质的性质越相近越好。下述几种相容性是最需要考虑的。 ： ( a ) 强度相容：埋置材料不能影响原材料的强度或者说影响很少。例如， 在混凝土中常需埋入少量碳纤维，它不仅不会影响原混凝土的强度，还有增强 作用。 ( b ) 界面相容：埋入材料的表面和原材料有相容性。例如，在智能复合材 料中常需埋入光导纤维。由于普通复合材料中有玻璃纤维，因此它们有良好的 相容性，但在碳纤维复合材料中必需将埋入的光导纤维表面碳化处理，它们才 有较好的界面相容性。 ( c ) 尺寸相容：埋入材料或器件和原材料构件相比，体积很小，不影响原 构件特性。光导纤维体积很小( 直径仅几十微米) ，是目前机敏复合材料中最常 采用的埋入材料。 ( d ) 场分布相容：埋入材料与器件不影响原材料构件各种场分布特性，如 应力场、振动模态等。 智能材料、器件与结构之间有非常密切的关系，智能材料是基础，智能结 构是成品，智能器件是连接智能材料与结构的桥梁。研究智能材料、器件和结 构时，要充分了解它们之间的区别和相互关系，不仅要重视智能材料与结构， 武汉理工大学博士学位论文 同时也要充分注重智能器件的重要作用。 1 1 3 光纤智能材料器件 智能材料与结构的重要功能之一就是感觉，即它应具有传感元件和神经系 统来感知各种内外环境变化的信息，然后经过处理分析，指示或控制驱动件工 作。智能材料中的传感技术与传统传感技术的重要区别在于系统不是处于自由 空间，而是嵌埋在材料之中，因此对传感系统性能的要求，除一般要考虑的灵 敏度、动态范围、抗干扰能力等因素外，在传感器的构形、工作方式、信号处 理等方面，都要考虑传感器本身与基质材料的兼容性和相互作用。至今工业自 动化控制中曾出现和使用的传感器主要有机械类、电工类、微电子类、光电子 类及有机和生化类等。这些传感器大多为分立型器件，不易与复合物集成，并 且需要另外的信号传输载体。而光导纤维具有感测和传输双重功能，具有直径 小、柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰、传输频带宽、优良的可埋入性，便于 波分、时分复用和分布式传感等优点。用光纤组成的各种传感器可测量温度、 压力、位移、应力、应变等多种物理量并具有极高的灵敏度。因此光纤已成为 当前智能材料首选的信息传感及传输的理想载体，而光纤传感技术则成为智能 材料的技术基础之一。 目前，光纤传感技术在智能材料与结构中的应用主要是材料受力、损伤估 计、结构状态监测及振动主动控制等。现已发展了多种测量方法，其中最简单 的方法是在结构内埋入光纤传感器或光纤网络。这些光纤有的是经过特殊处理 的，当结构受力或产生损伤时，就会导致其内部的应力变化。使光纤产生光功 率损耗或断裂，通过检测这种信号变化，可定性判断材料受扰程度和部位以及 结构应变分布。 1 2 光纤光栅的研究现状 随着人们对光纤智能材料器件研究的深入，光纤光栅作为一种新型的光纤 智能材料器件应用到各个领域，发挥着重要的作用。传统的光纤传感器绝大部 分都是“光强型”和“干涉型”的。光强型传感器的信息读取是测量光强大小，这 样光源起伏、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。 而干涉型传感器的信息读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰， 而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等，这样光纤光路的灵活和连接方 便等优点将大打折扣，而且干涉型传感器是一种过程传感器，而不是状态传感 器，必须要有一个固定参考点，这样很大程度上限制了光纤传感器的实际应用。 4 武汉理工大学博士学位论文 为了解决传统光纤传感器的缺点，人们利用光纤智能材料的光敏特性，通 过紫外曝光，对光纤内部进行材料改性，制作出光纤光栅。这是最近几十年发 展最为迅速的一种新型的光纤无源器件。自从1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的 k o h i l l 和他的同事首先发现光纤光敏性，采用驻波写入法获得自感应光栅【3 】。 1 9 8 9 年，g m e l t z 等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术，光纤光栅技术逐 渐趋于成熟和商业化【3 】。到1 9 9 3 年，光纤敏化技术的进步和相位掩模板的使用， 使光纤光栅实现批量生产。 近年来，对光纤光栅的研究取得了重大进展，主要集中在光纤光栅的紫外 光照射生长动力学、光学特性和成栅技术的研究；光栅的制备技术日趋成熟， 现阶段则主要集中于非均匀周期的光纤光栅的制作、光纤光栅光学的特性及其 在光通信及光纤传感中的应用研究。 光纤光栅技术拓宽了光纤技术的应用范围。在光通信方面，根据特定的光 栅结构可以制成满足各种光纤通信要求的有源和无源器件：在传感技术方面应 用于先进的智能传感系统。光纤光栅可用于位移、应力、应变或温度等物理量 的传感测量，具有较高的灵敏度和测量范围，适应于高温、高压和危险性环境 等，可靠性高。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定 若干部位相应物理量及其变化，即实现分布式光纤传感。采用光栅阵列利用各 种复用技术实现对各种传感量的准分布式测量在智能和灵活结构中有着重要的 应用。武汉理工大学光纤中心、南开大学现代光学研究所等在光纤光栅传感方 面做了大量的工作，还有黑龙江光纤技术研究所也开展了光纤光栅传感网络方 面的研究。 ： 光纤光栅传感系统的一个应引起注意的问题是要区分应力和温度参量的交 叉影响，即交叉敏感现象。在进行应力传感时，很多情况下往往是忽略了温度 的影响，但是在精确的测量过程中，需采用有效手段解决这个问题。比如借鉴 电子学中的抑制温漂的方法，选用光学特性与传感光栅完全一致的光纤光栅作 为参考光栅接入光路中，把传感光栅和参考光栅输出信号之作为传感量，则不 包含温度变化引起的因素，能实现温漂的消除，抑制交叉敏感。 光纤光栅及其应用技术仍处于实验研究阶段，距离实用化还有相当大的距 离，还有大量的工作需要广大研究工作者投入进行。 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 栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可以说光纤光栅技术 是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。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 武汉理工大学博士学位论文 光信息时代带来了希望【8 l 。 1 3 光纤光敏性 光纤的光敏性是指当光纤曝光于具有特定波长和强度射线下纤芯折射率会 发生永久性的变化。 1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心k o h i u l l j 等首次在掺锗的石英光纤中 发现光纤的光敏效应。d l a m 等人于1 9 8 1 年对上述光纤光敏性的进一步实验 研究表明，光纤芯区的光致折射率改变量与入射光强度的平方成正比，揭示出 这一过程在微观上为一双光子过程。由于普通光纤直接曝光于紫外光下，光致 折射率变化在1 0 5 数量级，对于制作实用的光纤布喇格光栅来说，这样的折射 率变化太小了。因此研究各种方法来增强光纤的光敏性，目前提高光纤的光敏 性的方法很多，如增加光纤的掺锗量，硼锗共掺，掺杂其他元素、刷火【7 j ( 将 光纤光敏化的区域放到氢气和氧气燃烧的火焰1 7 0 0 中刷火几次，此光敏化过 程需要2 0 分钟，载高温下氢气快速深入到纤芯中与基体发生反应生成g o d c ， 形成2 4 0 h m 的强吸收波段) 、载氢等等；载氢方法是比较常用的方法，简单易 行。载氢法也有不同的方式，主要有两种方法：方式一，载氢光纤快速加热【8 】 这种方法提高光纤光敏性的技术基于这样一种猜想氢化物和氢氧化物的出 现使得光纤的光敏性提高。这项中方法分两个步骤：首先光纤载氢，然后将光 纤快速加热到1 0 0 0 1 3 0 0 ，但是这样会产生大量的o h ，导致大的光纤损耗和 光栅脆性增加。方式二，高温高压【9 】o 这种方法会使渗氢时间缩短。方式三， 低温高压。光纤浸泡在氢气容器中，载氢温度范围为2 0 _ - 7 5 ，压力从2 m p a 到7 5 m p a ( 通常为1 5 m p a 左右) 。 1 9 9 1 年k o h i l l i ”j 和m m b m e r i “】等人载光纤中掺杂元素铒、硒增加了 光纤的光敏性。1 9 9 2 年d lw i l l i a m s l l 2 】等人用提高纤芯中锗的掺杂量来增强 光纤的光敏性：1 9 9 3 年eb i l o d e a u i7 j 等等人提出了刷火技术增加光纤的光敏性： 1 9 9 3 年pj l e m a i r e i ”j 和r m a t k i n s l l 4 】等人提出用低温载氢方法增加光纤光敏 性，实践表明经过载氢后的光纤比没有载氢的光纤的光敏性提高了两个数量级。 1 9 9 3 年d l w i l l i a m s i ”1 在锗硼共掺的光纤中发现的高的光敏性。1 9 9 5 年l d o n g i “】等人锗锡共掺的光纤中也发现了强的光敏性：通常光纤对短波长的光比 较敏感，波长越短越敏感，1 9 3 n m a r f 1 7 1 激光光源比2 4 8 n m 的k r f 激光光源更 容易使光纤折射率发生改变，最近又通过1 5 7 n m 的f 2 激光光源得到了较高的 光敏性【18 2 0 l ，2 x 1 0 。3 的光致折射率变化很容易的引入没有载氢处理过的标准单 模光纤中f 2 ”。2 0 0 1 年北京大学的l ix u h u i l 2 2 j 等人又研究出一种新型的载氢技术 6 武汉理工大学博士学位论文 在高温流动的高压氢气中载氢，但是并没有报道这种载氢方法导致的折射率变 化有多大。 通过阅读大量的国内外文献的基础上，总结出目前关于光敏性的研究主要 有以下几个方面：研究结构缺陷对a n 的影响。研究退火对a n 的影响。 研究曝光后光纤微观结构变化。研究增敏方法对n 的影响。 1 4 光纤光栅的分类 1 4 1 光纤b r a g g 光栅( f b g l 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 就是利用紫外光通过位相模板( 或适当光路) 对光 敏光纤曝光，在光纤中产生折射率的周期分布( 参见图1 1 a ) ，从而形成光栅。 它的周期一般在1 0 1 u m 数量级。光纤b r a g g 光栅能够把某个方向传输的芯模 能量耦合给反方向传输的芯模，形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射。图 u vl 丑s e o ( a ) 、f b g 写入原理图 x ( u m ) x ( um ) ( b ) 、线性坐标反射和透射谱 ( um ) ( c ) 、对数坐标透射谱 ( d ) 、对数坐标反射谱 图1 1f b g 写入原理示意图及其光谱 武汉理工大学博士学位论文 1 1 b 是均匀f b g 在线性坐标下的光谱，其中实线为反射谱、虚线为透射谱。图 1 1 c 和图1 1 d 分别为均匀f b g 在对数坐标下的透射谱和反射谱。光栅的谐振 波长a 。与其周期的关系为 九= 2 n 。a ， ( 1 1 ) 式中n 。，为纤芯的有效折射率。 1 4 2 长周期光纤光栅( l p g ) 长周期光纤光栅( l p g ) 是利用紫外光通过振幅掩模板直接照在光敏光纤 上，在光纤中产生折射率的周期性分布，它的周期在几百微米数量级，能够实 现芯模与同一方向传播的包层模的耦合，形成一定带宽的能量损耗【9 1 。如图1 2 所示，其中，图1 2 a 为l p g 的写入示意图，图1 2 b 为相应的透射谱。l p g 的 谐振波长满足式中，l 。和，l 。分别为光纤的芯模和包层模的有效折射率。 a = ( n - - ll | d ) a ， ( 1 2 ) j ， l4 ， 1 | i f 譬如 舅匹旦卫卫卫卫四匹琶卫娶卫四圆一 一 ( um ) ( a ) 、l p g 写入原理示意图( b ) 、线性坐标透射谱 图1 2l p g 写入原理示意图及其透射谱 1 4 3 啁啾光纤b r a g g 光栅( c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 啁啾光纤b r a g g 光栅是指光栅折射率调制的周期分布是按一定规律变化 的，其光谱如图1 3 所示。按照周期的线性变化和非线性变化，它又可以分为 线性啁啾光栅和非线性啁啾光栅两类。还有一种光栅，其周期是均匀分布的， 但是通过二次曝光将光纤有效折射率按照一定规律改变，使得光栅的有效周期 分布按照一定规律变化，其光谱同样可以达到啁啾光栅的效果。 武汉理工大学博士学位论文 图1 3 线件坐标啁嗽光掘的反射谱 1 4 4 相移光纤b r a g g 光栅( s h i f tf i b e rb r a g gg r a t i n g ) 1 1 l 相移光纤b r a g g 光栅是指光栅中间的某个位置的折射率调制的位相发生突 变，这类光栅在其反射谱中间形成一个较窄的通带，如图1 4 所示。 ；、； ( pm ) 图1 4 线性坐标相移光栅反射 1 4 5 取样光纤b r a g g 光栅( s a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 1 1 2 1 0 。uul 卜 图1 5 线性坐标下取样光栅反射谱谱 9 ， 盯卟 们盯 叫 。 武汉理工大学博士学位论文 b r a g g 光栅是指光栅折射率调制的振幅按照周期规律变化，形成若干等间 距的梳状反射峰，其反射谱如图1 5 所示。这种光纤光栅可用来作梳状滤波器。 1 4 6 闪耀光栅( b l a z e do rt n t e df i b e rg r a t i n g ) 1 3 1 在写入时干涉条纹不与光纤方向垂直，而是有一个偏角，使得光纤中传播 的光遇到光栅时被反射到包层中而损耗掉，实现芯模与反向包层模之间的耦合。 闪耀光栅的物理结构如图1 6 所示。闪耀光栅谐振波长满足方程 a = 0 。h + n c l a d ) a ( n c o s 0 ) 式中，n e f f 和n c l a 6 分别是纤芯和包层的有效折射率，n 为衍射级， 与光纤的偏向角。 1 5 光纤光栅的应用 ( 1 3 ) 日为光栅条纹 1 5 1 光上下载波分复用器( o a d m ) i l 别 分插复用器( o a d m ) 是现代多波长光网络系统中的关键性设备，发展迅 速。图1 6 是用光纤b r a g g 光栅( f b g ) 与两个环形器组成的单通道上下载波分复 用器。当 、a ，、九、n 个波长通道的信号光从第一个环形器输入端( i n p u t ) 输入后，九波长通道的光被f b g 反射，从第一个环形器下载端( d r o p ) 输出， 实现凡波长通道信号的下载，其它波长通道的信号光通过f b g 从第二个环形 器输出端( o u t p u t ) 输出。需要上载的信号由 波长载波后从第二个环形器上载 端( a d d ) 进入，经过f b g 反射后从第二个环形器的输出端( o u t p u t ) 输出， 这样就实现了单通道的上下载复用。如果要想实现n 个波长通道的上下载复用， 则需要使用n 个相应波长的f b g 即可。 夕“m m 图1 6 单通道上下载波分复用器 1 0 武汉理工大学博士学位论文 1 5 2 色散补偿器【1 6 】 线光纤通信系统中，由于材料色散、波导色散等因素的影响，数字脉冲信 号经过一段距离的传输后被展宽，引起信号的码间干扰，造成误码，因此，在 信号传输一定距离后需要进行色散补偿。啁啾光纤b r a g g 光栅具有体积小、插 入损耗低、与光纤兼容等特点，是用做色散补偿器件的最佳选择，并且已经广 泛的应用在长途光纤通信系统中。由啁啾光栅和环形器组成的色散补偿光路参 见图1 7 。其原理是，经过正色散光纤长途传输后而被展宽的信号引入到光环形 器，在经过啁啾光栅反射过程中，长波长信号在光栅周期大的地方先反射，短 波长的信号在光栅周期小的地方后反射，由于长波长的信号经过光栅反射回来 需要的时间短，短波长信号经过光栅反射时间长，因此，经过啁啾光栅反射后， 波长信号被压缩，压缩后的脉冲信号从环形器的输出端输出，从而达到色散补 偿的目的。 c h i r p e df b g o p t i e a lc l r e u l a t o r 图1 7 啁啾b r a g g 光栅的色散补偿 1 5 3 半导体激光器的频谱优化【”】 ( d f b ) 半导体激光器以其优良的性能和成熟的制作工艺，确立了在光纤 通信系统中稳固的应用地位。但是，为适应密集波分复用系统发展的需要，它 的波长需要更加的稳定，带宽需要进一步的窄化。这个问题通过外加光纤b r a g g 光栅组成外腔式半导体激光器得到了很好的解决。首先光纤光栅谐振波长的温 度变化率为0 0 1 n m ，而半导体激光器的温度变化率为0 0 8 r i m ，在这方面 光纤光栅波长的温度稳定性是半导体激光器的8 倍；其次，用光纤光栅组成外 加谐振腔后，谐振腔变长，因此，激光的带宽变窄。 1 5 4 掺铒光纤放大器的增益均衡器【1 8 1 】 放大器( e d f a ) 是二十世纪九十年代发展起来的新技术，它用全光的放 大模式取代了“光电转换一电放大一电光转换”的老的中继模式，提高了传输速 武汉理工大学博士学位论文 率。掺铒光纤的增益谱覆盖了整个c 波段，特别适合于多波长波分复用通信系 统，目前掺铒光纤放大器已经广泛用于长途干线通信系统中。但是，掺铒光纤 的自发辐射增益谱是非平坦的，通信系统中各个波长信道得到的增益是不均衡 的，为解决这个问题，人们提出了多种方案。l p g 透射谱的带宽较宽，几乎没 有反射光，尤其是它与光纤系统的天然兼容性，使得插入损耗很低，特别适合 于用作掺铒光纤放大器的增益均衡器。人们用几个不同谐振波长和带宽的l p g 串接，使得串接后总的透射谱与e d f a 放大器的增益谱均衡，达到输出增益谱 的平坦化。随着光纤光栅重建技术的发展，现在人们已经能够仅用一根非均匀 的l p g ，就可实现e d f a 的平坦。 图1 8 e d f a 自发辐射谱 图1 1 9e d f a 自