（通信与信息系统专业论文）光纤光栅的关键技术及其在dwdm系统中的应用.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 项目: “ 光纤光栅的关键技术及产品化研究” ， 编号:8 6 3 - 3 0 7 - 1 1 - 4 ( 0 3 ) ) 的 计划任务书上相应的规定 ( 见附录2 ) ,高质量地完成了该 “ 8 6 3 项目中 场 叫 啾 光 纤 光 栅 部 分 的 内 容 ， 属 于 国 内 领 先 水 平 。 ) 对咀 哒 选 丝步 鱼 ( c f b g ) 系 统 地 进行了 产品 化 研丸c 1- 要 包 括 : 提出了 一种可 增加 光纤光敏 性的 新氢 载 ( h y d ro g e n - lo a d e d ) 技 术， 即 去涂敷 层氢 载技术;通过采用高光敏性光纤来更精确地实现对c f b g 的预定切趾 ( a p o d i z a t io n ) ， 从而改 善了 c f b g 反 射 谱的 边 模和时 延曲 线的 抖 动( r i p p l e ) ; 通过变速扫描光束法实现了对c f b g 色散量的微调:通过在制作或封装c f b g 时施加应力来实现对c f b g 布拉格波长的调节: 通过研制和使用折射率凹陷包 层特种光纤，大大抑制了 c f b g 的短波损耗:对c f b g 进行了温度补偿封装， 使c f b g 的波长稳定性已完全达到了实际应用的要求:进行了用c f b g 进行色 g , 散 补 偿的 系统( i o g b p s ) 传输实 验，实现了 对普通单模光纤1 5 0 k m 的色散 喻提 出 了 一 种 测 量 光 纤 光 栅 时 延 和 色 散 的 有 效 方 尚伽 射 频 ( r a d io 色 散 补 目 fr e q u e n c y ) 信号调制光波，通过测量射频信号相位的变化， 可得到光波相位相应的变化， 从而实现了对光纤光栅时延和色散的测试，并对测试系统的原理进行了理论 分析. 利 用该 方 法， 实 际 研 制 成 功 一 套高 分 辨 率 色 散 测试 系 统. 、 9 ) 在制 作 均匀 短周 期 光纤 布 拉 格光 栅( f ib e r b r a g g g r a t in g , f b g ) 时 ， 提出了 一 种有效的对光栅切趾的方法，即 “ 光阑二次曝光法”;利用该方法， 实验制作 了 用于d w d m滤波器的f b g , 属于国内 领先水平; 利用我们的f b g和本所 自 行研制的光环行器实际制作了o a d m， 上述的f b g和o a d m器件的各项 达 到 了 本 8 6 3 ” 项目 的 要 求。 下 丫 祸合模理论 结 合 我 们自 己 的 实 验条 件， 设 计 制作了 一 套 包到助当土 皿 ( l o n g p e r i o d f i b e r g r a t in g , l p f g ) 专用模拟软件; 模拟研究了 用于e d f a 增益平坦的l p f g滤波器， 得出了一套用于制作l p f g的理论参数; 用振幅掩 模法实验制作了 用于e d f a增益平坦的l p f g . 关 。 词 形 防 矿丽 姗了 光 敏 性 色 ， 偿 增 益 平 坦 / / 波分复用技术 ，钾钾，一一一 1 1 一. 一 . -一-，.一一一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a b s t r a c t o p t ic a l f i b e r g r a t i n g ( o f g ) i s a n e w k i n d o f f a s t d e v e l o p i n g o p t o e le c t ro n i c s d e v i c e in r e c e n t y e a r s , w h i c h h a s f i n d w i d e a p p l i c a t i o n s i n o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n a n d s e n s i n g . o p t i c a l fi b e r b r a g g g r a t i n g s a n d o p t ic a l p a s s i v e c o m p o n e n t s b a s e d o n o f g w i l l p l a y a i m p o r ta n t rol e i n t h e d wd m s y s t e m a n d h a v e h u g e m a r k e t i n t h e n e a r f u t u re . t h i s d i s s e rt a t i o n c o n ta i n s w id e r e s e a r c h o n o p t i c a l f i b e r g r a t i n g s i n c l u d i n g t h e i r m o d e l i n g , f a b r i c a t i o n , m e a s u r e m e n t a n d a p p l i c a t i o n s . t h e m a i n p a r ts a r e a s f o l lo w s : 1 t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e r e fl e c t i o n s p e c t r a o f c h i r p e d f ib e r b r a g g g r a t i n g s ( c f b g s ) a n d t h e i r c h i r p e d v a l u e s a r e o b t a in e d b y a c o m p u t e r m o d e l i n g m e t h o d b a s e d o n t h e c o u p li n g m o d e t h e o ry a n d t r a n s f e r m a t r i x m e t h o d . 2 a n o v e l t h e o r e t i c a l m o d e l f o r d e v i s i n g t h e c h i r p e d f i b e r b r a g g g r a t in g w h o s e re f r a c t i v e i n d e x c h ang e i s t h e f u n c t io n o f t h e s q u a r e o f t h e g r a t i n g le n g t h is p ro p o s e d , b y w h ic h t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e e ff e c t i v e r e fr a c t i v e in d e x c h a n g e and t h e d i s p e r s i o n v a l u e o f t h e c h i r p e d f i b e r b r a g g g r a t in g c a n b e o b t a i n e d . 3 a n o v e l m e t h o d b y w h i c h t h e s t i t c h e r r o r o f t h e p e r i o d o r d i ff r a c t io n e ffic ie n c y o f a l i n e a r l y c h i r p e d p h a s e m a s k c a n b e e v a l u a t e d i n ro u g h i s p ro p o s e d t h ro u g h c o m p a r i n g t h e p h a s e c u r v e s o f t h e s a m e f i b e r g r a t i n g m e a s u r e d fr o m t h e d i ff e r e n t p o rt . 4 a n o v e l m e t h o d f o r m e a s u r i n g t h e re l a t i o n b e t w e e n t h e u v i n d u ced e ff e c t i v e i n d e x c h an g e an d t h e e x p o s u r e t i m e o f t h e f i b e r c o r e i s p re s e n t e d and t h e m e a s u r e m e n t re s u l t i s m o re p r e c i s e c o m p a r e d w i t h t h e b r a g g w a v e l e n g t h d r i ft m e t h o d . 5 f o r f a b r i c a t i n g c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s b y s c a n n i n g te c h n i q u e s , a p r e c i s e s c a n n i n g s y s t e m w h i c h i s c o n t r o l l e d b y a c o m p u t e r a n d h a s 1 u m r e s o l u t i o n i s d e v e l o p e d . 6 l i n e a r l y c h i rp e d f i b e r g r a t i n g s w h o s e s p e c t r a l r e s p o n s e s and d e l a y c u r v e s h a v e m e t t h e d e m and s o f t h e 8 6 3 s u b j e c t o f f i b e r b r a g g g r a t i n g and i t s k e y t e c h n i q u e s 一一一一一 一一 i i i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 h a v e b e e n f a b r i c a t e d . 7 c o m m e r c i a l f b g p r o d u c t s f o r d wd m a p p l i c a t i o n s a r e d e v e l o p e d . a p o d i z a t i o n t e c h n i q u e s a r e a p p l i e d t o i m p r o v e t h e i s o la t i o n o f f b g f i lt e r s . f o r p r e c i s e l y a p o d i z i n g c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s a c c o r d i n g t o t h e e x p e c t i n g a p o d i z a t i o n f u n c t io n , t h e f i b e r w it h t h e e n h a n c e d p h o t o s e n s i ti v e e f f e c t i s a p p l i e d in f a b r i c a t in g c f b g t h ro u g h t h e h y d ro g e n - l o a d in g t e c h n i q u e w i t h c u tt i n g a p a r t t h e c o a t i n g o f f i b e r . t h e c h i r p e d v a l u e o f c f b g s c a n b e a d j u s t e d b y s c a n n in g u v b e a m a lo n g t h e fi b e r a x i s a t a v a r y in g v e lo c i t y a n d t h e b r a g g w a v e le n g t h p o s i t i o n o f c f b g s c a n b e c h a n g e d b y s t r a i n i n g c f b g s a ft e r o r b e f o re f a b r i c a t i n g c f b g s . d e p r e s s e d c la d d i n g f i b e r i s d e s i g n e d t o s u p p r e s s t h e s h o rt w a v e l e n g t h lo s s e s o f f b g s . a s i m p l e a n d e f f e c t iv e c o m p e n s a t i o n p a c k a g e i s p r e s e n t e d to r e d u c e t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y o f f b g s . t h e c f b g s f a b r i c a t e d勿 s c a n n i n g t e c h n iq u e s a r e s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o c o m p e n s a t e t h e c h r o m a t i c d i s p e r s io n o f 1 5 0 k m s t a n d a r d ! h e r i n i o g b i t l s s y s te m 8 . a m u l t ip a r a m e t e r m e a s u r e m e n t s c h e m e u s i n g r f m o d u l a t i o n t o c h a r a c t e r i z e f b g s i s p re s e n t e d . a h i g h r e s o l u t i o n a u t o m e a s ur e m e n t s y s t e m f o r f b g s i s d e v e l o p e d , w h i c h h a s l p m r e s o l u t i o n f o r w a v e l e n g t h s a n d l p s r e s o l u t i o n f o r t i m e d e l a y s . 9 a a p o d i z a t i o n t e c h n i q u e c a l l e d t h e s e c o n d e x p o s u r e w i th a p e rt u re i s d e v e l o p e d a n d t h e f b g f i l t e r s a n d oa d m b a s e d o n f b g s wh i c h me t t h e d e ma n d s o f t h e 8 6 3 s u b j e c t o f f i b e r b r a g g g r a t i n g a n d i t s k e y t e c h n i q u e s a r e s u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e d . 1 0 t h e m o d e l i n g t o o l f o r l o n g p e r i o d f i b e r g r a t i n g s ( l p f g s ) i s d e v e l o p e d a n d t h e e d f a g a i n e q u a l i z e r s b a s e d o n l p f g s i s n u m e r i c a l l y m o d e l e d u s i n g i t . t h e b a n d - o b j e c t 川 t e r s b a s e d o n l p f g s a re f a b r i c a t e d . p k e y wo r d s : f i le r b r a g g g r a t i n g , c h i r p e d f ib e r b r a g g g a t i n g , a p o d iz a t io n t e c h n iq u e , c h r o m a t ic d i s p e r s io n c o m p e n s a t i o n , p h o t o s e n s i t i v e e f f e c t o f f i b e r , e d f a d wd m t e c h n iq u e . g a i ne q u a l i z e r s , 一一一-一 i v 。 .一 一- - 一一一一 _ 一- 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章 绪论 1 . 1. 引言 随着全球信息业务量的迅猛增加，人们对通信网络向高速大容量方向发展 的要求越来越迫切。光纤通信作为信息领域的主要支柱之一，也不断地受到新 的挑战，要求其不断更新和进步，以适应信息社会的迅猛发展.在这种新的形 势下。出 现t时分复用 ( t i m e d i v i s i o n m u l t i p le x e r , t d m) 技术和密集波分复用 ( d e n s e w a v e le n g th d i v i s io n m u l t ip le x e r , d w d m ) 技 术， 山 于 掺饵 光 纤 放大 器 ( e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r , e d f a ) 的出 现克服了t d m和d w d m系统中的 损耗问题， 使这两种系统很快走向实用化。 借助于d wd m技术， 人们已将通信 系统的传输容量扩展了 儿个数量级，目 前4 0 g b p s 的长距离 波分复用光纤传输系 统己实现商用化，实验室演示的最大容量光纤通信系统为a l c a t e l 的d wd m系 统，该实 验室系统能够单向传输1 2 8 个信道， 单信道速率达4 0 g b p s ， 传输距离 达3 0 0 k m ， 总 容 量 达 到5 . 1 2 t b p s 1 l o 据 报 道， 西 门 子 所 属 的o p t i s p h e r e 网 络 公 司 通过采用超高的 d wd m 技术，在德国慕尼黑宣布了一项在单根光纤上以 7 .0 4 t b p s 速率传输数据的新的世界记 录1 1 1 光器件是实现光通信系统的基石，为了适应光通信系统的快速发展，人们 在光器件和相关材料方面的开发研制上花费了大量的精力，并取得了丰硕的成 果，如 d wd m 解复用用薄膜滤光片，波导阵列光栅 ( a wg )，用于高速电光 开 关 和调 制 的k t n 薄 膜12 1( 见p h y s .s t a t .s o l. ( a ) l 7 6 , 9 8 5 ( 1 9 9 9 ) ) ， 光 纤光 栅 等等 。 其中的光纤光栅是利用激光诱导光纤中折射率改变从而在纤芯内形成的一种周 期性波导结构，这种在芯内形成的光栅具有许多优良的特性，例如它完全兼容 于光纤、体积小、附加损耗小，对于实现微型化、集成化全光纤型器件极为有 利。光纤光栅的反射和透射特性可较自由地加以设计和控制，目前的制造技术 可制作的光纤光栅反射率可从小于 l % 到 1 0 0 %，反射带宽可从 0 .0 2 n m到大于 4 0 n m， 群时延量可从皮秒量级到纳秒量级，这使得它有非常广泛的用途13 1 .此 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 外光纤光栅不受环境尘埃和潮湿的影响，所有这些优点是常规光栅无法与之比 拟的。 d wd m作为光纤通信系统升级，扩容和引入综合新业务的重要方法，近几 年发展十分迅速，已进入推广应用阶段。d wd m系统中的许多关键器件都可选 用光纤光栅来制作，且有许多独特的优点。因为光纤光栅的反射谱具有窄带、 平顶等的波长响应特性，很适合用于d wd m中的解复用滤波器;光纤布拉格光 栅与光环行器合用，能很方便地从d wd m系统中下载或上载信号，即可制作上/ 下 路 光 学 分 插 复 用 器 ( o a d m 器 件 )p a m ; 现 在 4 0 g 的 系 统 将 广 泛 应 用 ， 在 这 样 的 高速传输系统中，补偿光纤的群时延色散己 成为重要的问题，而用基于明啾光 纤光 栅的 色散补 偿器来补偿光纤色散是一 种非常有吸引力的 解决方 案h - 1 3 1 ; 为 了 适应d w d m系统的需要， e d f a 的光放大平台要在较大的带宽内 平坦， 这就需 要实现e d f a 的增益平坦，长周期光纤光栅非常适合于制作e d f a 的增益平坦器 p4 事实上，光纤光栅的用途很多，已超出了光纤通信的领域，它的出现给光 纤技术及其相关领域带来了又一次里程碑式的革命，使得人们可以设计制作大 量基于光纤光栅的新型光无源器件13 1 。目 前光纤光栅已 在滤波器、 激光器、 波分 复用器、放大器、色散补偿器、波长转换器、光纤传感器等许多方面展示了非 常诱人的应用前景，部分基于光纤光栅的器件已实现了商品化。 1 . 2 光纤光栅的概念、原理和应用 1 , 2 . 1光纤光栅的起源 1 9 7 8年， 加拿大通信研究中心的k . o . h i l l 等人在研究特种光纤的性能时发 现:高掺锗光纤可以对氢离子激光产生吸收并且引起纤芯内折射率的变化，即 掺 锗光纤具 有光 敏性( 1 5 , 1 6 虽然光 纤光 敏性 起源的 细节尚 不十分 清楚， 但人们 普 遍认为掺锗光纤的光敏性与光纤中的氧空位缺陷有关。一般情况下，光纤光敏 性的大小与掺锗量有关， 锗的含量越大， 其光敏性就越强， 如锗的含量从3 m o l % 增 加 到3 0 m o l % , u v光诱 导 的 折 射率 变 化 可从1 0 5 量 级 提高 到i r量 级 n n , 研 究发现，光纤中除了掺锗外，掺别的元素如硼、锡、饵、磷等也可产生光敏性， 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 但各 有 优 缺点 ， 折 射 率变 化的 量 级 也都 在 1 0 3 左右. 为 了 提高 光 纤的 光 敏 性， l e m a i r e等人首先提出了 一种基于常温高压氢载的高 效增敏办法1 1 a 1 这种办法现 己广泛应用于含g e o 2 的光纤中。 氢载方法是把光纤放入2 07 5 0 个大气压， 2 07 5 的氢气中， 让氢气渗透到光纤中。 利用这种办法， u v光诱导折射率的变化a n 能增加1 0 0 倍，可 达到1 0 - 2 量级， 缺点是a n 不稳定， 需用高 温退火的方法来消 除这种不稳定性。 掺锗光纤光敏性的发现揭开了光纤光栅制备研究的序幕，但由于制作技术 上的困难，很难重复制作出相同的光纤光栅。直到1 9 8 8 年m e l t a 等人发展了横向 侧面曝光法才推动了光纤 光栅技术的进一步发 展1 14 1随后又发展 了相位 掩模制 作技术以 及在光纤拉制过程中的光纤光栅在线制作法2 0 1 ，才使得这种光纤器件 具有了可重复性和规模制作的现实性。 光纤光栅按其周期的特点可分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅两种类 型12 1 1 ， 它们都可以 用藕合模理论加以 分 析和讨论。 早在光 纤光栅出 现之前， 人 们 就已 经 在 用 祸 合模 理 论来 研 究 平面 波导 中 的 光 栅了 2 2 ,2 3 1 ， 其中 的 许多 方 法 与 结 论 都 可 沿 用 ， 只 是 需 要 具 体 考 虑 光 纤中 传 播 模 式 的 不 同 。 经 过 l a m 2 4 1 , s ip e 2 5 ,2 6 1 e r d o g an 12 1,2 7 ,2 8 1 等 人 的 努 力 ， 目 前 人 们己 经 为 光 纤 光 栅 建 立了 一 套 较 完 备 的 祸 合 模理论。由 于祸合模理论中 采用的一些近似在折射率调制不太大时才成立2 3 ,2 4 1 所以 对于折 射率调制很大 ( 1 0 2 量 级以 上) 的 情形 此理论的 近似 性变差2 9 1 。 在 祸合模理论基础上， 人们还发展起来一种分段传输矩阵的办法【3 0 1 ，即把所分的 每个小段光纤光栅都看作均匀光栅，它在数值法计算较长的光姗以及结构较复 杂的光栅时有一定优势， 此外还有其它一些计算光纤光栅的理论提出， 例如b l o c h 波理论 13 1 , w k b 法 3 2 j散 射理 论 等 3 3 1 1 .2 .2 短周期光纤光栅 为了 概念上的清楚起见，先简单介绍一下光纤光栅的分类:光纤光栅的英 文名 一般 写为 o p t ic a l f ib e r g r a ti n g 或 f ib e r g r a t in g ， 它 包括 长周 期光纤光 栅 ( l o n g p e r i o d fi b e r g r a t i n g , l p f g ) 和 短周 期光纤光 栅 ( s h o rt p e r i o d f i b e r g r a t i n g , s p f g ) ， 而短周 期光 纤光栅又可 分为周期均匀的 光纤布拉格光栅 ( f ib e r b r a g g g r a t in g , f b g ) 和周期不 均匀的调 啾 光纤光 栅( c h i r p e d f i b e r b r a g g g r a t i n g , c f b g ) 。 此外， 一一-一一 _-一- 一一- 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 明啾光纤光栅又可分为线性哨啾光纤光栅( l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r b r a g g g r a t i n g , l c f b g ) 和ii 线性1周 啾光纤光栅两利 ， 。 习似上 人们平时提到的光纤光栅 一般是指均匀短周期的光纤布拉格光栅 ( f b g).明啾光纤光栅一般是指线性 哨嗽光纤光栅。 光纤光栅是通过改变光纤芯区的折射率，产生小的周期性调制而形成的一 种周期性波导结构。 ， j u v 光横向照在光纤侧面上时， 正好在纤芯发生光的几 涉， 形成干涉条纹，由于光纤的光敏性，则在光纤纤芯上就会被刻写上光栅。一般 将周期为1 微米之内的光纤光栅称为短周期光纤光栅， 短周期光纤光栅的结构示 意图如图1 . 2 . 1 所示。 设 光 入 射 的 方 向 为ii . 向 ， n ， 和n .， 分 别 为 光 纤 的 纤 芯、 包 层 折 射 率 ， n n 为 导 模 的 有 效 折 射 率( n ,. 二 n - s in b . b 为 衍 射 角).a 为 光 波 的 波 长， 则 导 模 的 ， 。 ， ，、 . _2 z、 . ，. _，、 。 ， ， 一 ，_ . _ . ， 、 _ .、. ， 、， . .。_ ， . “ ， 传播常数p= 答 。 ，。当光 通过纤芯的光栅时， 就会发生衍射，且正向传输导 又 模 和 衍 射 后的 传 播 模 的 传 播 常 数 分 别 为乃 和八， 且 满 足 如下 关 系 川 : 9 2 =a + 贡m a 1.2 . 1 ) 其中a为光纤光栅的周期。m为衍射的级次，因为一级衍射常常起主导作用， 所以一 般m取值为一 1 。从公式 ( 1 . 2 . 1 ) 可看出，衍射后传播模的特性主要由 光栅的周期a决定，这可从下图1 . 2 . 2 中看出: 图i . z . f r g 结构示愈图。a 、 书 i 透射光. i )和 f 2 ) b 和 c 分别 代表入射光、反射光 分别表, 1 t 光纤的包层和纤公 零点附近的第一个区域代表辐射模，第二个区域代表包层模，第三个区域 一 一 一 .一一. 一 4 _ _ _ - - 一一一- - - - - 一 一 一 一 - 口 - - - - - 一 - - ， . ， - -_ _ _ 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ( 黑点)代表导模，向右为正向传输，向左为反向传输。 卜 1 ) a 声 ，一 声 . 阅卜-一一一一一一-一一一一 叶.长三三三三中.叫曰.声 q i t 之 t in ,! 月份 a滋 图1 .2 .2光波通过光纤光姗衍射后的棋式转换图 当a的取值使得八 = - a ( 满足该条件的光纤光栅为短周期光纤光栅 s p f g ) ， 这 样几正 好 落 在 导 模 区 ， 是 反向 传 输 导 模， 也 就 是 说 此时 光 纤 光 栅 的 作用是使正向传输的导模转换成了反向传输的导模，将上述条件代入公式( 1 .2 . 1 ) 可得出光栅反射的共振波长，即反射的布拉格波长: 凡“ 2 n ff a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 .2 .2 ) 当人 取别的 值时， 可能会使几落到其他的区 域， 从而 使正向 导 模可能 转化 为正 ( 反)向包层模或正 ( 反)向辐射模。 s p f g 周期a的大小与制备光栅的方法有关，布拉格波长在1 5 5 0 n m窗口的 s p f g 的周期值一般约为5 5 0 n m。在横向全息曝光法中，a与u v 光的波长和双光 束的夹角有关1 1 9 1 ;而在相位掩模法中，a 只与 相位掩模板的周期有关，是掩模 板周期的一半ip l 。设s n 为光诱导折射率的幅值，则s p f g 的折射率沿z 轴的分布 可 表 示 为 3 1 . , 2 nz、 , n t z ) = n ro 十 o ra l + c o s t n ) 1 ” “ ” ” ” ” “ “ “ ” ” ” ” ” ” ” ” 、 t .c .) i 图1 . 2 .3 给出了 常见的s p f g 光诱导折射率随坐标z 变化的关系2 1 1 。在图1 .2 .3 中，a 为均匀周期光栅，特点是光栅的周期和光诱导折射率的大小均为常数:b 为叨啾光栅，特点是光栅的周期沿纤轴方向有一定变化;c 为高斯光栅，特点是 光诱导折射率大小沿纤轴方向为高斯函数，且平均折射率变化也为高斯函数;d 为高斯切趾光栅，特点是光诱导折射率人小沿纤轴方向为高斯函数，但平均折 射率变化为常数; c 为相移光栅， 特点是光栅在某些位置发生位相跳变: f 为超结 5 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 构光栅，特点是光栅由许多小段光栅构成，光诱导折射率变化区域不连续，如 果这种不连续区域的出现有一定周期性则又称为取样光栅。如果将上述各类光 栅进行组合，还可衍生出更多，更复杂的光栅类型。 为了减小s p f g反射谱的边模， 增加s p f g的边模抑制比， 在制作 s p f g是 一 般都 采用一 种所谓的 切 趾技术( a p o d i z a t i o n ) 1 1 7 1 ， 即 对s p f g的 折射率 进行 调 制，使光栅的折射率在其两端平缓的变化。 d e f 图1 .2 . 3常见s p f g 光诱份 折射率随坐标z 变化的关系图 】 中横坐标为z .纵坐标为光诱林折射率 1 .2 . 3 长周期光纤光栅 ( l p f g ) 6 4 .3 5 - 4 0 1 长周期光纤光栅的制备原理和特性与短周期光纤光栅有很大的不同。就掩 模法制备光纤光栅而言，短周期光纤光栅用的是相位掩模板，当u v 光通过掩模 板时，先发生光的衍射，尔后正负一级衍射光再相互干涉，在光纤的芯区形成 干涉条纹。 长周期光纤光栅用的是振幅型模板， u v 光通过模板直接形成强度相 间的条纹。长周期光纤光栅周期的典型值为几十到几百个微米，远大于短周期 光纤光姗的周期。 但长周期光纤光栅的工作原理仍可用公式1 . 2 . 1 来解释， 图1 . 2 .4 给出了这种解释的示意图。在图1 . 2 .4 中，由于a取值较大，结果使几位于零点 右侧的区域， 成正向包层模 即正向包层模区，也就是说，长周期光纤光栅能使正向导模祸合 一一一一 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 竺 竺 琴 孟1 图1 .2 .4光波通过光纤光橱衍射后的模式转换图 无论对于那种光纤光栅，模间的祸合也只会发生在一些不连续的波长上， 称其为共振波长。图1 .2 .5 是反映这两类光栅祸合特点的示意图，对周期较短的 光栅，正向导模的能量可转移到反向的导模或包层模上;而对于周期较长的光 栅，正向导模的能量可转移到正向包层模上。 长周期光纤光栅的共振波长可由下式给出: a 8 = ( n eg l - n 1 2 ) a“ ” ， ( 1 . 2 .4 ) 其 中 ，n a . 和n ,ff z 分 别 是 正 向 传 播 导 模 和 正 向 传 播 包 层 模 的 有 效 折 射 率。 正自导扭 正自包层杭 反自导 栩成翻 足. 圈. 2 . 5两类光纤光姗棋式偏合示盘图 一一一一 7 一 . .， ， ，叼 勺月 一.， .， ， ， . . .- 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 .2 . 4 光纤光栅的应用 光纤光栅作为通带或阻带滤波器在光通信和传感领域有着广泛的应用，其 应用范围也在不断的加大，表1 . 2 . 1 给出了光纤光栅较成熟的一些应用实例。 表1 . 2 . 1光纤光姗应用举例 类型应用举例备注 短周期波分复用器 f b g 带宽较小，经过切趾处理后具有很高的边模抑制 比， 在d wd m 中既可以 制作成上 f 卜 路波分复用器 (4 1 l又可 制作成解复用器14 2 1 短变 周期 色散补偿器 叨嗽光纤光栅具有良好的色散特性，可设计成线性色 散补 偿器补 偿低阶色散 11 3 ,4 3 1 ， 也 可设 计 成非 线性色 散补 偿器 同 时 补 偿 低 阶 色 散 和 高 阶 色 散 144 ,1 3,1 6 1 短或长 周期 a s e滤波器 激光器的自 发辐射 s e 给系统带来噪声危害，须加以 消除， 光纤光栅作为通带或阻带滤波器可有效滤除a s e 的干 扰卜 短周期 外腔 ， 几 导体 激光器 将f b g 制作在,导体激光器的尾纤上，即构成其外腔 反馈元件， 其作用土要在于稳定输出频率， 同时还可压窄愉 出 线 宽 ， 稳 定 输 出 功 率 11 7.49 1 短周期光纤滋光器 s p f g 作为与光纤完全兼容的器件是构成光纤激光器 反馈元件的最佳选择. 短周期 r a m a n 频移 激光器和 放 人器 r a m a n 频移激光器和r a m a n 放大器能使短波处的泵浦 能最转化到波长 较长的光波能量.用s p f g 作为谐振腔镜可 以 人 大 提高 其 能 狱 转 化 的 效 率 p v - s z 1 短或 嵘 周期 增益均衡器 光纤光栅可制作成宽带阻带滤波器，平坦放大器的增 益 谱. 川于 增益 均衡的 光 纤光姗 有多 种， 可以 是 l p f g 1 1, 斜 纹 光 栅 ( s la n t e d f ib e r g r a t in g ) 13 3 3 1 1 , c f b g 13 3 1 , 甚 至 f b g 1 1 . 短或 长 周期 光纤 光娜 传 感器 可形 成分 布式结 构. 制 作智能 材 料或灵巧 蒙皮 15 7 1用 来实时监测诊断人型建筑物， 公路， 桥梁，人坝，t 机等健 康状况。 用于 传感器的光纤光栅可以是均匀布拉格光栅， 叨 嗽光姗和长 周期光姗等。 通过各种特殊结构的设计可实现对 诸如应力， 应变。 温度， 折射率. 位移。 速度， 加速度，电 场，磁场，电压，电 流。频率等多种物理从的测从。 . 一一-一一， 一一一 一 - 一-一- 一一 -一-一 -一一目 一. 一一 目 一-. 一一一- 一 - 甘 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 3 1 . 3 . 1 制备光纤光栅的各种方法 光纤布拉格光栅 ( f b g)的常用制备方法 a娜怒t rr y 1 将光敏光纤固定于相位掩模板的一边，使其轴向与掩模板的周期条纹相垂 直，且距掩模板非常近。 u v 光从另一边垂直入射， 经掩模衍射后产生土 t 级衍射 光 ( 零级光被抑制，能量约占总能量的5 %左右，土 1 级衍射光各占总能量的4 6 % 左右) ， 然后再相互干涉， 从而在纤芯中形成干涉条纹， u v 干涉条纹会诱发光纤 中折射率的周期性分布，即形成布拉格光栅。位相掩模法制作f b g 的优点在于: 制作的光纤光栅的周期与书写光的波长无关，因而对光源稳定性和相干性要求 降低;另外实验中所用元件少。 装置调校容易，提高了 光栅制作的稳定性，可 靠性和重复性。 缺点是一块相位板原则上只能制备一种波长的f b g . 相位掩模法与扫描技术相结合，能制备出比相位板还长的光纤光栅，尤其 是需要长度远远大于光斑尺寸的光栅时，这种方法显得非常有用。图1 .3 . 1 给出 了相位掩模法的示意图。 图1 . 3 . 1相位掩摸法制备f b g 的示意图 b翻询圣碑息 居1 1 9 1 横向全息法曝光装置示意图可参见图1 . 3 .2 . u v 光被分成两束，沿两条路径 传 播 后 重 新以 夹 角 9 相 交形 成 干 涉图 案， 从 而 能 在光 敏 光 纤的 纤 芯上 刻 写 光栅。 全息曝光法对光源的相干性和环境的稳定性要求较高，从而使光栅制作的稳定 9 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 性，可靠性和重复性变差。 1 . 3 .2 惆啾光纤光栅的制备方法 叨啾光纤光栅的周期是随其长度变化的，变化形式较多，如有线性变化的， 按平方率变化的，甚至随机变化的等等:还有一类明啾光纤光栅是指其周期保 持恒定，而其有效折射率的大小随其长度做一定的变化 ( 本文中被称为第二类 叨啾光纤光栅) 。针对惆啾光纤光栅的特点，人们提出了许多制作明啾光纤光栅 的方法，分述如下: 1道贫脚沟必厕裸笼 t 一束平行u v光和一束发散u v光分别经过焦距不等的两个柱面镜后干涉， 则在空间形成的干涉条纹具有凋啾性质，即在干涉平面内干涉条纹的间距是随 空间位置变化的，通过第三个柱面镜的会聚后，在光纤的横向侧面上就会形成 强度较大的明啾干涉条纹，从而在光敏光纤内部就刻写上了明啾光纤光栅。图 1 . 3 .2 给出了该方法的原理图。 u v光 3 0 %分方. 柱面， 光纤 一嗽光纤先. 图1 .3 .2直