（光学专业论文）电子辐照法制作长周期光纤光栅的尝试.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 长周期光纤光栅是一种新型的光学器件。它具有传统光学器件不具备的 很多优点，因此长周期光纤光栅的制作受到广泛的关注。目前已经有多种制 作长周期光纤光栅的方法，但它们都有自己的局限性，在现实应用中都受到 一定的限制，光纤光栅的制作需要进一步探讨。 本文总结了目前长周期光纤光栅的制作方法，分析了它们制作原理的优 缺点，提出了用电子辐照制作长周期光纤光栅的方法；对长周期光纤光栅进 行了理论分析，仿真模拟了光纤光栅透射谱，计算了描述纤芯基模与包层模 耦合所需豹众多参数；综述了电子辐照二氧化硅制作光波导的研究进展，从 而证明了电子辐照法制作长周期光纤光栅的可行性；计算可得，0 4 4 7 4 m e v 能量的电子将在普通通信用单模石英光纤芯中产生最大的折射率改变量，综 合各种因素考虑，这个能量的电子将是制作长周期光纤光栅的最佳能量；在 分析占空比对光栅光谱的影响后，制作了光栅掩模板并通过试验用电子辐照 法试制了长周期光纤光栅，对试验结果进行分析，给出了今后研究中需要改 进之处。作为一种新颖的制作方法，它的成功必将进一步促进长周期光纤光 栅制作技术的发展。 关键词：长周期光纤光栅；耦合模理论；电子辐照；光栅占空比；能量沉积 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wk i n do fo p t i c a ld e v i c e ，l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g sh a v em a n yv i r t u e s t h a to t h e rd e v i c e sd on o th a v e s ot h ef a b r i c a t i o no fi ta t t r a c t sm a n yp e o p l e t h e r e a r ea l r e a d ym a n ym e t l d st of a b r i c a t el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s ，b u tt h e ya l lh a v e t h e r eo w nd i s a d v a n t a n g e sw h i c hl i m i tt h e i ra p p l i c a t o n t b em e t h o dt of a b r i c a t e l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g sn e e d st ob ee n r i c h e d b ys u m m a r i z i n gt h em e t h o d st of a b r i c a t el o n gp e r i o dg r a t i n g st h a th a v e a l r e a d ye x i s t ，a n da n a l y z i n gt h ea d v a n t a n g ea n dd i s a d v a n t a n g e so ft h e i rp r i n c i p l e ， i ti sp r o p o s e dt h a tl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g sc a nb ef a b r i c a t e db yu s eo fe l e c t r o n b e a mi r r a d i a t i o n t h e n , t h et h e o r yo fl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g si sa n a l y z e d ，a n d t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mi ss i m u l a t e d ，p a r a m e t e r st h a td e s c r i b i n gt h ec o u p l i n go f f u n d m e n t a lc o r em o d ea n dc l a d d i n gm o d e sa l ea l s oc a l c u l a t e d i no r d e rt op r o v e t h ep o s s i b i l i t yo ff a b r i c a t i n gl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g sb yu s eo fe l e c t r o n i r r a d i a t i o n t h ep r o g r e s so ff a b r i c a t i n go p t i c a lw a v e g u i d e so ns i 0 2w i t l lt h es a m e m e t h o di ss u m m a r i z e d i ti sc a l c u l a t e dt h a te l e c t r o n sw i t he n e r g yo fo 4 4 7 4 m e v w i l lg e n e r a t et h el a r g e s tr e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o ni nt h es i n g l em o d ef i b e rc o r e b ys y n t h e s i z i n ga l lk i n d so ff a c t o r s ，t h i sw i l lb et h eb e s te n e r g yt of a b r i c a t el o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g s t h e nt h em a s kw e r ef a b r i c a t e da f t e ra n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e o fd u t yc y c l et ot h eg r a t i n gs p e c t r u m ，a n dt h ef a b r i c a t i o no fl o n gp e r i o df i b e r g r a t i n g sw a st e s t e da tt h es a m et i m e s e v e r a la s p e c t st h a tn e e dt ob ei m p r o v e d w e r ep r e n t c da f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a san e ww a y ，i t s s u c c e s sw i l lp m m o t et h ed e v e l o p m e n t o f f a b r i c a t i n gf i b e rg r a t i n g sf u r t h e rm o r e k e yw o r d s ：l o n gp e r i o d f i b e r g r a t i n g s ；c o u p l i n gm o d et h e o r y ；e l e c t r o n i r r a d i a t i o n ；d u t yc y c l eo f f i b e rg r a t i n g s ；e n e r g yd e p o s i t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ： 丕丝丝， 日期：劾r z 7 绰纽月即日 哈尔滨：亡程大学硕七学位论文 第1 章绪论 光纤光栅是使光纤纤芯折射率产生周期性的变化而制作的一种新型光学 器件。根据光栅周期的不同，光纤光栅分为光纤布拉格光栅( f b g ) 和长周期 光纤光栅( l p f g ) 。光纤布拉格光栅又称为短周期光纤光栅或反射光栅，其周 期大致在零点几微米到几微米之间，而长周期光纤光栅的周期通常为几十微 米到几百微米。由于长周期光纤光栅的周期相对较大，因而其制作比较容易 实现。目前长周期光纤光栅的制作方法已有多种多样，但它们各有自己的缺 点和优点。另外，作为新型的光学器件，光纤光栅具有高波长选择性、与光 纤系统兼容、插入损耗低、结构简单体积小等优点，在光纤通信和光纤传 感领域具有广泛的应用。 1 1 长周期光纤光栅的制作研究现状 1 1 1 光纤光栅的制作历史 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 等人m 在实验中将波长为4 8 8 n m 的氩离子激 光入射到掺锗的光纤中，观察到入射光与反射光在光纤中形成的驻波干涉条 纹能够导致光纤折射率沿光纤轴向周期性变化，形成所谓的“h i l l 光栅”，首 先发现了光纤中的光致光栅效应，并制作出世界上第一只内写入的b r a g g 光 纤光栅。由于这种光栅的入射效率低，响应波长受激光写入波长限制等因素 的影响，在相当长的时间里，这一具有开发潜力的光予器件及其制作技术没 有得到人们的足够重视。1 9 8 9 年，美国的g m e l t z 等入首次采用2 4 4 n m 染 料激光器川，利用两束相干紫外光形成的干涉条纹从光纤侧面写入光栅，发 明了紫外侧面写入技术，成功制作出了第一只外写入的b r a g g 光纤光栅。该 技术不仅提高了光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角，还可以 改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅b r a g g 波长的目的，使得光栅的应 用波长扩展至4 通信系统广泛应用的1 3 1 i u n 或1 5 5 1 x m 波段。1 9 9 3 年k o h i l l 等人嘲利用紫外激光通过相位模板后的士l 级衍射光相干形成的周期性明暗 条纹对光纤曝光进行光纤光栅制作，提出了相位掩模成栅技术。这项技术放 宽了对写入光源时间相干性的限制，使光纤光栅的制作更加容易。同年，p j l e m a i r e 等人獬提出了一种简单而有效的光纤敏化技术低温高压载氢技 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 术。这项技术可以使光纤光敏性提高两个数量级，人们可以使用价格并不昂 贵的高浓度掺锗光纤，而仅在普通通信光纤上就能容易地制作出高反射率光 纤光栅。相位掩模成橱技术与光纤高压载氢技术相结合，降低了光纤光栅的 制作成本，使光纤光栅器件逐步走向实用化。随着光纤光栅技术的臼臻成熟， 各种具有不同传输性能的光纤光栅相继被研制出来，光栅的应用也迅速发展 起来。但是这时制作的仅仅是光纤布拉格光栅，实际上，能够实现正向模式 问耦合的周期较长的光纤光栅在九十年代初就已出现，它被用于实现多模光 纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换【嘲。然而现在逶常意义上的纤 芯基模耦合到同向传输的包层模的长周期光纤光栅是由a t & t 贝尔实验室的 a m v e n g s a r k a r 等人 9 1 于1 9 9 5 年用紫外光通过振幅掩模板辐照载氢掺锗光纤 首先研制而成的，这标志着长周期光纤光栅的诞生。 1 1 2 光纤光栅的分类 光纤光栅多种多样，但总体上，根据光栅周期大小不同，可以把光纤光 栅分为b r a g g 光栅和l p f g 。本文介绍的是按不同纤芯折射率调制方式对这 两种光栅进行的分类。 ( a ) 均匀光纤光栅 1 0 1 ：光栅的周期和折射率调制的太小均为常数，这是最 常见的种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模振荡。 ( b ) 碉瞅光纤光栅 1 l j ：光栅的周期沿轴向逐渐变化，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。 ( c ) 高斯变迹光纤光栅旧：光致折变大小沿光纤轴向为高斯函数，且直流 d c 折射率变化也是高斯函数。高斯光纤变迹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i 日j 隔越密，光栅越强( 折射率调制越大) 振荡幅度越大。 ( d ) 升余弦变迹光纤光栅：光致折变大小沿光纤轴向为升余弦函数，且 直流d c 折射率变化为零。变迹对均匀光栅反射谱的边模振荡具有很强的抑 制作用，选择不同豹变迹函数能起到不同的抑制效果。这种光纤光襁在 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 2 哈尔滨工程犬学硕十学位论文 弦函数和升余弦函数等。 ( e ) 相移光纤光栅【1 4 1 ：光栅在某些位置发生相位跳变，通常是丌相位跳变， 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 光栅可用来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式( d f b ) 光纤激光器i i ”。 ( f ) 超结构光纤光栅：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又称为取样光栅。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。 ( g ) 倾斜光纤光栅m - 一：也称为闪耀光纤光栅，其特点是光栅条纹与光纤 轴成一小于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 角度可增强辐射模或束缚模( b o u n dm o d e ) 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平坦f j 7 j 、光传播模式转换器等m i 。 ( h ) 特殊折射率调制的光纤光栅：其折射率调制不能简单地归结为以上某 一类。而是两种或多种光栅的结合或者折射率调制按某一特殊函数变化，这 种光纤光栅往往在光纤通信和光纤传感领域有特殊的应用。 l 。1 3 长周期光纤光栅的制作方法 长周期光纤光栅从诞生到现在已经有l o 多年的历史，其制作方法不论从 写入手段还是写入过程都逐渐丰富，而且这些制作方法之间的优缺点相互补 充，从而使人们能够更好的制作和利用长周期光纤光栅，大大促进了光纤通 信和光纤传感的发展。以下将按写入手段介绍目前已有的制作长周期光纤光 栅的方法。 l 、紫外曝光法，它是最早用于制作长周期光纤光栅的曝光方法唧。利用 周期性透过的振幅掩模版调制入射紫外光，来曝光载氢光纤。在光纤纤芯形 成周期性的折射率调制，便可写入长周期光纤光栅，制作原理如图1 1 所示。 这样制作的长周期光纤光栅，其周期与振幅掩模板相同。所用光纤可以为纤 芯掺锗，也可以为标准通信用单模光纤，但掺锗光纤具有光敏性，可以加快 哈尔滨工程大学硕七学位论文 光栅写入速度。在文献【9 】基础上人们提出了许多运用幅值掩模法制作长周期 光纤光栅的方法，不同之处主要为了提高制作效率而采用不同的掩模板，或 者在纤芯掺杂不同材料的光敏光纤，或者不同波长的激光器，比如纤芯掺杂 磷( p ) 、硼( b ) 、铒( e f ) 、镱( y b ) 等元素，使用1 5 7 m 氟分子激光器、1 9 3 n m a r f 准分子激光器、2 4 4 n m 双频a r 离子激光器或者2 4 8 n m k r f 激光器等。用紫外曝 光法，在载氢光敏光纤上制作的长周期光纤光栅，是目前已知能够获得最好 光谱质量的方法。但是这种方法所用激光器价格昂贵，光栅不能批量生产。 虽然清华大学的李栩辉等人提出了一种用宽带紫外光源制作光纤光栅的方法 ，它能够不受光源尺寸的限制，可以利用一块或几块振幅模板同时制作多 根长周期光纤光栅，利于长周期光纤光栅的批量生产，但它所获得的光栅光 谱质量远远不如前面所用方法所得光谱。 匣圈 妙荛 li 紫 图1 1 紫外曝光法制作长周期光纤光栅原理图 紫外光在光敏光纤中写入的长周期光纤光栅的热稳定性较差，其中氢载 对光栅的热稳定有较大影响鲫，通常用退火的方法可以提高光栅的热稳定性 l g l 。此外，在长周期光纤光栅的制作过程中若适当降低氢含量，并灵活地运 用均匀紫外曝光技术，能够明显地提高紫外光写入的长周期光纤光栅的热稳 定性【2 1 1 。 2 、离子注入法，这是一种通过注入离子以改变光纤折射率来制作长周期 光纤光栅的方法。2 0 0 0 年，日本f u j h m k i 等人i n 将高能h e 2 + 离子注人到光纤中 制作了l p f g ，原理如图1 2 所示。他们将能量为5 i m e v 的离能h e 2 + 离子通过 金属掩模板掩模下注入到光纤中，掩模板周期为1 7 0 p a m ，缝隙为6 0 p m ，其占 空比不是1 ：1 的原因是为了防止背向散射和二次电子等产生影响。当注入剂量 达到2 x 1 0 ”h e 2 + c m 2 后，在标准通信光纤中制作了在1 4 1 0 n m 处有约1 6 d b 大损 耗蜂的l p f g 。由于h e 2 + 离子体积偏大，增加了与二氧化硅中各种原子的碰撞 4 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 几率，所以在光纤中的穿透深度偏浅。 图1 2 离子注入法制作长周期光纤光栅原理图 于2 0 0 1 年，澳大利亚的v o nm l ，等人提出用高能h + 离子，以逐点写入法 来制作l p f c # j ，只需要能量为2 4 m e v 的旷离子便可以在光纤纤芯形成最大 的折射率调制。后来g r a n t k j 等人又在多模光纤中制作了l p f g 唧，从图1 3 我们可以清楚的看到光纤的结构产生了明显的变化。 图1 3 用离子注入法在多模光纤中引起的光纤结构变化 离子注入法和已有光栅制作方法相比具有以下优点册。首先，不需要经 过特殊处理的光敏光纤，离子注入可以使任何石英光纤产生大的折射率改变； 其次，在离子剂量控制方面，光纤折射率改变量与辐照剂量近似为线性关系， 可以很容易的控制光栅折射率调制轮廓，而不像紫外辐照那样要去考虑由于 非线性作用而产生的额外影响；最后，由离子注入而引起的折射率改变，在 5 0 0 0 c 下还保持稳定，这种特点使其在传感方面拥有巨大的优点。 但是离子注入法也有其缺点。离子注入法产生折射率变化的机理，可能 是由于离子和原子核相互作用而导致光纤结构的致密化，在离子注入的过程 中，不仅光纤纤芯会产生折射率改变，在包层中也会产生很高的折射率改变， 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 会造成光强的损耗。不过，这一缺点可以通过选择窄| 日j 距的掩模板，使离子 只注入到纤芯中来部分解决。此外，由于高能辐照在光纤中将会产生缺陷， 即通常所说的色心，这些色心缺陷将对光强产生吸收损耗。对于这些色心缺 陷可以通过退火来处理m l ，虽然不能完全消除色心，也能够使色心维持在一 个比较低的水平。另外，若想用尽可能小能量的离子来制作光栅，可以通过 用氢氟酸浊蚀的方法来减小光纤的半径，不过这样就会增加制作的难度。 3 、高频c 0 2 激光脉冲写入法，该方法利用高频脉冲的热冲击效应，由 于脉冲能量集中、单个脉冲加热时间短、因此加热效率高，能高效率高质量 地写入低成本的长周期光纤光栅。其写入装置如图1 4 所示： 图1 4c 0 2 激光器制作长周期光纤光栅原理图 重庆大学的饶云江等人用如下方法制作了l p f g 。将普通单模光纤水平 状态置于c 0 2 激光器聚焦透镜的焦点，注意应使光纤的轴线与c 0 2 激光的焦 斑重合。为了提高写入效率，通常预先把被加热段光纤的涂覆层剥去5 0 m m 左右。由于c 0 2 激光加热过程中光纤可能会发生物理延长，因此，光纤的一 端固定，另一端悬挂1 0 9 的轻物，以便使光纤在c o z 激光曝光期间保持恒定 的轴向应力并始终处于直线水平状态。c 0 2 激光的焦斑直径可由聚焦透镜调 节，聚焦后的焦斑直径为5 0 1 4 m 。全功率为1 0 w 的c 0 2 激光器由计算机控制， 可调节输出激光脉冲的各种参数，通常输出c 0 2 激光脉冲的频率为5 k h z ， 功率约为o 5 w ，波长为1 0 6 岬。由计算机控制的2 d 扫描振镜首先使高频 c 0 2 激光光束沿横向( x ) 扫描光纤，然后使激光光束沿光纤轴向( 偏移一个 光栅周期，再次扫描光纤，使激光光束沿y 向每偏移一次就x 向扫描光纤一 次，这样依次扫描完长周期光纤光栅的每一个周期。通常一次扫描引入的折 射率调制较低，因此一般要经过几次扫描才能写入一个理想的长周期光纤光 6 哈尔滨：i 程大学硕士学位论文 掇。这样光纤经聚焦高频c 0 2 激光脉冲轴向周期性加热后，其折射率发生轴 向周期性变化从而形成长周期光纤光栅。 自从d d d a v i s 脚, n 等人提出c 0 2 激光写入法以来，许多研究工作都集中 在研究其形成机理，但人们对c 0 2 写入法的形成机理的解释还不完善并且也 不统一。王义平等人从残余应力释放，密度变化、掺杂剂热扩散和熔融变形 四个方面来探讨其可能的形成机理嘲，也从实验上证明了这种方法制作的 l p f g 具有耐高温的优点。 由于用c 0 2 激光来制作光纤光栅是通过局部加热的方法，这就会造成光 纤纤芯和包层的折射率同时发生变化，结果造成光强的损耗；红外光在加热 光纤时能量逐渐减弱，造成光纤折射率变化梯度，文献 2 5 1 建议从两侧同时 加热光纤，这无疑又增加了制作光栅的技术难度。而且目前还没有计算纤芯 和包层同时具有折射率变化的理论模型，只能用仅在纤芯有折射率改变的理 论模型来代替。 4 、电弧放电写入法，它是通过把光纤放于两电极之间，由电弧放电在光 纤中形成折射率调制来制作l p f g 的一种方法i t & , m l ，其写入装置如图1 5 所示。 在制作光栅的过程中，当一次高压放电后，控制器会控制移动平台会产生一 定的位移，然后继续放电，依次循环，从而在光纤中形成周期性的折射率调 制。宽带光源和o s a 用来观察光栅光谱的变化。通过控制器控制移动平台， 用图1 5 所示的装置可制作出事先设定出折射率调制规律的光纤光栅，而不 像紫外曝光法那样对于不同的光纤光栅需要不同的掩模板。 图1 5 电弧放电法制作长周期光纤光栅原理图 电弧放电法与二氧化碳激光制作的光纤光栅具有相似的性质，但是电弧 放电法所用的制作设备价格便宜，而且在制作过程中采用多电极对称放电的 7 哈尔滨_ r ：程大学硕十学位论文 方法可以解决光纤折射率变化轴向不均匀的问题。由于包层和纤芯同时产生 了折射率变化，其最大缺点是光强损耗与紫外曝光法相比相对较大，所以对 减小用这种方法所制作光栅光强损耗的研究是有必要的。( 这种方法还可以用 来制作b r a g g 光纤光栅) 5 、机械微弯变形法，这种方法通过外力使光纤产生周期性的形变和应力， 从而制作光纤光栅 3 0 - 3 3 1 ，其原理如图1 6 所示。 图1 6 机械微弯变形法制作长周期光纤光栅原理图 韩国的i k - b us o h n 等人就用机械微弯法制作的l p f c * i j 作了e d f a 增益平 坦器，在3 3 r i m 波长范围内的增益平坦度小于l d b ，得到了很好的结果珊l 。他 们在两平板上平摆放置6 0 根直径为7 0 0 微米的碳棒，然后把光纤置于两平面之 间，通过对两平面施加压力，由于碳棒对光纤产生的横向应力，会使光纤产 生轻微的形变，从而形成光纤光栅，实际的光栅周期约为7 1 6 微米。用此种方 法制作的光纤光栅来对e d f a 进行调谐具有很大的优点，当泵浦源的功率发 生变化时，通过控制光栅周期以及外界施加的应力，可以简单的实现对e d f a 增益的动态平坦。 图1 7 温度可控应力制作长周期光纤光栅原理图 8 哈尔滨： 程大学硕士学伸论文 此外，c h i e n h u n gl i i l 等人在2 5 0 0 ( 2 高温下把光纤粘到周期性刻槽的基板 上，然后冷却到室温，通过温度控制基板伸缩，从而制作了l p f g ，最大耦 合波长处损耗达到了2 5 d b 【”i 。这种方法可以通过控制温度以获得实际应用的 要求，所以具有温度可控的优点。w ue n b o a 等人用类似方法通过把光纤用环 氧树脂固定到表面周期刻槽的金属基板上，制作了一种损耗可调的l p f g f m 。 如图1 7 所示。 这种方法制作的光栅是由于基板、环氧树脂、光纤之间的热膨胀系数不 同而产生的周期性应力形成的。制作的光栅有3 5 个周期，在室温时没有损耗 谱，但当温度从室温降到4 0 c 时损耗谱的变化范围为2 1 d b 。并且给出了这种 光栅具有高调谐效率的理论解释。至于基板的制作，可以通过线切割等简单 的方法获得，成本低廉。对作者本人，目前还没有发现用以上方法固定光纤， 而以外部施加应力来制作光栅的报道，相信这也是一种可行的方法。 6 、飞秒激光器曝光法，这是一种通过飞秒激光曝光光纤来制作光纤光栅 的方法。可以用8 0 0 n m 飞秒激光器 3 4 1 ，或者2 4 6 n m 飞秒激光器来制作光纤光 栅 3 5 , 3 6 1 ，所用光纤可以是光敏光纤，也可以是普通通信光纤。用这种方法制作 的l p f g 光谱质量并不比用准分子激光器好，但飞秒激光器价格昂贵。 7 、切割机刻槽法，通过用精密切割机或其他手段在光纤包层上周期性的 刻槽，制作的一种长周期光纤光栅。通过在刻槽后的光纤两端施加应力，可 以用来作为波长和损耗可调的带阻滤波器。光栅的调谐能力依赖于外界施加 的沿刻槽后光栅轴向的应力。制作的光栅波长和损耗调谐范围分别可以达到 4 0 纳米和2 5 d b 【3 n ，基本制作原理如图1 8 所示。此外，可以把刻槽后的光纤置 于光纤支架平台上，用氢氧馅对光纤刻槽区域进行退火。熔融玻璃受表面应 力影响，刻槽光纤纤芯受力不平衡，使纤芯产生周期性畸变，导致纤芯折射 率周期性交化，形成光栅。 图1 8 切割机刻槽法制作长周期光纤光栅原理图 9 哈尔滨：至大学硕七学位论文 总之，以上七种方法是目前己见报道的。长周期光纤光栅的写入手段。 制作i 1 2 节中所涉及到的任何一种光栅，都以这7 种写入方法为基础。更多 更好的写入方法有待进一步研究。 1 2 长周期光纤光栅的应用 长周期光纤光栅主要应用在光纤通信和光纤传感两大领域。其以峰值波 长为探测对象，为自参考型器件，不仅继承了普通光纤器件的优点，而且使 其具有了准确反映事实的优点在实际应用中短短的几年就已从实验室走肉 实用化。 i 2 1 长周期光纤光栅在通信方面的应用 长周期光纤光栅可制成性能优良的滤波器，高质量的光纤激光器和放大 器、波分复用器等全光纤集成器件。因此许多国家投入大量的人力和物力对 光纤光栅及其在全光通信网中的应用进行研究。本文以以下几个方面介绍光 纤光栅在通信领域中的应用： 1 、光纤滤波器，这是l p f g 一种最广泛的应用，实际上光纤激光器、e d f a 增益平坦、波分复用器等都是以滤波为基础的。长周期光纤光栅的耦合机理 决定了它对特定的波长具有损耗的能力，在谱特性曲线上表现为一个损耗峰。 特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度，可以使谐振波长强烈衰减，而其余 波长基本没有损耗的通过，从而实现了基于光纤的光学带阻滤波。其中光栅 周期与调制深度决定谐振波长，而光栅长度决定阻带带宽。文献【】| i 就制作了 一种带宽可调的，可用于制作动态滤波器的l p f g 。 2 、光纤激光器。这是以l p f g 来选择激光谐振波长，来制作光纤激光器 的一种方法。文献通过制作一种冗相移l p f g 作为带通滤波器制作了一种锁 模掺铒激光器。 3 、e d f a 增益平坦，是用l p f g 来减小e d f a 对不同波长信号增益的差别 ，防止在密集波分复用光纤系统中出现不同波长的串扰。 4 、制作波分复用器，用l p f g 来制作波分复用器有很多种方法，最长见的 是两个完全相同的长周期光纤光栅串联来制作w d m 系统。第一个光栅的纤 芯模式与第二个光栅从第一个光栅的包层模式耦合回纤芯的纤芯模式形成干 l o 哈尔滨一t ：程人学硕士学位论文 涉。用这种方法制作的波分复用器，具有相等的频率空间间隔，高的分光比， 可以忽略器件对光的散射，而且波分复用的带宽可以通过调节光栅的参数来 获得。 5 、光纤码分多址复用系统( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，文献 4 2 1 就通 过把在双包层色散补偿光纤中制作的长周期光纤光栅级联，制作了2 x 1 0 g b s 的光纤码分多址复用系统。 1 2 2 长周期光纤光栅在传感方面的应用 长周期光纤光栅作为高灵敏度的热敏、压敏及折射率敏感器件，可用来 测量温度、应力、应变和折射率的变化，以及对以这些量为表现形式的各种 物理量进行传感。目前l p f g 在传感方面的应用主要表现在单参数传感和多参 数传感两个方面。 l 、单参数传感，光纤光栅的单参数测量主要是指实现对温度、湿度、应 变、浓度、折射率、磁场、电场、电流、电压、速度、加速度、生物特性等 的测量。 2 、多参数传感，多参数传感技术包括对两个或两个以上参数的传感测量。 利用一个或多个光纤光栅级联或与其它传感器相结合，通过测量谐振波长、 幅值、偏振态或其它参量的变化可实现对多参数的测量。在工程结构中各种 因素相互影响、交叉敏感，因此这种多参数测量技术尤其重要。目前多参数 传感技术中，研究最多的是温度一应变的同时测量技术，也有入进行了温度 一弯曲、温度一折射率、温度一位移等双参数测量以及温度一应变一振动， 温度一应变一振动一负载的多参数测量。 1 3 本课题的选题意义和研究内容 总结以上内容可知，虽然目前已经有多种制作长周期光纤光栅的方法， 但它们都有不完美的地方，光纤光栅的制作方法需要进一步探讨。考虑到紫 外光、电子束、离子束辐照都能改变有掺杂的或纯二氧化硅的折射率，它们 已经都被用来在平面二氧化硅介质薄膜中制作了光波导；其中紫外光和离子 束已经被用来制作了长周期光纤光栅，而电子的性质介于紫外光和离子束中 间，所以电子束也应该能够被用来制作光纤光栅。目前还没有关于用电子辐 哈尔滨1 ：程大学硕七学位论文 照法制作长周期光纤光栅的报道。所以本文的研究将会为制作长周期光纤光 栅提供一种全新的方法，从而进一步促进光纤光栅制作技术的发展。 本文主要从以下几个方面对电子辐照法制作长周期光纤光栅进行研究： ( 1 ) 用耦合模理论对长周期光纤光栅的透射谱进行模拟分析，为试验研 究提供指导。 ( 2 ) 综述电子辐照二氧化硅的研究进展，为全面研究电子辐照光纤制作 光栅打下基础。 ( 3 ) 理论计算电子辐照石英单模光纤的最佳能量。 ( 4 ) 通过试验用电子辐照法试制了长周期光纤光栅。 哈尔滨，1 ：程人学硕十学位论文 第2 章长周期光纤光栅的理论研究 光是电磁波，它具有电磁波通有的特性。因此，光在光纤中传输的一些 基本性质都可以通过求解具有一定边界条件的麦克斯韦方程组来获得。通过 求解波动方程可以得到光纤中导模和辐射模的基本场分布，在没有扰动的情 况下这些模式之间独立传输，没有耦合。当有扰动出现时，某些模式之间将 发生耦合。研究这一问题常用耦合模理论 4 3 4 4 1 。耦合模理论假定微扰存在时， 光纤中的模式不发生变化，也就是说仍然是未受扰时的模式。这样，对于存 在周期性微扰的光波导，光场可展开为无微扰情况下光纤中各模式的叠加1 4 ，l ， 这一假定通常称为微扰近似。另外，当用耦合模理论分析光纤光栅时，通常 还要做同步近似，即认为只有相互同步的两个模式间才会发生有实际效果的 耦合作用，从而忽略其它所有非同步模式的影响。经过很多人的努力，目前 已经基本建立起了一套成熟的用于计算光纤光栅的耦合模理论f 4 6 1 。 对于均匀的正弦周期性的，折射率调制幅度为常数的光纤光栅，求解其 耦合模方程能够得到解析解。但由于耦合模理论采用的一些近似只有在折射 率调制不大时才成立，因此对于折射率调制较大( 1 0 也量级以上) 的情形，该模 型的精确度变差，且其数值运算复杂，计算量大。在耦合模理论基础上，发 展起来了一种用分段传输矩阵分析长周期光纤光栅传输特性的方法 4 7 1 ，该方 法没有太多的近似，精确度较高，且适合于数值运算，计算量相对较小，因 此特别适合计算一些长的或非均匀的光纤光栅。耦合模理论和传输矩阵法是 分析包括长周期光纤光栅在内的光纤光栅，特别是非均匀光纤光栅的基本方 法，是一种严格的理论分析方法，可用于研究各类复杂结构的光纤光栅。此 外，还有一些分析光纤光栅的方法，比如b l o c h 波理论【珥l 、w k b 法嗍、散 射理论脚i 等，但这些方法都比较复杂。本文主要用耦合模理论来分析长周期 光纤光栅。 2 1 光纤中模式场理论 2 1 1 光纤中的基本电磁场 光纤是一种介质光波导，这种波导具有以下特点川：无传输电流：无自 哈尔滨f i ：程大学硕十学位论文 由电荷；线性各向同性。因此，光纤中传播的光遵从m a x w e l l 方程组： vx 日；占a e a f v x e = - p o 詈( 2 - i ) v - h = 0 v e = 0 式中：e 、日- 光波场的电场强度矢量和磁场强度矢量 s 一介电常数 o 一真空的磁导率 在柱坐标系中，假设光纤为三层奔质结构，如图2 1 所示。纤芯半径为 a l ，包层半径为a 2 ，包层外为无限大介质，它们的折射率分别为n i 、1 1 2 、n 3 。 折射率随光纤半径的分布可以写成： i n l，a l n ( r ) = 片2a l 口2 图2 1 光纤的三层结构模型 2 1 2 求解阶越光纤的电磁场方程 制作光纤光栅所用光纤一般为阶越折射率光纤，阶越光纤纤芯和包层折 射率n l 和 2 都是常数。 引进两个特征参量u 和矽，它们与k 0 、疗、口之间的关系为： u 2 + 2 a 2 = k 2 1 2 “l z( 2 3 ) 一w 2 + 2 口2 = - - 2 刀2 2 q 2 ( 2 - 4 ) 1 4 一i i i ：笪至鉴：! ：堡銮：竺：墨兰圣 i - _ _ _ _ _ _ - 用以上两式可以定义另一个重要的特征参量； v 2 = u 2 + 矿2 = k ；a h 一万i ) ( 2 - 5 ) 常数v = 七o q ( 砰一九；) “2 称为光纤的归一化频率，它与工作频率成正比， 是一个无量纲的参数。 应用电磁场的边界条件，并求解柱坐标下的电磁场方程，可以得到四个 横向电磁场量e r 、岛、日，、日在纤芯和包层中的表示式为： = 。c 争2 志华厶学力一篙半譬例c 所声o r s a l c 2 卅 铲t 铬，2 南掣c 竺警疋和c 删朋 e - = _ 岛) 2 万1 而卜a ) l l v ，m b j = ( u qr ) + f l f u a 以尝r ) 】血删 o 口t ( 2 - 9 ) 驴- i 2 赤卜竿厶酱，) + 垡幽, 7 1 a ，嘶曲s q ( 2 - l o ) 耻咿南卜竽酶力+ 垡警砭( 扣t 删 嘶( 2 - l i ) 耻- i e ) 2 丽1 卜垡学厶岳，) + 譬帅删矿o 口- ( 2 。s ) 以上各式都略去了沿z 方向的传播因子c 一啦，式中某些贝赛尔函数上的 撇号代表对这些函数宗量的导函数。它们所表示的电磁波成为光纤中导波的 条件是u 和w 都是正实数，以保证电磁场量在纤芯中沿半径方向呈驻波分 布，在包层中呈表面波分布。由式( 2 3 ) - ( 2 - 4 ) 可以看出( ，和w 为正实数的条件 为： k n ， 口 k o n l ( 2 一1 4 ) 】5 哈尔滨t ：程大学硕十学位论文 如果上述条件不满足，例如 k o n 2 ，则会有w 2 o 。包层中的场就成 为辐射场，导波也就截止。因此我们将p = k o ”2 ，。w = o ，u = y 作为一个导 波模截止的临界点。 2 1 3 导波模的特征方程 光纤中的电磁场分量表达式中u 、w 、口还没有确定，待定常数4 和b 之 间的关系也有待确定，只有这些常数确定下来才能确定光纤中导波模的传播 特性和场分量。特征参量由特征方程解出，而特征方程则由电磁场边界条件 得出。 利用电磁场的切线分量必须连续，在西方向有： = “，h = 心 ( 2 - 1 5 ) 把它们四个分量的表达式代入，可以确定a ，b 之间的关系，但它们的 完全确定还需要依赖光纤的激励条件。但它们的大小并不影响光纤中电磁场 结构以及传播特性，这里不再讨论它们的值，用边界条件把它们消掉后得到： t 器+ 器w k ，c 勰u j m + 鞣w k ，= 譬拍u w2 回叫册( u ) 埘( ) 儿 ( ( ，) m ( ) 。 七暑 、22 、 。 用u 、w 、卢三者的关系消掉得到： 躲+器，苣揣+叠揣，=m2(-嘉2ujmw k mu j m w k u 2 + 击w ，岛u + w ( ( ) “( u ) 。( 矿) 。 2 “2 2 7、7 在工作波长和光纤结构参数已知的条件下，就可以从上式中解出u 、w 这两个特征量。 为了便于书写，引进两个简化符号： ，：厶盟 佗1 8 ) u j 。( u ) 、 五：墨堡! ! ! ( 2 1 9 ) w k 。( ) 、 将其代入上式可以得到： 倒和埘耻肼2 告+ 嘉唔+ ( 2 - 2 0 ) 直到这里我们没有做任何近似，所以得到的方程都是精确的，但在实际 的计算中总需要一些近似，以便简化计算。 1 6 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 2 1 4 弱导近似 通信中实际使用的光纤都是弱导光纤。这里所说的弱导，就是指包层折 射率n 2 仅略小于纤芯折射率n i 。纤芯和包层的相对折射率差远小于1 。由此 可以将光纤特征方程简化为： v + 髟) = ：k m ( ；+ ) ( 2 - 2 1 ) 【， 式中m = 0 、l 、2 、3 。 上式即为弱导条件下，光纤的特征方程，它是分析弱导光纤传输特性的 基础。这个方程实际上可以分成m = 0 和在方程右端取+ 号和“”号三种情形。 m = 0 时其为t e 和t m 模的特征方程，取+ ，号时为e h 模特征方程，取“”号时 则为h e 模特征方程。 在弱导条件下，光纤传播的导波尽管仍可以区分t e o i l ，t m 帅，e h m n ， h e r o n 等模式，但是所有这些模式的纵向场分量比其横向场分量要小得多。 也就是说，弱导光纤中传输的电磁波其横向电磁场占主导地位，而且已经激 励起来在传播过程中其偏振状态保持不变。由于a “l ，只有几乎与光纤轴 平行的光线l ”能满足边界面上的全反射条件。这种情形下的平面波，不管是 垂直偏振的，还是水平偏振的，其电场和磁场几乎与z 轴垂直，无论是子午 光线，还是偏斜光线，经反射后尽管有可能产生电磁场的z 向分量，但z 向 分量总是很小。由于沿传播方向的电磁场分量与横向分量相比极小，但又不 等于零，所以可以认为这种形态的波接近于t e m 波，可以称为准t e m 波。 这种波的横向电场和横向磁场之比近似为介质的波阻抗，即 瓦e t = z c = 1 譬= 等( 2 - 2 2 ) 式中脚标、”表示横向分量，z o = 石7 i 是自由空间的波阻抗，是个物理常 数，约等于3 7 7 q 。由于波在传播过程中保持其偏振态不变，所以总可以选 取一个直角坐标系，使场矢量与坐标轴方向一致。这样可以使问题大为简化。 如果电磁波在传播过程始终保持场矢量取向不变，则这种电磁波称为线偏振 波，或称为线偏振模( l i n e a rp o l a r i z a t i o nm o d e ) 或简写为l p 模。以下求解线偏 振模场解及其特征方程。 在直角坐标系中，总可以将横向电场表示为： 1 7 哈尔滨= r = 程大学硕十学位论文 e t = e l e x + ey er t 2 - 2 3 式中e x 和p 。分别为x 轴和y 轴方向的单位矢量。如果横向电场的取向不 变，则总可以选取适当的坐标，使得电场强度只有一个分量，例如： e = e y b ( 2 2 4 ) 场量e 。满足标量亥姆霍兹方程，即 v 彤+ | 乃= o ( 2 2 5 ) 将上式在圆柱坐标系中展开，采用上一节的方法可以解得纤芯和包层中 的场解，再利用包层和纤芯的边界条件，在弱导近似下，近似认为n l = 一：， 得到弱导光纤中线偏振模的特征方程： 【，堡! ! ! 竺2 ；矿茎型! ! ! ! ! ( 2 - 2 6 ) j ( 【，)k m ( ) 将它与( 2 3 ) 和( 2 4 ) 式联立可以解得线偏振模的特征参数u 、w 。 l p m 。模的模式序号m 、n 有着明确的物理含义。m 是贝赛尔函数的阶数， 同时它又完全确定了场量沿声方向的分布规律。在庐角方向，场量按c o s m 矿规 律变化，当从0 到2 石变化一周时，场量将出现2 m 个极大点和2 m 个零点。 在半径方向上，纤芯中场量按j m ( u r l a