一种新的长周期光纤光栅制作方法

1、 国家级大学生创新性实验计划项目申 报 书项 目 名 称： 一种新的长周期光纤光栅制作方法申 请 者： 程玉田 崔璐 朱月月 所 在 院 系： 物理与材料科学学院 专 业 年 级： 2009级光信息科学与技术专业 指 导 教 师： 徐峰 起 止 时 间： 2012.1至2013.3 联 系 电 话： 子 信 箱： cyt09ahu申 报 时 间： 2012.2安徽大学教务处制表填 表 须 知一、安徽大学国家级大学生创新性实验计划项目申报书要按顺序逐项填写，内容要实事求是，表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。 二、申请参加安徽大学国

2、家级大学生创新性实验计划项目团队人数不得超过3人（1人为立项负责人，参与合作研究者1-2人为宜）。三、安徽大学国家级大学生创新性实验计划项目申报书由申报学生所在学院初审，签署意见后，一式三份（均为原件），报送教务处。项目名称一种新的长周期光纤光栅制作方法申请经费30000元起止时间2012.1至2013.3负责人学号姓名年级所在院系、专业联系电话E-mail B20914104程玉田09级物理学院光信yt09ahu参加成员B20914025崔璐09级物理学院光信uilu2000B20914070朱月月09级物理学院光信/p>

3、zyy09gxx指导老师姓名职称所在院系联系电话 E-mail徐峰副教授物理与材料科学学engxahu.一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的知识、素质、能力等研究等条件） 项目背景： 随着光纤及光子器件制造技术的不断完善，光纤光栅己成为目前最具有代表性和最具有发展前途的光纤无源器件之一，广泛应用于光通信和光传感等领域。长周期光纤光栅 (Long Period Fiber Grating, LPFG)作为一种新型的光纤光栅，由于其插入损耗小、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化的反应灵敏度高、制作简单、成本低廉等优点，受到国内外学者的广泛研究。长周期光纤光栅是一种透

4、射型光栅，其功能是将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层中损耗掉。长周期光纤光栅在光纤通信系统中有着重要的应用，与光纤布拉格光栅相比，其阻带比光纤布拉格光栅的阻带宽的多，而且为传输型，没有回波影响，因此可以简便地级联多个不同阻带特性的长周期光纤光栅以获得所需的滤波特性。例如，将一个或多个不同谐振波长和透射率的长周期光纤光 栅级联制作成的掺铒光纤放大器（EDFA）增益平坦元件可有效解决高比特率通信系统中EDFA的增益不平坦问题。另外，选择合适的长周期光纤光栅可以用来抑 制EDFA在1530nm附近的放大自发辐射（ASE），而在信号波长区域和抽运光波长区域完全透明，从而大大减小放大器的自发辐射噪声

5、系数。作为带阻滤波器，长周期光纤光栅还可以在级联拉曼激光器中用于滤除斯托克斯线，减小信道间的串扰。除此之外，长周期光纤光栅在光通信领域的应用还有：波长选择及耦合器、光分插复用器（OADM）、光开关、模式转换及色散补偿器等。 同时由于长周期光纤光栅的耦合特性对外界环境因素非常敏感，因此其在光纤传感领域亦有着广泛的应用。主要有：温度、应变、扭曲等单参数测量，多参数测量，化学及生物传感器，非线性测量等。 长周期光纤光栅具有巨大的应用潜力。目前，长周期光纤光栅的制作方法主要有逐点写入法，CO2激光写入法，振幅掩膜法，微透镜阵列技术和物理变形法。尽管上述方法均有一定的实践意义，但仍存在诸多不足，因而，研

6、究一种简单，低成本，适合制作各种复杂长周期结构光纤光栅的方法对于长周期光纤光栅的应用具有重要价值。 自身具备的研究条件： 团队成员经过两年半的专业学习，除了物理学基础理论外，还学习了光纤通信、激光原理、信号分析与处理等课程，加深了对光电方面知识的了解并对于该方面的课题产生了深厚兴趣。在大学物理学基础实验、电子实验及近代物理学实验的实践操作中，初步掌握了实验流程及简单的操作技能，培养了一定的实验素质。另外，通过C语言、Fortran程序设计的课程学习，对于编程及相关常用软件有了基本的认识。 通过对相关文献的阅读，小组成员掌握了一些关于光纤光栅及其制作方法的内容。首先是对其基本概念的了解，随后小组

7、对此学科的研究对象、研究方法、研究目的、研究工具等方面做了进一步的了解，能初步使用相关的网站及数据库，同时对以前的科学家的研究结果进行学习，吸收其中的实践经验。随着小组成员们对光纤光栅这个学科的进一步了解，更是对其产生了极大的兴趣，不仅认为这个课题具有很强的新意，更觉得这个课题的实用性很强。我们希望能够通过努力，在改善长周期光纤光栅的制作方法方面有所突破，同时我们也相信自己可以成功。二、项目研究内容（目前研究的现状、方法、观点、难点、特点和提出的创新点等）国内外本项目的研究现状：当紫外光照射掺锗光纤时能引起光纤芯径折射率的永久性变化, 1976 年K.O.Hill的这一发现使得光纤光栅在光通信

8、网络中获得广泛应用1-2。1995年.AM.vengsarkar等人3在光纤中成功地写入长周期光栅LEPG，并用其解决了带阻滤波设计与功能实现以及掺铒光纤放大器的增益均衡方面的问题,标志着 LPFG理论与技术的诞生。1998年Dvais等人4提出了用聚焦的CO2激光器脉冲在普通单模光纤中写入长周期光栅，并对所写光栅的光谱特性、偏振特性和温度稳定性等进行了研究。这种方法不需要载氢，并可以改变写入周期，从而可以写入非均匀周期的具有特殊用途的LPFG，使成本降低，制作周期短。2003年YIRao5首次提出了一种用计算机控制的聚焦高频CO2激光脉冲效应在普通光纤中写入LPFG的方法。提高了加热效率，能

9、够高效率、高质量的写入低成本的LPFG。2002年Kryukov P.G等人6用飞秒激光器 ,采用幅值掩膜法制作了 LPFG,发现这种方法制作的 LPFG透射谱的吸收峰达到20 dB多,且有很小的带外损耗 ,并对光纤没有造成损害。FujimakM等人7将高能量He2+注入到光纤中制作了LPFG。制作过程中,经加速后的高能量 He2 +通过金属掩膜板注入到光纤上,加速能量为5.1MeV,掩膜周期为170m,间距为 60m,共 20个周期,注入 20 1015He2 +/ cm2剂量后 ,在普通通信光纤中制作了谐振波长为1410nm,损耗峰大于16dB的 LPFG。Atsushi S等人8用 H

10、+束辐照光纤 ,制作了周期为 300m的 LPFG,用离子注入法可以方便地控制周期的长度和精度 ,精度可以控制在0.4m。应用物理或化学的方法直接在光纤中刻入光栅的物理形变法的研究也日益增多9。上述长周期光纤光栅制作方法中，掩膜曝光法主要存在光纤光栅掩膜模板制作要求高，成本昂贵，采用激光逐点直写存在难以保证光栅周期结构的稳定性和一致性，写入速度慢的缺点。此外，激光诱导产生的折射率周期结构很难实现耐高温光纤光栅。参考文献：1瞿荣辉，赵浩，房祖捷.光纤光栅的制作方法和应用研究进展J激光与光电子学进展.1999（12）:8-132Hill K.O,Fujii Y,Johnson D.C,et al.

11、Photosensitivity in optical fiber waveguide:application to reflection filter fabricationJ.Appl.Phys.Lett,1978,32(10):647-6493A.M.Vengsarkar，Qian Zhong，Daryl Inniss，W.A.Reed，PaulJ.Lemaire and S.GKosinski.Birerfingence reduction in side-written Photoinduced fiber devices by a dual-exposure mehtod.Opti

12、cs Lett.，1994，19(16)： 1260-12644D.D.Davis，T.K.Gaylord，S.C.Mettler，and A.M.Vengsarkar.Long-Period fiber grating fabrication with focused CO2 laser pulsesJ.Electronics Lett，1998，34(3):302-303.5Y.J.Rao,Y.p.Wang,Z.L.Ran,Novel fiber-optic sensors based on long-period fiber gratings written by high-freque

13、ncy CO2 laser pulsesJ.Journal of LightwaveTechnology，2003,21(5):1320-1327.6Thomas Clouquer,Veradej Phipatanasuphom, Parmesh Ramanathan,et al. Sensor deployment strategy for target detection C Wireless Sensor Networks and Applications (WSNA). Atlanta: s.n. , 2002:521 - 527.7 Poduri S, Sukhatme G S.Co

14、nstrained coverage in mobile sensor networksCProc of IEEE International Conference on Robotics and Automation ( I CRA 04). USA:New Orleans,LA, 2004: 40-50 .8 Meguerdichian S, Koushanfar F,Qu G, et al . Exposure in wireless adhoc sensor networksC In Pr- oc of the 7th Annual International Conference o

15、n Mobile Computing and Networking (Mobi-Com01).Italy Rome, 2001: 139 - 150 .9李彬，裴丽，董小伟，简水生，漳州旗光纤光栅的几种制作方法J.光通信技.2003(6).36-38.研究方法及观点：1、光纤表面光刻图形设计及实现原理研究 为在光纤包层上直接进行光栅掩膜图形的制作，首先对表面图形化实现原理进行研究。利用光刻胶经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，其物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化等特性，初步确定用光刻胶作为光栅掩膜的图形基底以曝光显影为实现光纤表面图样化途径的方案。结合上述方案，考虑到光纤上要刻

16、写出环状周期性图形区域，初步确定出光纤表面光刻图形时需进行旋转曝光。综合以上结果，设计出掩膜模板图形。2、光刻加工工艺的研究设计合理的加工工艺，在光纤表面制作我们所需要的周期性图形结构，认真分析不同类别光刻胶的反应机理、分辨率、对比度、敏感度、粘滞度，确定加工过程中使用的光刻胶型号。设计并制作一套长周期光纤光栅的加工平台，利用MEMS加工工艺平台，实现光纤包层表面周期性图形的制作，其中包括实现光纤表面图形化的实现，及紫外诱导光栅写入工艺多根光栅同时刻写的实现。3、紫外诱导光栅写入工艺和刻蚀工艺的研究 分析现有长周期光纤光栅的制作方法，如激光逐点曝光法、机械应力感生法及长周期掩膜模板法的不足，设

17、计出紫外诱导光栅写入法和刻蚀法。将对光纤进行光致诱导折射率变化实验和刻蚀实验，并测试所制作光栅的各项特性。 对于以上三方面的研究，均具有一定的基础，做了相关的准备。项目本身具有可行性，对改善长周期光纤光栅的制作方法具有重要意义。项目难点：1、设计出掩膜模板图形；2、确定加工过程中使用的光刻胶型号；3、设计并制作一套长周期光纤光栅的加工平台；4、对裸露在外面的包层进行刻蚀。项目的特色和创新点：1、采用光纤表面直接形成光纤光栅周期结构的图形，可避免传统光栅掩膜模板的制作，降低成本，同时能灵活方便的调整光栅的结构参数；2、光纤表面图形的制作采用MEMS工艺，可实现高精度，复杂光纤光栅结构图形的制作；

18、 3、所提出光栅制作方法可满足两种不同的写入方式，以便制作不同类型的光纤光栅。三、项目进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）研究计划研究阶段（起止时间）实验内容前期2012.1-2012.2查阅相关资料及选题工作，设计项目研究方案,完成开题报告。中期2012.3-3012.6设计光纤表面光栅图形的制作工艺，并制作光栅图形。2012.7-3012.12在光纤表面图形化的基础上，采用两种方法实现长周期光纤光栅的写入。后期2013.1-2012.3进行项目资料整理和成果申请。四、拟利用资源（实验室、研究所、实验教学示范中心、创新实践基地、仪器设备、资料等） 依托安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室进行实验研究，实验室内部已有紫外激光器，各种化学试剂，涂胶机，紫外深度光刻机，各种光纤材料，恒温水浴槽等。五、项目经费预算与用途（购置实验材料、试剂、药品、加工测试、资料、复印、调研、交通等经费开支）经费预算序号预算项目预算金额（元）备注1资料费3000购买书籍、资料、复印等2差旅费4000参加学术会议、学习等3版面费 7000发表论文、申请专利等4实验材