（光学专业论文）布喇格光纤光栅传感技术研究.pdf

摘要 在测量范围内，温度和位移测量分辨率分别为0 . 8 和0 .0 8 m m o 7 .成功地在载氢后的 e r - y b共掺光纤上写入一对光纤布喇格光栅，制作 出厘米级谐振腔，研制出 1 5 5 0 n m 通信窗口附近的短腔光纤光栅激光器，实 现了1 5 5 0 .9 4 n m的激光输出，峰值功率为1 . 1 1 1 m w，输出信噪比为5 9 d b . 这 也 是国 内 首 次 对1 5 5 0 n m附 近 短 腔 光 纤 光 栅 激 光 器的 研 究 报 道。 、/ 关键词:光纤布喇格光栅，光纤传感器，压力传感，聚 合物封装，压力增敏， 曲率传感。位 移 住 感 ， 温 刚偿 ， ， 位移温度同 h 付 测量， 温度稳定性，温度产 应变同时 姗量洲盂 翻 变 产 谈 玉 力 同 时 厕 量 载氢 灵 诫i 率 ， 、光 纤 激 光 器 ， 短 腔 + ti 器 ， 南 于 卜大 学 博 士 学 位 论 文 abs tract f i b e r g r a t i n g h a s e x c e l l e n t f i l t e r p r o p e rt i e s , t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n r e s p o n s e , w h i c h i s a n o v e l f i b e r p h o t o n i c d e v i c e w i t h r a p i d d e v e l o p m e n t i n t h e s e y e a r s a n d h a v e b r o a d a n d g o o d a p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d i n t h e fi e l d o f f i b e r c o m m u n i c a t i o n a n d f i b e r s e n s o r s . t h i s d i s s e rt a t i o n m a i n l y s t u d i e s t h e a p p l i c a t i o n o f f i b e r b r a g g g r a t i n g s i n t h e f i e l d o f s e n s i n g , a n d t h e h o p e f u l a p p l i c a t i o n a s o p t i c a l s o u r c e i n o p t i c a l c o mmu n i c a t i o n s i s a l s o s t u d i e d . t h e ma i n c o n t e n t o f t h e d i s s e rt a t i o n i s : 1 .t h e t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y o f f i b e r g r a t i n g s b r a g g w a v e l e n g t h i s s t u d i e d t h e o r e t ic a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y b y u s i n g t w o - a r m c o n v e r s e e x p a n d i n g s c h e m e . i n t h e t h e o r y , t h e m a t c h i n g c o n d i t i o n o f t w o c o n v e r s e e x p a n d i n g a r m s i s p r e s e n t e d ; i n t h e e x p e r i m e n t s , t h e t e m p e r a t u r e r e s p o n s e o f t h e t e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t e d f i b e r b r a g g g r a t i n g r e a c h e s一0 . 0 7 n m / 1 0 0 0c i n t h e t e m p e r a t u r e r a n g e o f 5 0 0c . t h e t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y i s e n h a n c e d t o 1 4 t i m e s h i g h e r t h a n t h a t o f b a r e f i b e r b r a g g g r a t ing . 2 . t h e t w o - p a r a m e t e r s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t s c h e m e o f t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n b y u s i n g s i n g l e f i b e r b r a g g g r a t i n g i s p r e s e n t e d a n d d e m o n s t r a t e d . t h e t w o b r a g g w a v e l e n g t h s i n d u c e d b y u s i n g p r e s t r a i n s u b s t r a t e s u r f a c e m o u n t i n g t e c h n i q u e h a v e d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n r e s p o n s e p r o p e rt i e s . t h e t w o - p a r a m e t e r s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t o f t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n i s r e a l i z e d b y u s i n g s i n g l e f i b e r b r a g g g r a t i n g b a s e d o n t h e t w o - w a v e l e n g t h c o d i n g m e t h o d . 3 . t w o k i n d o f n o v e l h i g h - s e n s i t i v i t y f i b e r b r a g g g r a t i n g p r e s s u r e s e n s o r h e a d w i t h p o l y m e r p a c k a g e d a r e p r e s e n t e d a n d d e m o n s t r a t e d . t h e p r e s s u r e e n h a n c e m e n t t e c h n i q u e b y p a c k a g i n g f i b e r b r a g g g r a t in g w i t h p o l y m e r i s s t u d i e d . t h e p r e s s u r e s e n s it i v i t y o f f i b e r b r a g g g r a t i n g i s e n h a n c e d u p t o 1 7 2 0 t i m e s t h a n t h a t o f b a r e g r a t i n g i n t h e r a n g e o f p r e s s u r e m e a s u r e m e n t . t h e p r e s s u r e r e s p o n s e h a s g o o d l i n e a r i t y . t o o u r k n o w l e d g e , t h i s i s t h e m a x i m u m p r e s s u r e s e n s i t i v it y o f f i b e r b r a g g g r a t i n g i n a l l t h e r e p o rt e d l i t e r a t u r e . 4 . a s c h e m e o f s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t o f p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e b y u s i n g f i b e r g r a t i n g i s p r e s e n t e d . t h e t w o - p a r a m e t e r s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t o f p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e i s r e a l i z e d f i r s t ly b y p a c k a g i n g f i b e r g r a t i n g w i t h t w o abs t ract d i f f e r e n t p o l y m e r . 5 . a k i n d o f f i b e r g r a t i n g c u r v a t u r e s e n s o r a n d t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n s c h e m e i s p r e s e n t e d a n d d e m o n s t r a t e d f i r s t l y b y c o m b i n i n g f i b e r b r a g g g r a t i n g w i t h s i m p l e s u p p o rt e d b e a m . t h e p r i n c ip l e o f t h e f i b e r b r a g g g r a t i n g c u r v a t u r e s e n s i n g i s s t u d i e d d e t a i l e d t h e o r e t i c a l l y . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s . t h e c u r v e o f c u r v a t u r e r e s p o n s e h a s g o o d l i n e a r i t y . t h e c u r v a t u r e s e n s i n g u s i n g f i b e r b r a g g g r a t i n g i s r e a l i z e d f i r s t l y . t h e i n fl u e n c e o f c u r v a t u r e s e n s i n g m e a s u r e m e n t i n d u c e d b y t h e in s t a b i l i t y o f c i r c u m s t a n c e t e m p e r a t u r e c a n b e c o m p e n s a t e d e f f e c t i v e l y . 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 i s o n l y o n e f i ft i e t h o f t h a t o f b a r e f i b e r g r a t i n g . a n d t h e c u r v a t u r e r e s o l u t i o n o f 0 . 0 2 7 m 一 i s o b t a i n e d . 6 . a k i n d o f f i b e r g r a t i n g d i s p l a c e m e n t s e n s i n g s c h e m e i s p r e s e n t e d a n d d e m o n s t r a t e d b y c o m b i n i n g f i b e r b r a g g g r a t i n g w i t h c a n t i l e v e r b e a m c o n f i g u r a t i o n . t h e t w o - p a r a m e t e r s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t o f d i s p l a c e m e n t a n d t e m p e r a t u r e i s r e a l i z e d b y u s i n g s i n g l e f i b e r b r a g g g r a t i n g . t h e r e s o l u t i o n o f t e m p e r a t u r e a n d d i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t i s 0 . 8 0c ( 3 . 1 ic f o r m e a s u r e m e n t a t f i x e d d i s p l a c e m e n t ) a n d 0 .0 8 m m , r e s p e c t i v e l y . 7 . a p a i r o f f i b e r b r a g g g r a t i n g s a r e f a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y i n t h e h y d r o g e n = l o a d i n g e r - y b c o d o p e d f i b e r . t h e c e n t i m e t e r - l o n g r e s o n a n t c a v i t y i s f a b r i c a t e d a n d t h e s h o rt - c a v i t y f i b e r g r a t i n g l a s e r i s m a n u f a c t u r e d a t n e a r b y 1 5 5 0 n m c o m m u n i c a t i o n w i n d o w s . t h e l a s e r o u t p u t i s o b t a i n e d a t t h e w a v e l e n g t h o f 1 5 5 0 . 9 4 n m . t h e p e a k p o w e r i s 1 . 1 1 1 m w a n d t h e s i g n a l - n o i s e r a t i o o f t h e o u t p u t i s 5 9 d b . t h i s i s t h e f i r s t r e p o rt a b o u t t h e r e s e a r c h e s o f s h o rt - c a v i t y f i b e r g r a t i n g l a s e r a t n e a r b y 1 5 5 0 n m . k e y w o r d s : f i b e r b r a g g g r a t i n g , f i b e r s e n s o r s , p r e s s u r e s e n s i n g , p o l y m e r p a c k a g e , p r e s s u r e e n h a n c e m e n t , c u r v a t u r e s e n s i n g , d i s p l a c e m e n t s e n s i n g , t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n , t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y , s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t o f t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n , s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t o f t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e , s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t o f d i s p l a c e m e n t a n d t e m p e r a t u r e , s e n s i t i v i t y . r e s o l u t i o n . f i b e r l a s e r s h o r t - c a v i t y l a s e r , h y d r o g e n - l o a d i n g . i v 南 开 大 学 博 士 学 位 1 e文 第一章 绪 论 1 . 1 光纤光栅的研究进展 圣 1 . 1 . 1 概况 光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性 的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。 1 9 7 8 年，加拿大的k .o .h i l l 等人在实验中将4 8 8 n m的氢离子激光入射到掺 锗光纤中，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纤芯 折射率沿光纤轴向的周期性变化，形成所谓的 “ h i l l 光栅” ，从而首先发现了光 纤中的光致光栅效应，并制作出 世界仁 第一根光纤布喇格光栅 ( f b g ) 0 0 a由 于这种光栅的入射效率低及其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，这一极具开发潜力的光子器件及其制作技术，没有得到人们 的足够重视。 1 9 8 9年，美国的 g .m e l t 等人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， 发明了紫外侧写入技术p .z 。 该技术不仅提高了光栅的写入效率， 而且通过改变两束相千光的夹角，还可以改变栅格周期，从而达到控制光纤光 栅布喇格波长的目的。 紫外侧写入技术的问世，引发了人们对光纤光栅及其应用和光纤敏化技术 研究的普遍兴趣，迅速促进了光纤光栅制作技术及其应用研究的发展。 1 9 9 3年， k . o . h i l l 等人利用紫外激光通过相位模板后的士1级衍射光相干 形成的周期性明暗条纹对光纤曝光，制作光纤光栅，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，使得光纤光栅的制作更加 容易。同年，p .j .l e m a i r e等人提出了一种简单而有效的光纤敏化技术一低温高 压载氢技术 ， ， 这项技术可以使光纤光敏性提高两个数量级，人们可以不必使 用价格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 射率的光纤光栅。相位掩模成栅技术与光纤高压载氢技术相结合，极大地降低 了光纤光栅的制作成本，也在世界各地掀起了光纤光栅技术及其应用的研究热 潮。随着光纤光栅技术的日臻成熟，各种具有不同传输性能的光纤光栅相继被 研制出来，墓于光纤光栅的无源、有源器件不断涌现。目前，光纤光栅已被广 第 一 章绪 论 泛地应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等许多领域。 1 . 1 .2 光纤光栅的制作技术 一、内写入技术 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次在实验中发现，并利用内写入技术制作出世界上第 一根光纤布喇格光栅。实验中，h i l l 等人将4 8 8 n m的亚离子激光入射到掺锗光 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纤芯折射 率沿光纤轴向的周期性变化，形成光栅。利用该技术制作的光纤光栅的布喇格 波长与写入激光的波长相同，在长时间光照达到饱和时， 其反射率: q 达1 0 0 0 u 但这种光栅的入射效率低，特别是其响应波长受写入激光波长限制，因此这种 技术已 不在被人们采用。 二、侧写入技术 光纤光栅侧写入技术主要有以下四种: 1 .相 位 掩 模 技 术( p h a s e - m a s k t e c h n iq u e ) 11 .3 1 ， 一 ， , i 相位掩模技术是 k . o .h i l l 等人于 1 9 9 3年首先提出的。 相位掩模是蚀刻于 硅基片表面的一维周期性浮雕型光栅，它实际上是一种具有零级衍射抑制能力 的光学衍射元件，如图 1 . 1 所示。紫外光通过相位掩模后，其能量主要集中于 士1级衍射光中 ( 大于入射光总能量的 7 0 %) ，零级衍射光一般小于入射光总 能量的 5 %。将光敏光纤放在泰伯距离内不同的位置，利用土1级衍则光 沙 形成的周期性明暗相间的直条纹对光纤进行曝光，可以在光纤中建立不同周期 的光栅，光纤光栅的周期为掩模周期的一半。 p h a s e ma s k di f f r a c t e d b e a m m =0 图1 . l 相位模板结构示意图 根据光纤与相位掩模之间的相对位置情况，相位掩模法义分为接触式写 入法和非接触式写入法两种。 南 开 大 学 博 d 二 学 位 论 文 接触式写入法 是指将光纤与相位掩模直接接触，利用近场干涉对光纤进 行曝光成栅。这种成栅方法的优点是:成栅装置简单、抗振性好，对诱导光源 的相干性要求不高， 一般的准分子激光便能满足要求。 其不足之处是: 成栅时， 光纤光栅布喇格波长的可调性差，即使对光纤采用预应变调谐技术! 1 .8 1 ，也只能 获得2 - i n n 、 的波长调节量。图1 .2 为接触式写入光纤光栅装置示意图。 p h a s e ma s k 图1 . 2 接触式光纤光栅写入装置示意图 非接触式写入法 是指光纤与相位掩模板不接触，士1级衍射光经过一定 光程后再相遇干涉对光纤进行曝光，如图 1 . 3 所示 1 .6 1 。非接触式写入法的优点 是:通过调节士1级衍射光之间的交角，可以 较大范围地调节光纤光栅的布喇 格波长。其缺点是:易受振动影响，对成栅装置的机械稳定性和诱导光源的相 干性要求较高。 i r d u 镜 紫外光束 相位v i 板 可旋转和测向 平移的反射镜 ) 沿箭头方向旋转 可制作闪耀光栅 0 龙 代 c 图1 . 3 非接触式写入法示意图 相位掩膜法是目前使用最普遍的方法，它具有操作简便、造价低廉，对 第 一 章绪 论 光源的时间相干性要求不高，适于大批量生产等一系列优点。 2 . 振幅掩模技术 ( a m p l i t u d e - m a s k t e c h n i q u e) 振幅掩模是指表面沉积有周期性排列的线形遮光板的石英片或蚀刻有许 多周期性排列的透光狭缝的具有良 好散热性能的金属薄片。写制光栅时，使紫 外光入射到振幅掩模板，利用聚焦透镜将振幅掩模成像于待写光纤上，对光纤 曝光成栅，如图1 .4 所示 i .9 。 这种技术得到的光纤光栅的 周期较大，无法制作 出一阶反射波位于 1 5 5 0 n m附近的光纤布喇格光栅，但非常适合于长周期光纤 光栅的制作。 i n c i d e n t uv l a s e r b e a m 图 1 .4振幅掩模写入光纤光栅装置示意图图 1 .5 逐点写入法成栅装置示意图 3 . 逐点写入技术 ( p o i n t b y p o i n t t e c h n i q u e ) 1t0 i 逐点写入技术就是利用狭缝截取脉冲光源发出的紫外光束，再利用聚焦 透镜将狭缝成像于待写光纤上，然后沿轴向移动光纤，对光纤逐点曝光建立光 栅。其成栅装置示意图如图 1 . 5所示。这种技术的优点是:可根据需要有效地 控制光纤光栅的长度、周期和折射率轮廓，具有较强的灵活性。其不足之处1j 振幅掩模法相同，即得到的光纤光栅的周期较大，无法制作出一阶反射波位 于 1 5 5 0 n m 附近的光纤布喇格光栅，但比较适合于长周期光纤光栅的制 作。 4 .全息成栅技术 ( a n e x t e r n a l h o l o g r a p h i c wr i t i n g t e c h n i q u e ) 全息成栅技术是指利用两束相千光在空间相干叠加形成的周期性千涉条纹 从侧面对光纤曝光形成光栅的 技术1 .2 1 。 是在 1 9 8 9 年由g .m e l t z 等人首先提出 的。从获得相干光的方法看，全息成栅技术又可分为分振幅法和分波阵面法。 分振幅法成栅装置如图 1 .6所示。这种方法的优点是需要的激光能量 低 ， 南 开 大 学 博 士 学 位 论 文 建立的光栅比较稳定，并且通过两条相千光束的交角，灵活地控制光纤光 栅的布喇格波长。值得注意的是，该方法中光束在空气中传播的距离较长，易 受气流和空气振动的影响。另外，分束镜和反射镜等光学器件的亚微米级振动 都将导致干涉条纹的漂移。 u , a m s p h l l e r u v l a s e r b em 图 1 .6 分振幅法全息成栅装置示意图 u v la s e rb e a m 分 im d d c a lle n s uv l a s e r b e a m p r i s m i n t e r f e r o n e t e r i n t e r f e r e n c e 1 ar e a o p tic a lfib e r b r a g g g r a t i n g ( a ) b r a g g g r a t i n g ( b ) 图1 . 7 分波前法全息成栅装置示意图 分波阵 面法 成栅装置如图1 . 7 所示， ( a ) 图 采用棱镜干涉仪作为成栅装置 11 1 11 , ( b ) 图 采 用l lo y d干 涉仪 作为 成 栅装 置 o 21 。 与分 振 幅 成 栅法 相比 ， 分 波阵 面成栅法只需要一个光学元件，而且光束在空气中的传播距离很短，因此光路 稳定性的大大增加。 其缺点是光纤光栅的写入长度以 及布喇格波长的可调性 受到限制。 全息成栅技术要求紫外激光光源有较高的时间相千性和空间相干性。 1 . 1 .3 光纤光栅的种类 第 一 章绪 论 根据光纤光栅栅格的空间周期分布是否均匀， 可将其分为均匀周期光纤光 栅和非均匀周期光纤光栅两大类。 一、 均 匀周 期 光 纤 光 栅 ( u n if o r m g r a t in g ) 1 .光纤布喇格光栅 ( f i b r e b r a g g g r a t i n g ) 光纤布喇格光栅是最普遍的一种光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度 均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。它是一种性能优异的窄带反射 滤 波 器件。 设入 射 波矢、 反 射 波矢 和 光 栅波 矢分 别为气、k j 和k ， 则其 反射 波 长由 布 喇 格条 件k ， 十 k= 气给出 。 布喇 格 光 栅的 反 射、 透 射 特性 及 其折 射率 分布如图 1 .8所示。这种光栅在光纤激光器、光纤通信领域和光纤传感领域均 有广泛而重要的应用p .t a l 言b r a g g g r a t i n g 图1 . 8 光纤布喇格光栅的 折射率分布及其反射和透射特性 2 . 闪 耀 光 纤 布 喇 格 光 栅( b la z e d f i b e r b r a g g g r a t i n g ) 闪耀光纤布喇格光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，但其光栅波 矢方向与光纤轴线方向 不一致，有一定的交角，如图1 .9 所示。这种光栅不但 c la d d i n g t a p p e d l ig h t bl a z e d i n d e x mo d u l a t i o n 图1 9闪 耀光纤布喇格光栅的折射率分布及布喇格条件示意图 南 日 千大 学 博 t 学 位 金 仑文 能引起反向导波模藕合，而且还能将基模藕合到包层模中损耗掉。基于闪耀 光纤布喇格光栅的包层模祸合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺饵光纤放 大器 ( e d f a)的增益平坦1 1 1a 1 当光栅的法线与光纤轴向夹角较小时，还可 将其作为空间模式祸合器，将一种导波模祸合到另一种导波模中1 .1 6 1 3 .长 周期光纤 光栅 ( l o n g - p e r i o d f i b e r g r a t i n g ) 长周期光纤光栅是指栅格周期大于 1 0 0 ,u m的 光纤光栅。 长周期光纤光 栅的工作原理不同于光纤布喇格光栅，它是一种透射型光纤光栅，其作用是 将导波中某波段的光波祸合到包层中损耗掉，而不产生反射。它是一种理想 的 e d f a增益平坦元件1 .16 1 。实 验证明，长周期光纤光栅的传输特性会因外界 应力、温度等因素的变化而改变，而且较 f b g的反应更加敏感，是一种理想 的传感元件。因此长周期光纤光栅在传感领域有着广泛的应用p .1 - 1 .z o 1 二、 非均匀周期光纤光栅 ( n o n - u n i f o r m g r a t i n g ) 1 . 惆啾光纤光栅 ( c h i r p g r a t i n g ) 惆啾光纤光栅的栅格周期不是常数而是沿轴向变化的，最常用的0 1 啾光纤 光栅是线性pp . 啾光纤光栅，这种光栅的纤芯折射率沿轴向呈线性单调变化，如 图 1 . 1 0所示。由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此线性惆啾光 纤光栅能够形成很大的反射带宽和稳定的色散，其宽度足以 覆盖整个脉冲的谱 宽，从而被广泛应用于波分复用 ( wd m) 通信系统的色散补偿11 .2 1- 1 .2 3 1 f i b e r c o r e bl u e s h i ftre d s h i ft lo n g k令 一 一 二 二 二 二 二 二 二一 一 一 一 一 一 图1 . 1 0 线性光纤惆啾光栅栅格分布示意图 2 .相 移 光 纤 光 栅 ( p h a s e - s h if t e d f i b e r g r a t i n g ) 相移光纤光栅就是通过一些方法破坏光纤光栅折射率分布的连续性，在均 匀周期光纤光栅的某些特定点上引入相移，而形成的光栅。相移布喇格光纤光 栅的特点是，能够在其布喇格反射带中打开透射窗口，使光栅具有更高的波长 选择性p .z a 1 。而且窗口的位置可以 随相移量的大小而改变，因此它在波分复用 第 一 章绪 论 光通信系统中的波长解复器方面有着潜在的应用价值(1 .2 5 1 。相移长周期光纤光 栅具有丰富的光谱特征，通过选择适当的相移点位置和相移量，能使长周期光 纤光 栅更 好地满足e d f a增益 平坦的 需要 2 a - 2 2 1 3 . 莫尔 光 纤 光 栅 ( m o i r e f i b e r g r a t i n g ) 所谓莫尔光纤光栅是采用两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位 置进行二次曝光所得到的光栅。其光谱特征是在反射带中开一个很窄的透射窗 口 ， 它实 际 相当 于一 个a 闷相移光栅p .z s 1 4 . t a p e r e d 光栅 t a p e r e d光栅是采用特定的函数形式对光纤布喇格光栅的折射率调制深度 进行调制而形成的光栅。根据需要，通过改变其调制函数及有关参数可以 控制 其反 射谱的形状， t a p e r e d光栅可以 用于光纤 通信系统中的 色散 补偿及多波长 激 光 器 的 制 作 (1 2 9 1 5 . 超结 构 光 纤 光 栅 ( s u p e r s t r u c t u r e f i b e r g r a t in g ) 超结构光纤光栅就是利用方波函数对光纤布喇格光栅或惆啾光栅的折射率 分布进行调制而形成的光栅。这种光栅的反射谱具有一组分立的反射峰1 1 3 0 ) 由光纤布喇格光栅调制而成的超结构光纤光栅的反射谱中，具有各反射峰的波 长间隔相等的特征，因此这类超结构光纤光栅可以 用于梳状滤波器和多波长光 纤激光器领域 1 .3 1 1 。由惆啾光栅调制而成的超结构光纤光栅在波分复用光纤通 信系统中的色散补偿方面有潜在的应用价值，可以用同一根这种超结构光纤光 栅 实 现 多 信 道 的 同 时 色 散 补 偿 1.32- 1.3 31 夸 1 .2 光纤光栅在传感领域的应用 光纤光栅传感器的工作原理是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用 于光纤光栅上的应变或温度的变化，从而引起光纤光栅布喇格波长变化。 通过 建立并标定光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化关系，就可以由光纤光 栅布喇格波长的变化， 测量出被测量的变化。 实验测定， 布喇格波长在1 5 5 0 n m 附近的光纤光栅的应变和温度响应分别为1 .2 x 1 0 - 5 n m / il e 和1 .0 x 1 0 - 2 n m / 0c o 由 于光纤光栅与光纤之间存在天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联 在一根光纤上构成光纤光栅阵列， 实现分布式传感。 加上光纤光栅具有抗腐蚀、 南 于 卜大 学 博 二 七学 1 立创 仑 岁 忆 抗电磁干扰及其波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响等特点，因此 光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国有关研究者的广泛关注和极大的兴 趣。自 从 1 9 8 9 年m o r e y 等人首先对光纤光栅的 应变和温度传感特性进行了 研 究后1 3 4 - i 3 5 1 ，随着光纤光栅传感器应用领域的不断拓展，现在人们已将其逐步 应用于应变 1 3 6 - i 3 7 1温度 1 .3 6 . 1 .3 8 1 、 压力 1 ,3 9 - 1 ,4 0 1 、 振动1 1 .4 1 1 、 声波“ 4 2 . 1 4 3 1 、 磁场1 1 4 4 1 加速度(i 4 5 ) 、热膨胀系数 1 4 6 1 以 及电 流等多种物理量的测量。 与此同时，光纤光栅传感解调技术也得到了不断发展，人们相继提出了多 种传感解调方案，归纳起来有两大类，即准静态解调方案和动态解调方案。其 中，准静态解调方案包括调谐滤波方案1 .4 7 - 1 .5 3 、可调谐光源扫描方案1 1 .5 4 - 1 .5 6 傅立叶变换法 1 5 7 - 1 .5 8 和c c d空间光谱成像法1 .5 ， 一 ， 6 11 四种方案;动态解调方案主 要有非平衡马赫一 增德尔 ( m a c h - z e h n d e r )干涉仪解调法1 ,6 2 - 1 .6 4 1 由于应变和温度均能引起光纤光栅布喇格波长的移动，监测单个光纤光栅 布喇格波长的变化无法对应变和温度各自引起的变化加以区分。因此解决应变 和温度交叉敏感问题一直是伴随光纤光栅传感技术发展的另一个研究热点。目 前，人们主要通过两种途径来解决这一问题，即温度补偿方案与应变/ 温度双 参数同时测量方案。 温度补偿的原理是通过某种方法抵消掉温度扰动引起的光纤光栅布喇格波 长的漂移， 使应变测量不受环境温度变化的影响。 其中， 具有代表性的工作有: m. g .x u等将两根光纤光栅分别粘于一矩形悬臂梁的上下两面，当梁弯曲时， 一个光栅产生拉应变而另一个光栅产生压应变，从而导致两个光纤光栅的布喇 格波长向相反的方向移动。由于两个光纤光栅具有相同的温度响应，所以两者 之间的波长相对移动是与温度无关的，由此实现温度补偿1 1.6 5 1 . m.g .x u等还提 出了基于惆啾光纤光栅的应变传感方案1 1 .6 6 1惆啾光栅写于锥型光纤上，其反 射带宽与温度无关而仅随应变呈线性变化，通过检测反射光的强度变化，来实 现与温度无关的应变测量。另外，t .i w s h i m a等( 1 .6 7 1 利用一种聚合物材料对光纤 光栅进行封装处理，使光纤光栅的温度响应系数降低了一个数量级以上，从而 大大降低了 温度变化对其他被测量的影响。 应变/ %度双参数同时测量的原理是利用两个参量共同对应变和温度进行编 码， 通过解联立方程组来确定应变和温度的大小。 这方面的主要工作有: m.g .x u 等 1 .6 8 1 采用双光栅叠加法，即在光纤的同一位置重叠写入两个布喇格波长相差 很大的光栅， 因其布喇格波长相差很大， 而表现出不同的应变和温度响应特性， 第 一 章绪 论 通过测定这两个布喇格波长的移动来实现应变和温度的双参数同时测量; s . w.j a m e s 等 1,6 9 各 两个写于不同纤径光纤上的光纤布喇格光栅焊接在一起，利 用纤径差异导致的两个光栅不同的应变响应特性，实现应变和温度的双参数同 时测量; w.c . d u等1 .7 0 1在光纤光栅 f - p腔的腔体上粘贴一铝套管，由此造成 腔体与光纤光栅之间不同的温度和应变响应，利用 f - p腔的反射波长与反射谱 型共同对应变和温度进行编码，从而实现应变与温度的双参数测量;v .b h a t i a 等人11 ,7 1 !利用长周期光纤光栅的不同共振峰具有不同的 应变和温度响应特性， 通过检测预先选定的两个共振峰的中心波长的移动，实现应变和温度的双参数 测量;m. s u d 。等1 .7 2 1利用保偏光纤光栅的对应于快慢轴的两个布喇格波长具有 不同 的 应 变和 温 度响 应 特性， 实 现 应 变 和 温 度的 双参 数 测量; g .p .b r a d y等 1 .7 3 1 利用光纤布喇格光栅的二阶谐波反射与基阶反射波不同的应变和温度响应特 性，实现应变和温度的同时测量;h .j .p a t r i c k 等(1 .7 4 1采用长周期光栅与布喇格光 栅组合法，将一个长周期光栅和两个布喇格光栅相结合，通过测量两个布喇格 光 栅中 心反 射 波长的 位置 与 强 度 变 化 来 确定 应变 和 温度; 另 外， j .j u n g 等 人 1 1 7 5 1 采用光纤光栅与 e d f a结合的方法， s . e .k a n e l l o p o u l o s 等人 1 7 6 1采用光纤布喇 格光栅与偏振回旋滤波器结合的方法，也都分别实现了应变和温度的双参数测 量。 1 . 3 光纤光栅在光通信领域的应用 目 前，光通信网己经在世界许多地区将信息源和信息获得者高效快捷地联 系起来。 但信息的传输速率仍然满足不了广大服务机构和用户的要求，人们迫 切要求增加通信带宽的呼声，激发了光学工业领域的许多创新。 作为扩容的一种传统方法，通过在光频域对通信信道的分区，人们已经建 立了波分复用( wd m) 通信系统。 当前运行于1 5 5 0 n m波段的商用点对点wd m 光通信系统具有 6个、 8个甚至更多的信道， 每一信道的传输速率为2 . 5 g b p s 至 l o g b p s ，最近人们又提出了 建立密集型波分复用系统 ( d wd m)的建议。 此外，传统的点对点传输线路将被具有光上下载和交叉连接能力的光网所取 代。为加强以wd m传输系统为重点的光通信网的发展，急需开发出新的光学 设备，而其中大部分将基于光纤布喇格光栅。 光纤布喇格光栅作为重要的光子器件己经应用于许多有关的领域，其独特 的滤波特性己被其在波长稳定激光器11 .77 1 、光纤激光器(1 .7 8 - 1 .8 1 i 、远距离泵浦放 南 口 卜 口 冤 学 博 d 二 学 位 们 仑 文 大器 i 8 2 1 、 喇曼放大器( 1 .8 3 1 、 无源光网( 被动光网) 11 .8 4 1 、 波分复用器与解复器1 1 .e s 1 . 上下载复用器1 1 8 6 1 、增益平坦装置11 .8 7 1 、色散补偿装置 1.8 8 1 、相位变换器1 1 .8 9 以 及波长转换器上的应用所验证。 光纤光栅不论作为诸如稳定泵浦激光器波长等的光通信系统的辅助器件 还是作为诸如光纤光栅上下载复用器的网络元件都受到了 人们极大的关注。下 表列出了光纤光栅在通信领域的主要应用，其中包括光栅的作用及对光栅参数 的要求。 表1 . 1 光纤光栅在通信领域的 应用 1 .9 0 1 相关应用领域光栅的作用光栅参数要求 光纤激光器窄带反射器 d又=0 .1 - i n m r= 1 - 1 0 0 % 激光器波长稳定 ( 9 8 0 n m. 1 4 8 0 n m )窄带反射器 之=0 2- 3 n m r=1 -1 0 % 光纤放大器的泵浦反射器 ( 1 4 8 0 n m )高反射镜 a a=2一2 5 n o t r二1 0 0 % 喇曼放大器 ( 1 3 0 0 n m、1 5 5 0 n m)数对高反射镜 又=1 刀 川 r=1 0 0 % 双向wd m通信系统的隔离 滤波器 ( 1 5 5 0 n m) wd m用光栅的匹配件 几= 0 . 2一i 月 m r =1 0 0