（光学专业论文）光纤光栅理论与调谐技术研究.pdf

摘要 光纤光栅的发明被称为光纤通信发展史上继e d f a 之后的又一个里程碑。自 1 9 7 8 年h i l l 等人首次发现光纤的光敏性以来，经过短短2 0 几年的发展，光纤光 栅在理论、制作技术等方面都得到了长足的发展，各种结构的新型光纤光栅不断 涌现，应用领域日益扩展。目前它已经被广泛的应用于光通信、光传感、激光技 术等领域，并给相关领域带来了革命性的变化。 本论文以光纤光栅应用中的一项重要技术一波长调谐技术为中心，从理论、 调谐技术以及应用等方面进行了探索。论文主要内容如下： 1 综合评述了光纤光栅的耦合模理论、传输矩阵理论和多层膜理论以及它 们各自的优缺点。 2 结合数值模拟的实践，对多层膜理论进行了改进。改进后的多层膜方法 综合了传输矩阵方法和多层膜方法的优点。一方面避免了传统传输矩阵方法中对 耦合模微分方程的求解和对光栅段划分的诸多限制，因此更加灵活：另一方面避 免了原多层膜理论中复折射率的计算和反复迭代。具有更直观、物理意义更明确、 更易于编程模拟的优点。 3 用改进后的多层膜方法对多种光纤光栅进行了理论模拟。一方面通过与 已有结论对比，证明了该方法的正确性。另一方面详细分析讨论了计算参数设定 对模拟结果的影响，旨在探索计算的时间开销与模拟精度之间的平衡点，并对模 拟结果的误差作出合理评价。 4 对光纤光栅的温度调谐技术进行了系统研究。设计了一套新颖有效的光 纤光栅温度调谐装置一双肩梁调谐装置。阐明了其原理与设计方法。该装置的调 谐能力可以根据需要来设计，具有极大的灵活性。可以用于光纤激光器调谐、高 灵敏度温度传感等领域。 5 ，对双肩梁调谐方法进行了实验研究。两套调谐装置分别用热膨胀系数较 大的有机玻璃、铝作底梁，低膨胀的钢作臂，分别得到了0 4 3 n r n o c 和o 0 8 6 n n 俨c 的调谐效率，实验与理论符合的较好。据我们所知，温度调谐效率达到如此大的 实验结果( o 4 3 r t m o c ) 在国内外尚未见报道。 6 ，将双肩梁调谐装置与智能温控仪相结合，实现了光纤光栅的温度编程调 谐，并将其应用于掺铒光纤激光器，实验得到了6 8 n m 的线性调谐，调谐斜率 0 3 5 n m 。c ，波长选择精度0 0 7 n m 。最高输出功率1 3 + 3 m w ，激光线宽小于0 0 8 n m ， 斜率效率1 8 6 。在程序控制下调谐具有很好的重复性。， 关键词：光纤光栅、调谐、双肩梁、可编程、光纤激光器、耦合模理论、多层膜 理论、传输矩阵、数值模拟 i a b s t r a c t t h ei n v e n t i o no ff i b e rb m g g g r a t i n g ( f b g ) i sv i e w e da sa n o t h e rl a n d m a r ki nt h e h i s t o r yo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，s u c c e e d i n gt h ei n v e n t i o no fe r b i u md o p e d f i b e ra m p l i f i e r f e d f a ) s i n c ep h o t o s e n s i t i v i t yo fo p t i c a lf i b e rw a sf i r s td i s c o v e r e db y k e nh i l le ta 1 a tt h ec a n a d i a nc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hc e n t e ri n 1 9 7 8 ，d r a m a t i c i m p r o v e m e n t sh a v eb e e nm a d ei nb o t hf b gt h e o r ya n df a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s a n d a l lt h e s ei m p r o v e m e n t sa r ea c h i e v e di no n l yal i t t l em o r et h a nt w od e c a d e s v a r i o u s k i n d so ff b g sw i t hd i f f e r e n tn o v e ls t r u c t u r e sh a v eb e e n c o m i n g f o r t hc e a s e l e s s l ya n d t h e i ra p p l i c a t i o nf i e l d s e x p a n d i n gi n c r e a s i n g l y n o w a d a y s ，f b g sh a v eb e e nw i d e l y u s e di nt h ef i e l d ss u c ha sf i b e ro p t i c a l c o m m u n i c a f i o n ，o p t i c a ls e n s i n ga n dl a s e r t e c h n o l o g y e ta 1 ，a n dr e v o l u t i o n i z e dt h e s ef i e l d s t h i sd i s s e r t a t i o ni s m a i n l y f o c u s e do nf b gt u n i n g t e c h n i q u e s a n dt h e i r a p p l i c a t i o n s m a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ec l a s s i f i e da sf o l l o w s ： 1 f i r s t ，t h ec o u p l e dm o d et h e o r y , t r a n s f e rm a t r i xt h e o r y , a n dr o u a r d sm e t h o d o ff i b e rg r a t i n ga r eb r i e f l yi n t r o d u c e d , a n dt h es t r e n g t h sa n ds h o r t c o m i n g so fe a c h t h e o r y a r e p o i n t e d o u t 2 s o m e i m p r o v e m e n t sh a v eb e e nm a d et ot h er o u a r d sm e t h o d t h ei m p r o v e d r o u a r d sm e t h o dc o m b i n e st h em e r i t so ft h ec o n v e n t i o n a ir o u a r d sm e t h o da n d 血e t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，i ta v o i d st h e s o l v i n g o ft h e c o u p l e d m o d e d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sc o m p a r e d 谢血t h et - m a t r i xm e t h o da n da v o i d st h ec o m p u t a t i o no ft h e c o m p l e xt e r r a c t i v ei n d e xc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lr o u a r d sm e t h o d s oi t i s m o r ed i r e c ta n de a s yt ob es i m u l a t e do nac o m p u t e r 3 s i m u l a t i o nr e s u l t s ，u s i n gt h ei m p r o v e dr o u a r d sm e t h o d ，o fs e v e r a lk i n d so f f b ga r ep r e s e n t e d ，a n de f f e c t so fs i m u l a t i o np a r a m e t e r ss e l e c t i o no nt h er e s u l t s a c c u r a c ya r ea n a l y z e d 4 t h e r m a lt u n i n gt e c h n i q u e so ff b ga r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y a ne f f e c t i v e t h e r m a lt u n i n gm e c h a n i s m ，n a m e dd o u b l e s h o u l d e rb e a m ( d s b ) ，i sf i r s tp r o p o s e d i t s p r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o da r ep r o v i d e di nd e t a i l s t u n i n ge f f i c i e n c yo f t h i sd e v i c e c a l lb ed e s i g n e da c c o r d i n gt o p r a c t i c a ln e e d s ，s oi tp r o v i d e st h e u s e rw i t hg r e a t e r f l e x i b i l i t y i tc a nb eu s e di nt h ef i e l d ss u c ha st u n a b l ef i b e rl a s e r s ，h i 曲s e n s i t i v e o p t i c a ls e n s o r s e la 1 m a s t e r d e g r e e t h e s i so f n a n k a | u n i v e r s i t ya b s t r a c t 5 d s bi ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t w os e t so f d s ba r e d e s i g n e db o t hw i t hi o w e x p a n dc o e f f i c i e n tm a t e r i a l 。s t e e la ss h o u l d e r sa n dh i g he x p a n dc o e f f i c i e n tm a t e r i a l s o 唱a n l cg l a s s a n da l u m i n u ma s b o t t o mb e a m r e s p e c t i v e l y t h e r m a l t u n i n g e f f i c i e n c i e so f o 4 3 n m o ca n d0 0 8 6 n m o ca r ea c h i e v e d e x p e r i m e n t a l l y t h ef 0 肋e r t oo u r k n o w l e d g e ，i s t h el a r g e s t t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya c h i e v e dt od a t e 6 c o m b i n e dt h ed s bw i t ha i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r , ap r o g r a m m a b l e f b gi sr e a l i z e da n di s a p p l i e d t oa ne r b i u m d o p e d f i b e rl a s e na p r o g r a m m a b l ee d f l a s e rw i t ha t u n i n gr a n g eo f6 8 n m ，m a x i m u mo u t p u tp o w e ro f13 3 m w , l i n ew i d t h n a r r o w e rt h a n0 0 8 n m ，t h e r m a l t u n i n ge f f i c i e n c yo f0 3 5 n m 。c ，s l o pe f f i c i e n c vo f 18 6 i s e x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d r e p e a t a b i l i t yo ft h et u n i n go ft h e1 a s e r i s v e r yg o o d k e y w o r d s ：f i b e r b r a g gg r a t i n g ，t u n i n g ，d o u b l e s h o u l d e rb e a m ，p r o g r a m m a b l e ，f i b e r l a s e r , c o u p l e dm o d et h e o r y , r o u a r d sm e t h o d ，仃a l n s f e r m a t r i xm e t h o d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i 第一章绪论 1 1 光通信发展的历史回顾 人类社会已进入信息时代，拥有一个先进的通信网络，不仅是社会信息化的 必然要求，也是衡量一个国家现代化水平和综合国力的一项重要指标。上世纪七 十年代，第一条损耗低于2 0 d b k m 的光纤的拉制成功和第一个室温下连续运转 半导体激光器的问世，标志着通信领域一场新的革命的开始。自此，一种具有强 大生命力的先进的通信方式一光纤通信，逐步从梦想变成了现实。 所谓光通信，就是以光波作为载体来传递信息的一种通信方式。光通信的历 史可以追溯到3 0 0 0 年前的烽火台。虽然这种目视光通信方式与现代光通信有很 大差别，它传输距离短、信息量小，但却是当时通信方式的一大进步。甚至时至 今日某些目视光通信方式如信号灯、旗语、望远镜等等，在些特定的场合仍在 继续应用。 1 8 8 0 年，美国大发明家贝尔发明了光话。他以日光作为光源，大气作为传 输媒质，实现了2 0 0 m 的语音传输。虽然由于当时技术水平的限制，贝尔的这项 发明没有走上实用化的道路，在此后的几十年里光通信研究也几近夭折，但它却 为人类探索新的通信方式开拓了思路。直到1 9 6 0 年第一台红宝石激光器研制成 功，萧瑟了半个多世纪的光通信研究又焕发了勃勃生机。1 9 6 2 年半导体激光器 出现，并于1 9 7 0 年实现了室温下连续工作。半导体激光器克服了气体、固体激 光器体积大、效率低的缺点，为实用化的通信光源奠定了基础。 在光源研究不断取得进步的同时，对理想通信媒质的探索工作也取得了很大 进展。最初的光通信主要是大气光通信，后来才开始探索波导光通信。在上世纪 6 0 年代中期，最好的光学玻璃的损耗仍高达1 0 0 0 d b k m 。这意味着波长1 a m 的 信号，在其中传输1 公里，要在接收端探测到一个光子，则发送端的入纤光能量 要高达2 1 0 8 1 j 。这相当于太阳在1 0 ”年发出的全部光能( 如果发射波长全在 1 岫的话) 。这是一个惊人的天文数字。正当研究者们山穷水复几近绝望的时 候，英国标准电信研究所的华裔科学家高琨博士1 9 6 6 年发表了一篇论文，给光 纤研究领域的科学家们指出了一条柳暗花明的道路。高琨指出：光纤的高损耗不 是其本身固有的，而是材料中所含的杂质引起的。如果降低材料中的杂质含量， 就可以极大地降低光纤的损耗。他还预言，通过降低材料的杂质含量和改进制造 工艺，光纤损耗可以降到2 0 d b k m 。甚至更小。这一论断极大地推动了光纤研究 的进步。1 9 7 0 年，美国康宁( c o r i n g ) 公司首先拉制出了世界上第一条损耗为 2 0 d b k m 的石英光纤。1 9 7 0 年也因为半导体激光器的室温连续运转和2 0 d b k m l 低损光纤的研制成功这两件光通信发展史上的大事的发生，而被称为“光通信元 年”。 光源和传输媒质解决以后，光纤通信进入了实用化阶段，发展更是突飞猛进。 3 0 几年来，光纤通信已几经更新换代，性能得到了极大提高。 第一代光通信( 七十年代中期到八十年代中期) 所用光源为o 8 5 p ma 1 g a a s 半导体激光器，传输光纤为多模光纤，光电检测器为硅p i n 或a p d 二极管，典 型损耗2 d b k m ，无中继传输距离约为1 0 k m 。其标志是1 9 7 6 年美国亚特兰大进 行的第一个实用光纤通信系统现场实验，该系统传输速率4 4 7 m b s ，传输了约 1 0 k m 。 第二代光纤通信( 八十年代中期到九十年代中期) 开始采用当时刚刚研制成 功的1 3 p mi n g a a s p 半导体激光器，光电探测器为锗材料的光电二极管。初期 传输光纤为多模光纤，后来开始采用单模光纤。因为在该波段石英光纤具有较低 的损耗和最低的色散，所以无中继传输距离更长，传输速率得到提高。典型损耗 o 5 d b k m ，无中继传输距离约5 0 1 0 0 k m ，传输速率几百m b s 。 第三代光纤通信( 九十年代中期以后) 开始使用损耗更低的1 ，5 5 “m 窗口， 传输光纤普遍采用单模光纤。该波段商用单模光纤的损耗只有约o 2 d b k m n 1 ， 己接近该波段光纤损耗的理论极限，传输速率可达2 5 1 0 g b s ，无中继传输距离 可达1 0 0 1 5 0 k m 。 随着e d f a 、w d m 等技术的发展，光通信正向着超高速率、长距离和网络 化方向飞速发展。目前1 0 g b s 系统已大批量装备网络，不少电信公司实验室已 开发出4 0 g b s 的系统，预计不久将开始实用化。北电网络等公司的 1 6 t b s ( 1 6 0 x 1 0 g b s ) w d m 系统已经开始大量商用化：朗讯公司则采用8 0 n m 谱 宽的光放大器创造了波长数多达1 0 2 2 的世界记录，波长间隔为1 0 g h z ，单波长 容量为3 7 g b s 。日本n e c 和法国阿尔卡特公司分别实现了总容量为 1 0 9 t b s ( 2 7 3 x 4 0 g b s ) 和总容量为1 0 2 t h i s ( 2 5 6 x 4 0 g b s ) 的传输容量最新世界记 录，而西门子公司则在美国w o r l d c o m 的实际网络上成功地完成了总容量为 3 2 t b s ( 8 0 x 4 0 g b s ) 系统现场技术试验，在标准单模光纤上将信号传到2 5 0 k m 远的距离1 3 1 0 光纤通信能够以如此惊人的速度发展，这与其自身所具有的一系列优点是分 不开的： 1 、频带宽、传输容量大 单模光纤可资利用的带宽高达2 5 t h z 。这意味着，如果充分加以开发利用， 可以用一根光纤在l s 左右的时间内将人类有史以来的所有文字资料传输一遍。 2 、损耗低、无中继传输距离长 同轴电缆的传输损耗一般为每百米几d b 到十几d b 。电缆通信系统的中继距 离仅一两公里。而商品光纤在1 5 5 0 n m 窗口的损耗只有o ，2 d b k m ，无中继距离可 达几十至上百公里1 3 、体积小、重量轻，便于铺设 1 8 管同轴电缆每米的重量高达1 l k g ，1 0 0 芯铅皮对称电缆每米的重量也有 2 9 k g ，而同等容量的光缆每米只有9 0 9 重。此外，光纤具有很好的可绕性，可 架空、直埋或者置入管道，陆、海、空等环境下均可使用。 4 、抗干扰、保密好，材料资源丰富 光纤材料是电绝缘的，具有很好的抗电磁干扰能力。光信号在纤芯中传播， 芯外很快衰减，因而具有很好的保密性，目前还没有在不破坏光纤正常传输的情 况下的有效窃听手段：光纤的主要成分s i 0 2 是自然界中蕴藏最为丰富的材料。 这不仅可以节约大量金属，而且成本低。 光纤通信是目前人类发明的最为理想的有线通讯方式。经过短短几十年的发 展，它已经无可争议地成为信息有线传输领域的骨干。为未来信息高速公路和综 合业务数字网( i s d n ) 的实现提供了重要的基础。光纤通信必将继续以其无穷 的魅力影响社会生活的方方面面，推动人类社会不断进步。 1 2 光纤光栅及其制作方法发展历史回顾 光纤的研制成功给电信业带来了一场革命。随着光纤技术的逐渐成熟，在使 用过程中它作为传输媒质以外的一些特性也被逐渐挖掘出来，并被用来发展了一 系列重要的光通信有源器件( 如光纤激光器，放大器等) 和无源器件( 如耦合器， 光纤光栅等) 。光纤光栅就是利用光纤的光敏性开发的一种器件，它的发明被称 为光纤通信发展史上继e d f a 以后的又一个里程碑。 1 内部写入法一光纤光敏性的首次发现 偶然是重大发明的孕育者和科技进步的有力推动者。1 9 7 8 年，加拿大通信研 究中一t 2 , 的h i l l 等人在研究掺锗石英光纤的非线性效应的实验中偶然发现，随着时 间的延长，注入到一段掺锗光纤中的4 8 8 n m 的氩离子激光被越来越多地反射回 来，最后反射率几乎达到了1 0 0 “1 。后来研究发现，这是由于光纤端面的4 4 8 8 n m 氩离子激光 图1 1 驻波法写入h i l l 光纤光栅示意图 反射与入射光形成驻波，该驻波导致光纤纤芯的折射率调制，形成了一个相位光 栅。光栅的形成导致反射增强，驻波增强，从而光栅增强，这样一个正反馈过程， 直至入射光被全部反射。虽然导致折射率调制的物理本质在当时没能被揭示，但 当时就已经意识到了这种现象潜在的巨大应用价值。这种光栅被称为h i l l 光栅。 写入方法如图1 1 所示。由于这种方法写制的光纤光栅反射波长受写入光波长的 限制，只能制作写入布喇格波长等于写入光波长的光纤光栅，目前已很少采用。 2 全息侧写入法一光纤光栅写入技术的重大突破 事物的发展并不是一帆风顺的。虽然光纤的光敏性在1 9 7 8 年就己被发现， 但此后的十余年中，光纤光栅的研究却徘徊不前。只到1 9 8 9 年，美国联合技术 研究中心的g e r r ym e l t z 巧1 等人提出了全息法光纤光栅写入技术，光纤光栅制作 技术的研究才取得了突破性进展。全息法光纤光栅写入装置如图1 2 所示，紫外 光源为准分子激光器泵浦可调谐倍频染料激光器，用其2 4 4 n m 波长。光纤为掺 锗石英光纤。m e l t z 等人用该方法写制出了第一只布喇格波长位于通信波段的光 纤光栅。虽然这种方法具有对光源相干性、机械以及环境稳定性要求极高，重复 性差等缺点，只适合于单脉冲写入短光栅，但它却首次突破了写入光波长的限制， 具有很大的灵活性。原则上，通过调节两相干光束的夹角0 ，该方法可以写制布 喇格波长大于写入波长的任何光纤光栅。全息侧写入法的提出使得光纤光栅在通 信系统中的应用成为可能。不久，世界上第一只通讯波段的以光纤光栅构成谐振 腔的全光纤激光便产生了哺1 。 图1 2m e t l z 光纤光栅全息侧写入法示意图 3 相位掩模法一光纤光栅制作技术走向成熟 为了克服全息法的缺点，使光纤光栅的可重复批量生产成为可能，世界各地 4 的研究者们进行了大量探索。1 9 9 3 年，有几个实验室几乎同时报道了用相位掩 模法制作光纤光栅的实验结果 7 , 8 , 9 1 。该方法的原理如图1 3 所示。 f i b e r l n 几几n 厂 几厂j p h a 8 l ii i li i - l oo i o i i i o o i - 图1 3 光纤光栅相位掩模法写入不恿图 入射的紫外光经过相位掩模板发生布喇格衍射，l 级衍射光在光纤处相干 叠加，产生明暗相间的条纹，从而将光栅“印入”到光敏光纤中。掩模板一般是 采用石英材料，经电子刻蚀或等离子体刻蚀方法制成。通过控制刻槽的占空比和 深度来控制所写制光栅的布喇格波长。该方法不仅使光纤光栅的制作更加容易， 也大大提高了可重复性。虽然后来又有许多写制方法相继出现，该方法目前仍是 光纤光栅生产所采用的主流方法。 4 点点写入及特种光纤光栅写入技术一光纤光栅走向多样化 1 5 5 0 n m 波段的光纤光栅其栅格周期约0 5 肛m 左右，而2 4 4 n m 紫外光的衍射 受限光斑尺寸只有 - - 0 2 5 9 m ，因此理论上可以用点点写入的方法来制作光纤光 栅。点点写入方法的最大优点在于其灵活性，它克服了掩模法写制每个波长的光 栅都需要换一块相应波长的模板的缺点。通过高精度位移传感器和机械步进装置 的控制，一台光纤光栅制作设备原则上可以写制任意周期结构的光栅。由于机械 控制精度的限制，目前该方法只适合写制高阶光栅0 1 和长周期光栅川1 1 1 2 1 。 另外，均匀光纤光栅制作技术日益成熟之后，还发展了多种旨在改善光栅的 光谱特性和机械特性的新方法。例如长周期光纤光栅制作技术 1 3 - 1 8 1 ，各种切趾 技术 1 9 , 2 0 1 ，透过包层写入技术 2 1 1 在线写入技术2 2 1 等等。 1 3 光纤光栅的分类及应用 由于光纤光栅具有制作简单、体积小、成本低、插入损耗低、使用灵活及易 于与光纤系统集成等诸多优点，近年来引起了人们广泛的研究兴趣。目前，光纤 光栅作为一种重要的无源器件，在激光器调谐1 2 3 1 2 4 1 、光分插复用器1 2 5 1 2 6 1 ( o a d m ) 、传感1 2 7 1 色散补偿n 8 等领域已获得了广泛的应用。近年来在光纤 光栅理论、制作方法和制作工艺方面取得的进展，使得多种周期及非周期结构的 光纤光栅的制作成为现实。它的应用领域正在不断扩大，作用仍将不断增强。 根据不同的分类标准可以把光纤光栅分成不同的种类。通常可以按成栅机制 5 不同和折射率空间调制结构不同来对光纤光栅进行分类。 根据成栅机制的不同，可以把光纤光栅分为：i 型，i i “9 1 型，i i a 1 型。最 近。有人在对比研究载氢、非载氢掺锗光纤上写制的光纤光栅的特性时又提出了 一种所谓i a 型光纤光栅。i a 型制作方法与i i a 型相同，都是对i 型光纤光栅过 度曝光，将i 型擦除后形成的。不同之处在于，i a 型光纤光栅是在载氢后的掺 锗光纤中形成的，而i i a 型光纤光栅是在未载氢的掺锗光纤中形成的。经研究发 现，i a 型光纤光栅和i i a 型光纤光栅具有相同的应力系数，但温度系数差别很 大。产生该现象的物理原因现在还不太清楚。这种特性已被用于传感器中温度参 量和应力参量的可鉴别同步传感 3 1 1 根据光纤光栅折射率调制结构的不同可以将光纤光栅大体分成一下几种： 均匀周期光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 均匀周期光纤光栅是发展最早、制作工艺最成熟，也是应用最广泛的光纤光 栅。布喇格光纤光栅的折射率调制周期在整个光栅长度内是恒定的，因此只有很 窄的带宽内满足布喇格条件的光被选择性反射，其余的光可以几乎无衰减地通 过，是一种选择性很好的带阻滤波器。目前，布喇格光纤光栅已在光纤激光器选 频和调谐 3 2 1 传感1 3 3 , 3 4 1 波分复用解复用“5 1 等领域获得了广泛应用。 相移光纤光栅( p h a s e - s h i f t e df i b e rg r a t i n g ) 相移光栅是在均匀光纤光栅中引入一定长度的非曝光区形成的。非曝光区的 引入，在光纤光栅的反射带宽内打开相应的带宽很窄的透射窗口，从而使得这类 光栅具有带通滤波特性。这类光栅可以用于光纤激光器、波分复用系统 3 5 1 , 也 有将相移光纤光栅用于全光开关的报道 3 6 1 。 啁啾光纤光栅( c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 与均匀周期光栅不同，啁啾光栅是周期沿长度方向变化的光纤光栅。其周期 结构可以根据需要来设计，可以是线性变化，也可以是无规律的变化。这类光纤 光栅可用于高速w d m 通信系统的色散补偿 3 7 1e d f a 的增益平坦 3 8 1 宽带滤 波1 以及传感”1 等领域。 取样光纤光栅“”( s a m p l e d f i b e rg r a t i n g ) 取样光栅又称超结构光栅，它是在光纤光栅中等间隔地引入一系列相移区域 而形成的。它的反射谱呈现一组等间隔的反射峰。这种光栅可以应用于梳状滤波、 多波长激光器、多通道同步色散补偿“”等领域。 切趾光纤光栅( a p o d i z e d f i b e rg r a t i n g ) 由于光纤光栅不可能无限长，总有一个起点和终点，这相当于折射率的调制 有一个矩形包络。根据傅立叶光学可知，矩形包络傅立时变换的结果是s i n c 函 数，这导致光栅发射谱上产生较多的边瓣，致使边模抑制比降低。切趾光纤光栅 6 采用特殊的切趾函数，使得光栅起点和终点的折射率缓慢变化，从而起到了抑制 边瓣和提高边模抑制比的效果。另外，切趾技术还可以有效的抑制线性碉啾光栅 时延曲线的纹波，这对于高速系统进行准确的色散补偿是很重要的。第二章中对 该问题进行了详细讨论。 闪耀光纤光栅( b l a z e df i b e rg r a t i n g ) 光纤光栅写制过程中，如果掩模板后的干涉条纹与光纤轴不是严格垂直，而 是偏离一定的角度。写制出的光纤光栅具有与垂直情况写制的光栅不同的特性， 这类光纤光栅被称作闪耀光纤光栅。这类光栅不仅可以使光纤中的前向模与后向 模发生耦合，而且可以将低阶模耦合到高阶模甚至包层模中。因此该类光纤光栅 可以用作模式耦合器 4 3 1y 也可以用于放大器的增益平坦1 。 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 ) 长周期光纤光栅的栅格周期一般在1 0 0 - - 5 0 0 p m 之间，是普通光纤光栅栅格 周期的几百到上千倍。长周期光栅与普通布喇格光栅的滤波原理不同，它把满足 条件的光从纤芯中耦合入包层损耗掉，其余波长的光可以无损耗的通过。由于长 周期光纤光栅制作工艺简单、无后向反射，近年来成为了光纤光栅研究领域的一 大热点，并且在滤波、传感、模式耦合、激光器调谐等领域获得了初步的应用 4 5 1 。 1 4 光纤光栅调谐技术发展概述 随着w d m 技术的不断发展，光纤通信系统中的信道数越来越多，信道间 隔越来越小。光纤光栅要想在这种系统中得到应用，其布喇格波长要与信道波长 精确对准。而光纤光栅的布喇格波长一方面受限于紫外写入光干涉条纹的周期 ( 或掩模法中的模板周期) ，人们不可能制得所有波长的光纤光栅；另一方面， 光纤光栅的布喇格波长还与折射率调制的情况有关“6 1 ( 随着折射率调制深度的 增加，布喇格波长向长波方向漂移) ，而调制深度的准确控制是很困难的。这就 要求光纤光栅制作完成后，其布喇格波长可以通过某种方法进行调节。另外，像 可调谐激光器、光纤光栅传感解调等领域要求光纤光栅的反射波长能在一定范 围内连续变化。所有这些都提出了发展光纤光栅调谐技术的要求。幸运地是，光 纤光栅的布喇格波长可以通过多种方法来实现调谐，这就为光纤光栅在这些领域 的应用铺平了道路。 根据b r a g g 条件： 如= 2 n 够人 其中 。为光栅布喇格波长，n “为光纤光栅的有效折射率，a 为栅格周期。可见， 改变”。，和a 均可改变 。这可以通过改变光纤光栅的温度、对光纤光栅进行拉 7 伸或压缩来实现。基于此原理目前已发展了多种调谐方法： 1 直接拉伸压缩调谐 最直接的调谐方法就是直接地拉伸8 1 或者压缩光纤光栅。由于受光纤光 栅本身机械强度的限制，拉伸方法的调谐范围一般被限制在1 0 n m 以内，但是经 特殊处理的超强光纤光栅，可以实现大于5 0 r i m 的调谐范围“” 5 0 1 。 由于石英材料的抗压能力是抗拉能力的3 2 倍，所以用压缩的方法可以在光 纤光栅的承受能力之内实现更大的调谐范围。g a b a l l 和w w m o r e y 用步进电 机对光纤光栅施以轴向压缩实现了3 2 n m 的连续线性调谐巧”。该方法的缺点是 压力方向要精确的沿光纤轴向施加，因此对机械装置的精度要求非常高。 用侧向压缩光纤光栅的方法也可以调谐光纤光栅的布喇格波长。与轴向压缩 不同的是，侧向压缩使布喇格波长向长波方向漂移。tk o m u k a i 等人用侧向压缩 的方法，在1 5 5 0 波段获得了8 n m 的连续调谐1 5 2 1 0 2 悬臂梁简支梁调谐 将光纤光栅贴在悬臂梁或简支梁的表面，通过控制梁的弯曲可以对光纤光栅 施以压缩或拉伸。南开大学现代光学研究所对这种调谐方法进行了大量研究，实 现了近1 0 n m 的调谐范围。这种方法具有线性度好、可双向调谐且易于实现编程 控制等优点。 3 热调谐 光纤光栅的温度敏感性比较低，为了用温度作为参量来控制光纤光栅的布 喇格波长，可以用热膨胀系数大的材料来驱动。这种方法的优点在于，温度和应 力共同作用，经合理封装可以实现大范围调谐，而且不存在温度补偿的问题。缺 点是调谐速度较慢，限制了它在某些场合的应用。 有文献报道用尼龙、聚氨酯材料进行熔融封装，可以将光纤光栅的温度灵敏 度分别提高到o 1 5 n m 。c “1 和o 2 5 n 划。c 1 5 4 。目前用这种方法可以获得4 1 n m 的 调谐范围。另外，还可以将光纤光栅直接贴到热膨胀系数大的材料上来实现调谐 【5 5 】 o 4 电磁调谐 用压电陶瓷5 6 ”( p z t ) 、磁致伸缩材料哪! 或者螺线管1 等可以实现光 纤光栅的电控调谐。根据目前报道，磁调谐能力一般1 1 n m 1 0 3 0 0 e1 5 8 , 压电陶 瓷0 2 n m j v l 5 7 。电调谐的方法调谐速度快，调谐方便。但由于电滞或磁滞效应 的影响，重复性比较差，需要进行特殊设计予以补偿，这使得电路设计十分复杂， 造价非常昂贵。 r 另外，有人将光纤光栅蒸镀上金属膜，改变通过金属膜的电流也可以对光纤 光栅进行调谐呦1 。 产品方面，目前，已有多家公司生产专门的调谐光纤光栅产品。如加拿大 的0 el a n di n c 公司、德国德累斯顿( 德国s a x o n y 邦首府) 大学的a s 0 公司、 美国的o p t i c w a v e 公司等。部分产品的性能参数如下： 表1 o el a n di n c 公司机械调谐光纤光栅的性能参数 注：其温度调谐光纤光栅产品的调谐范围为6 n m 。 表2 a s o 公司产品的性能参数 9 表3 o p t i c w a v e 公司可调光纤光栅产品的性能参数 从这些产品的性能参数可以看出，目前的调谐光纤光栅产品调谐范围窄，调 谐速度慢，且一般为手动调谐。所以，今后拓展调谐范围、提高调谐速度和精度、 实现光纤光栅调谐的程控化将是光纤光栅调谐技术发展的方向。 1 5 本论文研究的主要内容 1 、综合评述了光纤光栅的耦合模理论、传输矩阵理论和多层膜理论以及它 们各自的优缺点。 2 、结合数值模拟的实践，对多层膜理论进行了改进。改进的多层膜方法综 合了传输矩阵方法和多层膜方法的优点，该方法将每层薄膜的传输特性用两个传 输矩阵来表示一界面传输矩阵和膜层传输矩阵，从而避免了原多层膜理论中复折 射率的计算和反复迭代。就有更直接、物理意义更明确、更易于编程模拟的优点。 3 、用改进后的多层膜方法对多种光纤光栅进行了理论模拟。一方面通过与 其它方法得出的结论对比，证明了该方法的正确性。另一方面详细分析讨论了计 算参数设定对模拟结果的影响，旨在探索计算的时间开销与模拟精度之间的平衡 点，并对模拟结果的误差做出合理评价。 4 、对光纤光栅的温度调谐技术进行了系统研究。提出并设计了一套有效的 光纤光栅温度调谐装置一双肩梁调谐装置。阐明了其原理与设计方法。该装置的 温度调谐效率可以根据需要来设计具有极大的灵活性。可以用于光纤激光器调 谐、高灵敏度温度传感等领域。 5 、对双肩梁调谐装置进行了实验研究。两套调谐装置分别用热膨胀系数较 大的有机材料、铝作底梁，低膨胀的钢作臂，分别得到了0 4 3 n n f c 和0 0 8 6 n m o c 的调谐效率，实验结果与理论符合的较好。其中前者是目前国内外所知得到的最 1 0 大温度调谐效率。 6 、将双肩梁调谐装置与智能温控仪相结合，实现了光纤光栅的温度编程调 谐，并将其应用于掺铒光纤激光器，实验得到了6 8 n m 的线性调谐，调谐斜率 0 3 5 n m 。c ，波长选择精度0 0 7 n m 。最高输出功率1 3 3 m w ，激光线宽小于0 0 8 n m ， 斜率效率1 8 6 。在程序的控制下调谐具有很好的重复性。7 参考文献 1 李玲，黄永清编著，“光纤通信基础”，国防工业出版社。2 0 0 0 2 】刘增基，周洋溢，胡辽林，周绮丽编著，光纤通信，西安电子科技大学出版社，2 0 0 1 【3 韦乐平，光纤通信系统的发展和展望，通讯世界，2 0 0 i ，1 2 8 5 期：1 1 1 5 4 】h i l lk o ，f u j i iy ，j o h n s o nd c ，a n dk a w 弱a k ib s ，“p h o t o s e n s i t i v i t yi no p t i c a lw a v e g u i d e s ，” ， 。 】 ，w w ，“ ， ， 】 ，t ，s t ，“ - ，1 ) ， 】 ，i ， ， ：1p h y s ， z ，v ，t ， ，“ 一 ，” 一 ， ， ， 【】 ，f - ，j ， ，” ， ， 【 ，j ， 。， y ， ， “ ， 1 ，f ， ，j ，i ，“ ， ，”， l l 大温度调谐效率。 6 、将双肩梁调谐装置与智能温控仪相结合，实现了光纤光栅的温度编程调 谐，并将其应用于掺铒光纤激光器，实验得到了6 8 n m 的线性调谐，调谐斜率 0 3 5 n m 。c ，波长选择精度0 0 7 n m 。最高输出功率1 3 3 m w ，激光线宽小于0 0 8 n m ， 斜率效率1 8 6 。在程序的控制下调谐具有很好的重复性。7 参考文献 1 李玲，黄永清编著，“光纤通信基础”，国防工业出版社。2 0 0 0 2 】刘增基，周洋溢，胡辽林，周绮丽编著，光纤通信，西安电子科技大学出版社，2 0 0 1 【3 韦乐平，光纤通信系统的发展和展望，通讯世界，2 0 0 i ，1 2 8 5 期：1 1 1 5 4 】h i l lk o ，f u j i iy ，j o h n s o nd c ，a n dk a w 弱a k ib s ，“p h o t o s e n s i t i v i t yi no p t i c a lw a v e g u i d e s ，” ， 。 】 ，w w ， ，“ ， ， ， 】 ，t ，s t ，“ - ，1 ) ， 】 ， ，i ， ， ：1p h y s ， z ，v ，t ，“ 一 ， ，” 一 ， ， ， 【】 ， ，f - ，j ， ，” ， ， 【 ， ，j ， 。，y ， ， “ ， ， 1 ，f ， ， ，j ，i ，“ ， ，” ， l l 【1 2 】瞿荣辉等，长周期光纤光栅的制作方法和应用研究进展，激光与光电子进展，1 2 ， 8 1 2 ( 1 9 9 9 ) 。 【1 3 s u g d e nk ，b e n n i o ni ，m o l o n c ya ，a n dc o o p e rn j ，“c h i r p e d g r a t i n gp r o d u c e di n p h o t o s e n s i t i v eo p t i c a l f i b r e s b y f i b r ed e f o r m a t i o n d u r i n ge x p o s u r e ，”e l e c t r o n l e t t ， 3 0 ( 5 ) ：4 4 0 - 4 41 ( 19 9 4 ) 1 4 p u t n a mm a ，w i l l i a m sg m ，a n df r i e b e l er j 。“f a