（光学工程专业论文）光纤光栅在微波光子滤波、波长开关和光纤激光器中的应用.pdf

摘要 摘要 光纤光栅是一种重要的器件，在光通信系统、微波光子系统、光信号处理以及光传感 等领域有着广泛的应用。本文主要研究了光纤光栅在直接微波光子滤波，高速波长丌关和 双波长可转换光纤激光器中的应用。 本文首先简单介绍了基本的光纤光栅制作技术、描述光纤光栅基本特性的耦合模理论 以及对复杂结构的光纤光栅进行数值模拟的传输矩阵方法。 接着介绍了一种先进的光纤光栅制作设备，该设备基于在光纤中多重写入的技术并且 使用连续光源，能用来制作结构复杂的光纤光栅，包括相移、切趾和啁啾。 本文提出了对微波信号进行直接光学滤波并直接检测的技术。一根具有双反射峰的多 重写入反射型光纤光栅，能被用作毫米波信号的直接光滤波器。误码率测量证实了该滤波 器在中心波长为2 0g h z ，半宽高为2g h z 的传输频带中呈现很好的开关特性，这也证明 了该技术的可行性。这一技术能被用于无线电波光纤传输系统。 然后，本文主要对写在双孔光纤上( 内含电极) 的光栅进行了研究。该光栅4 厘米长 并且h a m m i n g 切趾。温度依赖性的测量显示该器件的双折射随着温度而增加。动态测量 实现了纳秒级的关开和开关响应。在电脉冲激励过程中，机械压力使得x 偏振的光栅波 长蓝移，而y 偏振的光栅波长红移。接着，在几百毫秒内，机械压力逐渐减弱，纤芯温度 逐渐增加，这两个因素导致x 偏振和y 偏振的光栅波长都红移。两种偏振的所有波长移动 量跟脉冲电压的平方成正比，跟脉冲持续时间呈线性关系。数值模拟对实验结果做了正确 的描述，帮助理解波长开关的物理含义。 最后，本文提出了两种基于光纤光栅的双波长可转换掺铒光纤激光器。第一个光纤激 光器引入了两个激光波长的重叠腔和混合增益介质。双波长开关可通过控制拉曼泵浦功率 来实现。另一个光纤激光器采用了注入技术，注入激光器的功率控制了双波长开关。经测 量，开关时问约为5 0 微秒。本文在实验上研究了这两个双波长光纤激光器的开关特性， 并解释了相应的物理含义。 关键词：光纤光栅、直接光滤波、直接检测、双孔光纤、开关、双折射、双波长、光 纤激光器 i t l a b s t r a c l a b s t r a c t f i b e rg r a t i n g sa r ek e y c o m p o n e n t sf o rav a s tn u m b e ro fa p p l i c a t i o n si no p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，m i c r o w a v ep h o t o n i c ss y s t e m s ，o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n do p t i c a l s e n s o r s ，e t c t h em a i nt o p i co ft h i st h e s i si sf i b e rg r a t i n g s f a b r i c a t i o na n dt h e i ra p p l i c a t i o n si n d i r e c tm i c r o w a v eo p t i c a l f i l t e r i n g ，h i g hs p e e dw a v e l e n g t hs w i t c h i n g a n ds w i t c h a b l e d u a l w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r s f i r s t ，ab r i e fo v e r v i e wi sg i v e na b o u tt h eb a s i ct e c h n i q u e sf o rf a b r i c a t i n gf i b e rg r a t i n g s ，t h e p o p u l a rc o u p l e d - m o d et h e o r yf o rd e s c r i b i n gf u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rg r a t i n g sa n dt h e t r a n s f e rm a t r i xm e t h o df o rn u m e r i c a l l ys i m u l a t i n gc o m p l e x - s t r u c t u r e df i b e rg r a t i n g s a na d v a n c e df i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h et e c h n i q u eo fm u l t i p l ep r i n t i n gi n f i b e r ( w i t hac o n t i n u o u s w a v es o u r c e ) h a sb e e nu s e dt o w r i t ec o m p l e xf i b e rg r a t i n g s i n c o r p o r a t i n gp h a s es h i f t s ，a p o d i z a t i o na n dc h i r p d i r e c td e t e c t i o nc o m b i n e dw i t hd i r e c tm i c r o w a v eo p t i c a lf i l t e r i n gt e c h n i q u eh a sb e e n p r o p o s e d as i n g l ed o u b l e - p e a k e ds u p e r i m p o s e dg r a t i n gw o r k i n gi nr e f l e c t i o nc a nb ee m p l o y e d a sad i r e c to p t i c a lf i l t e rf o rm i l l i m e t r e w a v es i g n a l s b i te r r o rr a t em e a s u r e m e n t sc o n f i r mt h a t t h ef i l t e re x h i b i t e dn e a r l yo n - o f fb e h a v i o u ri nt h ep a s s b a n dw i t ha3 - d bb a n d w i d t ho f2g h zf o r ac e n t r a lf r e q u e n c yo f 2 0g h z t h ep r e s e n t e d t e c h n i q u ec a nb eu s e di nr a d i o o v e r - f i b e rs y s t e m s t h i st h e s i sf o c u s e sm o s t l yo nt h er e s e a r c ho fg r a t i n g sw r i t t e ni nt w i n - h o l ef i b e r sw i t h i n t e r n a le l e c t r o d e s t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c em e a s u r e m e n t ss h o wt h a tt h eb i r e f r i n g e n c eo f t h ec o m p o n e n ti n c r e a s e sw i t ht h et e m p e r a t u r e d y n a m i cm e a s u r e m e n t sh a v es h o w nn a n o s e c o n d f u l lo f f - o na n do n - o f fs w i t c h i n g d u r i n gt h ee l e c t r i c a lp u l s ee x c i t a t i o n ，t h eg r a t i n gw a v e l e n g t hi s b l u e s h i f t e df o rt h ex - p o l a r i z a t i o na n dr e d - s h i f t e df o rt h ey - p o l a r i z a t i o nd u et ot h em e c h a n i c a l s t r e s s b o t hg r a t i n gw a v e l e n g t h so fx a n dy - p o l a r i z a t i o ns u b s e q u e n t l ye x p e r i e n c ear e d s h i f t d u et ot h er e l a x a t i o no fm e c h a n i c a ls t r e s sa n dt h ei n c r e a s i n gc o r et e m p e r a t u r ei nm a n y m i c r o s e c o n d s a l lt h ew a v e l e n g t hs h i f t so ft h et w op o l a r i z a t i o n sd e p e n dq u a d r a t i c a l l yo nt h e e l e c t r i c a lp u l s ev o l t a g ea n dl i n e a r l yo nt h ep u l s ed u r a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sg i v ea c c u r a t e d e s c r i p t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da r eu s e f u lt ou n d e r s t a n dt h ep h y s i c sb e h i n dt h e w a v e l e n g t hs w i t c h i n g f i n a l l y , t w os w i t c h a b l ed u a l - w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rl a s e r sb a s e do nf i b e rg r a t i n g f e e d b a c ka r ep r o p o s e d i no n em e t h o d ，a no v e r l a p p i n gc a v i t yf o rt h et w ol a s i n gw a v e l e n g t h sa n d v 浙江人学博上毕业论文 h y b r i dg a i nm e d i u mi nt h ef i b e rl a s e ra r ei n t r o d u c e d d u a l w a v e l e n g t hs w i t c h i n ga r ea c h i e v e d b yc o n t r o l l i n gt h er a m a np u m pp o w e r t h eo t h e rm e t h o de m p l o y sa ni n j e c t i o nt e c h n i q u ea n d t h ed u a l w a v e l e n g t hs w i t c h i n gi sc o n t r o l l e db yt h ep o w e ro ft h ei n j e c t i o nl a s e r t h es w i t c h i n g t i m ei sm e a s u r e dt ob e - 5 0 “s d e t a i l e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed u a l w a v e l e n g t hs w i t c h i n gi nt h e t w of i b e rl a s e r sa r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e da n dc o r r e s p o n d i n gp r i n c i p l e sa r ep h y s i c a l l y e x p l a i n e d k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，d i r e c to p t i c a lf i l t e r i n g ，d i r e c td e t e c t i o n ，t w i n h o l ef i b e r ，s w i t c h i n g ， b i r e f r i n g e n c e ，d u a l w a v e l e n g t h ，f i b e rl a s e r 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：菇1 i 嗽；f l 签字日期：彤年lf 月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸望盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 一 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：布张准 导师签名： 签字日期：如孑年lf 月f 卵签字日期：埘年1 1 月f 孑日 致谢 致谢 在本论文顺利完成之际，谨向多年来一直给予我极大关怀与帮助的导师何赛灵教授致 以最真诚的感谢。导师渊博的知识、敏锐的科学洞察力、严谨的科研作风，忘我的工作精 神以及对科学孜孜不倦的追求，这一切给我留下了深刻印象，是我今后从事科研工作的榜 样。导师提倡的小组自由讨论的方式，创造的与国际同行交流的条件，使我伍融入学术前 沿的过程中少走了很多弯路。 非常感谢瑞典的a c r e o 公司为我提供了先进的实验设备。衷心感谢w a l t e rm a r g u i l i s 教授和p i e r r e y v e sf o n j a l l a z 博士对我的指导和帮助，也非常感谢o l e k s a n d rt a r a s e n k o 及其 他同事对我的技术支持。 在我攻读博士学位期间，还得到了许多老师和同学的关心与帮助。特别感谢金如翔教 授对我的指导，感谢张徐亮、秦山、陈达如、丁金妃、严金华以及强则煊等朋友对我课题 上的帮助。 还要衷心感谢我的父母、公公婆婆、姐姐妹妹、外公外婆以及其他亲朋好友对我的关 心与鼓励。 最后要感谢我的丈夫杨赓，谢谢他这九年来对我学习工作上的积极支持与鼓励，谢谢 他对我无微不至的关爱! 郁张维 二o o 八年九月 l 绪论 1 绪论 本章提要：首先简介了光纤光栅的基本特性及其发展历史。接着介绍了光纤光敏性的 发展历史、机理及各种增敏技术。对光纤光栅的分类方法进行了说明，简介了八种光纤光 栅。然后，简单叙述了光纤光栅在微波光子滤波、波长开关和光纤激光器中的应用背景和 研究热点。最后，给出了本文的内容安排和论文的主要创新点。 1 1 引言 光纤光栅( f i b e rg r a t i n g ) 是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成周期性的折射率调 制分布，从而对入射光波中相位匹配的频率产生相干反射，可以在典型的1 0 - 11 0 2r i l l 的 带宽内产生反射，反射率可达1 0 0 。光纤光栅的这一重要波长选择特性使之成为光纤器 件中一种重要的无源器件，它在光纤系统中的作用类似于传统光学系统中镜片的作用。 光纤光栅的发展历史已有3 0 年，这可追溯到1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心的 k o h i l l 等人首次发现了掺锗石英光纤的光敏性( p h o t o s e n s i t i v i t y ) ，从而导致了这一新 型光纤内纤型无源器件的出现，就是光纤b r a g g 光栅【l 】。但由于当时光纤光栅的写入效率 低，而且b r a g g 波长完全取决于入射光的波长，因此未引起学者的注意。直到1 9 8 9 年， 美国动哈特福德联合技术研究中心的g m e l t z 等人用分振幅干涉的方法在掺锗石英光纤 上写制出光纤b r a g g 光栅【2 】。这一光纤光栅制作技术的突破性进展唤醒了科学家对光纤光 栅的广泛兴趣，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性的光纤无源器件之一 1 3 - 5 1 。 1 2光纤的光敏性 1 2 1 光纤光敏性的发展历史 从广义上讲，光敏性是指物质的物理或化学性质在外部光的作用下发生暂时或永久性 改变的材料属性。对光纤的光敏性而言，则是指折射率、吸收谱、内部应力、密度和非线 性极化率等方面的特性发生的永久性改变f 3 ，4 1 。 浙江入学博i j 毕业论义 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人探测剑光纤的光敏性1 1 ，引。在实验中，当 一束4 8 8n n l 的氩离子激光注入到掺锗光纤的纤芯时，输出的激光功率大大降低。这是由 于光纤中相对传输的两束光干涉形成了剧期分布的驻波图案，从而在光纤中诱发了周期性 的折射率分布，对注入波长形成了窄带反射滤波器，也叫h i l l 光栅。该光栅的折射率调制 非常微弱，估计约为1 0 。6 的数量级。 在1 9 8 1 年，d k w l a m 和b k g a r s i d e 发现，k 0 h i l l 报道的折射率改变的数量 级与写光栅时4 8 8 n m 波长的激光功率平方成正比f 7 1 。这意味着双光子吸收( t w op h o t o n a b s o r p t i o n ) 可能是折射率改变的机理。1 9 8 7 年，j s t o n e 等人报道折射率改变能在所有的 掺锗光纤中产生，但他当时仍在使用监绿光注入到光纤中【8 】。 主要的技术突破发生在1 9 8 9 年，那时c tm e l t z 等人以倍频氩离子激光器 ( f r e q u e n c y d o u b l ea r g o n i o nl a s e r ) 输出的2 4 4n m 紫外光( u l t r a v i o l e t ，u v ) 为光源，用分 振幅干涉的方法在掺锗石英光纤写出一根位于5 7 1 6 0 0 n m 的可见光范围的光栅【2 j 。这一方 法表明b r a g g 波长和两个相干光束的夹角有关系，使得写出b r a g g 波长位于有用通信波段 的光栅成为可能。1 9 9 0 年，r k a s h y a p 等人第一次报道了b r a g g 波长为1 5 5 0n m 的基于掺 锗石英光纤的光栅1 9 1 。对于未经处理的掺锗石英光纤，紫外光引起的折射率改变的数量级 约为l o 一1 0 q 。 后来的发展促使光纤折射率改变的数量级增大。报道显示，掺铕0 l 、掺铈【1 以及铒锗 共掺的石英光纤中都有不同数量级的折射率改变，但都不如掺锗石英光纤那么灵敏。硼 锗共掺石英光纤的折射率调制能达到l o 一3 【13 1 。 1 2 2掺锗光纤光敏性的机理 光纤材料光敏性的发现距今已有3 0 年，但是目前关于光纤材料这种感光特性的物理 起因和微观机理仍不是十分清楚。人们已经对掺锗石英光纤光敏性的微观机理提出了多种 不同的理论模型p 巧】，如色心模型、密致模型、电子移动模型、电极子模型、离子移动模 型以及压缩模型等。每个模型都能解释一定的实验现象，但还没有一个模型能单独解释所 有的实验现象，这方面的研究工作还在深入进行。其中得到大量实验事实支持并被普遍接 受的主要有色心模型和密致模型两种。 一般认为掺锗石英光纤的光敏性与光纤中的锗氧缺陷中心( g e r m a n i u m o x y g e n d e i f i c i e n c yc e n t e r ，g o d c ) 有关。g e 具有两种稳定的氧化态g e 。2 + 和g e 4 + ，因此它有g e o 和g e 0 2 两种缺陷，这些缺陷主要是在光纤预制棒的制造过程以及光纤的拉制过程中产生 2 l 绪论 的。g e o 缺陷对应于光纤在2 4 2n n l 和3 2 5n l l l 的吸收，g e 0 2 缺陷对应于1 9 3n l t l 的吸收1 6 1 。 缺陷的吸收带是导致光纤传输损耗的重要原因，称之为色心。 光纤材料光敏性的色心模型是由d p h a n d 和p s t j r u s s e l l 提出的【17 1 。他们认为： g e o 缺陷对2 4 2n n q 的光产生了强烈的吸收，引起了g e o 缺陷的光电离，g e s i 键断裂后， 产生带正电荷的锗缺氧缺陷( g e e ) 色心，并释放出键合电子，这种键合电子可以被激发 到导带，导致色心的子带吸收。激发到导带的电子重新被附近的缺陷俘获，缺陷的重新分 布引起其他吸收带强度的变化。这种色心缺陷粒子数的变化将永久性地改变光纤的紫外吸 收谱，而且可以在掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，并且由光吸收引起的的折射率变化 满足k r a m e r s k r o n i g 关系。根据这一模型，在某个点的折射率改变只跟该点附近缺陷的密 度和取向有关，由缺陷的电子吸收频谱而决定。 许多实验结果1 1 5 ，1 6 , 1 8 之0 1 支持色心模型，然而色心模型并不能解释所有的实验现象1 2 l ， 2 2 1 。一种可供选择的玻璃密致模型也得到了实验的有力支持。在紫外光照射下，光纤 材料中的局部应力和密度将发生变化。由于掺锗石英玻璃的折射率与其密度呈线性变化关 系，这种应力和密度的变化被认为是光纤材料中光致折射率的一种可能的机制密致模 型。它认为高强度紫外脉冲将大大扰动玻璃内部结构，很可能把一个高阶环断裂成两个或 三个低阶环，从而增加玻璃内部的致密性，导致折射率的变化【2 引。另一方面，光子与物质 相互作用时，除产生致密化效应外，还会产生热膨胀效应，由于包层比j 毒区热膨胀系数小， 纤芯将处于相当大的热弹性应力状态，产生的应力松驰进一步增加光纤中的折射率1 2 引。应 力释放机制不仅能解释光纤中的折射率变化，而且还可解释其稳定性，光纤光栅在制作后 对其进行退火处理就是减小内部各向异性应力来稳定其折射率变化。密致模型有大量的实 验事实支持f 2 8 1 ，但目前还不能利用这一模型对光纤的光敏性问题进行定量分析。在已确 定的实验条件下，密致在紫外光致折射率变化的过程起主要作用，其地位类似于早期提出 的色心模型中的缺陷。 1 2 3石英光纤的紫外增敏技术 自光敏性的发现和第一次证实掺锗石英光纤中的光栅以来，增加光纤中的光敏性就成 了一个重要的考虑因素。标准单模光纤( s i n g l e m o d ef i b e r ，s m f ) 中掺有3m 0 1 的锗， 典型的光致折射率变化为1 0 1 0 。5 【3 】( 除了文献【2 9 】所报道的1x 1 0 3 ) 。由于光纤材料的 光敏性与光纤中的掺锗浓度成正比关系，因此提高光纤材料感光性能最直接的方法是提高 纤芯内的掺锗浓度。一般地，增加掺锗浓度能导致5 x 1 0 4 的光致折射率变化【4 1 。但是用这 3 浙江人学博i j 毕业论文 种方法提高光纤材料的光敏性有一个很大的不利凶素，即增加光纤纤芯内含锗量将增大光 纤纤芯和包层的折射率差。为保证光纤中只能进行单模传输，必须减小光纤的芯径。当纤 芯内的含锗黾很高时，光纤的芯径将要非常小，这将影响光敏光纤与普通s m f 的匹配。 因此，寻求更为有效的光纤材料增敏方法具有非常莺要的意义。目前，最有效的增敏方法 有载氢( h y d r o g e nl o a d i n g ) 增敏技术3 0 3 1 1 、焰刷( f l a m eb r u s h i n g ) 技术1 3 2 j 和多种掺杂， 使得折射率改变能达到10 - 3 _ 10 。 ( 1 ) 载氧增敏技术 掺锗石英光纤材料的载氢增敏技术是19 9 3 年a t & tb e l l 实验室的p j l e m a i r e 等人首 次引入的【3 0 , 3 1 】，是最普遍使用的一种紫外增敏技术。光纤被放入气压为2 0 7 5 0a t m ( 典型 值为1 5 0 a t m ) ，温度为2 0 7 5 0 c 的氢气中，这样使得氢气以分子形态扩散入光纤的芯区。 载氢光纤在紫外光照射下，h 2 分子在s i o g e 区发生化学变化，形成与折射率有关的 g e o h 、s i o h 、g e h 、s i h 等化学键和缺氧缺锗缺陷中心，从而增加了对紫外光的吸收。 这样可使任何类型的掺锗石英光纤材料的光敏性提高1 2 个数量级，并能写入高反射率的 光栅，可获得的折射率变化可增加到10 - 3 _ 1 0 。在室温下，通常需要2 周载氢时间来达到 所需的光纤光敏性。提高温度或者压力能减少所需的载氧时间。需要指出的是，高压氢气 比较危险，需谨慎操作。 载氢增敏技术的优势是可在任何锗硅光纤中写入b r a g g 光栅。在紫外光照射的区域， 载氢光纤形成的折射率变化是永久的，未曝光的载氢光纤段在通信窗口的吸收损耗可忽 略。但由于光纤中存在未反应的氢，使得光栅的折射率随时间而发生变化，从而引起紫外 写入光栅的b r a g g 波长发生变化。因此，载氢光纤的热稳定性比较差，一般在室温条件下 放置两个星期，它的折射率深度就下降1 1 。目前，常用退火( a n n e a l i n g ) 技术，即事后 热处理加速老化，来稳定其波长。 ( 2 ) 焰刷技术 焰刷技术是一种简单而有效地增加掺锗石英光纤光敏性的方法。由于光纤的光敏性与 光纤材料中的缺氧锗缺陷浓度直接有关，且两者近似地成正比，因此可以在光纤拉制完成 后用氢等对所要曝光的光纤段进行“焰刷”处理。1 9 9 3 年，fb i l o d e a u 等人3 2 1 把拉制好的 标准s m f 拟写入光栅的一段放在1 7 0 0 0 c 的氢氧焰下灼烧2 0 分钟。该火焰中氢的含量比 氧的含量要高很多，过量的氢能很快扩散到纤芯中与锗反应生成g o d c 缺陷，从而使光 纤在2 4 0n n l 处的吸收增加，即提高了纤芯的光敏性。该作用只发生在含g e o 的纤芯，对 包层没有影响。紫外光照射灼烧后的光纤可得到大于l o 。3 的折射率变化，使光纤材料的光 4 l 绪论 敏性提高一个数鼍级| 3 2 j 。采用焰刷技术增加的光敏性是永久性的，不会产生折射率的漂移， 这和载氢增敏技术不一样。由于只对曝光区的光纤进行处理，这种方法对两个主要的通信 窗口几乎没有影响，可在标准单模光纤上写制出反射率很高的b r a g g 光栅。然而，该技术 的主要缺点是高温灼烧使得光纤断裂的可能性变大，长期稳定性有问题。 ( 3 ) 多种掺杂 在掺锗石英光纤中，掺入硼、锡或铝等元素可提高光纤材料的光敏性，其中硼锗双掺 杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺锗石英光纤材料高出一个数量 级f i 引。在石英光纤掺入硼将使其物理性质发生很大的变化，如热膨胀系数增大，熔点降低。 硼锗共掺光纤的芯区将由于硼的掺入而引入了较大的应力。 利用硼锗双掺提高光纤材料光敏性最主要的有利因素是硼的掺入能够引起光纤材料 芯区折射率的降低，而不引起光纤芯层与包层折射率差的增大，从而实现与标准单模光纤 的良好匹配。 1 3 光纤光栅的分类 随着光纤光栅写入技术的不断完善以及光纤光栅应用范围的同益扩大，光纤光栅的种 类同趋增多。根据光栅的波矢方向、空间周期分布和周期大小，可分为四种基本类型，即 光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 1 7 、闪耀光纤光栅( b l a z e df i b e rg r a t i n g ) 【3 3 1 、 啁啾光纤光栅( c h i r p e df i b e rg r a t i n g ) 和长周期光纤光栅( 1 0 n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ) 【3 5 】。 若进一步对光栅的折射率分布及其调制深度进行调制，在上述四种基本光栅类型的基础上 又可分为多种衍生光纤光栅类型，即切趾光纤光栅( a p o d i z e df i b e rg r a t i n g ) 3 6 - 3 9 l 、相移光 纤光栅( p h a s es h i f tf i b e rg r a t i n g ) 1 3 9 、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 rg r a t i n g ) 【4 0 】、 多重写入光纤光栅( s u p e r i m p o s e df i b e rg r a t i n g ) 【4 l j 等。 1 3 1 光纤b r a g g 光栅 光纤b r a g g 光栅是发展最早的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。光纤b r a g g 光 栅的折射率呈固定的周期性调制分布，即调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与 光纤轴线方向一致，见图1 1 所示。当光束经过光纤b r a g g 光栅时，对满足b r a g g 相位匹 配条件的波长产生很强的反射；对不满足b r a g g 条件的波长，由于相位不匹配，只有部分 微弱的光被反射回来。 b r a g g 条件满足了能量守恒和动量弋孑恒，一阶b r a g g 条件可表示为【4 ，5 】 s 浙江人学博j j 毕业论文 以= 2 呦人 ( 1 1 ) 其中，如是共振b r a g g 波长，坳是光纤光栅的有效纤芯折射率，人为光栅周期。如图1 1 所示，当宽带光源入射到光纤b r a g g 光栅后，反射谱是一个中心波长为如的反射峰；相应 地，透射谱中出现波长为如的f u l 陷。 宽 a o o _ g q c ) c o 配 包层b r a g g 光栅 纤芯 图1 1 光纤b r a g g 光栅的折射率分布及其反射和透射特性 1 3 2 闪耀光纤光栅 闪耀光纤光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，但光栅波矢方向与光纤轴线成 一定的角度。闪耀光纤光栅不但引起反向导波模耦合，而且还将基阶模耦合至包层模中耗 损掉。利用闪耀光纤光栅的包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其应用于掺饵光纤放大 器的增益平坦，当光栅法线与光纤轴向倾角较小时，还可将闪耀光栅用作空间模式耦合器。 1 3 3 啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的。由于不同的栅格周期对应于不 同的反射波长，啁啾光栅能够形成很宽的反射带。线性啁啾光栅能产生大而稳定的色散， 其带宽足以覆盖整个脉冲的谱宽，被广泛用于波分复用光纤通信系统中的色散补偿元件。 啁啾光纤光栅有一个非周期的光栅间距，可通过改变轴向的光栅周期或光纤纤芯的折 射率或同时改变两者获得，从公式( 1 1 ) 可得 九( z ) = 2 n ( z ) a ( z ) ( 1 2 ) 6 l 绪论 式中，a ( z ) 是沿着长度变化的光栅周期。 1 3 4 长周期光纤光栅 长周期光纤光栅是指栅格周期大1 0 0 p m 的光纤光栅结构。这是一种透射型光栅，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，可作为光栅模式转换器和旋光滤波器，是一种理想的掺饵光纤放 大器的增益平坦元件。由于长周期光纤光栅的耦合特性对外界环境冈素非常敏感，它在光 纤传感领域也有着广泛的应用。 1 3 5 切趾光纤光栅 采用特定的函数形式对光纤b r a g g 光栅的折射率调制深度进行调制，可形成切趾光纤 光栅。这种光栅具有丰富的谱特性，通过改变其调制函数及其他有关参数可根据需要控制 其反射谱形状。 1 3 6相移光纤光栅 相移光纤光栅足指在光纤b r a g g 光栅的某些点，通过一些方法破坏其周期的连续性而 得到的，每个不连续连接都会产生一个相移。相移光纤光栅的主要特点是能够在其b r a g g 反射带中打开透射窗e l ，使光栅具有更高的波长选择性，在波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，w d m ) 通信系统中的波长解复用器方面有着潜在的应用价值。相移光纤光 栅具有丰富的谱特征，通过选择合适的相移点位置与相移量，能够使长周期光纤光栅更好 地满足掺饵光纤放大器的增益平坦的需要。 1 3 7 超结构光纤光栅 超结构光纤光栅的折射率是问断的，相当于在光纤b r a g g 光栅或啁啾光纤光栅的折射 率调制上又加了一个调制函数，即可将其看作是对光纤b r a g g 光栅或啁啾光纤光栅按照一 定的规律在空间上进行取样的结果，因此超结构光纤光栅亦称为取样光纤光栅，它的反射 谱具有一组分离的反射峰。 超结构均匀光栅在梳状滤波器及多波长激光器领域具有应用价值，超结构啁啾光栅在 光纤w d m 通信系统中的色散补偿方面有着潜在应用，用一根超结构啁啾光栅可以实现多 个信道的同时补偿。 7 浙江人学博f j 毕业论文 1 3 8 多重写入光纤光栅 多重写入光纤光栅是指在光纤的同一个位置重复写入多个具有不同中心波长的b r a g g 光栅。同一位置的多个b r a g g 光栅可称为适用于复用与解复用的梳状函数，可应用于光纤 激光器和光纤传感器。 图1 2 是六种光纤光栅的折射率分布示意图： ( a ) 光纤b r a g g 光栅； ( b ) 闪耀光纤 光栅；( c ) 嘣啾光纤光栅；( d ) 高斯切趾光纤光栅；( e ) 相移光纤光栅；( f ) 超结 构光纤光栅。 ( a ) 光纤b r a g g 光栅 ( b ) 闪耀光纤光栅( c ) 啁啾光纤光栅 ( d ) 高斯切趾光纤光栅( e ) 相移光纤光栅( f ) 超结构光纤光栅 图1 2 六种光纤光栅的折射率分布示意图 1 4 光纤光栅的应用背景 利用光纤光栅的波长选择特性，可构成许多性能独特的光纤无源器件，再加之其低插 入损耗、易于同光纤系统集成等优点，近2 0 年来，光纤光栅在光纤通信系统、微波光子 学系统、光纤传感和光信息处理等领域得到了广泛应用1 3 - 5 】。本文着重对光纤光栅在微波 光子滤波、波长开关以及光纤激光器中的应用作了深入研究。 1 4 1微波光子滤波 随着光学器件能适用于微波频段，微波光子领域跟随着光通信技术的发展而并行发 展。根据文献 4 2 ，4 3 ，微波光子领域可定义为对光学设备在微波频率上的使用及其在微波 和光学系统中的应用研究。该领域涵盖了从m h z 到t h z 的频率范围，包括毫米波和无线 8 1 绪论 电波。最普遍的微波光子处理是光滤波。微波信号的光滤波技术的发展和单模光纤的出现 紧密相关，因为单模光纤使得长距离低损耗地传输调制的光信号成为可能。早在1 9 7 6 年， k w i l n e r 等人首次提出了对微波信号进行光学处理m j 。紧接着，1 9 7 7 年，c t c h a n g 等 人报道了第一个微波光予滤波器的实用构造1 45 。目前，光纤光栅是一种使用最频繁的光滤 波器，这是由于其独特的波长选择特性以及低损耗、宽带、抗电磁干扰、质轻和化学稳定 等优点。光纤光栅在无线电波光纤传输( r a d i o o f - f i b e r ，r o f ) 、无线双向通信和广播、高 性能微波或毫米波的信号产生等微波光子领域有着很广泛的应用。 1 4 2 波长开关 在全光网络中，为了增加网络扩容和路由选择的灵活性，必须采用动态可配置分插复 用器( r o a d m ) 和波分复用器( r d w d m ) 。光纤光栅的可调谐特性使其成为实现 r o a d m 的最佳选择。光纤光栅作为激光器的选频器件和波长锁定器件时，为了获得准确 的波长定位，也需要对光纤光栅进行调谐和控制。在波长调制型传感器方面，光纤光栅的 可调谐特性也十分有用。所以光纤光栅的调谐技术是一个深受关注的研究热点之一。 改变格栅f h j 距或者光栅区域的有效折射率可用来调节光纤光栅的反射波长。对光纤光 栅波长进行调谐有多种方法，如用压电陶瓷( p z t ) 使光纤光栅发生应变4 6 , 4 7 】，热调谐【4 8 1 ， 对光纤加侧应力进行调谐1 4 9 】，基于悬臂梁的光纤光栅线性调谐【5 0 1 ，用磁场调谐5 1 】等。但 上述这些方法的调谐速度相对很慢( 微秒量级) ，不能很好地满足实际应用要求。因此， 有必要对如何实现光纤光栅调谐速度达到纳秒级的方法进行研究，使得光纤光栅成为一种 高速的波长开关。这在q 丌关光纤激光器、光纤激光器的腔倒空( c a v i t yd u m p i n g ) 、光 纤激光器的脉冲拾取( p u l s ep i c k i n g ) 、探头快速寻址以及光滤波器的再调整等方面有潜 在的应用价值。 1 4 3 光纤激光器 光纤激光器与光纤放大器的出现是与稀土掺杂光纤的发展密切联系在一起的，而与之 同步发展的其他光纤型器件如光纤光栅、谱滤波器、光纤环行器、光隔离器、半导体泵浦 激光器等则是对它们极大的丰富和完善。其中，光纤光栅的窄带滤波特性可实现稳定的、 高功率的线性腔和环形腔激光输出，因而它们成为光纤激光器不可缺少的组成器件。 多波长光纤激光器是光纤激光器的一个重要研究方向，主要可以分为四大类： 一基于稀土掺杂光纤的光纤激光器，以掺铒光纤激光器为主。这主要是由于掺铒光 9 浙江人学博f j 毕业论文 纤激光器输出波长与目前商用的光纤通讯波段兼容，而且掺铒光纤具有增益谱宽，增益高， 饱和功率高，闽值低等优点。但是，由于掺铒光纤在室温下是均匀展宽增益介质，铝硅玻 璃基掺钳光纤的均匀线宽达到1 1 2 6n n l 左右【5 2 5 3 1 ，锗硅玻璃基掺铒光纤的均匀线宽达到 3 4n m 左右，这将导致不同波长之间的模式竞争，而各个输出波长要同等消耗反转粒子数 导致的交叉增益饱和( c r o s sg a i ns a t u r a t i o n ) 使得竞争加剧。所以如果没有特殊的措施，掺 铒光纤激光器很难保持稳定而且功率均衡的多波长运转例。 二、基于半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ，s o a ) 的多波长光纤激光 器1 5 5 1 。 三、光纤拉曼多波长激光器【5 6 击0 1 。 四、布里渊与e d f 混合光纤多波长激光器【6 l - 6 4 1 。 多波长光纤激光器在在光纤通讯系统( 譬如w d m 系统、光码分多址( o p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o c d m a ) 系统) 、光纤传感、光信号处理、光谱分析以及r o f 等 领域有着潜在应用【6 5 0 1 。它在最近几年里持续受到广泛的关注，并且取得了一些重要的进 展。多波长光纤激光器的研究热点包括：如何提高输出稳定性；输出功率均衡；输出波长 可调、波长间隔可控；输出波段可控；更宽的输出谱范围和更多的输出波长；适当的输出 功率和功率转换效率。 1 5 本论文的章节安排 本文主要对光纤光栅在微波光子滤波、高速波长开关以及双波长可转换光纤激光器中 的应用做了深入的实验研究。理论研究和数值模拟帮助理解评价各种不同的实验结构。 本文的章节安排如下： 绪论里首先简述了光纤光栅的基本特性及其发展历史，接着介绍了光纤光敏性的发展 历史、机理及各种增敏技术，并对光纤光栅的分类方法进行了说明。然后，简单叙述了光 纤光栅在微波光子滤波、波长开关和光纤激光器中的应用背景和研究热点。 第二章简述了四种基本的光纤光栅制作技术及其优缺点，介绍了一个可以制作复杂结 构光纤光栅的系统，对该先进技术的基本原理和系统结构做了说明。最后简介了耦合模理 论和传输矩阵方法，是用来描述均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅最常用的方法。 第三章简述了对微波信号进行光滤波的两种滤波方式，并作了性能比较。接着提出了 直接光滤波和直接检测相结合的技术，在实验中通过一根具有双反射峰的光纤光栅滤波器 的滤波特性证明了该技术的可行性。详细地说明了实验结构和实验结果。最后描述了该技 10 i 绪论 术的若干应用。 第四章介绍了基于双孔光纤( 内含金属) 的光栅器件制作步骤，接着描述了测鼍这个 器件对温度特性的实验研究及讨论，然后重点介绍了该器件动态测量的实验研究和相关讨 论，最后陈述了对光栅器件动态实验的数值模拟，模拟结果与实验数据非常吻合。 第五章提出了实现双波长可转换光纤激光器的两个方法。描述了这两种激光器的实验 结构，与实验结果，分析了它们的工作原理，并对双波长转换的特性进行了详细的实验研究。 最后是全文的总结和对光纤光栅应用研究的展望。