（光学工程专业论文）高频co2激光脉冲写入掺硼长周期光纤光栅的特性研究.pdf

摘要 摘要 长周期光纤光栅( l p f g ) 是近几年发展起来的一种新型光纤无源器件，在光 纤通信和光纤传感领域中具有越来越广泛的应用。导师饶云江教授首次发明了高 频c 0 2 激光脉冲写入长周期光纤光栅的方法。数年来，本人所在课题组对长周期 光纤光栅的制作方法、成栅机理i 理论研究、基本特性以及实际应用等诸多方面 进行了深入系统的研究。 本文所采用的高频c 0 2 激光写入法是由计算机控制，其写入方法相对比较灵 活的。该写入方法的优点主要有单个脉冲加热时间短、脉冲能量集中、加热效率 高等，从而可以高效高质并且低成本地制作长周期光纤光栅。高频c 0 2 激光脉冲 在普通单模光纤中写入长周期光纤光栅时，由于c 0 2 激光是单侧加热光纤并且需 要激光能量较大，从而导致包层吸收不均匀引起光栅横截面折射率分布不均匀。 而对于b g e 单模光纤来说，纤芯重掺杂降低了玻璃的粘性，从而使其具有更低的 临界温度。因而当用较低的温度加热光纤时，就可以引起掺硼光纤玻璃结构的变 化，从而导致纤芯折射率发生变化。由于所需的激光能量很低因而基本不会改变 包层的折射率，所以在b g e 光纤上制作出的光栅其横截面折射率变化分布均匀， 因此在b g e 光纤上制作出的长周期光纤光栅的特性也与高频c 0 2 激光脉冲在普通 单模光纤上写入的长周期光纤光栅特性有所不同。 本文在对高频c 0 2 激光脉冲在普通单模光纤上写入长周期光纤光栅特性研究 的基础上，深入研究了高频c 0 2 激光脉冲在掺硼光纤上写入长周期光纤光栅的各 项特性。主要工作和成果如下： 1 、详细介绍了长周期光纤光栅的各种制作方法，并着重介绍了高频c 0 2 激光 脉冲写入长周期光纤光栅的方法。系统分析了c 0 2 激光写入的长周期光纤光栅的 形成机理，主要归结为残余应力释放、密度变化、掺杂剂热扩散和玻璃结构变化 四个方面。详细阐述了长周期光纤光栅的耦合模理论。 2 、研究了高频c 0 2 激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅的温度和轴 向应变特性。谐振波长随温度和轴向应变线性变化，b l p f g 的温度灵敏度大大高 于普通l p f g 而应变灵敏度低于普通l p f g ，透射峰幅值随轴向应变线性减小但对 温度不敏感。 3 、研究了高频c 0 2 激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅的弯曲特性。 i 摘要 研究发现b l p f g 弯曲特性的方向相关性极弱，在损耗峰( 1 5 5 7 n m 处) 幅值逐渐减 小的同时，其短波方向即1 5 4 0 n m 处出现了一个新的损耗峰，峰值逐渐增大，谐振 波长向短波移动。 4 、研究了高频c 0 2 激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅的扭曲特性。 随着扭曲度绝对值的增大光栅的谐振峰幅值线性减小，波长则随扭曲度的增大向 短波方向线性漂移。研究过程中发现，b l p f g 扭曲特性不存在方向性。 5 、研究了高频c 0 2 激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅谐振波长的 横向负载特性。同弯曲特性一样，其谐振波长的横向负载特性没有明显的负载方 向相关性。损耗峰幅值随横向负载线性减小但其灵敏度的方向相关性较弱。 6 、研究了高频c 0 2 激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅折射率特性。 在1 3 3 1 4 5 折射率变化范围内，谐振波长随着折射率的增大线性减小，损耗峰幅 值逐渐减小。 关键词：掺硼光纤，长周期光纤光栅，c 0 2 激光，耦合膜理论，特性研究 a b s t r a c t a bs t r a c t l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p f g ) h a sd e v e l o p e di n t oac r i t i c a lp a s s i v ed e v i c ef o r w i d e - s p r e a da p p l i c a t i o n si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n ds e n s o rt e c h n o l o g y t h i sm e t h o d t a k e sa d v a n t a g eo ft h e r m a ls h o c ke f f e c ti nh i i g hf r e q u e n c yp u l s e b e c a u s ep u l s ee n e r g y i ss of o c u s e da n ds i n g l eh e a tt i m ei ss h o r t ，w h i c hh e l pt oi n c r e a s eh e a te f f i c i e n c y t h u s ， w ec a l lw r i t et h el p f gb yl o wc o s t i nt h i st h e s i s ，t h ef a b r i c a t i n gm e t h o d ，f o r m a t i o n m e c h a n i s mf o rl p f gc h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o n sa r ef u l l ys t u d i e d h i g hf r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s ec o n t r o l l e db yc o m p u t e ri saf l e x i b l em e t h o d t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ff i b e rg r a t i n gb yt h i sw a yi sm o r es t a b l et h a nt h a tb yu l t r a v i o l e t w r i t t e nm e t h o d b u tm o r el a s e re n e r g yi sn e e d e dw h e nw ew r i t el p f gh i g h a b s o r p t i o ni nc l a d d i n gr e s u l t e di na s y m m e t r i cr e f r a c t i v e - i n d e xd i s t r i b u t i o nw i t h i nt h e c r o s s - s e c t i o no ft h el p f gc o m p a r e dt os i n g l em o d ef i b e r , b - d o p e ds i n g l em o d ef i b e r o w n sl o w e rc r i t i c a lt e m p e r a t u r e w i t hr e l a t i v e l yl o w e rh e a t i n gt e m p e r a t u r e ，w ec a l l m a k et h es i l i c as t r u c t u r ec h a n g e t h u s ，t h ec o r ei n d e xc a nb ec h a n g e dw i t has m a l l a m o u n to fl a s e re n e r g ya n dd i d n ta f f e c tt h ec l a d d i n gi n d e x t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r e d i f f e r e n tw i t hl p f gw r i t t e no ns i n g l em o d ef i b e rb yh i g hf r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e b a s e do nt h em e t h o do fl p f gw r i t t e no ns i n g l em o d ef i b e rb yh i 曲f r e q u e n c yc 0 2 l a s e rp u l s e ，w ef u l l ys t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl p f gw r i t t e no nb d o p e df i b e rb y l l i g hf r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e t h em a i nw o r ki sp r o v i d e da sf o l l o w s ： 1 w ef u l l yi n t r o d u c ef a b r i c a t i o nm e t h o d so fl p f ga n dt h em e t h o do fl p f g w r i t t e no nb - d o p e df i b e rb yh i g hf r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s ei nd e t a i l t h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mf o rl p f gw r i t t e nb yc 0 2l a s e ri sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e da sf o u r f a c t o r s ，i n c l u d i n gr e s i d u a ls t r e s sr e l a x a t i o n ，d e n s i t yc h a n g e ，t h e r m o d i f f u s i o n ，a n d s o f t e n i n gd e f o r m a t i o n , f o rt h ef i r s tt i m e ，t oo u rk n o w l e d g e an o v e ll p f gw r i t t e nb y h j 曲一f r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e si sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d ，a n dt h et e c h n o l o g y d on o tc a u s e ds o f t e n i n gd e f o r m a t i o n t h ec 0 2l a s e ro nt h ef i b e rr e s u l t e di na n a s y m m e t r i cr e f r a c t i v e - i n d e xd i s t r i b u t i o nw i t h i nt h ec r o s s s e c t i o no ft h el p f g 2 t h er e s o n a n tw a v e l e n g t ho ft h en o v e ll p f gw r i t t e nb yh i 曲一f r e q u e n c yc 0 2 l a s e rp u l s e ss h i f t sl i n e a r l yw i mt e m p e r a t u r eo ra x i a ls t r a i n t h ea m p l i t u d eo ft h el o s s i i i a b s t r a c t p e a kd e c r e a s e sl i n e a r l yw i t ha x i a ls t r a i n ，w h e r e a s ，i ti sh a r d l ya f f e c t e db yt e m p e r a t u r e c h a n g e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo fb d o p e dl p f gi sh i g h e rt h a nl p f go fs i n g l e m o d ef i b e rw h c r e a st h es t r a i ns e n s i t i v i t yi sl o w e rt h a nt h a to fl p f g 3 i ti sd i s c o v e r e di n d e p e n d e n t l yt h a tt h eb e n d s e n s i t i v i t yo ft h en o v e ll p f g w r i t t e nb yh i g h f r e q u e n c yc 0 2l a s e rp u l s e sd e p e n d ss t r o n g l yo nc u r v e dd i r e c t i o n t h e r e s o n a n tw a v e l e n g t hs h i r sl i n e a r l ya n dt h ea m p l i t u d ed e c r e a s e sl i n e a r l y 、斩也b e n d c u r v a t u r ea p p l i e dw h e nt h ec u r v a t u r ep l a n ei sa tt h eb e n d s e n s i t i v eo r i e n t a t i o n s c l a d d i n go fb - d o p e dl p f gh a ss y m m e t r i cr e f r a c t i v e - i n d e x d i s t r i b u t i o nw i t h i nt h e c r o s s s e c t i o n t h u s ，i ti sn o ta p p a r e n tb e n d - d i r e c t i o ns e n s i t i v i t y 4 i t i sd e m o n s t r a t e d ，f o rt h ef i r s tt i m et o0 1 1 1 k n o w l e d g e ，廿l a tt h et o r s i o n c h a r a c t e r i s t i co fr e s o n a n tw a v e l e n g t hf o rt h en o v e ll p f gw r i t t e nb yh i g h f r e q u e n c y c 0 2l a s e rp u l s e sd e p e n d ss t r o n g l yo nt w i s td i r e c t i o n t h a ti s ，t h er e s o n a n tw a v e l e n g t h s h i r sl i n e a r l yt o w a r dt h el o n g e rw a v e l e n g t ha st h el p f gi st w i s t e dc l o c k w i s e ， w h e r e a si ts h i f t sl i n e a r l yt o w a r dt h el o n g e rw a v e l e n g t ha st h el p f gi st w i s t e d c l o c k w i s e ，a n dt h ea m p l i t u d ed e c r e a s el i n e a r l y 谢n 1t h et w i s tr a t ea p p l i e d t h eu n i q u e t o r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o v e ll p f ga r ea n a l y z e du s i n gt h et w i s t i n d u c e d c i r c u l a rb i r e f r i n g e n e e 5 i ti sd e m o n s t r a t e d ，f o rt h ef i r s tt i m et oo u rk n o w l e d g e ，t h a tt h et r a n s v e r s e l o a d c h a r a c t e r i s t i co fr e s o n a n tw a v e l e n g t hf o rt h en o v e ll p f gw r i t t e nb yh i g h f i - e q u e n c y c 0 2l a s e rp u l s e sd e p e n d ss t r o n g l yo nl o a dd i r e c t i o n ，w h e r e a st h el i n e a rd e c r e a s eo f t h el o s s p e a ka m p l i t u d e i s i n d e p e n d e n t o nl o a dd i r e c t i o n t h ep o l a r i z a t i o n d e p e n d e n c eo f t h er e s o n a n tw a v e l e n g t hf o rt h en o v e ll p f gi sa f f e c t e db yt r a n s v e r s e l o a d i n ga n dd e p e n d so nl o a dd i r e c t i o n ，w h e r e a u s ，t h ep o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c eo ft h e l o s sp e a ka m p l i t u d ei sh a r d l ya f f e c t e db yt r a n s v e r s el o a d i n g k e y w o r d s ：b d o p e df i b e r , l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g , c 0 2l a s e r , c o u p l e d m o d et h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c ss t u d y i v 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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：斗血日期：溯。年。月乙日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：惶导师签名：二墼 日期：加z 驴年易月厶e l 第一章绪论 1 1光纤光栅的发展 第一章绪论 信息技术和传感技术在最近的几十年里发展迅速，对现代社会的发展进步起 到了很大的推动作用，其中以光纤通信和光纤传感技术为代表。上世纪初激光器 的发明使光纤通信有了稳定的信号光源。1 9 6 6 年英籍华人高锟提出用石英玻璃制 成光导纤维来传送光信号，从而使光纤通信有了传输媒介【l 】。上世纪7 0 年代随着 传输损耗约为2 0 d b k m 的光纤的研制，美国贝尔实验室建立了世界第一条实用化 的光纤通信线路。而光纤通信系统从实验室开始大规模走向商用则是由于大容量 的单模光纤和长寿命的半导体激光器的出现，特别是掺铒光纤放大器的发明和商 用。光纤通信系统显示出了距离长、容量大的巨大优越性。现在商用光纤通信系 统的传输速率已发展到多波长的数t b i t s s ( 1 t b s = 1 0 0 0 g b s ) ，而实验室光纤通信系 统的速率更是已达数十t b i t s s 。由于电子器件的局限性，光纤通信要求在全光域 里对光信号进行直接处理，即要向全光网络转换。这就要求人们直接在光域内进 行对光信号的各种处理，研究的重点遂转向了各种高性能全光器件【2 】。 传感器被广泛应用于人类感知外部世界的各种变化，但是电传感器易受外界 因素影响，且传输距离和使用寿命都比较短，复用能力差，易受到使用场合的限 制；因而光纤传感器作为一种新型智能传感器件，逐渐成为传感器的主流发展方 向之一。光纤传感通过对光信号的处理从而间接得到外界参量的变化。随着光纤 通信快速发展，降低了光纤器件成本，大大提高了光纤传感的竞争力，使光纤传 感面临巨大的发展机遇。 近年来，出现了一种可以直接在光纤中制作光栅的新技术。光纤光栅是一种 重要的处理光信号的光纤器件，其出现为光纤通信和光纤传感领域带来了又一次 重大变革。光纤光栅是通过不同方法在光纤内部形成周期性的波导结构，鉴于其 是一种基于光纤本身的波导结构，具有体积小、全兼容于光纤、可微型化、集成 化、附加损耗小等特点，因而便于实现与光通信或传感网络的互相连通，从而基 于光纤光栅的智能传感器和新型光有源和无源器件可被广泛的设计和大量的制 作。 电子科技大学硕士学位论文 光纤光栅主要分为布拉格( b r a g g ) 光纤光栅和长周期光纤光栅两类。1 9 7 8 年 加拿大通信研究中心研究人员利用驻波法在掺锗光纤中写出世界上第一支布拉格 光纤光栅【3 1 。1 9 9 6 年，美国a t & t 贝尔实验室首次利用紫外光在氢载光纤中写入 了长周期光纤光栅【4 】，标志着长周期光纤光栅的诞生。1 9 9 8 年，利用c 0 2 激光脉 冲写入长周期光纤光栅方法的提出使长周期光纤光栅进入一个新的发展阶段。 。经过几十年的发展，对光纤光栅的基础特性和应用方面的研究已逐渐形成体 系。布拉格光纤光栅是一种性能优良的反射式窄带滤波器或窄带带阻滤波器，在 光纤通信和传感方面已有了非常广泛的应用。在光纤通信领域主要应用于光放大、 光纤色散补偿、波长转换、激光锁模、光接收、波分复用等等；在光纤传感领域， 主要应用于对外界环境的单一参数以及多参量的同时测量等。 长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅不同，其模式耦合发生在纤芯基模与同向 传输的不同阶次的包层模之间，由此会产生一定的传输损耗，可作为一种性能优 良的带阻滤波器，与布拉格光栅相比其阻带要宽得多，没有回波影响。另一方面 长周期光纤光栅还可以根据实际要求选择合适的光栅参数灵活地进行光谱结构设 计已实现所要求的光谱特性。由于长周期光纤光栅的耦合特性，其谐振波长和幅 值对外界环境的变化非常敏感，其温度、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率 灵敏度都要比光纤布拉格光栅更好。另外长周期光纤光栅还有不受电磁干扰、插 入损耗小、全兼容于光纤、无后向反射等特点。因此长周期光纤光栅在未来光纤 通信和传感中，将具有越来越广泛的应用。 在光通信和传感系统中，长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅由于两者具有不 同的反射或透射特性，因而这两类器件经常互补使用，从而使它们成为目前应用 得最为广泛和成功的光纤型器件之一。随着光纤通信的不断发展，在未来的光纤 通信及光纤传感领域光纤光栅必将获得更加广泛的应用。 1 2 光纤光栅的分类 1 2 1 按周期大小分类 当光纤光栅的周期长短不同时，其具有传输特性也不一样。通常按照光纤光 栅周期的大小可分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅，短周期光纤光栅是指周 期小于1 a n 的光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；而长周期光纤光栅 指周期为几十至几百微米的光纤光栅，又称为透射光栅。 2 第一章绪论 短周期光纤光栅的特点是耦合发生纤芯中传输方向相反的模式之间，其反射 谱如图1 1 ( a ) 所示；长周期光纤光栅的特点是耦合发生在同向传输的纤芯基模和包 图1 - 1 ( a ) 光纤布拉格光栅反射谱 w a v e l e n g t h ( n m ) ( b ) 长周期光纤光栅透射谱 层模之间，无后向反射，其透射光谱如图1 1 ( b ) 所示，前者属于反射型带通滤波器， 后者属于透射型带阻滤波器。 1 2 2 按轴向折射率分布分类 光纤光栅的轴向折射率调制按其调制深度、相位和周期等的不同，构成了不同的 折射率调制类型，具有不同的光谱特性。下面介绍几种典型折射率调制类型的光纤 光栅。 ( 1 ) 均匀光纤光栅 褂 杂 谜 波长( m ) ( b ) 图1 2 ( a ) 均匀折射率调制的折射率曲线( b ) 均匀布拉格光栅的光谱图 均匀光纤光栅是研究最多也是最为常见的一种光纤光栅，其周期和折射率调 制大小均为常数。如图1 2 所示。均匀布拉格光栅的反射谱具有对称的边模振荡。 被广泛应用于光纤激光器、光纤传感器、波分复用解复用等领域。 3 o 2 4 6 8 0 2 4 6 8 1 “ oo 4 0 一mde；jloldcois s!t_cc傅1l卜 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 啁啾光纤光栅 图1 ，3 啁啾光纤光栅的折射率曲线 啁啾光纤光栅【6 1 的特点是光栅的周期不是固定常数而是沿轴向逐渐变化。如图 1 3 所示。线性啁啾光纤光栅的周期变化呈线性函数，线性啁啾光纤光栅的平均色 散与啁啾量成反比，与光纤长度的平方成正比。啁啾布拉格光栅可反射不同波长 的入射光，广泛应用于大容量密集波分复用( d w d m ) 系统的色散补偿器。 ( 3 ) 高斯切趾光纤光栅 褂 杂 蟋 波长( 砌) ( a )( b ) 图l _ 4 ( a ) 高斯切趾光纤光栅的折射率曲线( b ) 高斯切趾布拉格光栅的光谱图 高斯切趾光纤光栅 7 1 的特点是沿光纤轴向光致折变大小以高斯函数变化。如图 1 - 4 所示。高斯切趾光纤光栅的反射谱是不对称的，在长波方向具有平滑的光谱， 在短波方向则因为非均匀直流分量的折射率变化而存在边模振荡结构，其震荡间 隔由光栅长度决定，光栅长度越长，振荡间隔越密，即折射率调制越大，振荡幅 度越大。 ( 4 ) 升余弦切趾光纤光栅 升余弦切趾光纤光栅【8 】的特点是沿光纤轴向折射率变化为升余弦函数，并且平 均折射率变化为零，从而有效抑制了均匀光栅反射谱两边的边模震荡，这类光纤 4 第一章绪论 8 n 6f6h 兰 一w v l f扩一7 褥 杂 呕 波长( n m ) ( a )( b ) 图l - 5 ( a ) 升余弦切趾光纤光栅的折射率曲线( b ) 升余弦切趾布拉格光栅的光谱图 光栅主要应用在波分复用( d w d m ) q b 。如图1 5 所示。切趾可以有效抑制均匀光栅 反射谱的边模振荡，利用不同的变迹函数可以获得不同的抑制效果。常用的有高 斯函数、余弦函数、双曲正切函数和升余弦函数等。 ( 5 ) 相移光纤光栅 图1 - 6 相移光纤光栅的折射率曲线 相移光纤光栅 9 】的特点是光栅在某些特定的位置产生相位跳变，通常是兀相位 跳变，改变了光谱的特性。如图1 - 6 所示。相移使光纤布拉格光栅反射谱中打开一 个缺口。缺口在反射谱中的位置由相移的大小决定，缺口的深度由相移在光栅波 导结构中出现的位置决定。当相移出现在光栅结构中央时，缺口深度最大。因此 相移光纤布拉格光栅主要应用在制作窄带通滤波器以及分布反馈式( d f b ) 光纤 激光器等 1 1 】。相移使长周期光纤光栅透射谱的阻带中产生一个窄的通带或者由于 干涉形成很多窄的通带。相移长周期光纤光栅主要应用在增益平坦、光分插复用 器等。 ( 6 ) 超结构光纤光栅 超结构光纤光栅【5 】的特点是光栅的折变区域不连续，由许多小段光栅构成。如 5 电子科技大学硕士学位论文 1 2 1 0 8 墼0 6 螈 呕0 4 o 2 ( a ) 图l 一7 ( a ) 超结构光纤光栅的折射率曲线 果小段光栅之间的距离有一定周期性则又称为取样光栅。如图1 7 所示。此类光栅 的反射谱存在类似梳状滤波的等间距尖峰。光栅长度决定了每个尖峰的带宽和反 射率，光栅长度越长则每个尖峰的带宽越窄反射率越高。 ( 7 ) 倾斜光纤光栅 图1 - 8 倾斜光纤光栅的折射率曲线 倾斜光纤光栅( 即闪耀光纤光栅) 【5 ，1 0 1 的特点是光栅的条纹与光纤轴向的夹角 小于9 0 。如图l 一8 所示。光栅条纹倾斜主要会有效地降低光栅的条纹可见度， 对辐射模耦合影响很明显，减弱了布拉格反射。因此选择合理的倾斜角度就可以 增强辐射模或束缚模的耦合，从而抑制布拉格反射。对倾斜长周期光纤光栅来说， 不同情况下其谐振峰是不同的。倾斜布拉格光纤光栅主要应用于光传播模式转换器 【1 2 1 及掺铒光纤放大器的增益平坦裂1 3 1 等。 1 2 3 按形成机理分类 按照形成机理光纤光栅可分为： ( a ) 光敏性形成的光纤光栅，其形成机理：激光曝光掺杂光纤诱导其光敏性从 而使折射率发生变化而形成光纤光栅。 6 第一章绪论 按照折射率调制的强弱，光敏性光纤光栅又可分三种：i 型光纤光栅是由连续 u v 光或者能量较弱的u v 光脉冲曝光光敏光纤形成的，折射率变化约1 0 巧数量级 【1 4 l5 1 。i 型光纤光栅具有较理想的透射谱，是目前最常见的一种光纤光栅。i i 型光 纤光栅一般由能量较高的u v 光脉冲在高掺锗光纤中写入，折射率变化1 0 3 数量级 1 6 3 。i i 型光纤光具有良好的热稳定性而且只需单个脉冲曝光就可制成1 0 0 反射率 的光栅。i i i 型光纤光栅一般是在纤芯较小而掺锗浓度较高的光敏光纤中写成的， 它的热稳定性介于i 型和i i 型光纤光栅之间【l 丌。 ( b ) 弹光效应形成的光纤光栅，其形成机理：周期性的残余应力释放或光纤的 物理结构变化，光纤的轴向应力分布周期性的改变，由于弹光效应导致光纤折射 率发生轴向周期性变化，形成光纤光栅。 1 3 长周期光纤光栅的应用 通过特定方法使光纤纤芯和包层的折射率发生轴向周期性变化，这是长周期 光纤光栅的形成机理，它种新型光纤无源器件。由于其体积小、全兼容于光纤、 熔接损耗小、能埋入智能材料、无后向反射，并且其谐振波长对温度、应变、折 射率、浓度等外界环境的变化非常敏感，因此广泛的应用在光纤通信和传感领域 【1 8 】 o 1 3 1 长周期光纤光栅在通信领域的应用 长周期光纤光栅的优势主要有附加损耗小、无后向反射、不受电磁干扰、全 兼容于光纤，比布拉格光纤光栅具有更大的阻带宽度，是一种很好的传输型带阻 滤波器。因而长周期光纤光栅在光纤通信中得到广泛的应用，可用作噪声滤波器、 掺铒光纤放大器( e d f a ) 、耦合器、增益均衡器、模场转换器、光分插复用器等， 其中最重要的应用是e d f a 的增益均衡器、噪声滤波器。 ( 1 ) 增益均衡器：在高比特率的d w d m 通信系统中，各个信道由于e d f a 的 增益谱不平坦而得到的增益不同，从而导致信号传输产生误码。长周期光纤光栅 是一个理想的传输型的带阻型滤波器，而且没有回波影响，因此只需级联多个不 同阻带特性的长周期光纤光栅便可以获得所需的滤波特性。又因为长周期光纤光 栅写入的灵活性，因而可以通过级联方式使不同带阻特性的光栅形成特殊带阻特 性的光栅的方法或者重新设计光栅的参数来获得特殊带阻特性的光栅方法，可得 到与e d f a 增益谱线倒像的损耗特性，抵消e d f a 增益谱中的高增益部分，从而 7 电子科技大学硕士学位论文 使e d f a 的增益谱的谱线在通过长周期光纤光栅后变得平坦。 1 9 9 6 年，首次通过两支级联紫外光写入的具有不同谐振波长的长周期光纤光 栅实现了在e d f a 的c 波段约3 0 r i m 的范围内静态约0 2 d b 的平坦度i l 引。之后人 们提出了很多种写入特殊特性长周期光纤光栅的方法并用于e d f a 的静态增益平 坦。同时在d w d m 系统中，e d f a 输出谱的动态增益均衡非常重要，特别是在e d f a 的级联中，尤其需要动态增益均衡器。长周期光纤光栅通过采用光纤声光可调谐 动态增益均衡技术【2 们、微机电系统( m e m s ) 控制的动态增益均衡技术【2 1 , 2 2 】、以 及利用分段控制长周期光纤光栅的温度来动态平坦信号增益谱的技术【2 3 】等等也可 用作动态增益均衡器。 ( 2 ) 滤波器：激光器的放大自发辐射( a s e ) 噪声会降低了通信系统的信噪比， 使信号的增益系数减弱，严重影响通信质量。长周期光纤光栅作为带阻滤波器可 以有效的滤除a s e 噪声。2 0 0 2 年起，我们课题组相继提出利用高频c 0 2 激光脉冲 写出的长周期光纤光栅来改善前置e d f a 和线路e d f a ，通过滤除a s e 噪声，分 别达到了降低前置e d f a 噪声系数、提高线路放大器小信号增益目“2 4 2 5 ，2 6 1 。此外， 长周期光纤光栅还可以用于滤除放大器的指定波段的光，例如拉曼放大器的斯托 克斯线，拉曼放大器或者掺铒光纤放大器中多余的泵浦激光( 9 8 0 或者1 4 8 0 r i m ) ， 从而减小泵浦激光对信号光的影响。 1 3 2 长周期光纤光栅在传感领域的应用 光纤有效折射率、光栅周期等参数会根据外界环境( 温度、应力、应变、浓 度) 的变化而变化，从而导致其谐振波长发生变化，周围环境参量的变化可通过 测量光栅谐振波长的变化获得，这就是长周期光纤光栅用作光纤传感器的基本传 感原理。通常情况下光纤光栅的传感信息是根据波长来编码的，这样就避免了强 度调制传感器必须补偿损耗以及光源输出功率起伏带来的问题。 与光纤布拉格光栅相比，长周期光纤光栅是一种无后向反射的透射型光纤光 栅，在传感测量系统中不需要使用隔离器来抑制反射光的干扰且具有较高的测量 精度。另外，长周期光纤光栅的周期相对较长，其模式耦合发生在同向传输的纤 芯基模和包层模之间，因此其谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，其温 度、应变、弯曲、扭曲、横向负载和折射率等特性的灵敏度比光纤布拉格光栅更 好 2 7 , 2 8 。利用长周期光纤光栅不受电磁干扰、稳定性好、体积小，能埋入工程材 8 第一章绪论 料的优点，可以实现智能结构，因此长周期光纤光栅在光纤传感领域具有非常广 泛的应用，越来愈受到关注。 ( 1 ) 单参数传感 l p f g 谐振波长对于温度、应变等外界环境参数的变化非常灵敏，因而可以作 为优良的物理参数传感。 长周期光纤光栅的谐振波长都是随温度变化线性漂移，但是根据其写入方法 和光纤种类的不同，谐振波长的漂移方向和温度灵敏度大d , 9 l u 有所不同，因此可 以作为温度传感器使用。用电弧法写入的l p f g 具有良好的高温特性，可用作高 温下的温度传感器；长周期光纤光栅的横向负载灵敏度比光纤布拉格光栅高两个 数量级，并且谐振波长随负载线性变化，因此可以横向负载传感器；l p f g 的谐振 波长随着弯曲曲率的增大而线性漂移，其灵敏度具有方向性，因此可用于测量弯 曲曲率。 生物化学量测量：长周期光纤光栅的模式有效折射率会根据外界环境折射率 的改变而发生变化，使长周期光纤光栅的模式耦合发生变化，从而改变了光栅谐 振峰波长位置和峰值。因此，可以利用l p f g 制成的化学传感器实现对液体折射 率、浓度等生物化学量的实时测量。用在外表面涂有特殊塑料覆层的l p f g 制成 的化学传感器，塑料涂覆层的折射率会由于湿度或有毒化学物质发生变化，从而 改变l p f g 的模式耦合特性，可以实现对相对湿度和有毒化学物质的实时监测。 利用紫外曝光法在d 型光纤上写入的长周期光纤光栅对外界环境折射率的变化很 敏感，可以用于测量水溶液折射率和浓度、气体浓度等化学量。基于静电自组装 技术在长周期光纤光栅外表层沉淀丙烯氨氢氧化物和丙烯酸，敷层厚度为解调信 号光波长数量级，制作了可重复使用的p h 传感器。 ( 2 ) 多参数测量 长周期光纤光栅模式耦合属于纤芯基模与同向传输的一阶包层模之间的耦 合，因而具有多个损耗峰，从而可以用一个长周期光纤光栅实现对多参数的测量， 用机械微弯法制作的长周期光纤光栅实现了分布式压力传感。但是由于长周期光 纤光栅周期长，谐振峰多，带宽大，因此它很容易受到多个环境参量的影响。故 长周期光纤光栅在实现多参数的同时测量的同时，还必须考虑如何克服部分参数 之间的交叉敏感问题。 目前，主要通过两种手段解决交叉敏感问题。一是利用两种或两种以上传感 器的组合，二是利用l p f g 有多个损耗峰的特性。在这两个方案的基础上解决了 交叉敏感的问题并同时实现了对多参数的测量。用l p f g 和f b g 的组合实现对温 9 电子科技大学硕士学位论文 度和应变的同时测量并解决了温度和应变之间的交叉敏感问题。用温度不敏感的 l p f g 实现了对折射率和应力的同时测量，并解决了温度、应变、折射率之间的交 叉敏感问题。将f b g 和l p f g 组合构成一种超结构光栅，用于压力和温度的同时 测量。 ( 3 ) 分布式传感 分布式传感的研究主要集中在应变传感技术中。由于长周期光纤光栅光学特 性，一般都是联合格光纤光栅，珐珀传感器来实现分布式测量，很少单独使用。 本实验室利用l p f g 、f b g 和非本征型光h 干涉腔等其它传感器的结合实现了 温度一静态应变一振动一横向负载四参数同时测量。利用1 5 7 n m 激光加工的f p 腔和长周期光纤光栅的结合实现了应变和高温的同时测量【2 9 。 2 4 本论文研究的主要内容及结构安排 长周期光纤光栅由于其周期相对较长且模式耦合发生在同向传输的纤芯基模 和包层模之间，因而长周期光纤光栅的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏 感。与光纤布拉格光栅相比，长周期光纤光栅具有更理想的温度、轴向应变、弯 曲、扭曲、横向负载灵敏度。这些特性虽然使其在光纤传感领域用处广泛，但在 光纤通信领域中的应用却受到了限制。 b g e 光纤由于其纤芯重掺杂，因而高频c 0 2 激光脉冲制作出的掺硼长周期光 纤光栅与高频c 0 2 激光脉冲制作出的普通长周期光纤光栅的光学特性有所不一致， 因而挖掘其在光纤通信和光纤传感领域里的应用是非常有意义的。 所以，本课题将重点对高频c 0 2 激光脉冲在b g e 光纤中写入的长周期光纤光 栅的温度、弯曲、扭曲、轴向应变、横向负载和折射率等特性进行研究，分析其 内在机理，并探讨其在各领域中的应用。 论文的结构如下： 第一章首先介绍了了本论文的研究背景、光纤光栅的发展、分类以及长周期 光纤光栅在通信和传感方面的应用，明确了本文研究的领域和目标。 第二章首先介绍了长周期光纤光栅的各种制作方法，各有其优缺点；重点介 绍了本文所探讨的关于c 0 2 激光写入法，分析了其形成机理、特点。 第三章首先阐述了长周期光纤光栅耦合模理论。根据耦合模理论，推导出长 周期光纤光栅的耦合模方程，谐振波长等，这是分析掺硼长周期光纤光栅各种特 性的理论基础。然后分别研究了掺硼长周期光纤光栅的温度、弯曲、扭曲、轴向 1 0 第一章绪论 应变、横向负载和折射率特性，并根据长周期光纤光栅的理论解释其内在机理。 最后一章对全文进行总结，并提出下一步研究建议和未来可能的研究方向。 电子科技大学硕士学位论文 第二章高频c 0 2 激光脉冲写入法及其形成机理 2 1 长周期光纤光栅写入法的比较 长周期光纤光栅有多种写入方法，各种写入法形成机理各异，写出的长周期 光纤光栅具有不同的特性，因此其应用的领域也不尽相同。 2 1 1 紫外光写入法 长周期光纤光栅有多种写入方法，紫外光写入法是人们最常用的一种。紫外 光写入法的基本原理是利用紫外光曝光氢载掺锗光纤引起纤芯折射率周期性调制 而形成长周期光纤光栅。利用紫外光写入法人们第一次在氢载光纤中写入了长周 期光纤光栅是在1 9 9 6 年，这标志着长周期光纤光栅的诞生。该方法主要是利用掺 锗光纤的光敏性为形成机理。相位模板和振幅模板是现在比较普遍的利用光纤的 光敏性在光纤中写入光纤光栅所用的模板，但是对于长周期光纤光栅写入时通常 只用振幅模板。但是相位模板还是振幅模板成本高，并且光栅的写入周期不能随 意调节，对于研究和实验都比较不便，基于这个问题人们开始研究其他运用幅值 掩模法制作长周期光纤光栅的方法或者选用不同波长的激光器，比如微透镜阵列 法【3 0 】、莫尔条纹振幅模板法【3 l 】、 1 9 3 n ma r f 准分子激光器【3 2 】、1 5 7 n m 氟分子激光 器【3 3 】等等。 准分鬻l1 毒阵列 单模光纤e毛圣圣三圣三三萎三三圣茎三零i l ? 、一4 ，。? 。一 # 。，。t l l - 。? i 。j + ，“。t 。嘿、。t 。t 妒一： ； i “。j + 一 i ：】 单模光纤k i 天j j ( 瓦兀j 了o 瓦兀天o w 。 图2 1 微透镜阵列法写入长周期光纤光栅的写入装置 1 2 第二章高频c 0 2 激光脉冲写入法及其形成机理 微透镜阵列写入法【矧的基本原理是通过激光聚焦将平行的宽束准分子变成平 行等间距的光条纹，再照射到单模光纤上写入长周期光纤光栅。图2 1 是微透镜阵 列法写入长周期光纤光栅的实验装置，柱形微透镜的材料是石英玻璃，相邻微透 镜之间紧密接合无间隙，相邻微透镜之间的中心间距决定了写入光栅的空间周期， 被曝光的光纤置于透镜的焦平面上。当一宽束准分子激光垂直地入射到微透镜阵