（光学工程专业论文）基于光纤光栅的用于光通信及传感的一些器件研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 信息技术改变了我们的生活。光纤作为信息传输的主要载体在信息化的过程中发挥 了重要的作用，各种类型的光纤型器件共同构建了现代信息高速公路，光纤光栅，包括 布拉格光纤光栅( f b g ) 及长周期光纤光栅( l p g ) ，由于它们的波长选择特性已经成为 光纤通信系统的核心器件；与此同时，基于光纤的各种传感器件还承担了信息采集的重 任，为信息的获取发挥了重要作用，光纤光栅由于其本身具有自参考及复用能力，存光 纤传感领域也得到广泛应用。 本论文就光纤光栅在光纤通信器件及光纤传感领域的几个应用作了较深入的理论和 实验研究。论文的主要工作可归纳如下： 首先，用耦合模理论和传输矩阵分析法，结合c h 编程技术，模拟计算了各种光纤 光栅的光谱，包括均匀布拉格光纤光栅、切趾光栅、啁啾光栅及长周期光栅等，并对这 些光栅的光谱特性作了深入分析。作为主要人员搭建了光纤光栅制作系统，并利用仪器 编程技术实现了光栅制作过程和光谱数据采集的自动化。根据光纤光敏性机理，研制了 光纤高压载氢系统，使得在各种类型的光纤上制作光栅成为可能。 l p g 是一种带阻滤波器件，其光谱阻带形状可根据光栅参数进行定制。详细分析了 l p g 的光谱特性的基础上，阐述了用于掺铒光纤放大器( e d f a ) 增益甲坦的原理；并 基于l p g 的光谱定制能力，提出了一种结构化l p g 用于宽带e d f a 增益平坦。该结构 化l p g 由多段l p g 组成，每段具有不同的光栅参数，理论分析了该结构的光谱特性； 利用遗传算法针对增益带宽超过8 0 n m 的e d f a 增益谱进行增益平坦优化，得出光栅各 段的参数；根据优化结果实际制作了不平坦度小于0 6 9 扭的e d f a 增益平坦器，给出 了全面的实验过程和分析结论，对理论和实验结果作了比较，实验和理论计算符合的很 好。 同一根光纤上相距一定距离的两段l p g 构成了光纤型的马赫一泽德干涉仪( m z i ) ， m z i 的多波长滤波特性可用来实现多波长滤波。对基于l p g 的m z i 的光谱进行了理论 分析，探讨了增加基于l p g 的m z i 有效带宽的几种方法。提出了一种阶跃型l p g ，采 用遗传算法优化得到一个宽带平底光谱的光栅光谱，并用该光栅构建一个宽带多波长滤 波器；最后实验制作了该多波长滤波器并测试了其光谱特性，并给出了光栅制作过程和 分析结论。 基于多模光纤光栅( m f b g ) 的偏振相关损耗，提出了利用m f b g 实现掺铒光纤激 光器的四个波长同时运转，并可在四个波长之间进行切换。利用掺铒光纤( e d f ) 两能 级理论模型介绍了e d f 的放大原理，并阐述了e d f 的均匀展宽特性及其作为多波长激 光器的增益介质时存在的l 口j 题；就如何抑制e d f 的均匀展宽并实现掺铒光纤激光器常温 下多波长运转比较了几种方法，并重点分析了利用偏振烧孔效应的方法；对m f b g 的光 摘要 谱特性及偏振相关损耗进行了研究，并基于m f b g 和重叠腔原理提出了一种同时产生四 个波长的多波长掺铒光纤激光器，且调节偏振控制器可实现波长切换。文中对m f b g 制 作及光纤激光器的工作原理及过程作了详细介绍，并对实验结果进行了分析。 l p g 的耦合特性决定了其透射谱对环境折射率敏感，基于l p g 的m z i 由于其特殊 的祸合机制使得其具有比单个l p g 更精细的干涉条纹，可以提高波长检测的分辨率理 论分析表明，通过改变光纤结构可以提高折射率灵敏度，就如何提高基于l p g 的m z i 的折射率测量灵敏度提出了两个方案：中间腐蚀l p g m z i 及中间拉锥l p g m z i 。根 据这两个方案实验制作了这两个传感器，并对这两个传感器进行了实验测量。实验结果 表明，通过改变l p g m z i 中间的光纤结构可以有效提高折射率测量的灵敏度。文中详 细研究了该传感器制作的关键技术，并介绍了传感器制作的详细过程。 最后，针对折射率传感中温度交叉敏感问题提出了一种双l p g 传感器结构。构成该 传感器的两个l p g 对折射率具有较大灵敏度差异，而对温度变化的灵敏度差异很小。利 用这个特性，可以实现温度和折射率同时测量，利用灵敏度矩阵，只要测量获得两个l p g 的波长移动量，就可以计算得到环境的折射率及温度变化。这种折射率温度同时测量方 案具有结构简单、易于制作等优点。 关键词：光纤光栅，光纤光栅制作技术，增益平坦器，滤波器，多波长光纤激光器，马 赫一泽德干涉仪，光纤传感器，生化传感器，折射率测量，折射率温度交叉敏感，灵敏 度 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc h a n g e so u rl i f e a sam a i nc a r r i e ro fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n m e d i u mo p t i c a lf i b e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so fi n f o r m a t i o n v a r i o u st y p e so f o p t i c a lf i b e r - b a s e dp h o t o n i c sd e v i c e sm a k eu pa m o d e mi n f o r m a t i o nh i g h w a y f i b e rg r a t i n g s ， i n c l u d i n gf i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) a n dl o n g - p e r i o dg r a t i n g s ( l p g s ) ，a r e c r i t i c a l c o m p o n e n t sd u et ot h e i rs p e c t r a ls e l e c t i v i t y f u r t h e r m o r e ，f i b e r - b a s e ds e n s o r sa r ea l s ow i d e l y u s e di nt h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n f i b e rg r a t i n g - b a s e ds e n s o r sh a v et u r n e di n t oo n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tc l a s so fo p t i c a lf i b e rs e n s o rd u et ot h e i ri n h e r e n ts e l f - r e f e r e n c i n ga n d m u l t i p l e x i n gc a p a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，s e v e r a lf i b e rg r a t i n g - b a s e dp h o t o n i c sd e v i c e sf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s a n ds e n s i n ga p p l i c a t i o n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h em a i n c o n 伦n t sa r el i s t e df i t sf o l l o w s ： f i r s t l y t h es p e c t r ao fv a r i o u sf i b e rg r a t i n g s ，i n c l u d i n gu n i f o r mf b ga p o d i s e df b g c h i r p e df b ga n dl p gw e 陀t h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e dw i t ht h ec o u p l e dm o d et h e o r ya n d t r a n s f e rm a t r i xm e t h o db yc + + p r o g r a m m i n g t h es p e c t r a lp r o p e r t i e so fs u c hg r a t i n g sw e r e a l s oa n a l y z e d d u r i n gt h ep r o j e c tw eh a v ee s t a b l i s h e daf i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o ns y s t e m f u r t h e r m o r e ，ap r o g r a mw a sd e v e l o p e dt oa u t o m a t et h e 掣a t i n gf a b r i c m i o ns y s t e ma n dd a t a a c q u i r i n g w eh a v ea l s od e s i g n e da n dd e v e l o p e dah i g h - p r e s s u r eh y d r o g e n l o a d i n gs y s t e m , w h i c hm a d et h eg r a t i n gf a b r i c a t i o no nv a r i o u st y p e so ff i b e rp o s s i b l e 1 1 坨g r a t i n gf a b r i c a t i o n s y s t e ma n df i b e rh y d r o g e n - l o a d i n gs y s t e mp r o v i d eag o o de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt h e f o l l o w e dr e s e a r c h l p g sa r ee s s e n t i a l l yb a n d - r e j e c t i o n 励t e r sa n dt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r ac a l lb et a i l o r e d a c c o r d i n gt ot h eg r a t i n gp a r a m e t e r s w ep r o p o s e dan o v e ls t r u c t u r e dl p g a sg a i n - f l a t t e n i n g d e v i c e so fe r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f e r ( e d f a ) b a s e do nt h es p e c t r a lt a i l o r i n gc a p a b i l i t yo f l p gt h es t r u c t u r e dl p gi sc o m p o s e do ft h r e es e c t i o n s e a c hs e c t i o no fw h i c hh a sd i f f e r e n t g r a t i n gp a r a m e t e r s i no r d e rt oo b t a i nag a i n - f l a t t e n i n gs p e c t r u mf o ra ne d f aw i t hag a i n b a n d w i d t ho fo v e r8 0n m ，w eh a v eo p t i m i z e dt h eg r a t i n gp a r a m e t e r sw i t has e l f - d e v e l o p e d g e n e t i ca l g o r i t h m w ea l s oh a v ef a b r i c a t e dt h ep r o p o s e ds t r u c t u r e dl p gw i t ht h eg r a t i n g p a r a m e t e r s b yc o n c a t e n a t i n gt h el p ga n de d f aag a i n - f l a t t e n i n gs p e c t r u mw i t hf l a t n e s s w i t h i n o 6 9 d 8i sa c h i e v e d t w ol p g ss e p a r a t e dw i t ha ni n t e r v a li nas a m ef i b e rc o m p o s ea ni n - f i b e rm a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) ，w h i c hc a nb eu s e da sm u l t i w a v e l e n g t hf i l t e r t h ei s s u eo fh o wt o e n l a r g et h ee f f e c t i v eb a n d w i d t ho fs u c hl p g - b a s e dm z ii s t oe n l a r g et h eb a n d w i d t ho f l i i a b s t r a c t c o m p o s e dl p g s w ep r o p o s e da n o v e ls t e p - c h a n g e dl p gi nw h i c ht h em u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e i ss u p p r e s s e db u tt h es p e c t r a lt a i l o r i n gc a p a b i l i t yh a sb e e ni m p r o v e d w i t hg e n e t i ca l g o r i t h m w eo p t i m i z e dt h eg r a t i n gp a r a m e t e r so fs u c ha e p - e h a n g e dl p g t oo b t a i na nl p gw i t haw i d e f l a t b o t t o mt r a n s m i s s i o ns p e c t r u m w ch a v ef a b r i c a t e dt h ew i d e b a n dm u l t i w a v e l e n g t hf i l t e r b a s e do nt h es t e p - c h a n g e dl p ga n dd e m o n s t r a t e di t ss p e c t r ap r o p e r t i e s a m u l t i w a v e l e n g t he r b i u md o p e df i b e r ( e d f ) l a s e ru s i n g m u l t i m o d ef i b e rb m g gg r a t i n g s ( m f b g s ) w a sp r o p o s e d t i l ea m p l i f i c a t i o np r i n c i p l eo fe d fw a si n t r o d u c e dw i t h t h e t w o 1 e v e lm o d e l d u et oi t se x c e l l e n ta m p l i f i c a t i o ne d fh a sa l s ob e e nu s e df o rf i b e rl a s e r h o w e v e r , e d fi se s s e n t i a l l yah o m o g e n e o u sb r o a d e n i n gm e d i u ma tr o o mt e m p e r a t u r e , w h i c h l e a d st om o d ec o m p e t i t i o ni nt h em u l f i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e rw h e nu s i n ge d f a sg a i nm e d i u m s e v e r a lm e t h o d st os u p p r e s st h em o d ec o m p e t i t i o ni nt h ee d fl a s e r , i n c l u d i n gt h ep o l a r i z a t i o n h o l e b u r n i n g ( p h b ) ，w e l ei n t r o d u c e d 1 1 1 ep r o p e r t i e so fm f b gw e r ea l s oa n a l y z e da n d m f b gi sap o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n tl o s se l e m e n t , w h i c hp r o v i d e sp h b b yc o m b i n i n gp h b a n do v e r l a p p e dg a i nc a v i t i e sw er e a l i z eaf o u r - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r , a n dt h ew a v e l e n g t h sc a n b es w i t c h e db yc o n t r o l l i n gt h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s t h eg r a t i n gf a b r i c a t i o na n dh o wt h e f i b e rl a s e rw o r k sw e r ed e t a i l e di n t r o d u c e d n es p e c t r ao fl p g sa r es e n s i t i v et ot h es u r r o u n d i n gr e f r a c t i v e - i n d e x ( ) w h i c hi s d e t e r m i n e db yt h em o d e c o u p l i n gm e c h a n i s mo fl p g s c o m p a r e dw i t has i n g l el p g l p g - b a s e dm z ip r o c e s s e ss h a r p e rr e s o r a n c ep e a k s ，w h i c hh e l pt oi m p r o v ew a v e l e n g t h m e a s u r e m e n t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h es e n s i t i v i t yt o 刚o fl p g - b a s e dm z ic a n b ei m p r o v e db yc h a n g i n gt h ei n t e r v a ls e c t i o nb e “v e t w ol p g so fm z i i nt h et h e s i sw e p r o p o s e dt w os c h e m e st oi m p r o v et h el us e n s i t i v i t y ：t h ee t c h e di n t e r v a la n dt h et a p e r e d i n t e r v a ls e h e m e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el us e n s i t i v i t yc a nb ec f f e c t i v e l y i m p r o v e dw i t hs u c hs c h e m e s d i s c r i m i n a t i o nb e t w e e nr ia n dt e m p e r a t u r ei sac r i t i c a li s s u ei n s e n s i n g w ep r o p o s e d as e n s o rb a s e do i lad u a l - l p gs t r u c t u r ef o rs i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to f l ua n dt e m p e r a t u r e t h et w ol p g sp o s s e s s e ds i m i l a rt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yb u td i f f e r e n tl us e n s i t i v i t y i ft h e w a v e l e n g t hs h i f t so ft w ol p g sw e r eo b t a i n e d u s i n gs e n s i t i v i t y m a t r i xt h ec h a n g e so fr ja n d t e m p e r a t u r ec a nb ec a l c u l a t e d ，r e s p e c t i v e l y s u c hs c h e m ef o rs i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to f r l a n dt e m p e r a t u r ei sr e l a t i v es i m p l ea n de a s y f a b r i c a t e d k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g s ，g r a t i n gf a b r i c a t i o n ，g a i ne q u a l i z e r , f i l t e r s ，m u l t i w a v e l e n g t hf i b e r l a s e r , m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , o p t i c a l f i b e rs e n s o r s ，c h e m i c a la n db i o - s e n s o r s ， r e f r a c t i v e i n d e x ( p d ) m e a s u r e m e n t , c r o s s - s e n s i t i v i t y , s e n s i t i v i t y i v 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及目的 信息技术正在成为推动世界经济和社会全面发展的关键动力，随着社会经济的发展 及信息化程度的不断提高，人们对信息传递技术( 通信技术) 和信息采集技术( 传感技 术) 的要求不断提高。 1 9 6 6 年英国籍华人科学家高锟( k c k a o ) 分析了玻璃光纤损耗大的主要原因，并 提出通过降低玻璃中的杂质以降低光纤传输损耗。此后大量针对降低光纤损耗的研究成 果被提出。1 9 7 9 年，光纤在1 5 5 0 n m 波段的损耗已经降低到0 2 d b k m 【，光纤逐步显 示出其低损耗和拥有的巨大频带资源优势除此之外，光纤还具有体积小、重量轻、抗 干扰性好、原材料丰富等诸多优点，成为现代大容量通信传输的重要媒介，光纤通信技 术因此成为现代通信的核心技术人们正在努力发展更大容量和更高速率的通信系统， 提高通信效率和降低综合成本，这是人们对通信技术的永恒追求。因此光纤通信技术朝 着两个趋势发展：一是高度密集波分复用系统；二是单信道高速率传输。通信技术的迅 速发展给人们的生活和工作带来了极大的便利，同时也对通信技术提出了更高的要求， 如光源的稳定性、波分复用器等滤波器、传输过程中信号中继放大和色散补偿等。 光纤光栅是一种全光纤型无源器件 2 1 ，广泛应用于光纤通信系统的各个环节。由于 其良好的选频特性，光纤光栅被应用于激光光源中，特别是符合l t u 规范的d w d m 激 光器中。光纤光栅还可以作为可调谐滤波器，窄带宽的光纤布拉格光栅可以应用于 d w d m 系统的复用解复用器及光上下路器。在掺铒光纤放大器( e d f a ，e r b i u m - d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ) 中，光纤光栅可被用来实现增益钳制和增益平坦。而均匀和啁啾光纤光 栅可被作于色散补偿器件。总之，光纤光栅存在于光纤通信系统中的各个部分中，基于 光纤光栅的光纤通信器件有着广泛的应用前景。 光纤传感技术【3 】是以光纤器件作为传感器、以光纤作为传输介质的技术，把“传” 和“感”两项技术合二为一。虽然光纤是为了适应光通信的需要而发展起来的，但从低 损耗光纤出现后不久，就出现了光纤传感器。以光纤光栅为代表的新型光纤传感技术的 发展，使得光纤型传感探测技术得到了新的发展空间，而引起全世界的研究人员的高度 重视。光纤光栅传感器是在光纤传感的基础上发展起来的一种波长调制型光学传感器， 它不仅继承了光纤传感器所具有的优点：如不受电磁干扰、便于构成光纤传感网络、响 应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、适于在高温、腐蚀性或危险性 环境应用等优点，同时，由于其自身特有的优点，如具有波长编码、灵敏度高、便于复 用等，而成为光纤传感器中的一颗新星。 第一章绪论 1 2 光纤光栅的发展概况与应用 光纤光栅是1 9 7 8 年加拿大的k o h i l l 等人h l 在研究掺锗光纤的非线性特性时发现 的。最初发现的光纤光栅是采用内写入法( 也称驻波法) 制作的，这种制作方法所写的 光栅共振波长为激光光源器波长的一半，因此受到激光器波长的限制，同时，由于需要 把制作光源的空间光耦合进光纤，这在当时并不是一件特别容易的事情，这使得实际利 用受到制约，因此光纤光栅在发现后的较长时间内并未引起大的注意。1 9 8 9 年，美国的 gm e l t z 等人【5 铡用高强度的紫外激光对光纤侧面进行曝光，可在光纤的轴向任意位置的 光纤纤芯中产生轴向折射率空间调制。侧面曝光技术的发明是光纤光栅的发展过程中取 得的突破性进展，大大简化了光纤光栅的制作，此后，光纤光栅本身及其在光纤通信和 光纤传感领域的应用成为研究热点。 光纤光栅是一种很有前途的新型光纤型光子器件，随着光栅制作技术的日趋成熟， 光栅的应用研究也越来越广泛。光纤光栅1 i 仅继承了光纤的诸多优点，比如传输损耗低、 不受电磁干扰及易于光纤系统继承等，还可以用来控制光在光纤中的传输行为，如改变 传输方向、变化传输模式等。在光纤通信领域光栅用于滤波器、模式选择器件、波分复 用器、色散补偿【6 】、增益平坦【7 】等；在光纤传感领域小仅用于温度、应变、加速度、倾 角等测量及监测f 8 l ，还在生化传感领域1 9 1 1 1 有广泛应用。 1 2 1 光纤光栅在光纤通信里的应用 光纤光栅器件广泛应用于现代光纤通信系统【1 2 ，】，在光纤通信领域，可用于光源、 编解码器、传输( 色散补偿) 、放大( e d f a 的增益平坦) 、复用与解复用( 上下路复用、 波分复用) 、波长转化等。光纤光栅还应用于全光开关、全光逻辑，实现全光通信。详细 说来，光纤光栅在光通信中的应用主要可以分为以下几类： ( 一) 用于激光光源 光纤光栅在激光光源主要有以下两种基本用途：一是利用光栅的反射特性，作为半 导体激光器的外腔反射镜，形成激光谐振腔；二是利用其窄带特性，作为选频器，同时 可以利用光纤光栅的可调谐特性，用于波长可调谐激光器。 在半导体激光器的输出端光纤上写入光纤布拉格光栅i l4 1 ，即构成外腔半导体激光 器，如果光栅的共振波长在激光器的增益波段内，可以得到波长为光栅共振波长的单模 激光输出。这种外腔半导体激光器相比传统的d f b ( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ) 激光器有很 多明显的优点：首先因为波长选择器件即光栅存激光器外部，使得波长输出_ i 受激光器 的温度和注入电流的影响；其次，由于在半导体的输出尾纤上刻写光栅比在腔内波导上 浙江大学博士学位论文 刻写光栅的成本也要低，因此，成本也要比要比d f b 激光器要低。半导体激光器的直接 输出光束比较大，与单模光纤耦合损耗比较大，而多模光纤有比较大的芯径，因此可以 采用多模光纤光栅i b i ，产生的祸合损耗比单模光纤光栅要小的多，不仅如此，使用多模 光纤光栅还可以实现半导体激光器的输出波长切换1 1 6 1 。 光纤光栅还广泛应用于光纤激光器。两个反射波长相同的布拉格光栅可以作为线性 腔光纤激光器的两个腔镜，使这种光纤型的f - p 激光器产生单模激光输出【1 7 ) ，此外，采 用相移光纤光栅的窄带滤波特性也可以实现激光器的单模输出1 1 8 1 。由于保偏光纤光栅【9 1 和多模光纤光栅1 2 0 l 具有较大的偏振相关损耗，可以用来抑制掺铒光纤的均匀展宽从而 实现常温下掺铒光纤激光器的多波长运转。不仅布拉格光纤光栅广泛用于光纤激光器， 由长周期光纤光栅组成的马赫一泽德滤波器也被成功用于基于拉曼增益的多波长光纤激 光器【2 l 】。 通过给光栅预加合适的应力，可实现对光纤光栅共振波长的调谐。通过调节集成到 激光腔内的采样光纤光栅的应力梯度，可以实现多波长激光器波长间隔连续可调【2 2 1 。光 纤光栅的出现，简化了激光器的设计制作，并且降低了制作成本，由于光纤光栅的较大 的调谐范围，使得采用光栅的激光器具有良好的波长调谐能力。 ( 二) 用于滤波器、光上下路器及波分复用器 光纤光栅本身就是一种滤波器件，可直接用作带通或带阻滤波器。均匀布拉格光栅 采用透射连接，在其共振波长范围内可对入射光起反射作用，如果与光纤环形器配合使 用的话则得到相反的滤波特性。长周期光栅是一种宽带带阻滤波器件，它把共振波长范 围内在芯层传输的光部分耦合进包层，由于包层外有折射率更高的涂覆层，耦合进包层 的光迅速衰减，从而产生带阻滤波功能 光纤光栅也可以实现多波长滤波特性。不仅采样光栅具备反射多个波长的能力，光 栅f p 腔结构也可以实现多波长滤波，光栅f - p 腔结构由同一根光纤上相距一定距离的 两个相同共振波长的布拉格光栅组成，在单个光栅的光谱包络里形成干涉条纹，这种光 纤型的f - p 腔可用于多波长光纤激光器1 2 3 1 或者光纤传感1 2 4 l ：如果把这两个布拉格光栅替 换为长周期光栅，则组成光纤型的马赫一泽德干涉仪1 2 5 i 。 光上下路复用器是光纤通信系统的重要器件，利用布拉格光栅可以构建光上下路复 用器，最简单的构造就是把两个三端口环行器的2 端口同布拉格光栅的两端相连，把第 一个环行器的l 端口和第二个环行器的3 端口分别接入通信光纤，则可以在第一个环行 器的3 端口下载布拉格光栅对应的波长，在第二环行器的l 端口上载相应的波长。基于 类似原理，人们级联三个上下路基本单元，提出了一种四通道可编程上下路器1 2 6 1 。一种 采用布拉格光栅的马赫一泽德干涉仪的结构也可以用于制作上下路器1 2 7 1 ，这种结构具有 第一章绪论 损耗小、结构简单等优点此外，通过在耦合器的耦合区域刻写光栅 2 8 , 2 9 1 ，也可用于实 现上下路功能。 波分复用器是w d m 通信网络中的重要器件，其波长通道对应于通信系统所使用的 波长。1 9 9 6 年c rg i l e s 等人p o 】提出布拉格光栅阵列用于8 个用户的无源光网络下行链 路通道，下行光信号经过1 ：8 的分束器后进入各个通道，每个通道级联7 个刁i 同波长的 光栅，这些光栅的波长分别对于另外一个通道的波长，与其它通道波长相同的波长光被 反射回来，只有同通道本身设定的波长相同的波长才被允许通过。但该波分复用器结构 比较复杂，且运用多个布拉格光棚增加了系统的不稳定性，因此适合波长较少的情况。 ( 三) 用于e d f a 增益钳制和增益平坦 光纤光栅技术用于e d f a ，主要是为了解决e d f a 在实际使用过程中的几个问题： 首先，e d f 对泵浦光的吸收不充分造成泵浦效率不高，如何提高泵浦效率；其次，在信 号光功率突变时引起e d f a 的动态增益不稳定：最后，由于掺铒光纤的增益谱不平坦， 引起各个波长信号的增益不均衡问题。 在e d f a 中插入布拉格光栅以反射未被吸收的泵浦光，使泵浦光反向传输再被e d f 吸收，这样不仅可以提高象浦效率，也可以阻止泵浦光进入通信系统引起光纤中总功率 的波动。拉曼放大器与拉曼光纤激光器是基于能量从短波长泵浦光转移到长波长这样一 种机制，因此对泵浦光的吸收成为如何提高泵浦效率的关键，为此，可以采用布拉格光 栅对泵浦光进行反射 3 1 , 3 2 l ，以增强泵浦光的转换效率。 光纤布拉格光栅用于e d f a 增益钳制的原理是：在e d f a 内放置两个波长相同的 f b g 或一个f b g 构成的环行腔结构，该f b g 的波长不同于信号波长，光波在该波长处 反馈并形成激光振荡，激光功率会随着粒子数反转的不同程度进行自动调节p 3 m l ，从而 补偿信号光功率发生变化对e d f a 的增益带来的影响，解决了e d f a 的增益随系统变化 的问题。这种采用f b g 的全光增益钳制结构具有结构简单紧凑、响应速度快等优点。 光纤光栅用于e d f a 的增益平坦一般可分为布拉格光纤光栅口5 堋、倾斜布拉格光纤 光栅【3 7 t3 8 1 及长周期光纤光栅【3 9 】等几种方法，不管哪种方法，都是利用光栅在某一个或某 几个波长位置的损耗峰，来抵消e d f a 在相应波长位置的增益峰，从而挟得平坦的增益。 由于光栅的光谱可定制性i 删，即可根据不同e d f a 的增益谱，设计不同的光栅结构及参 数，从而获得与e d f a 增益谱更为匹配的光谱。尤其长周期光纤光栅，由于其光谱的任 意定制性，比如可以控制相移、周期、折射率调制强度等，日长周期光纤光栅插入损耗 小、后向反射很小而对光源及通信系统几乎没有影响，具有结构简单成本低等优点，因 而被广泛应用于e d f a 的增益甲坦化研究【7 ，4 “”。 4 浙江大学博士学位论文 ( 四) 用于色散补偿 色散是光纤的特性，光信号在单模光纤中传输时因各个波长的折射率不一样，导致 各个波长的群速度不同。光纤通信系统中一般传输的是数字调制的脉冲信号，当色散引 起的光信号脉冲展宽超过输入脉冲宽度的o 3 倍时，光接收机对信号的分辨就会受影响。 普通单模光纤为例的零色散点位于1 3 1 0 n t ol 【f | 近，在1 5 5 0 n mi f f i 近一阶色散系数约为 1 7 p s ( 拥n m ) ，色散斜率为o 0 7 芦f i 彩n m l ，如果不进行色散补偿，将会影响接收 机的正常接收。尽管发明了色散位移光纤，即在通信波段无色散，但目前已经铺设的光 纤是几年前甚至是十几年前铺设的，不可能被替换掉，因此，对光纤通信系统进行色散 补偿非常必要。 啁啾光纤光栅具有较大的色散特性，1 9 9 4 年提出采用啁啾光纤光栅技术用于色散补 偿【l 。当光脉冲从输入端进入后首先反射长波分量，而短波分量在光栅的末端才被反射， 由于光栅有一定长度，在长波和短波分量之间产生时延，而这个对延与光纤系统的时延 相反，使得展宽的脉冲被压缩。啁啾光纤光栅色散补偿器不仅具有插入损耗低、体积小 等优点，而且其色散特性可以根据光栅的啁啾率不同而进行不同的设计，具有高补偿率 和有可调谐能力。除此之外，光波在光纤传输过程中还存在二阶色散，采样光纤光栅可 用于二阶色散补偿m j 。 ( 五) 用于全光信息处理 在光信息处理领域，光纤光栅不仅可用于光纤相位调节器【删、光学傅立叶变换器 4 7 l 等，还可以用于乘法运算【4 8 ，棚。 1 2 2 光纤光栅在传感及测量领域的应用 基于光纤光栅的传感与测量是由于外界环境引起光栅波长或者在共振波长位置处的 透射深度变化来获取传感信息1 3 】。光纤光栅传感器，除了继承普通光纤传感器具有的优 点如易于传输、免受电磁干扰等外，还具有其独特的优点：具有自参考点因而不受光强 波动及系统损耗影响，复用能力强，便于构成光纤传感网络，可进行大范围的准分布式 测量。光纤光栅在传感领域的应用也从传统的如土木工程扩展到很多新兴领域。 光纤光栅用于传感的机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光 效应、磁场引起的法拉第效应例及折射率引起的有效折射率变化。基于这几种基本的传 感机制，可以用于测量应力应变、微应变、温度、加速度、振动、倾角、压力、电流、 磁场及折射率等参数的测量，而这些参数的测量可用于土木工程、航天航空、海洋探测、 石油化工、电力电子行业、生物医学工程及化学工程等领域。 第一章绪论 ( 一) 在土木工程领域的应用 在土木工程中，大型建筑物、隧道矿井、大坝桥梁等由于环境等因素的变化会使得 结构与设计相比有一定变化，这个时候需要监测荷载、形变等参数以估计工程结构的健 康状况。光纤光栅传感器尺寸小，可以在工程施工时预埋进工程结构里，也可以在后期 贴在结构表面，多个光纤光栅可以串接成传感网络，对结构进行准分布式的实时监测。 光纤光栅在土木工程中应用最多的是桥梁的安全监测，如日本横滨跨海大桥上用 f b g 传感器监测桥梁的荷载及在强风时桥梁的晃动，我国台湾的爱蓝大桥在混凝土浇筑 施工时预埋进了7 6 个f b g 传感器。山西汾河大桥是一座全长5 5 0 米双向四车道斜拉大 桥，采用光纤光栅健康监测系统为该桥进行长期健康监测，该桥共设了6 0 多个监测点， 同时对桥梁的应变和温度进行实时在线检测【5 ”。公路、铁路和隧道的安全关系到交通安 全，因此公路、铁路和隧道的安全监测尤为重要，比如我国的青藏铁路大量路段经过冻 土区，而冻土的状况影响到铁路路基安全，在冻土温度监测方面利用光纤光栅传感器实 现5 0 0 多个观测点的组网测量p 2 】，精度达到o 1 。 另外建筑物的倾斜也是土木工程中的一个问题，采用光纤光栅构成的倾斜传感器啪l 可以实时监测被测建筑物的倾斜状况。 ( 二) 在石油化工电力等领域的应用 石油化工企业周围往往会排放粉尘及易燃气体等，与电力领域一样属于易燃易爆领 域，常规的电传感器和仪器有可能会产生电火花等，反而成为安全隐患，而光纤光栅传 感器的传感头部分工作在全光状态，具有免受电磁干扰、耐高温等特点。 比如石油钻井中的温度往往达到几百度，光纤光栅可用于钻井压力温度等的测量， 在石油运输过程中可用作压力测量及流量计量等。 电力行业往往伴随着强电磁场，在强电磁场中很多电气设备小能正常工作，而电力 行业又需要进行实时安全监测，光纤光栅因其体积小、抗电磁干扰等优点而在电力行业 被广泛使用。 ( 三) 存生物医学领域的应用 生物医学领域的一些病变往往伴随着折射率的变化或者利用其它生物识别剂产生的 折射率变化，而光纤光栅周围化学物质的折射率变化会引起光栅共振波长或者共振强度 的变化，通过测量波长及强度等可以观察病变光纤光栅的尺寸非常小，能够以最小限 度的刨伤对生物体进行微创检查。 如采用光纤光栅温度传感器来检查病变部位的温度变化、基于光栅的应力机制测量 血压、基于折射率测量的血糖浓度测量等。 6 浙江大学博士学位论文 1 3 本论文的主要内容及创新点 尽管光纤光栅从发明到现在已经接近三十年，但仍有许多工艺及技术方面的问题有 待解决，尤其光纤光栅在光纤通信和光纤传感中的应用仍有许多值锝研究之处。本文主 要围绕长周期光纤光栅及多模光纤光栅的特性，就光纤通信和光纤传感中几个问题开展 了富有特色的研究工作，并提出几个创新性方案，包括e d f a 超宽带增益平坦问题、宽 带多波长滤波器、如何实现掺铒光纤激光器常温下多波长运转、及光纤传感中如何提高 折射率测量灵敏度和避免折射率温度交叉敏感问题。 1 3 1 论文结构安排 本论文在对光纤光栅进行充分的理论研究基础上，基于实验室搭建的光纤光栅制作 平台，设计各种光栅结构，并就光纤通信及光纤传感中的几个问题分别提出具体的解决 方案。论文的具体内容安排如下： 第二章主要是光纤光栅的理论基础和实验制作技术介绍。首先从光纤光栅理论模型 入手，介绍了常见的光纤光栅分类；其次，对光纤光栅分析常用理论一耦合模理论和传 输矩阵法一做了介绍，并分别以常规的f b g 和l p g 为例进行了模拟计