高频CO_2激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究讲解

1、第3 1卷第8期2011年8月光 学 学 报 Vol.31,No.8,Auust2011 高频CO2激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究魏石磊张伟刚范弘建耿鹏程尚佳彬殷丽梅薛晓琳（）南开大学现代 光学所光电信息技术教育部重点实验室，天津3 0 0 0 7 1，摘要 利用高频C运用改造的耦合模理论对基于高频COTLPFG）O2激 光脉冲写制了倾斜长周期光纤光栅（2激光脉冲写制的T实验研究了倾斜折射率 调制对T分析了倾斜角度LPFG进行了理论分析，LPFG光谱特性的影响， 利用高频C低对TLPFG模式耦合特性的影响。实验结果表明，OLPFG具 有新颖的耦合特性，2激光脉冲写制的T阶次包层模

2、的耦合系数大于高阶次包层模，倾斜折射率调制不仅可以提高纤芯基 模与包层模的耦合系数，还可以且随着倾斜角的增大可以明显提高光栅的写制效率。激励纤芯基模向高阶包层模 式耦合，关键词 光纤光学；长周期光纤光栅；倾斜光纤光栅；高频二氧化碳激光；耦合 模理论:/中图分类号TN2 5 3文献标识码Adoi10.3 7 88AOS2011 3 1.0 8 0 6 0 06StudonSectralProertiesofTiltedLonPeriodFiberGratin一-yppggWrittenbHihFreuencCOaserPulses一2LygqyWeiShileihanWeiananHoniane

3、nPenchenhanjiabinZ FGSggggjggggYinLimeiueXiaolinX(KeLaboratoroOtoElectronicInormationScienceandTechnoloinistroEducation，yyfpfgy，MyfInstituteoModern Otics，NankaiUniver sitTianin300071，China)f py，jAbstractnoveltiltedloneriodfiberrat inTLPFG)writtenbhihfreuencCOaseruls eswas A 2lpgg(pgygqyedX eetrhieme

4、nwtaa slmloddeimfoinesdtirnaotredd.Thetchoulreed toiorertoeocallanalzetheTLPFG-mPyyy/ PyTheeffectsoftiltedrefractiVeindeXmodulationonthesectraloftheTLPFGwerestudiedTheinfluenceroertiesPPPoftiltedanleonthemodescoulinofTLPFGwasanalzedTheoreticalanalsisisinaccordwitheXerimentalgpgyyPeXerimentalresultss

5、howthattheTLPFGwrittenbhihfreuencCOaserulseshasmannoVelresultsThe一2lPygqyPyroertiesThecoulincoefficientoflowordercladdinmodesishiherthanthatofhihorderonesandtilted一一PPPggggrefractiVeindeXmodulationnotonlcanenhancethecoulincoefficientbetweenthecorefundamentalmodeandypg,claddinmodesbutalsocanstimulate

6、thecoulinbetweencorefundamentalandhihordercladdinmodesThe一PggggwrittenefficienccanbedramaticallimroVedbincreasinthetiltanleyyPyggKewordsiberoticsloneriodfiberratintiltedfiberratinhihfreuencCOasercouledodef一一-m2lPggqyPPggggytheoryOCIScodes60.2280;060.4005;260.144001 引 言倾斜光纤光栅（是一种特殊的光纤光栅，TFG）它与传统光纤光栅的

7、不同之处在于光栅成栅平面的;收到修改稿日期：2011031420110421收稿日期：波矢方向与光纤轴线方向有一定的夹角。通过改变即倾斜角，可以控制光纤内 部传播的不同波长夹角，的光波以不同的角度耦合到光纤包层。所以与传统,）基金项目：国家自然科学基金（和天津市应用基础与前沿技术研究计划（资 10 974100106740756057701810JCZDJC24 3 0 0助课题。，:作者简介：魏石磊（男，硕士研究生，主要从事光子晶体光纤光栅方面的研 究。1 986）E mailweishilei 906 ，导师简介：张伟刚（男，教授，博士生导师，主要从事光子技术与现代光传感 和新型光电子器件

8、等方面的研究。1 9 5 9 ）: Engg 0806006 光学学报光纤光栅相比，因而成TFG具有很多独特的特性，为近年来的研究热点。与普 通光纤光栅相比，TFG具有很多独特的优点，如能够激励纤芯基模向一系列同 向或反向传输的高阶包层模或辐射模耦合，具能够提高对外界响应的灵有新颖的 偏振相关特性，1，2。传统意义上的光纤光栅因其光栅平面敏度等泛应用于光通信和传感领域。用于分析光纤光栅光谱特性的理论主要有耦合模理 论、傅里叶变换理论和传输矩阵法等。其中耦合模理论可以精确地分析光纤光栅 中各种模式间的耦合特性，是分析光纤光6成功地将栅模式耦合特性的有力工具，Erdoan1g耦合模理论用于紫外曝光

9、法写制的光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的研究；通 过对耦合模理论的改造，进而又对紫外曝光法写制的倾斜长周期光纤光栅进行了 研究。但对于不同种类的光纤光栅及不同写制方法写制的光纤光栅，须对耦合模 理论进行改造才能将其应用于具体的光栅分析。本文借鉴了其中的一些思路和方法，对耦合模理论进行了改造，对高频COLPFG进行了初步的2激光脉冲写 制的T理论研究，分析了倾斜折射率调制对TLPFG耦合特性的影响。2.1 TLPFG模式耦合对于紫外曝光写制的光纤光栅，主要利用光纤的光敏效应。光敏光纤的光敏性与 锗硅玻璃中的缺陷中心有关，这些缺陷中心使得光敏光纤对2 4 0人们认为锗 氧250nm波段的紫外光有强

10、烈的吸收，空位缺陷是引起光致折变的主要原因。在写制机理方面，紫外曝光法的特点是仅 对纤芯折射率进行调对包层折射率则没有影响，其折制且调制分布均匀， 射率调制如图1所示。在写制技术方面，该方法有）光栅只能在光敏光纤上写以 下不足而应用受限：1制，而且需要相位模板或振幅模板，写制系统较为复）制 备的光纤光栅热稳定性差、杂；成本高、效率2）写制的光栅局限于纤芯，低； 在非光敏的包层不3能写制光栅。与紫外曝光写制方法相比，高频CO217:激光脉冲写制法具有很多特点和优势在写制机波矢方向与光纤轴向一致使其结构和功能受到很大而T使限制；FG由于倾斜角 可根据需要进行设计，其折射率调制的空间分布灵活多变，丰

11、富了光栅结构设 计，可实现优异光学特性，为新型光纤光栅功能38。器件研制拓展了更宽的研究领域光纤光栅的发展是与其写制方法和技术密切相口关的，自Davis等9提出利用CO2激光脉冲轴向写以来，由于其写制方法制长周期光纤光栅（LPFG）的灵活方便以及其写制机 理的新颖性，使得CO2激光写制法成为一种备受关注的LPFG写制方法。0将C利Rao等1O2激光的调制频率改为几千赫兹，用高频脉冲能量集中、力卩 热时间短的特性，提高了加因此提高了光栅的写制效率。W热的效率，icre ngg等11计算了单侧CO2激光曝光的光纤横截面能量分布。曝光侧能量较大，背光侧激光能量极小。为0此，进行双侧曝光，当LRao等

12、1PFG损耗峰达到，把光纤绕轴线旋转1对另一侧曝一定深度后，80。光，直到达到需要的损耗峰深度。于清旭等12提出一种由柱面镜、两个平面镜构成的互成1的光学2 0 。用C聚焦系统，02激光 对光纤进行圆周均匀曝光，写制了均匀折射率调制LPFGo高频CO2激光脉冲写制法以其写制机理的独特性和写制技术的灵活性，成为新 一代长周期和超长周期光纤光栅写制的首选，并且极大地促进了光纤光栅的发 展，为新一代光纤光栅器件的研制开辟了更为广阔的空间13 15，这就决定了利用咼频CO2理方面，CO2脉冲激光器主要利用热冲击效应实现对光纤的折射率调制，其写 制机理包括残余应力应变释放、非弹性应变冻结、粘弹性冻结、光

13、纤表面刻蚀 等，CO2激光脉冲写制法的特点是写制过程为单侧曝光，折射率调制区域主要 位于光纤包层曝光一激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅（具TLPFG）有许多独特的潜力，因此 对基于高频CO2激光脉冲写制的TLPFG进行光谱特性研究具有十分重要的 意义。本文利用高频CO2激光脉冲写制了运用改造的耦合模理论对基于高频CTLPFG，O2激光脉冲写制的T实验研 LPFG进行了理论分析，究了倾斜折射率调制对L分PFG光谱特性的影响， 析了倾斜角度对T并LPFG模式耦合特性的影响，将TLPFG与普通LPF G进行了比较。图1紫外曝光法写制的光纤光栅折射率调制示意图2 理论分析光纤光栅作为一种重要的光学无源

14、器件，已广Fi.1Refractiveindexmodulationoffibe rratingggwrittenbultravioletexosureyp0806006 魏石磊等：O高频C2激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究侧，对纤芯的折射率扰动较小，单侧曝光导致折射率调制具有不对称性，而倾斜 不仅加大了折射率调制而且改变了纤芯基模向各阶包层模的的不对称性，18，耦合强度；在写制技术方面CO2激光脉冲写制 为包层半径。在包层引入折射率扰动后，光纤中的纤芯模式和包层模式在满足相位匹配条件时 会发生耦合。鉴于耦合模理论不能直接用于光纤折射率空间倾斜调制的分析，因 此对不同的空间折射率调

15、制分布，须对包括耦合模理论的交叠积分等方面进行改 造，以适用于对TLPFG的理论分析。为简化并不失一般性，首先考虑纤芯基模与同向传输的某一阶包层模的耦合。因 轴向耦合系数很小，故可忽略轴向耦合系数对耦合强度的影响。于是，简化后的 耦合模方程为Olocococl(，iKcA0iK0Alexz)Ai2pOl l Oll + lvvdz()3dElv cocl(，K0A0ex2iz)=i Splvll dz方程中EO的电场振幅，LPEl为纤芯基模(Ol)lv表示LPS为长周期光纤光栅模式间lv包层模的电场振幅，相位匹配的失谐量，即/，() 2(4 S=(nA Ol lv) B式中B的传播常数，LPP

16、O l为纤芯基模 (Ol)lv为 Llv包 B法更加灵活和方便，不需要振幅模板，由计算机控制可以方便地写制各种复杂形 状的光纤光栅，对光纤的种类没有要求，可以在任意光纤上写制L写PFG，制 效率高，所制备光纤光栅具有热稳定性好等优点。因此利用高频C并对其OLP FG，2激光脉冲写制T进行理论分析。对于高频CO2激光脉冲写制的其折射率调制主要位于包层曝光 一侧，且TLPFG，其折射率调制如图2所示，其写制过程为单侧曝光，)，其中B为倾斜角(即波矢K与光纤zO O 9 轴的夹角，A为光栅周期图2高频COLPFG折射率调制示意图2激光脉冲写制的TFi.2Refr activeindexmodulat

17、ionofTLPFGwritten b gyfreuencCOaserulseshihqypg21cocoocl层模的传播常数，Kc A为光栅周期K0101, Ollv分别 表示自耦合系数和交叉耦合系数：na2oco */Kcnn2)dr -Errdr, wA01=(001()01()01 X E0建立TLPFG理论分析的方法和步骤如下。首先，将折射率调制加在光纤的包 层上，并假设对纤芯折射率扰动很小，可忽略不计；其次，考虑高频CO2激光 脉冲的写制特点，探索并建立倾斜角与包层模耦合系数的关系式；进而，从光纤 包层单侧曝光入手，分析仅由倾斜角引起的包层折射率倾斜调制分布对包层模耦 合系数的影响

18、。借鉴耦合模理论，可将周期性折射率改变视为一种微扰。于是，对CO2激光脉 冲曝光一侧的光纤包层折射率扰动表示为)()n1 + cos1 Ac1=nc1A Tcos 0式中 AT= A 坐标变换为 zcos =zcossin 0; 0, 0x 为折射率调制的慢变包络。而对于未曝光的z ) c(ffa1n()5ocl /Kcnn2)d 3&A11v=(0 X0fa2 f(1*)Eicostanexr，rrdr，(6 0E1pv(01() Aa)式中3为圆频率，n为纤芯折&0为真空介电常数，射率，n为周期性的折射率 扰动。在计算自耦合系 数和交叉耦合系数时，将方位角 的积分区间设定为 0n,使之更符

19、合单侧曝光的情况；将径向积分即只有包层受到折射率扰动。 区间设定为aal2，经对上述关系式分析可知，耦合强度可用耦合系数表 征，通过计算两个模式间的交叠积分与折射率微即可计算出模式间的耦合系数。 扰的乘积，2.2 TLPFG耦合系数计算利用上述改造的耦合模理论，对基于高频CO2，激光脉冲在单模光纤（上写制的CorninSMF28）-gTLPFG的耦合系数进行了数值模拟和理论分析。光纤参数为：纤芯折射率n 纤芯半径.4 5 0 5，l = l包层折射率n包层半径a4.l5m，.4453，l=2=l 门 光纤一侧，假设其包层折射率未受到调制，根据光纤三层介质模型，可得到光纤 折射率的分布形式为，r

20、 al0 （）nn（z）=2cl+ Acl，alr a3，2式中nnn0为纤芯折射率，cl为包层折射率，3为环境折射 率，naa Acl为包层折射率扰动；l为纤芯半径，20806006光学学报，光栅周期a62.6 ym，环境折射率n2 = 3 = l周期数 N= 6 0 0 ym，0o A=5首先，对紫外曝光在单模光纤上写制的将方位角积分区TLPFG的耦合系数进 行了模拟，间设定为02径向积分区间设定为0a图3 n, 1，为纤芯基模（向一阶奇 次包层模（LPLPv = 3，01） 0v,）的耦合系数，从图3可以看出，对 于紫外5，7，9，11曝光法写制的T倾斜角B对一阶包层模耦合LPFG，只有

21、当倾斜角接近9时才 会产生系数影响不大，0。明显影响，且高阶次包层模比低阶次包层模的耦合系数大；当倾斜角B接近9时，耦合系数急剧下降。0。对CO2激光脉冲在单模光纤上单侧曝光写制的TLPFG进行了模拟。单侧曝光一侧的包层折射率 而纤芯及未曝光一侧包层的折射率扰动很扰动大，小，可忽略不计，因此将方位角积分区间应设定为径向积分区间应设定为aO n al2。图4为纤芯基模(向一阶的奇次包层模(LPLPv = 3,5,7,Ol) Ov,)的耦合 系数，从图4可以看出，对于基于高频9,ll随着倾斜角B的增COLPFG,2激光脉冲写制的T加，可以提高包层模的耦 合系数；且低阶次包层模比高阶次包层模的耦合系

22、数大。二-壬 丄二.M=二一蓝二Till aivgl屮 :由理论分析及数值模拟可知，基于高频C随OLPFG,2激光脉冲写制的T着倾斜角的增大可以显著地提高光栅的写制效率。3 实验结果与分析在单模光纤上设计并利用高频CO2激光脉冲写制了具有不同倾斜角度的TLP FG。图5为高频激COLPFG的实验装置。其中，2激光脉冲写制T光器为 HANSLASER生产的COH 10型二氧化 2 -输出波长为1碳气体激光器，0.6 呵，最大输出功率为1光束经Z0W,n Sc透镜聚焦后光斑为5 0 ym,实验采用二维振镜线性扫描标记法打标lasiT -BBS图5高频COLPFG实验装置图2激光脉冲写制TFi.5E

23、xerimen talsetuforwritinTLPFGbhihgppgygfreuencCOaserulses qyp2l）将光纤一端与宽带光TLPFG的写制步骤为：1）源（连接在一起，另一端通过活动连接头与光纤BBS ）将光纤待曝光区域（光谱仪（相连。2剥掉涂O SA）置于两个光纤支架中间，光纤的一端固定，覆层部分）图3紫外曝光法写制的TLPFG包层模耦合系数F i.3Coulincoe fficientofthecladdinmodeofgpggwrittenbultravioletexosurXJx)l)ouooK)4 :MM% M1 54讪頂-空 W 三1己匸一=二二-己Till

24、anjf MJO1(IIeTLPFGyp另一端通过滑轮支架加一个重5使光纤Og的砝码，在写制过程中处于平直状态 且保持恒定的轴向应力。）利用 打标软件3HAN SLASER Marki nSstem” gy将光栅结构设计成图，设置CO2激光器打标参数。）通过计算机控制激光打标 过程，在线完成T4LPFG的写制。利用图5所示的实验装置，对单模光纤进行了TLPFG的写制研究。经过多次探索和反复实成功写制出高质量的T验， LPFG。图6为光学显微图4高频COLPFG包层模耦合系数2激光脉冲写制的TFi.4Couli ncoefficientofthecladdinmodeofgpgg ulsesTL

25、PFGwrittenbhihfreuencCO aser pygqy2l0806006-图6TLPFG的折射率调制实物图Fi.6RefractiveindexmodulationofTLPF GwrittenbgyulseshihfreuencCOaserpgqy2l魏石磊等：O高频C2激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究 镜下放大1其中的倾斜0 0倍的TLPFG显微照片，条纹为光纤包层折射率在 CO2激光脉冲扫描后留下的调制结构。实验写制的TLPFG的光栅周期为 A = 4 8 0 ym,光栅周期数N=1即光栅长度为4.00,8cm。图7为在相同写制条件下不 同倾斜角度的TLPFG的

26、透，射谱，打标CO0ys2脉冲激光器的Q释放时间为5），其中图7（中B分别为0次数为2，ae 20。（，。实验发现， 在相同的写制条件下，随4 060 80 着倾斜角B的增加，且TLPFG写制效率明显提高；低阶包层模的耦合强度大 于高阶包层模，这与上述高频COLPFG耦合特性理论2激光脉冲写制的T分 析相吻合；且在1 520和1590nm附近出现了新的谐振峰，根据相位匹配 条件，计算了位于1 4 0 0 nm处谐振峰为纤芯基模（向LLPP01）07包 层模的耦合，位于1向L 4 6 0 nm附近谐振峰为纤芯基模（LPP01）09 包层模的耦合，位于1 5 2 0 nm处的谐振峰为纤芯基模（向二

27、阶一次L位于1 LPP590nm01 ）11包层模的耦合，附近谐振峰为纤芯基模（向LLP P01）13包层模的耦）合，如图7（所示。由此可见，折射率倾斜调制不e 而且能够激励高阶非对称仅提高了光栅写制效率， 包层模的耦合。为了研究倾斜角对光纤光栅写制效 率的影响，固定其他因素，写制得到了不同倾斜角度长周期光纤光栅在不同打标 次数下的光谱图，图8为追踪其中1 4 6 0 nm附近的谐振峰深度随打标次数的 变化。由图8可见，随着倾斜角 B的增大，光栅写制效率明显提高占of srajijung cycles2 芒1弐嘗HsJr=图8TLPFG写制效率随倾斜角度的变化曲线F i.8Rclationbc

28、 tweenthewritinefficiencofggyTLPFGandthetiltanleg通过对基于高频COLPFG2激光脉冲写制T的理论分析和实验研究，可以发现高频CO2激光脉冲写制的TLPFG模式耦 合特性不同于紫外曝光）包层倾斜折射率调制可以明显改变纤芯基模法：1与包层模的耦合系数；光栅 2）随着倾斜角的增大，的写制效率明显提高；高频3）与紫外曝光相比，低阶 次包层模比高COLPFG,2激光脉冲写制的T阶次包层模的耦合系数大；其 4）对于普通LPFG，和一阶奇次包层模模式耦合主要是纤芯基模（LP01），之间的耦合（而TLPv = l,3,5,LPFG可以0v,激励纤 芯基模向高阶

29、非对称包层模的耦合。由于包层折射率调制及倾斜折射率调制可以增增强其传感的灵敏强光波与外界环 境的相互作用，度，所以预期T折射率、扭转等外界LPFG在弯曲、参量传感方面有更高的灵 敏度；其新颖的折射率调制分布也使得其具有独特的偏振相关和色散特性。由以 上分析可知，基于高频CO2激光脉冲写制的因此对TTLPFG具有很多新颖 的特性，LPFG的特性分析及应用研究还有广阔的探索空间，对于设计特种光 纤光栅、研制新型的光栅器件以及拓宽光纤光栅在光纤通信与传感领域的应用具 有重要的意义。图7相同写制条件不同倾斜角度下TLPFG的透射谱F i.7TransmissionsectraofTLPFGundert

30、hesamewritinconditionatthedifferenttiltanlesgg4 结 论利用高频C通过OLPFG;2激光脉冲写制了T0806006-光学学报对耦合模理论进行改造，使其适用于分析单侧倾斜包层折射率调制的T并将其与 普通LLPFG,PFG和紫外曝光法写制的TLPFG进行了对比分析。通过 理论分析和实验研究发现，禾I用高频CO2激光脉冲写制的T低阶次包LPFG 具有很多优异的特性：层模比高阶次包层模的耦合系数大；倾斜折射率调制可以 改变包层模的耦合系数，且随着倾斜角的增大可以明显提高光栅的写制效率；倾 斜折射率调制可以激励纤芯基模向高阶非对称包层模的耦合等。单侧包层倾斜

31、折射率调制引起的空间折射率调制分布非对称，突破了以往仅靠倾 斜角改变纤芯折丰富了光栅结构，使得光栅结射率调制分布的限制，构设计更具灵活性，其光波控制功能愈加丰富，涉及色散特性、传感与滤波特的 TLPFG偏振相关特性、性以及调控功能等还有待进一步的认识与挖掘。参 考 文 献5Q，K1YuniLiuiniuinenhianOticaloulinScqgggPPgLCbetweenalonfiberadatiltedfibereriodratinarallelgPggP():5BraratinJ.2009341117261728Ot.LettggggP5H.YTamPAKruReflectiVeti

32、ltedfiber2TGuoetalgBraratinrefractometerbasedonstroncladdintocoregggggg():J.2009517757365742recoulinOt.Exress，pgpp，G.3K.ZhouSimson，XianenChenihextinctionetal.HFpggratioinfiberbasedon450tiltedfiberBaolarizersratins一ggpgg():J.2005301112851287OtLettp,Biaooiu5Weihuahannamic4Yininetal.D一LZgy/ pggMtemerat

33、urecomensatinnterroationechniueortraintfsppggqiwithtiltedfiberBraJ.IsensorsratinsEEEPhotonI .gggg():520085201613931395TechnolLett, Bin5YinMiaooLiu,HaoZhanelativehumi ditetal.RpggybasedontiltedfiberBrawithalcoholsen sorratinolvinlggggpyy口(：，coatinJ.2009,217) 441 IEEEPhoton.Technol.Lett.g4 4 3,T.G.B6Y

34、uenLirown.Radiationmodesand tiltedfiberFg ():J.2006, 23815 4 4 1555 ratinsJ.Ot.Soc.Am.B, ggp, 7K.S.LeeT.Erdoan.Fibermodecoulinin transmissiveandgpg:,reflectivetiltedfiberratinJ.A2000, 39(9)l.Ot.ggppp1 3 9 4 14 0 4,T.E8K.S.Leerdoan.Fibermodeconversi onwithtiltedg口，ratinsinanoticalfiberJ.001, J.O t.So

35、c.Am.A2ggpp():1 8 5 1 1 7 6 1 185,9D.D.DavisT.K.GalordE.N.GltsisLon eriodetal. yygpfiberratinfabricationwithfocusedC OaserulsesJ.ggp2l,():, 998343302 303Electron.Lett.1,10YunJianRaoYiPinWaneninRanoveletal.N一一一LgggZggfiberoticsensorsbasedonloneriodfiberratinswrittenb一pgypgg口，ulsesJhihfreuencCOaserJ .LihtwaVeTechnol一gqyp2lg()：200321513201327,11G.D.VanWierenT.K.GalordD.DDavisAxialetalggyrotationdeendenceofresonancesincurVedCOlaserinduced一p2,()eriodfibrer