長周期光柵機(jī)理與寫入方法論文

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摘要：對(duì)長周期光柵（longperiodfibergrating,LPFG）的形成機(jī)理和研究方法進(jìn)行了分析，給出了研究的內(nèi)容和參數(shù)以及這些參數(shù)與光柵周期、周期數(shù)、有效折射率的關(guān)系；研究并列舉了當(dāng)今先進(jìn)的光柵寫入方法，通過性能比較，得出了相關(guān)結(jié)論。經(jīng)過搜集和研究給出了長周期光纖光柵在現(xiàn)代傳感器和光纖通信中的最新應(yīng)用進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：光柵；光纖通信；寫入方法；傳感器

0引言

當(dāng)今，隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)信息化需要，通信技術(shù)以前所未有的速度快速發(fā)展。以高速率、超寬帶，遠(yuǎn)距離、大容量、不受電磁干擾為顯著特征的光纖通信技術(shù)的進(jìn)步尤為突出。而光纖光柵是指通過光纖的光敏性，采取駐波法等，用不同波長的光源照射摻鍺、硼的光纖，或用物理化學(xué)方法使光纖的反射和折射發(fā)生永改變而形成的特殊光纖。光纖光柵在光纖通信和光纖傳感器、光計(jì)算、光信息處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，極大的推動(dòng)了全光網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)的建立和發(fā)展。光纖光柵又分短周期光纖光柵和長周期光纖光柵。本文主要介紹長周期光纖光柵的機(jī)理和寫入方法及其應(yīng)用。

1長周期光纖光柵的機(jī)理及研究

光纖具有光敏性，光敏性是指當(dāng)光纖纖芯受到特定波長和高于一定強(qiáng)度的激光照射時(shí)，折射率會(huì)發(fā)生永久性變化。光纖的光敏性主要取決于纖芯的制作材料及照射激光的波長和強(qiáng)度。顯然，利用光敏性可以改變光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率，這一特點(diǎn)可以用來制作無源光器件。光纖光柵就是其重要的應(yīng)用。

長周期光纖光柵是指周期為幾十到幾百微米的能夠?qū)崿F(xiàn)同向模式間耦合的光纖光柵。長周期光柵的特點(diǎn)是同向傳輸?shù)睦w芯模和高層模之間的耦合，無反向反射，屬于透射型帶阻濾波器。所以，長周期光纖光柵常常也稱為透射光柵。

長周期光纖光柵理論主要來源于光纖布拉格光柵，研究模型有多種，其中最具典型的是耦合模理論。研究的關(guān)鍵點(diǎn)主要有：光纖光柵的導(dǎo)模、包層模和輻射模之間的模式耦合及傳輸特性。研究的內(nèi)容和參數(shù)包括：光纖光柵的諧振波長、損耗峰值、帶寬、耦合系數(shù)、傳播常數(shù)等以及這些參數(shù)與光柵周期、周期數(shù)、有效折射率的關(guān)系。

1996年AT＆T貝爾實(shí)驗(yàn)室的A.M.Vengsarkar等人用紫外光通過振幅掩模板照射氫載硅、鍺光纖獲得成功，從而誕生了長周期光柵光纖。

2長周期光纖光柵的寫入方法

長周期光纖光柵寫入方法很多，主要有：紫外光法，電弧放電法，離子束入射法，CO2激光法，腐蝕刻槽法，機(jī)械微彎變形法等。其各有優(yōu)缺點(diǎn)。下面僅以主要的幾種方法說明寫入的原理和過程。

2.1紫外光寫入法

這種寫入方法的原理是：用紫外光通過振動(dòng)模板曝光氫載摻鍺光纖，使得摻鍺光纖的光敏性引起纖芯折射率的周期性調(diào)制，如圖1所示。

圖1傾斜振幅掩模板寫入不同周期的長周期光纖光柵

通過改變掩模板縫隙的周期，還可以寫入不同諧振波長的長周期光纖光柵，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。圖1中，通過改變模板與光纖之間的夾角f，就可改變光柵周期fb。

此種方法的缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。常可用退火法來提高光柵的熱穩(wěn)定性。

2.2腐蝕刻槽法

腐蝕刻槽法是直接利用氫氟酸周期性腐光纖形成周期性的環(huán)槽結(jié)構(gòu)，從而形成長周期光纖光柵。如圖2所示。

圖2腐蝕刻槽法寫入的長周期光纖光柵示意圖

此種方法形成的光纖光柵其折射率變化不僅發(fā)生在纖芯，而且在包層也起了很大改變。同時(shí)，由于光纖內(nèi)部腐蝕部分和未腐蝕部分的直徑不同，在對(duì)光柵施加一定壓力后將引起折射率的變化，由此，此種長周期光纖光柵可以應(yīng)用在應(yīng)力、彎曲、扭曲、溫度等傳感器中。

2.3離子束入射法

離子束入射法是用氫（H+）或氦(He+)離子束沿軸向周期性入射到光纖表面并注入到包層和纖芯，使其折射率發(fā)生周期性改變，形成長周期光纖光柵。其寫入方法如圖3所示。

圖3離子束入射法寫入長周期光纖光柵的示意

該光纖光柵的優(yōu)點(diǎn)：室溫下，常規(guī)光纖可形成長周期光纖光柵；通過調(diào)節(jié)入射粒子束的劑量來實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖折射率調(diào)制大小的控制；高溫穩(wěn)定性好，適應(yīng)高溫環(huán)境下工作。

3長周期光纖光柵在實(shí)際中的應(yīng)用

LPFG的周期相對(duì)較長，滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)睦w芯模和包層模。這就導(dǎo)致了LPFG的諧振波表和幅值對(duì)外界環(huán)境的變化非常敏感，具有更好的溫度、應(yīng)變、彎曲，扭曲、橫向負(fù)載、濃度和折射率靈敏度；另一方面，LPFG的濾波等特性在光纖通信中具有重要地位和價(jià)值。下面給出目前LPFG在傳感器和通信領(lǐng)域的最新的應(yīng)用成果。3.1溫度、應(yīng)變同時(shí)測量傳感器

溫度、應(yīng)變同時(shí)測量是實(shí)際工程測量應(yīng)用中的交叉測量問題。LPFG的諧振波長與應(yīng)變和溫度都具有較好的線性關(guān)系。實(shí)際測量時(shí)由LPFG和光纖布拉格光柵級(jí)聯(lián)組合而成，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測量。精度能夠分別達(dá)到±9με和±1.5℃。

3.2高溫測量傳感器

電弧的放電寫入的長周期光纖光柵在30——200℃范圍內(nèi)的溫度實(shí)驗(yàn)表明：在800——900℃范圍內(nèi)，溫度靈敏度有一段平坦區(qū)。因此，工程上可以用于此溫度下的線性溫度測量。CO2激光寫入法與電弧放電法寫入光纖光柵其形成機(jī)理本質(zhì)是一致的。所以都具有高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)還表明：在同一溫度范圍內(nèi)，纖芯基模與高階包層模耦合的諧振波長的溫度靈敏度高于纖芯基模與低階包層模耦合的諧振波長的溫度靈敏度，這與理論分析也十分吻合。

3.3彎曲傳感器

應(yīng)用兩個(gè)高頻CO2激光寫入的具有較強(qiáng)彎曲方向相關(guān)性的LPFG和一個(gè)其他方法寫入的沒有彎曲方向相關(guān)性的LPFG相互配合，不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲量的測量，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意彎曲方向的判別。這在橋梁等工程測量中應(yīng)用非常廣泛。

3.4增益均衡器

現(xiàn)代光纖通信，密集波分復(fù)用（DWDM）已進(jìn)入實(shí)用階段。但由于傳輸中摻鉺光纖放大器（EDFA）的增益譜不平坦，使得各信道獲得的增益不同，從而導(dǎo)致信號(hào)傳輸產(chǎn)生誤碼。把幾個(gè)不同諧波長和透射率的LPFG級(jí)聯(lián)，可獲得一個(gè)與EDFA的增益譜成倒數(shù)的損耗特性曲線。其增益譜在40nm帶寬范圍內(nèi)能達(dá)到1dB的平坦度。LPFG對(duì)摻鉺光纖增益譜的平坦作用在光纖陀螺儀中也有重要應(yīng)用。R.P.Moeller等人利用LPFG的平坦特性成功優(yōu)化了陀螺儀中的EDFA的增益譜，使陀螺儀的質(zhì)心波長溫度的相關(guān)性減小到0.2pm/℃,從而大提高了陀螺儀的溫度穩(wěn)定性，極大的提高了制導(dǎo)武器的精度。

3.5光纖耦合器

LPFG常常可用作光纖通信中的光纖耦合器。LPFG耦合是屬于模式耦合，光信號(hào)通過纖芯導(dǎo)模耦合到纖芯，這就使得LPFG光纖耦合器具有工作距離短，橫向容差較小等特點(diǎn)。根據(jù)LPFG耦合器的工作原理，光源LD發(fā)出的光一部分耦合到纖芯中，另一部分經(jīng)半球形透鏡耦合到包層中并激發(fā)出多種包層模，耦合到包層中的光在包層中會(huì)激發(fā)出許多包層模，其中與LPFG諧振波長匹配的包模將耦合回到纖芯中形成導(dǎo)模。耦合距離及橫向容錯(cuò)性與光纖纖芯半徑和包層半徑有關(guān)，也與包層折射率和入射角有聯(lián)系。而光纖耦合器的耦合效率與工作距離、半球形透鏡的半徑、LPFG損耗峰的幅值、橫向偏移、光源中心波長與LPFG諧振波長的差異、透鏡與LPFG之間的距離等因素有關(guān)。

3.6梳狀濾波器

光濾波器是光纖通信中的主要器件之一，其性能的好壞將直接影響到光信號(hào)的傳輸。特別是在DMDW系統(tǒng)中，光慮波器是至關(guān)重要的部件。光纖梳狀慮波器通常由若干個(gè)LPFG等間隔級(jí)聯(lián)組成。一般而言，級(jí)聯(lián)光柵越多，其透射干涉條紋的精細(xì)度越高，即干涉峰帶寬越窄。當(dāng)級(jí)聯(lián)LPFG用于多通道梳狀慮波器時(shí)，主干涉峰之間的小峰會(huì)給濾波效率帶來不利影響。這種不利影響通常也可以通過多級(jí)級(jí)聯(lián)的方法來克服。實(shí)驗(yàn)表明，級(jí)聯(lián)光柵的間距越大，LPFG透射譜主干涉峰的個(gè)數(shù)就越多，即主干涉峰之間的間距就越窄。因此，級(jí)聯(lián)LPFG構(gòu)成的梳狀濾波器的通道間隔可以通過改變級(jí)聯(lián)光柵之間的間距來調(diào)節(jié)。研究結(jié)果表明：多個(gè)LPFG級(jí)聯(lián)構(gòu)成的梳狀濾波器具有全兼容于光纖，制備簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在光纖通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

4結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起和多媒體傳輸?shù)男枰趥鬏斁嚯x和帶寬上，光纖通信日益顯示出其無可比擬的優(yōu)勢。全光網(wǎng)絡(luò)離我們?cè)絹碓浇辉趥鞲衅鲬?yīng)用方面，光纖也在集成化和交叉測量上具備獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，研究和應(yīng)用光纖光柵具有非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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