通信學(xué)論文-長(zhǎng)周期光柵機(jī)理與寫(xiě)入方法及實(shí)際應(yīng)用.doc

通信學(xué)論文-長(zhǎng)周期光柵機(jī)理與寫(xiě)入方法及實(shí)際應(yīng)用摘要：對(duì)長(zhǎng)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(xiě)入方法，通過(guò)性能比較，得出了相關(guān)結(jié)論。經(jīng)過(guò)搜集和研究給出了長(zhǎng)周期光纖光柵在現(xiàn)代傳感器和光纖通0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(guò)光纖的光敏性，采取駐波法等，用不同波長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵。本文主要介紹長(zhǎng)周期光纖光柵的機(jī)理和寫(xiě)入方法1光纖具有光敏性，光敏性是指當(dāng)光纖纖芯受到特定波長(zhǎng)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(zhǎng)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，這長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)反向反射，屬于透射型帶阻濾波器。所長(zhǎng)周期光纖光柵理論主要來(lái)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(zhǎng)、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1996年ATT貝爾實(shí)驗(yàn)室的A.M.Vengsarkar等人用紫外光通過(guò)振幅掩模板2長(zhǎng)長(zhǎng)周期光纖光柵寫(xiě)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2.1這種寫(xiě)入方法的原理是：用紫外光通過(guò)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圖1傾斜振幅掩模板寫(xiě)入不同周期的長(zhǎng)周期光纖光柵通過(guò)改變掩模板縫隙的周期，還可以寫(xiě)入不同諧振波長(zhǎng)的長(zhǎng)周期光纖光柵，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。圖1中，通過(guò)改變模板與光纖之間的夾角f，就可改變光柵周期fb2.2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(zhǎng)周期光纖光柵。如圖2圖2腐蝕刻槽法寫(xiě)入的長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵可以應(yīng)用在應(yīng)力、2.3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(zhǎng)周期光纖光柵。其寫(xiě)入方法如圖3圖3離子束入射法寫(xiě)入長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵；通過(guò)調(diào)節(jié)入射粒子束的劑量來(lái)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3LPFG的周期相對(duì)較長(zhǎng)，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3.1溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量是實(shí)際工程測(cè)量應(yīng)用中的交叉測(cè)量問(wèn)題。LPFG的諧振波長(zhǎng)與應(yīng)變和溫度都具有較好的線性關(guān)系。實(shí)際測(cè)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(cè)量。精度能夠分別達(dá)到9和1.53.2電弧的放電寫(xiě)入的長(zhǎng)周期光纖光柵在30200范圍內(nèi)的溫度實(shí)驗(yàn)表明：在800900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(cè)量。CO2激光寫(xiě)入法與電弧放電法寫(xiě)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(zhǎng)的溫度靈敏度高于纖芯基模與低階包層模耦3.3應(yīng)用兩個(gè)高頻CO2激光寫(xiě)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(xiě)入的沒(méi)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(cè)3.4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(zhǎng)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(zhǎng)溫度的相關(guān)性減小到0.2pm/,從而大提高了陀螺儀的溫3.5LPFG常?？捎米鞴饫w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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)與LPFG諧振波長(zhǎng)的差異、透鏡與LPFG3.6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(lái)不利影響。這種不利影響通常也可以通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的方法來(lái)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(guò)改變級(jí)聯(lián)光柵之間的間距來(lái)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(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，4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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。全光網(wǎng)絡(luò)離我們?cè)絹?lái)越近；在傳感器應(yīng)用方面，光纖也在集成化和交叉測(cè)量上具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，研究和應(yīng)用光纖光柵具有非1.相移長(zhǎng)周期光纖光柵的光譜特性及其在光分插復(fù)用器件中的應(yīng)用J.光學(xué)學(xué)報(bào)，2000,20(8):1106-1111.2.布樣格光柵與長(zhǎng)周期光纖光柵及傳感器特性研究D.南開(kāi)大學(xué)博士學(xué)位論文，2000,chapter6:89-113.3ErdoganT,SipeJE.tiltedfibergr