長周期光柵機理與寫入方法論文

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摘要：對長周期光柵（longperiodfibergrating,LPFG）的形成機理和研究方法進行了分析，給出了研究的內容和參數以及這些參數與光柵周期、周期數、有效折射率的關系；研究并列舉了當今先進的光柵寫入方法，通過性能比較，得出了相關結論。經過搜集和研究給出了長周期光纖光柵在現代傳感器和光纖通信中的最新應用進展。

關鍵詞：光柵；光纖通信；寫入方法；傳感器

0引言

當今，隨著科技的進步和社會信息化需要，通信技術以前所未有的速度快速發展。以高速率、超寬帶，遠距離、大容量、不受電磁干擾為顯著特征的光纖通信技術的進步尤為突出。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，或用物理化學方法使光纖的反射和折射發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、光計算、光信息處理等領域有著廣泛的應用，極大的推動了全光網絡和數字神經系統的建立和發展。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理和寫入方法及其應用。

1長周期光纖光柵的機理及研究

光纖具有光敏性，光敏性是指當光纖纖芯受到特定波長和高于一定強度的激光照射時，折射率會發生永久性變化。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度。顯然，利用光敏性可以改變光波導結構的折射率，這一特點可以用來制作無源光器件。光纖光柵就是其重要的應用。

長周期光纖光柵是指周期為幾十到幾百微米的能夠實現同向模式間耦合的光纖光柵。長周期光柵的特點是同向傳輸的纖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。研究的關鍵點主要有：光纖光柵的導模、包層模和輻射模之間的模式耦合及傳輸特性。研究的內容和參數包括：光纖光柵的諧振波長、損耗峰值、帶寬、耦合系數、傳播常數等以及這些參數與光柵周期、周期數、有效折射率的關系。

1996年AT＆T貝爾實驗室的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，機械微彎變形法等。其各有優缺點。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，以滿足實際應用需求。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。

此種方法的缺點是熱穩定性較差。?？捎猛嘶鸱▉硖岣吖鈻诺臒岱€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槽結構，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生在纖芯，而且在包層也起了很大改變。同時，由于光纖內部腐蝕部分和未腐蝕部分的直徑不同，在對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用在應力、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

該光纖光柵的優點：室溫下，常規光纖可形成長周期光纖光柵；通過調節入射粒子束的劑量來實現對光纖折射率調制大小的控制；高溫穩定性好，適應高溫環境下工作。

3長周期光纖光柵在實際中的應用

LPFG的周期相對較長，滿足相位匹配條件的是同向傳輸的纖芯模和包層模。這就導致了LPFG的諧振波表和幅值對外界環境的變化非常敏感，具有更好的溫度、應變、彎曲，扭曲、橫向負載、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值。下面給出目前LPFG在傳感器和通信領域的最新的應用成果。3.1溫度、應變同時測量傳感器

溫度、應變同時測量是實際工程測量應用中的交叉測量問題。LPFG的諧振波長與應變和溫度都具有較好的線性關系。實際測量時由LPFG和光纖布拉格光柵級聯組合而成，實現溫度和應變的同時測量。精度能夠分別達到±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℃范圍內的溫度實驗表明：在800——900℃范圍內，溫度靈敏度有一段平坦區。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理本質是一致的。所以都具有高溫穩定性。試驗還表明：在同一溫度范圍內，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

應用兩個高頻CO2激光寫入的具有較強彎曲方向相關性的LPFG和一個其他方法寫入的沒有彎曲方向相關性的LPFG相互配合，不但可以實現對彎曲量的測量，還可實現對任意彎曲方向的判別。這在橋梁等工程測量中應用非常廣泛。

3.4增益均衡器

現代光纖通信，密集波分復用（DWDM）已進入實用階段。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，從而導致信號傳輸產生誤碼。把幾個不同諧波長和透射率的LPFG級聯，可獲得一個與EDFA的增益譜成倒數的損耗特性曲線。其增益譜在40nm帶寬范圍內能達到1dB的平坦度。LPFG對摻鉺光纖增益譜的平坦作用在光纖陀螺儀中也有重要應用。R.P.Moeller等人利用LPFG的平坦特性成功優化了陀螺儀中的EDFA的增益譜，使陀螺儀的質心波長溫度的相關性減小到0.2pm/℃,從而大提高了陀螺儀的溫度穩定性，極大的提高了制導武器的精度。

3.5光纖耦合器

LPFG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，光信號通過纖芯導模耦合到纖芯，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。根據LPFG耦合器的工作原理，光源LD發出的光一部分耦合到纖芯中，另一部分經半球形透鏡耦合到包層中并激發出多種包層模，耦合到包層中的光在包層中會激發出許多包層模，其中與LPFG諧振波長匹配的包模將耦合回到纖芯中形成導模。耦合距離及橫向容錯性與光纖纖芯半徑和包層半徑有關，也與包層折射率和入射角有聯系。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。

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的傳輸。特別是在DMDW系統中，光慮波器是至關重要的部件。光纖梳狀慮波器通常由若干個LPFG等間隔級聯組成。一般而言，級聯光柵越多，其透射干涉條紋的精細度越高，即干涉峰帶寬越窄。當級聯LPFG用于多通道梳狀慮波器時，主干涉峰之間的小峰會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級聯的方法來克服。實驗表明，級聯光柵的間距越大，LPFG透射譜主干涉峰的個數就越多，即主干涉峰之間的間距就越窄。因此，級聯LPFG構成的梳狀濾波器的通道間隔可以通過改變級聯光柵之間的間距來調節。研究結果表明：多個LPFG級聯構成的梳狀濾波器具有全兼容于光纖，制備簡單，成本低等優點，因此在光纖通信領域得到了廣泛的應用。

4結束語

隨著互聯網的興起和多媒體傳輸的需要，在傳輸距離和帶寬上，光纖通信日益顯示出其無可比擬的優勢。全光網絡離我們越來越近；在傳感器應用方面，光纖也在集成化和交叉測量上具備獨特的優勢。因此，研究和應用光纖光柵具有非常重要的學術價值和使用價值。

參考文獻

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