长周期光栅机理与写入方法及实际应用
发布时间：2015-07-07 09:35
摘 要：对长周期光栅（long period fiber grating,lpfg）的形成机理和研究方法进行了分析，给出了研究的内容和参数以及这些参数与光栅周期、周期数、有效折射率的关系；研究并列举了当今先进的光栅写入方法，通过性能比较，得出了相关结论。经过搜集和研究给出了长周期光纤光栅在 现代 传感器和光纤通信中的最新应用进展。
关键词：光栅；光纤通信；写入方法；传感器
0 引言
当今，随着科技的进步和社会信息化需要，通信技术以前所未有的速度快速 发展 。以高速率、超宽带，远距离、大容量、不受电磁干扰为显著特征的光纤通信技术的进步尤为突出。而光纤光栅是指通过光纤的光敏性，采取驻波法等，用不同波长的光源照射掺锗、硼的光纤，或用物理化学方法使光纤的反射和折射发生永改变而形成的特殊光纤。光纤光栅在光纤通信和光纤传感器、光 计算 、光信息处理等领域有着广泛的应用，极大的推动了全光 网络 和数字神经系统的建立和发展。光纤光栅又分短周期光纤光栅和长周期光纤光栅。本文主要介绍长周期光纤光栅的机理和写入方法及其应用。
1 长周期光纤光栅的机理及研究
光纤具有光敏性，光敏性是指当光纤纤芯受到特定波长和高于一定强度的激光照射时，折射率会发生永久性变化。光纤的光敏性主要取决于纤芯的制作材料及照射激光的波长和强度。显然，利用光敏性可以改变光波导结构的折射率，这一特点可以用来制作无源光器件。WwW.lw881.com光纤光栅就是其重要的应用。
长周期光纤光栅是指周期为几十到几百微米的能够实现同向模式间耦合的光纤光栅。长周期光栅的特点是同向传输的纤芯模和高层模之间的耦合，无反向反射，属于透射型带阻滤波器。所以，长周期光纤光栅常常也称为透射光栅。
长周期光纤光栅理论主要来源于光纤布拉格光栅，研究模型有多种，其中最具典型的是耦合模理论。研究的关键点主要有：光纤光栅的导模、包层模和辐射模之间的模式耦合及传输特性。研究的内容和参数包括：光纤光栅的谐振波长、损耗峰值、带宽、耦合系数、传播常数等以及这些参数与光栅周期、周期数、有效折射率的关系。
1996年at＆t贝尔实验室的rkar等人用紫外光通过振幅掩模板照射氢载硅、锗光纤获得成功，从而诞生了长周期光栅光纤。
2 长周期光纤光栅的写入方法
长周期光纤光栅写入方法很多，主要有：紫外光法，电弧放电法，离子束入射法，co2激光法，腐蚀刻槽法，机械微弯变形法等。其各有优缺点。下面仅以主要的几种方法说明写入的原理和过程。
2.1 紫外光写入法
这种写入方法的原理是：用紫外光通过振动模板曝光氢载掺锗光纤，使得掺锗光纤的光敏性引起纤芯折射率的周期性调制，如图1所示。
图1 倾斜振幅掩模板写入不同周期的长周期光纤光栅
通过改变掩模板缝隙的周期，还可以写入不同谐振波长的长周期光纤光栅，以满足实际应用需求。图1中，通过改变模板与光纤之间的夹角f，就可改变光栅周期fb。
此种方法的缺点是热稳定性较差。常可用退火法来提高光栅的热稳定性。
2.2 腐蚀刻槽法
腐蚀刻槽法是直接利用氢氟酸周期性腐光纤形成周期性的环槽结构，从而形成长周期光纤光栅。如图2所示。
图2 腐蚀刻槽法写入的长周期光纤光栅示意图
此种方法形成的光纤光栅其折射率变化不仅发生在纤芯，而且在包层也起了很大改变。同时，由于光纤内部腐蚀部分和未腐蚀部分的直径不同，在对光栅施加一定压力后将引起折射率的变化，由此，此种长周期光纤光栅可以应用在应力、弯曲、扭曲、温度等传感器中。
2.3 离子束入射法
离子束入射法是用氢（h+）或氦(he+)离子束沿轴向周期性入射到光纤表面并注入到包层和纤芯，使其折射率发生周期性改变，形成长周期光纤光栅。其写入方法如图3所示。
图3 离子束入射法写入长周期光纤光栅的示意
该光纤光栅的优点：室温下，常规光纤可形成长周期光纤光栅；通过调节入射粒子束的剂量来实现对光纤折射率调制大小的控制；高温稳定性好，适应高温环境下工作。
3 长周期光纤光栅在实际中的应用
lpfg的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯模和包层模。这就导致了lpfg的谐振波表和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有更好的温度、应变、弯曲，扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度；另一方面，lpfg的滤波等特性在光纤通信中具有重要地位和价值。下面给出目前lpfg在传感器和通信领域的最新的应用成果。
3.1 温度、应变同时测量传感器
温度、应变同时测量是实际工程测量应用中的交叉测量问题。lpfg的谐振波长与应变和温度都具有较好的线性关系。实际测量时由lpfg和光纤布拉格光栅级联组合而成，实现温度和应变的同时测量。精度能够分别达到±9με和±1.5℃。
3.2 高温测量传感器
电弧的放电写入的长周期光纤光栅在30——200℃范围内的温度实验表明：在800——900℃范围内，温度灵敏度有一段平坦区。因此，工程上可以用于此温度下的线性温度测量。co2激光写入法与电弧放电法写入光纤光栅其形成机理本质是一致的。所以都具有高温稳定性。试验还表明：在同一温度范围内，纤芯基模与高阶包层模耦合的谐振波长的温度灵敏度高于纤芯基模与低阶包层模耦合的谐振波长的温度灵敏度，这与理论分析也十分吻合。
3.3 弯曲传感器
应用两个高频co2激光写入的具有较强弯曲方向相关性的lpfg和一个其他方法写入的没有弯曲方向相关性的lpfg相互配合，不但可以实现对弯曲量的测量，还可实现对任意弯曲方向的判别。这在桥梁等工程测量中应用非常广泛。
3.4 增益均衡器
现代 光纤通信，密集波分复用（dwdm）已进入实用阶段。但由于传输中掺铒光纤放大器（edfa）的增益谱不平坦，使得各信道获得的增益不同，从而导致信号传输产生误码。把几个不同谐波长和透射率的lpfg级联，可获得一个与edfa的增益谱成倒数的损耗特性曲线。其增益谱在40nm带宽范围内能达到1db的平坦度。lpfg对掺铒光纤增益谱的平坦作用在光纤陀螺仪中也有重要应用。r等人利用lpfg的平坦特性成功优化了陀螺仪中的edfa的增益谱，使陀螺仪的质心波长温度的相关性减小到0.2pm/℃,从而大提高了陀螺仪的温度稳定性，极大的提高了制导武器的精度。
3.5 光纤耦合器
lpfg常常可用作光纤通信中的光纤耦合器。lpfg耦合是属于模式耦合，光信号通过纤芯导模耦合到纤芯，这就使得lpfg光纤耦合器具有工作距离短，横向容差较小等特点。根据lpfg耦合器的工作原理，光源ld发出的光一部分耦合到纤芯中，另一部分经半球形透镜耦合到包层中并激发出多种包层模，耦合到包层中的光在包层中会激发出许多包层模，其中与lpfg谐振波长匹配的包模将耦合回到纤芯中形成导模。耦合距离及横向容错性与光纤纤芯半径和包层半径有关，也与包层折射率和入射角有联系。而光纤耦合器的耦合效率与工作距离、半球形透镜的半径、lpfg损耗峰的幅值、横向偏移、光源中心波长与lpfg谐振波长的差异、透镜与lpfg之间的距离等因素有关。
3.6 梳状滤波器
光滤波器是光纤通信中的主要器件之一，其性能的好坏将直接影响到光信号的传输。特别是在dmdw系统中，光虑波器是至关重要的部件。光纤梳状虑波器通常由若干个lpfg等间隔级联组成。一般而言，级联光栅越多，其透射干涉条纹的精细度越高，即干涉峰带宽越窄。当级联lpfg用于多通道梳状虑波器时，主干涉峰之间的小峰会给滤波效率带来不利影响。这种不利影响通常也可以通过多级级联的方法来克服。实验表明，级联光栅的间距越大，lpfg透射谱主干涉峰的个数就越多，即主干涉峰之间的间距就越窄。因此，级联lpfg构成的梳状滤波器的通道间隔可以通过改变级联光栅之间的间距来调节。研究结果表明：多个lpfg级联构成的梳状滤波器具有全兼容于光纤，制备简单，成本低等优点，因此在光纤通信领域得到了广泛的应用。
4 结束语
随着互联网的兴起和多媒体传输的需要，在传输距离和带宽上，光纤通信日益显示出其无可比拟的优势。全光 网络 离我们越来越近；在传感器应用方面，光纤也在集成化和交叉测量上具备独特的优势。因此，研究和应用光纤光栅具有非常重要的学术价值和使用价值。
参考 文献
［1］何瑾琳等.相移长周期光纤光栅的光谱特性及其在光分插复用器件中的应用［j］.光学学报，2000,20(8):1106-1111.
［2］刘云启.布样格光栅与长周期光纤光栅及传感器特性研究［d］.南开大学博士学位 论文 ，2000,chapter6:89-113.
［3］erdogant,,a,1996,13(2):296～313.
［4］leebh,kimyj,ic solution for cascaded long_penod fiber gratings,ieice on,2001,e84_c(5):621-628.
关键词：光栅；光纤通信；写入方法；传感器
0 引言
当今，随着科技的进步和社会信息化需要，通信技术以前所未有的速度快速 发展 。以高速率、超宽带，远距离、大容量、不受电磁干扰为显著特征的光纤通信技术的进步尤为突出。而光纤光栅是指通过光纤的光敏性，采取驻波法等，用不同波长的光源照射掺锗、硼的光纤，或用物理化学方法使光纤的反射和折射发生永改变而形成的特殊光纤。光纤光栅在光纤通信和光纤传感器、光 计算 、光信息处理等领域有着广泛的应用，极大的推动了全光 网络 和数字神经系统的建立和发展。光纤光栅又分短周期光纤光栅和长周期光纤光栅。本文主要介绍长周期光纤光栅的机理和写入方法及其应用。
1 长周期光纤光栅的机理及研究
光纤具有光敏性，光敏性是指当光纤纤芯受到特定波长和高于一定强度的激光照射时，折射率会发生永久性变化。光纤的光敏性主要取决于纤芯的制作材料及照射激光的波长和强度。显然，利用光敏性可以改变光波导结构的折射率，这一特点可以用来制作无源光器件。WwW.lw881.com光纤光栅就是其重要的应用。
长周期光纤光栅是指周期为几十到几百微米的能够实现同向模式间耦合的光纤光栅。长周期光栅的特点是同向传输的纤芯模和高层模之间的耦合，无反向反射，属于透射型带阻滤波器。所以，长周期光纤光栅常常也称为透射光栅。
长周期光纤光栅理论主要来源于光纤布拉格光栅，研究模型有多种，其中最具典型的是耦合模理论。研究的关键点主要有：光纤光栅的导模、包层模和辐射模之间的模式耦合及传输特性。研究的内容和参数包括：光纤光栅的谐振波长、损耗峰值、带宽、耦合系数、传播常数等以及这些参数与光栅周期、周期数、有效折射率的关系。
1996年at＆t贝尔实验室的rkar等人用紫外光通过振幅掩模板照射氢载硅、锗光纤获得成功，从而诞生了长周期光栅光纤。
2 长周期光纤光栅的写入方法
长周期光纤光栅写入方法很多，主要有：紫外光法，电弧放电法，离子束入射法，co2激光法，腐蚀刻槽法，机械微弯变形法等。其各有优缺点。下面仅以主要的几种方法说明写入的原理和过程。
2.1 紫外光写入法
这种写入方法的原理是：用紫外光通过振动模板曝光氢载掺锗光纤，使得掺锗光纤的光敏性引起纤芯折射率的周期性调制，如图1所示。
图1 倾斜振幅掩模板写入不同周期的长周期光纤光栅
通过改变掩模板缝隙的周期，还可以写入不同谐振波长的长周期光纤光栅，以满足实际应用需求。图1中，通过改变模板与光纤之间的夹角f，就可改变光栅周期fb。
此种方法的缺点是热稳定性较差。常可用退火法来提高光栅的热稳定性。
2.2 腐蚀刻槽法
腐蚀刻槽法是直接利用氢氟酸周期性腐光纤形成周期性的环槽结构，从而形成长周期光纤光栅。如图2所示。
图2 腐蚀刻槽法写入的长周期光纤光栅示意图
此种方法形成的光纤光栅其折射率变化不仅发生在纤芯，而且在包层也起了很大改变。同时，由于光纤内部腐蚀部分和未腐蚀部分的直径不同，在对光栅施加一定压力后将引起折射率的变化，由此，此种长周期光纤光栅可以应用在应力、弯曲、扭曲、温度等传感器中。
2.3 离子束入射法
离子束入射法是用氢（h+）或氦(he+)离子束沿轴向周期性入射到光纤表面并注入到包层和纤芯，使其折射率发生周期性改变，形成长周期光纤光栅。其写入方法如图3所示。
图3 离子束入射法写入长周期光纤光栅的示意
该光纤光栅的优点：室温下，常规光纤可形成长周期光纤光栅；通过调节入射粒子束的剂量来实现对光纤折射率调制大小的控制；高温稳定性好，适应高温环境下工作。
3 长周期光纤光栅在实际中的应用
lpfg的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯模和包层模。这就导致了lpfg的谐振波表和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有更好的温度、应变、弯曲，扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度；另一方面，lpfg的滤波等特性在光纤通信中具有重要地位和价值。下面给出目前lpfg在传感器和通信领域的最新的应用成果。
温度、应变同时测量是实际工程测量应用中的交叉测量问题。lpfg的谐振波长与应变和温度都具有较好的线性关系。实际测量时由lpfg和光纤布拉格光栅级联组合而成，实现温度和应变的同时测量。精度能够分别达到±9με和±1.5℃。
3.2 高温测量传感器
电弧的放电写入的长周期光纤光栅在30——200℃范围内的温度实验表明：在800——900℃范围内，温度灵敏度有一段平坦区。因此，工程上可以用于此温度下的线性温度测量。co2激光写入法与电弧放电法写入光纤光栅其形成机理本质是一致的。所以都具有高温稳定性。试验还表明：在同一温度范围内，纤芯基模与高阶包层模耦合的谐振波长的温度灵敏度高于纤芯基模与低阶包层模耦合的谐振波长的温度灵敏度，这与理论分析也十分吻合。
3.3 弯曲传感器
应用两个高频co2激光写入的具有较强弯曲方向相关性的lpfg和一个其他方法写入的没有弯曲方向相关性的lpfg相互配合，不但可以实现对弯曲量的测量，还可实现对任意弯曲方向的判别。这在桥梁等工程测量中应用非常广泛。
3.4 增益均衡器
现代 光纤通信，密集波分复用（dwdm）已进入实用阶段。但由于传输中掺铒光纤放大器（edfa）的增益谱不平坦，使得各信道获得的增益不同，从而导致信号传输产生误码。把几个不同谐波长和透射率的lpfg级联，可获得一个与edfa的增益谱成倒数的损耗特性曲线。其增益谱在40nm带宽范围内能达到1db的平坦度。lpfg对掺铒光纤增益谱的平坦作用在光纤陀螺仪中也有重要应用。r等人利用lpfg的平坦特性成功优化了陀螺仪中的edfa的增益谱，使陀螺仪的质心波长温度的相关性减小到0.2pm/℃,从而大提高了陀螺仪的温度稳定性，极大的提高了制导武器的精度。
3.5 光纤耦合器
lpfg常常可用作光纤通信中的光纤耦合器。lpfg耦合是属于模式耦合，光信号通过纤芯导模耦合到纤芯，这就使得lpfg光纤耦合器具有工作距离短，横向容差较小等特点。根据lpfg耦合器的工作原理，光源ld发出的光一部分耦合到纤芯中，另一部分经半球形透镜耦合到包层中并激发出多种包层模，耦合到包层中的光在包层中会激发出许多包层模，其中与lpfg谐振波长匹配的包模将耦合回到纤芯中形成导模。耦合距离及横向容错性与光纤纤芯半径和包层半径有关，也与包层折射率和入射角有联系。而光纤耦合器的耦合效率与工作距离、半球形透镜的半径、lpfg损耗峰的幅值、横向偏移、光源中心波长与lpfg谐振波长的差异、透镜与lpfg之间的距离等因素有关。
3.6 梳状滤波器
光滤波器是光纤通信中的主要器件之一，其性能的好坏将直接影响到光信号的传输。特别是在dmdw系统中，光虑波器是至关重要的部件。光纤梳状虑波器通常由若干个lpfg等间隔级联组成。一般而言，级联光栅越多，其透射干涉条纹的精细度越高，即干涉峰带宽越窄。当级联lpfg用于多通道梳状虑波器时，主干涉峰之间的小峰会给滤波效率带来不利影响。这种不利影响通常也可以通过多级级联的方法来克服。实验表明，级联光栅的间距越大，lpfg透射谱主干涉峰的个数就越多，即主干涉峰之间的间距就越窄。因此，级联lpfg构成的梳状滤波器的通道间隔可以通过改变级联光栅之间的间距来调节。研究结果表明：多个lpfg级联构成的梳状滤波器具有全兼容于光纤，制备简单，成本低等优点，因此在光纤通信领域得到了广泛的应用。
4 结束语
随着互联网的兴起和多媒体传输的需要，在传输距离和带宽上，光纤通信日益显示出其无可比拟的优势。全光 网络 离我们越来越近；在传感器应用方面，光纤也在集成化和交叉测量上具备独特的优势。因此，研究和应用光纤光栅具有非常重要的学术价值和使用价值。
参考 文献
［1］何瑾琳等.相移长周期光纤光栅的光谱特性及其在光分插复用器件中的应用［j］.光学学报，2000,20(8):1106-1111.
［2］刘云启.布样格光栅与长周期光纤光栅及传感器特性研究［d］.南开大学博士学位 论文 ，2000,chapter6:89-113.
［3］erdogant,,a,1996,13(2):296～313.
［4］leebh,kimyj,ic solution for cascaded long_penod fiber gratings,ieice on,2001,e84_c(5):621-628.
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