特種長(zhǎng)周期光纖光柵基礎(chǔ)研究.pdf

1、2000~2003年，筆者所在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)高頻 CO2激光單側(cè)寫入長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）的光學(xué)特性和相應(yīng)器件進(jìn)行了初步研究，取得的成果得到了國(guó)內(nèi)外專家的初步認(rèn)可。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更深一步的拓展研究，其基本思想是在初步完善非對(duì)稱折變型LPFG模式耦合理論分析方法和高頻CO2激光寫入LPFG的成柵機(jī)理分析和測(cè)量基礎(chǔ)上，按照提高環(huán)境響應(yīng)靈敏度、克服傳感參量交叉敏感和實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量的總體思想，比較系統(tǒng)的研究特種 LPFG的光柵結(jié)構(gòu)、折變模型

2、、寫入方法、傳輸特性、環(huán)境響應(yīng)特性，以及潛在應(yīng)用等。論文主要內(nèi)容如下：
　?、僬撐陌凑諜M截面折變非對(duì)稱分布的相對(duì)大小將光柵橫截面分割成多層圓波導(dǎo)，并將各圓環(huán)層按周向折射率大小不同進(jìn)行離散分塊，再基于多層圓波導(dǎo)理論和數(shù)值計(jì)算方法來(lái)近似計(jì)算光柵各個(gè)模式的模場(chǎng)，最后利用模式耦合方程和修正的布拉格條件來(lái)討論這種非對(duì)稱折變型 LPFG的模式耦合特征。非對(duì)稱 LPFG模式耦合數(shù)值分析方法的完善為特種LPFG的探索提供了理論基礎(chǔ)。
　?、?/p>

3、論文研究認(rèn)為殘余應(yīng)力釋放、快速固化、光纖致密化和熔融變形是高頻CO2激光寫入法能成柵的主要原因，但采用不同寫入方法和不同的激光寫入能量在不同的光纖類型上制作光柵時(shí)其重要性不同。論文測(cè)試了激光在光纖上不同作用位置和不同輻射能量所引起的光纖纖芯或包層的折射率平均變化量。這些研究為實(shí)現(xiàn)特種LPFG結(jié)構(gòu)的寫入提供了實(shí)驗(yàn)制作的基礎(chǔ)。
　　③在國(guó)際上首次提出并利用高頻CO2激光寫出了邊緣折變型LPFG，并比較系統(tǒng)的研究了這類光柵的模式耦合特征

4、和傳輸特性，最后對(duì)這類光柵的部分環(huán)境響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：(1).由于邊緣折變型LPFG折變主要發(fā)生在包層，因此環(huán)境參量的變化很容易改變包層模場(chǎng)的分布，從而提高了諧振峰對(duì)環(huán)境參量的響應(yīng)靈敏度。比如環(huán)境折射率響應(yīng)靈敏度相比普通LPFG提高了約4倍、通過(guò)形成周期缺槽型 LPFG可將應(yīng)變靈敏度提高到100/pm me-（在0~100me的應(yīng)變范圍內(nèi)）；(2).邊緣折變型光纖光柵具有非常強(qiáng)的方向耦合性，可基于此設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)型光開(kāi)關(guān)等光通

5、信器件；(3).邊緣折變型LPFG具有較高的偏振相關(guān)損耗(PDL)，可通過(guò)多邊寫入的方法降低PDL，最小可達(dá)0.22dB。
　?、茉趪?guó)際上首次提出并利用高頻 CO2激光制作出了旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱折變型 LPFG(R-LPFG)，并比較系統(tǒng)的研究了這類光柵的模式耦合特征和傳輸特性，最后對(duì)這類光柵的部分環(huán)境響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：(1).當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)度逐漸變大時(shí)，R-LPFG單一的諧振峰會(huì)逐漸分裂成兩個(gè)，這是與以往所有光柵類型所不同的

6、透射譜特征；(2).從R-LPFG單個(gè)諧振峰分裂出來(lái)的兩個(gè)分裂峰的溫度靈敏度幾乎相同；(3). R-LPFG兩分裂峰具有極性相反的應(yīng)變靈敏度，特別的，缺槽型 R-LPFG兩分裂峰的應(yīng)變靈敏度絕對(duì)值可達(dá)50/pm me(在0~600me的范圍內(nèi))；(4).出現(xiàn)分裂峰的R-LPFG，同向扭曲時(shí)，兩分裂峰逐漸靠攏，最后合成一個(gè)峰；反向扭曲時(shí)，兩分裂峰逐漸分離。(5).可利用R-LPFG兩分裂峰的間距實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變、扭曲等物理量的測(cè)量。<

7、br>　?、菰趪?guó)際上首次提出非對(duì)稱折變型超長(zhǎng)周期光纖光柵（ULPFG）的結(jié)構(gòu)，并提出利用空間頻率的思想來(lái)討論這類光柵的模式耦合特征和傳輸特性。文中還將邊緣折變和旋轉(zhuǎn)折變思想應(yīng)用于ULPFG中從而形成了邊緣折變非對(duì)稱型ULPFG(E-ULPFG)和旋轉(zhuǎn)折變非對(duì)稱型ULPFG(R-ULPFG)。在利用高頻CO2激光寫出這些光柵結(jié)構(gòu)后實(shí)驗(yàn)研究了它們的部分環(huán)境響應(yīng)特性，結(jié)果表明：(1). ULPFG具有比LPFG更多的諧振峰。(2).由于ULP

8、FG各諧振峰的環(huán)境響應(yīng)特性與實(shí)際發(fā)生耦合的子光柵級(jí)次和包層模階次密切相關(guān)，因此 ULPFG每個(gè)諧振峰對(duì)環(huán)境參量如折射率、扭曲等的靈敏度都不一樣。(3). E-ULPFG可以進(jìn)一步加強(qiáng)ULPFG的光學(xué)特性，比如邊緣缺槽型ULPFG可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和折射率的高靈敏度測(cè)量等；(4).可以利用R-ULPFG各組分裂峰的間距實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變、扭曲等物理量的多參數(shù)測(cè)量等。
　?、拚撐幕谔胤NLPFG實(shí)驗(yàn)研究了部分適用于光纖通信或傳感領(lǐng)域的新器

9、件：(1).具有方向相關(guān)性的光柵型耦合器；(2).利用R-LPFG實(shí)現(xiàn)了EDFA的動(dòng)態(tài)增益均衡器；(3).利用ULPFG實(shí)現(xiàn)了溫度和折射率的同時(shí)測(cè)量；(4).利用R-LPFG實(shí)現(xiàn)了無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變、扭曲等物理量的測(cè)量；(5).利用ULPFG等特種光纖光柵實(shí)現(xiàn)了溫度、應(yīng)變、扭曲三參數(shù)的同時(shí)測(cè)量；(6).論文提出利用缺槽型E-LPFG和R-LPFG設(shè)計(jì)可調(diào)諧帶阻濾波器；(7).利用具有特殊透射譜的LPFG和微加工制作高性能帶通濾波器等。

10、r>　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：①.獨(dú)立探索了三大類特種 LPFG結(jié)構(gòu)，從而豐富了LPFG的結(jié)構(gòu)體系；②.比較系統(tǒng)的研究了三類特種LPFG的耦合特征、傳輸特性、環(huán)境響應(yīng)特性等，為光纖傳感和通信領(lǐng)域提供了若干可供選擇的全光纖型器件；③.基于特種LPFG設(shè)計(jì)了幾種光纖傳感和通信用基礎(chǔ)器件。通過(guò)本論文的研究，筆者已將部分科研成果發(fā)表在《Optics Letters》、《IEEE Photonics Technology Letters》、《App