微結(jié)構(gòu)光纖光柵的理論、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究.pdf

1、光纖光柵作為最重要的光纖器件之一,在光通信和光傳感領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來(lái),微結(jié)構(gòu)光纖的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展,為光纖光柵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的平臺(tái)。通過(guò)對(duì)光纖微結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和光纖光柵實(shí)現(xiàn)方式的創(chuàng)新,在微結(jié)構(gòu)光纖上制作的光纖光柵將可能具有新穎的光譜特性和應(yīng)用價(jià)值。另一方面,在微結(jié)構(gòu)光纖中進(jìn)行光纖光柵的寫(xiě)制是分析微結(jié)構(gòu)光纖模式特性和色散特性的重要實(shí)驗(yàn)手段。本論文闡述了微結(jié)構(gòu)光纖光柵的模式耦合理論,探索出-整套在多種微結(jié)構(gòu)光纖中制作光纖光柵

2、的工藝,在折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖、全固態(tài)光子帶隙型光纖、Bragg光纖等多種微結(jié)構(gòu)光纖中成功寫(xiě)制了光柵,并對(duì)它們的光譜特性、耦合方式和應(yīng)用前景作了詳細(xì)分析,主要內(nèi)容包括： 1.基于光纖光柵的耦合模理論和微結(jié)構(gòu)光纖的模式特性,建立了微結(jié)構(gòu)光纖光柵的理論分析方法,這為我們?cè)诶碚撋辖忉尭鞣N微結(jié)構(gòu)光纖光柵的光譜特性和模式耦合建立了基礎(chǔ)。 2.探索出一套在多種微結(jié)構(gòu)光纖中寫(xiě)制光柵的工藝,包括：微結(jié)構(gòu)光纖與單模光纖的低損耗熔接技術(shù)

3、、微結(jié)構(gòu)光纖的載氫處理、紫外寫(xiě)制工藝的改進(jìn)、超連續(xù)光源的搭建等。 3.在國(guó)內(nèi)首次報(bào)道了在國(guó)產(chǎn)柚子型光纖中寫(xiě)制的光纖Bragg光柵(FBG)。在實(shí)現(xiàn)了該光纖與單模光纖低損耗熔接的基礎(chǔ)上,利用相位模板法在這光纖上成功寫(xiě)制了Bragg光柵,光柵深度達(dá)30dB以上；在這種光纖上寫(xiě)制了傾斜光柵,觀察到多個(gè)包層模諧振峰；在傾斜光柵中填充高折射率匹配液,觀察到了包層模諧振的減弱。 4.在國(guó)內(nèi)首次報(bào)道了在多層空氣孔的光子晶體光纖中寫(xiě)制的

4、Bragg光柵。通過(guò)載氫處理提高了光子晶體光纖的光敏性,以抵消空氣孔散射對(duì)光柵寫(xiě)制效率的影響。在纖芯高摻鍺、10層空氣孔的光子晶體光纖中制作的光柵具有兩套高階模諧振峰,且觀察到了深度達(dá)10dB的強(qiáng)包層模諧振峰。為了提高寫(xiě)制效率,利用雙光子吸收法在這種光纖中寫(xiě)制光柵,在未載氫的情況下,180秒內(nèi)即可完成光柵的寫(xiě)制。基于兩種不同的光子晶體光纖中的Bragg光柵,分析了微結(jié)構(gòu)光纖各結(jié)構(gòu)參數(shù)與摻雜纖芯與純石英的折射率差對(duì)光柵光譜特性、光柵寫(xiě)制效

5、率和折射率調(diào)制可見(jiàn)度等方面的影響。 5.利用193nm波長(zhǎng)的ArF準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行了在純石英折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖中寫(xiě)制Bragg光柵的嘗試,并觀察到一個(gè)較弱的反射峰。 6.在國(guó)際上首次報(bào)道了在全固態(tài)光子帶隙光纖中寫(xiě)制的Bragg光柵。這種光柵的折射率調(diào)制區(qū)域分布在光纖包層的高折射率柱陣列內(nèi),我們不僅觀察到光纖基模向反向基模的耦合,還觀察到基模向傳導(dǎo)超模的耦合。基于各超模在高折射率柱陣列中相位關(guān)系和模式的對(duì)稱性,揭示了各諧振峰

6、產(chǎn)生的原因,指出只有某些滿足特定相位關(guān)系的超模對(duì)基模-超模諧振具有貢獻(xiàn)。在理論和實(shí)驗(yàn)上分析了光柵寫(xiě)制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)過(guò)程,包括帶隙的漂移和各諧振波長(zhǎng)的變化。分析了光柵的彎曲特性,發(fā)現(xiàn)了由于光柵折射率調(diào)制的不均勻引起其彎曲響應(yīng)與彎曲方向有關(guān)的特性。此外,還在全固光子帶隙光纖中寫(xiě)制長(zhǎng)周期光柵,給出了基模一傳導(dǎo)超模耦合的相位匹配曲線,并對(duì)其溫度特性進(jìn)行了分析。 7.在全固態(tài)Bragg光纖中寫(xiě)制的Bragg光柵,觀察到光纖正反向基模之間的耦

7、合。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為下一步設(shè)計(jì)基于Bragg光纖FBG的折射率傳感器奠定了基礎(chǔ)。在纖芯小于1μm的Bragg光纖中寫(xiě)入光柵,根據(jù)對(duì)應(yīng)的透射譜發(fā)現(xiàn),由于纖芯太小,光纖中模場(chǎng)以無(wú)法被光子帶隙效應(yīng)限制。而是轉(zhuǎn)化為折射率引導(dǎo)。 8.基于空芯Bragg光纖和弱折射率引導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖中的FBG,分別提出折射率傳感器結(jié)構(gòu),該傳感器在保證原有光纖對(duì)填充樣品的探測(cè)能力的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品折射率的測(cè)量。定量分析了傳感器靈敏度、模場(chǎng)能量與樣品交疊等主