特种长周期光纤光栅基础研究

论文摘要

20002003年,笔者所在实验室针对高频CO2激光单侧写入长周期光纤光栅（LPFG）的光学特性和相应器件进行了初步研究,取得的成果得到了国内外专家的初步认可。本文在此基础上进行更深一步的拓展研究,其基本思想是在初步完善非对称折变型LPFG模式耦合理论分析方法和高频CO2激光写入LPFG的成栅机理分析和测量基础上,按照提高环境响应灵敏度、克服传感参量交叉敏感和实现多参数测量的总体思想,比较系统的研究特种LPFG的光栅结构、折变模型、写入方法、传输特性、环境响应特性,以及潜在应用等。论文主要内容如下:①论文按照横截面折变非对称分布的相对大小将光栅横截面分割成多层圆波导,并将各圆环层按周向折射率大小不同进行离散分块,再基于多层圆波导理论和数值计算方法来近似计算光栅各个模式的模场,最后利用模式耦合方程和修正的布拉格条件来讨论这种非对称折变型LPFG的模式耦合特征。非对称LPFG模式耦合数值分析方法的完善为特种LPFG的探索提供了理论基础。②论文研究认为残余应力释放、快速固化、光纤致密化和熔融变形是高频CO2激光写入法能成栅的主要原因,但采用不同写入方法和不同的激光写入能量在不同的光纤类型上制作光栅时其重要性不同。论文测试了激光在光纤上不同作用位置和不同辐射能量所引起的光纤纤芯或包层的折射率平均变化量。这些研究为实现特种LPFG结构的写入提供了实验制作的基础。③在国际上首次提出并利用高频CO2激光写出了边缘折变型LPFG,并比较系统的研究了这类光栅的模式耦合特征和传输特性,最后对这类光栅的部分环境响应特性进行了实验研究,结果表明:（1）.由于边缘折变型LPFG折变主要发生在包层,因此环境参量的变化很容易改变包层模场的分布,从而提高了谐振峰对环境参量的响应灵敏度。比如环境折射率响应灵敏度相比普通LPFG提高了约4倍、通过形成周期缺槽型LPFG可将应变灵敏度提高到? 100 pm /με（在0 100με的应变范围内）; （2）.边缘折变型光纤光栅具有非常强的方向耦合性,可基于此设计旋转型光开关等光通信器件; （3）.边缘折变型LPFG具有较高的偏振相关损耗（PDL）,可通过多边写入的方法降低PDL,最小可达0.22dB。④在国际上首次提出并利用高频CO2激光制作出了旋转非对称折变型LPFG （R-LPFG）,并比较系统的研究了这类光栅的模式耦合特征和传输特性,最后对这类光栅的部分环境响应特性进行了实验研究,结果表明:（1）.当光栅旋转度逐渐变大时,R-LPFG单一的谐振峰会逐渐分裂成两个,这是与以往所有光栅类型所不同的透射谱特征; （2）.从R-LPFG单个谐振峰分裂出来的两个分裂峰的温度灵敏度几乎相同; （3）. R-LPFG两分裂峰具有极性相反的应变灵敏度,特别的,缺槽型R-LPFG两分裂峰的应变灵敏度绝对值可达～50 pm /με（在0 600με的范围内）;（4）.出现分裂峰的R-LPFG,同向扭曲时,两分裂峰逐渐靠拢,最后合成一个峰;反向扭曲时,两分裂峰逐渐分离。（5）.可利用R-LPFG两分裂峰的间距实现无温度补偿的应变、扭曲等物理量的测量。⑤在国际上首次提出非对称折变型超长周期光纤光栅（ULPFG）的结构,并提出利用空间频率的思想来讨论这类光栅的模式耦合特征和传输特性。文中还将边缘折变和旋转折变思想应用于ULPFG中从而形成了边缘折变非对称型ULPFG （E-ULPFG）和旋转折变非对称型ULPFG（R-ULPFG）。在利用高频CO2激光写出这些光栅结构后实验研究了它们的部分环境响应特性,结果表明:（1）. ULPFG具有比LPFG更多的谐振峰。（2）.由于ULPFG各谐振峰的环境响应特性与实际发生耦合的子光栅级次和包层模阶次密切相关,因此ULPFG每个谐振峰对环境参量如折射率、扭曲等的灵敏度都不一样。（3）. E-ULPFG可以进一步加强ULPFG的光学特性,比如边缘缺槽型ULPFG可以实现应变和折射率的高灵敏度测量等;（4）.可以利用R-ULPFG各组分裂峰的间距实现无温度补偿的应变、扭曲等物理量的多参数测量等。⑥论文基于特种LPFG实验研究了部分适用于光纤通信或传感领域的新器件:（1）.具有方向相关性的光栅型耦合器; （2）.利用R-LPFG实现了EDFA的动态增益均衡器;（3）.利用ULPFG实现了温度和折射率的同时测量;（4）.利用R-LPFG实现了无温度补偿的应变、扭曲等物理量的测量;（5）.利用ULPFG等特种光纤光栅实现了温度、应变、扭曲三参数的同时测量; （6）.论文提出利用缺槽型E-LPFG和R-LPFG设计可调谐带阻滤波器;（7）.利用具有特殊透射谱的LPFG和微加工制作高性能带通滤波器等。论文的主要创新点为:①.独立探索了三大类特种LPFG结构,从而丰富了LPFG的结构体系;②.比较系统的研究了三类特种LPFG的耦合特征、传输特性、环境响应特性等,为光纤传感和通信领域提供了若干可供选择的全光纤型器件;③.基于特种LPFG设计了几种光纤传感和通信用基础器件。通过本论文的研究,笔者已将部分科研成果发表在《Optics Letters》、《IEEE Photonics Technology Letters》、《Applied Optics》、《Optics Communications》、《Electronics Letters》、《Chinese Physics Letters》、《物理学报》等国际、国内著名期刊上,到目前为止以第一作者（或导师第一,学生第二）发表SCI论文13篇,申请发明专利5项,授权1项。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤光栅的分类
• 1.2.1 按光纤光栅周期大小分类
• 1.2.2 按光纤光栅折射率调制分类
• 1.2.3 按光栅横截面折变分布分类
• 1.2.4 光纤光栅的其它分类法
• 1.3 布拉格光纤光栅研究进程及现状
• 1.4 长周期光纤光栅研究进程及现状
• 1.4.1 长周期光纤光栅写入方法及理论
• 1.4.2 长周期光纤光栅在通信中的应用
• 1.4.3 长周期光纤光栅在传感中的应用
• 1.5 本论文研究的目标及内容
• 1.5.1 问题的提出
• 1.5.2 立论及研究内容
• 2 长周期光纤光栅综合理论
• 2.1 多层圆均匀波导光纤中的模场
• 2.2 长周期光纤光栅耦合理论
• 2.2.1 光栅折变普适函数
• 2.2.2 光栅横截面折变离散方法
• 2.2.3 横截面均匀折变光栅
• 2.2.4 横截面非均匀折变光栅
• 2.3 环境响应基础理论
• 2.3.1 温度响应
• 2.3.2 轴向应变
• 2.3.3 横向负荷
• 2.3.4 扭曲响应
• 2.3.5 环境折射率响应
• 2.4 小结
• 2 激光写入光栅的折变机理分析及测量'>3 CO₂激光写入光栅的折变机理分析及测量
• 2 激光写入装置及扫描方法'>3.1 高频CO₂激光写入装置及扫描方法
• 3.2 光纤折变机理
• 3.2.1 光纤拉制前后的热作用
• 2 激光辐射光纤时的折变分析'>3.2.2 CO₂激光辐射光纤时的折变分析
• 3.3 光栅折射率测量
• 3.3.1 折射率测量原理
• 3.3.2 折射率测量实验
• 3.3.3 光栅传输谱的演变实验
• 3.4 小结
• 4 边缘折变型长周期光纤光栅
• 4.1 边缘折变型长周期光纤光栅理论
• 4.1.1 光栅折变模型
• 4.1.2 耦合系数
• 4.1.3 传输谱数值模拟
• 4.2 边缘折变型长周期光纤光栅的制作
• 4.3 边缘折变型光纤光栅的环境响应特性
• 4.3.1 温度特性
• 4.3.2 轴向应变特性
• 4.3.3 环境折射率特性
• 4.3.4 偏振相关损耗特性
• 4.4 潜在应用
• 4.5 小结
• 5 旋转折变型长周期光纤光栅
• 5.1 旋转折变型光纤光栅理论
• 5.1.1 螺旋折变型长周期光纤光栅
• 5.1.2 旋转折变型长周期光纤光栅
• 5.2 旋转折变型光纤光栅的制作
• 5.2.1 制作方法
• 5.2.2 制作中双折射对光栅模式耦合的影响
• 5.3 旋转折变型光纤光栅的环境响应特性
• 5.3.1 温度特性
• 5.3.2 轴向应变特性
• 5.3.3 扭曲特性
• 5.3.4 横向负载特性
• 5.3.5 环境折射率特性
• 5.3.6 偏振相关损耗特性
• 5.4 潜在应用
• 5.5 小结
• 6 非对称折变型超长周期光纤光栅
• 6.1 超长周期光纤光栅理论
• 6.2 超长周期光纤光栅的制作
• 6.3 超长周期光纤光栅的环境响应特性
• 6.3.1 温度特性
• 6.3.2 轴向应变特性
• 6.3.3 扭曲特性
• 6.3.4 环境折射率特性
• 6.4 小结
• 7 特种长周期光纤光栅的基础应用
• 7.1 耦合器
• 7.2 动态增益均衡器
• 7.3 可调谐滤波器
• 7.3.1 可调谐带阻滤波器
• 7.3.2 可调谐带通滤波器
• 7.4 多参数传感
• 7.4.1 温度自补偿高灵敏度应变计
• 7.4.2 温度自补偿高灵敏度扭曲计
• 7.4.3 温度自补偿高灵敏度折射率计
• 7.4.4 温度/应变/扭曲三参数同时测量低成本传感系统
• 7.5 小结
• 8 全文总结与展望
• 8.1 基本内容总结
• 8.2 论文创新点
• 8.3 论文不足及进一步研究计划
• 致谢
• 参考文献
• 附录