特種長周期光纖光柵基礎(chǔ)研究.pdf

1、2000~2003年，筆者所在實驗室針對高頻 CO2激光單側(cè)寫入長周期光纖光柵（LPFG）的光學特性和相應器件進行了初步研究，取得的成果得到了國內(nèi)外專家的初步認可。本文在此基礎(chǔ)上進行更深一步的拓展研究，其基本思想是在初步完善非對稱折變型LPFG模式耦合理論分析方法和高頻CO2激光寫入LPFG的成柵機理分析和測量基礎(chǔ)上，按照提高環(huán)境響應靈敏度、克服傳感參量交叉敏感和實現(xiàn)多參數(shù)測量的總體思想，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)境響應特性，以及潛在應用等。論文主要內(nèi)容如下：
　　①論文按照橫截面折變非對稱分布的相對大小將光柵橫截面分割成多層圓波導，并將各圓環(huán)層按周向折射率大小不同進行離散分塊，再基于多層圓波導理論和數(shù)值計算方法來近似計算光柵各個模式的模場，最后利用模式耦合方程和修正的布拉格條件來討論這種非對稱折變型 LPFG的模式耦合特征。非對稱 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)。
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3、論文研究認為殘余應力釋放、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其重要性不同。論文測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。這些研究為實現(xiàn)特種LPFG結(jié)構(gòu)的寫入提供了實驗制作的基礎(chǔ)。
　　③在國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，最后對這類光柵的部分環(huán)境響應特性進行了實驗研究，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的分布，從而提高了諧振峰對環(huán)境參量的響應靈敏度。比如環(huán)境折射率響應靈敏度相比普通LPFG提高了約4倍、通過形成周期缺槽型 LPFG可將應變靈敏度提高到100/pm me-（在0~100me的應變范圍內(nèi)）；(2).邊緣折變型光纖光柵具有非常強的方向耦合性，可基于此設(shè)計旋轉(zhuǎn)型光開關(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)，可通過多邊寫入的方法降低PDL，最小可達0.22dB。
　?、茉趪H上首次提出并利用高頻 CO2激光制作出了旋轉(zhuǎn)非對稱折變型 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，最后對這類光柵的部分環(huán)境響應特性進行了實驗研究，結(jié)果表明：(1).當光柵旋轉(zhuǎn)度逐漸變大時，R-LPFG單一的諧振峰會逐漸分裂成兩個，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單個諧振峰分裂出來的兩個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變靈敏度，特別的，缺槽型 R-LPFG兩分裂峰的應變靈敏度絕對值可達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，兩分裂峰逐漸靠攏，最后合成一個峰；反向扭曲時，兩分裂峰逐漸分離。(5).可利用R-LPFG兩分裂峰的間距實現(xiàn)無溫度補償?shù)膽儭⑴で任锢砹康臏y量。<

7、br>　?、菰趪H上首次提出非對稱折變型超長周期光纖光柵（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)折變思想應用于ULPFG中從而形成了邊緣折變非對稱型ULPFG(E-ULPFG)和旋轉(zhuǎn)折變非對稱型ULPFG(R-ULPFG)。在利用高頻CO2激光寫出這些光柵結(jié)構(gòu)后實驗研究了它們的部分環(huán)境響應特性，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)境響應特性與實際發(fā)生耦合的子光柵級次和包層模階次密切相關(guān)，因此 ULPFG每個諧振峰對環(huán)境參量如折射率、扭曲等的靈敏度都不一樣。(3). E-ULPFG可以進一步加強ULPFG的光學特性，比如邊緣缺槽型ULPFG可以實現(xiàn)應變和折射率的高靈敏度測量等；(4).可以利用R-ULPFG各組分裂峰的間距實現(xiàn)無溫度補償?shù)膽?、扭曲等物理量的多參?shù)測量等。
　　⑥論文基于特種LPFG實驗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實現(xiàn)了EDFA的動態(tài)增益均衡器；(3).利用ULPFG實現(xiàn)了溫度和折射率的同時測量；(4).利用R-LPFG實現(xiàn)了無溫度補償?shù)膽?、扭曲等物理量的測量；(5).利用ULPFG等特種光纖光柵實現(xiàn)了溫度、應變、扭曲三參數(shù)的同時測量；(6).論文提出利用缺槽型E-LPFG和R-LPFG設(shè)計可調(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>　　論文的主要創(chuàng)新點為：①.獨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)計了幾種光纖傳感和通信用基礎(chǔ)器件。通過本論文的研究，筆者已將部分科研成果發(fā)表在《Optics Letters》、《IEEE Photonics Technology Letters》、《App