长周期光纤光栅发展及现状研究.doc

长周期光纤光栅发展及现状研究1 长周期光纤光栅的发展12 长周期光纤光栅的研究现状22.1 长周期光纤光栅的分类22.2 长周期光纤光栅的写入方法研究42.3 长周期光纤光栅的理论研究52.4 长周期光纤光栅的应用研究71 长周期光纤光栅的发展以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术从20世纪后半叶至今的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤通信是信息社会的支柱，是“信息高速公路”的骨干网，也是世界通信建设今后发展的主体之一。光纤以其损耗低、带宽宽的特性，已成为现代通信网络中的最佳传输媒质，将通信系统的传输容量扩展了几个数量级，达到了数Tbit/s的传输速度，使得图像、声音、数据的同时高速传输成为现实，光纤到户已成为必然的发展趋势。光纤传感以其本质安全、不受电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、易于复用（联网）、可远距离遥测、能埋入工程结构等特点而在传感领域备受关注并得到广泛应用，已成为传感技术发展的主流方向之一。光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating: FBG）。FBG的周期小于1微米，是一种性能优良的反射式窄带滤波器或窄带带阻滤波器。加拿大通信研究中心的Hill等人在1978年首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅光纤布拉格光栅。美国东哈特福德联合技术研究中心的Meltz等人于1998年提出的用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入FBG的横向全息成栅技术等各种制栅方法，使大规模批量生产光纤光栅成为可能，极大地推动了光纤光栅的理论研究及其在光纤通信和传感领域中的应用，现在已被广泛的应用在了光纤通信的方方面面，如光放大、光纤色散补偿、光接收、激光锁模、波长转换、波分复用等等。在传感方面，它已被广泛用作测量外界环境的温度、应变、压力、动态磁场，以及多参量的同时测量等。随着对光纤光栅技术研究的深入，人们开始研究周期为几百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅（Long-period fiber grating: LPFG），它是一种理想的带阻型无源滤波器件，因其易于制作、附加损耗小、无后向反射、与偏振基本无关以及具有较高的温度、折射率和弯曲灵敏度等特性,得到了人们越来越广泛的重视并迅速成为光纤光栅技术研究中一个新的研究热点。实际上能够实现正向模式间耦合的周期较长的光纤光栅在九十年代就已经出现，它被用于实现多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换。然而现在通常意义上的LPFG是由AT&T贝尔实验室的A. M. Vengsarkar等人于1996年用紫外光通过振幅掩模板照射氢载硅锗光纤首先研制而成的，它实现了把芯区传输的基模能量耦合到不同阶次的包层模中从而造成与波长相关的传输损耗，是一种很好的带阻滤波器件，这也标志着长周期光纤光栅的诞生。现在，LPFG已被用作抑制放大器自发辐射噪声（ASE噪声）的带阻滤波器、掺铒光纤放大器的增益均衡器、稳定980nm泵浦激光器、粗波分复用多通道滤波器、全光开关、耦合器等光纤通信器件，以及温度测量、应变测量、折射率测量等多种光纤传感器。在未来光纤通信和传感中，长周期光纤光栅将具有越来越明显的应用前景。2 长周期光纤光栅的研究现状长周期光纤光栅是指光栅周期大于1微米的光纤光栅，它的耦合特征是纤芯中传输的基模与包层中传输的不同阶次的包层模之间发生能量交换，从而造成与波长相关的传输损耗，是一种很好的带阻滤波器件。长周期光纤光栅自问世以来，就以其背向散射低，插入损耗小，与偏振无关，体积小等特点吸引了国内外众多研究人员的目光。目前，在LPFG的写入方法、成栅机理、理论研究和实际应用等方面形成了多个研究热点。2.1 长周期光纤光栅的分类目前，长周期光纤光栅一般可按照周期和光栅横截面折变分布的不同来进行分类。 按长周期光纤光栅的周期分类根据光纤光栅周期的长短，一般把光栅周期大于1微米的光纤光栅称之为长周期光纤光栅，在此基础上我们可以进一步划分：把周期为几十或几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅（LPFG）；把那些周期长达数毫米的光纤光栅称为超长周期光纤光栅（ULPFG）。长周期光纤光栅的特点是折射率变化可只发生在纤芯5，也可只发生在包层，或者同时发生在纤芯和包层，其模式耦合主要发生在同向传输的纤芯基模和不同阶次包层模之间，无后向反射，属于透射型带阻滤波器，其典型透射光谱如图1(a)所示。图1 (a)长周期光纤光栅透射谱; (b)超长周期光纤光栅透射谱(a)Amplitude (dB)Amplitude (dB)(b) Wavelength (nm) Wavelength (nm) 按长周期光纤光栅横截面的折变分布分类由于长周期光纤光栅写入方法的不同会导致光栅折射率在光纤横截面呈现均匀或非均匀（或者说非对称）变化。采用目前发展比较成熟的紫外写入法写入的LPFG，其折变只发生在光纤的纤芯，并且分布均匀（即光栅横截面的折变分布是呈现均匀对称分布的），把这一类光栅称之为均匀长周期光纤光栅。而另一些写入方法会导致光栅折射率在光纤横截面呈现非均匀变化，把这一类光栅称之为非均匀长周期光纤光栅。折射率变化的非均匀性会极大地影响长周期光纤光栅纤芯基模和与之耦合的包层模阶次之间的关系，这一方面为设计特定模式之间的耦合提供了方便，另一方面却使得光栅光学特性趋于复杂化。通过对这种非均匀结构的长周期光纤光栅的研究，既可以丰富光纤的理论和结构体系，也可以提高光纤光栅在光纤通信与传感系统中的应用潜力和范围。2.2 长周期光纤光栅的写入方法研究由于长周期光纤光栅周期长达数十至数百微米，它们对写入设备的要求相比布拉格光纤光栅要弱很多，比如不需要利用干涉技术，也不需要利用相位模板等。随着对LPFG理论研究的进一步展开，其制备方法和制备机理也逐渐多样化。现在常用的写入方法主要有：幅度模板法、微弯法、电弧法、腐蚀法、低频CO2激光脉冲法、以及高频CO2激光脉冲法等。 紫外曝光写入长周期光纤光栅1996年，美国AT&T贝尔实验室的Vengsarker等人首次提出5利用振幅掩模曝光法来制作长周期光纤光栅。它利用248nm紫外光通过镀铬的二氧化矽振幅模板后，在经高压氢载处理的掺锗石英光纤纤芯上曝光写入光栅，并进行退火处理，以保证光纤光栅有较好的稳定性。这个方法具有稳定性好，易于批量制作等优点，但却具有成本高、需要光敏光纤、改变光栅的写入参数不灵活等缺点。 逐点法写入长周期光纤光栅1998年，Davis等人首次提出用 CO2激光在普通通信光纤中逐点写入长周期光纤光栅，即将光纤放置在微动台上，通过微动台的移动逐个写入光栅周期。这种方法制作的光栅成本低（如也不需要光敏光纤，写入激光装置价格低等）、写入灵活（可以任意改变光栅的写入周期），但具有写入效率低、插入损耗较大等缺点。2000年，饶云江教授带领笔者所在课题组提出了一种基于计算机控制的高频CO2激光脉冲二维扫描写入长周期光纤光栅的方法。这种方法保留了Davis提出的逐点写入法的所有优点，同时还克服了光栅写入过程中移动光纤带来的写入误差。由于高频CO2激光脉冲能量集中、单个脉冲加热时间短，基于这种高频脉冲的热冲击效应，就能高效率、高质量地写入低成本的长周期光纤光栅。更为重要的是，利用这种方法，可以比较精确的控制每个光栅的周期长度，以及每个光栅的折射率改变量，通过改进写入光栅时光纤的夹持装置，就可以利用这种方法写入很多种类的特种长周期光纤光栅。 腐蚀法写入长周期光纤光栅1999年，Lin等人提出直接利用氢氟酸周期性腐蚀光纤形成周期性的环槽结构，从而在光纤中写入长周期光纤光栅。该方法不需要曝光，直接用氢氟酸周期性改变光纤的波导结构，可使得这种光栅的折射率改变同时发生在包层和纤芯。但是这种光栅已有物理损伤，因此机械强度比较弱。2006年，Wang利用CO2激光脉冲分别在普通单模通信光纤和实芯光子晶体光纤中写出了边缘刻槽型长周期光纤光栅，具有较大的应变灵敏度。 离子束写入长周期光纤光栅1999年，Bibra等人提出利用氦(He2+)或氢(H+)离子束轴向周期性入射到非光敏光纤的表面并注入到包层和纤芯，使其折射率发生周期性改变从而在光纤中写入长周期光纤光栅。2000年，Fujimaki等人报道利用离子灌注的方式可在光纤纤芯中写出长周期光纤光栅，他们将氦离子通过一个周期为170，间隔为60 的金属模版灌注入光纤的纤芯，实验结果表明纤芯折射率会变大。这种光栅具有较好的传输谱。 机械微弯法写入长周期光纤光栅2000年，Savin首次提出利用机械压力和周期性锯齿槽可以使得光纤沿轴向呈现周期性的微弯变形，进而通过弹光效应使光纤轴线发生周期性的折射率调制，从而在光纤中写入长周期光纤光栅。该方法的写入优点是可通过简单调节锯齿槽与光纤的夹角来改变光栅周期，即用一个锯齿槽就可以写入不同周期（即不同谐振波长）的长周期光纤光栅，提高了光栅写入的灵活性。这种光栅具有较高的PDL，Ham和Cho等人提出的双折射补偿方法可降低这种器件的偏振相关性。2.3 长周期光纤光栅的理论研究 长周期光纤光栅的成栅机理研究随长周期光纤光栅写入方法不同，其成栅机理也不尽相同。紫外曝光写入的长周期光纤光栅主要是利用光纤的光敏性。电弧放电加热法、氢氧焰加热法、CO2激光脉冲写入法都是通过局部加热导致折射率发生周期性改变，其成栅机理主要由残余应力释放、玻璃密度变化、掺杂剂热扩散、熔融变形、快速固化等导致折射率轴向发生周期性变化。机械微弯法主要是因为光弹效应导致折射率发生周期性变化从而形成长周期光纤光栅。腐蚀法主要是因为光纤表面形成了周期性的外形改变，一方面使得光纤纤芯残余应力被部分释放，另一方面使得光纤纤芯和包层的有效折射率发生变化，而这种变化跟周期性的形变直接相关，最后形成了长周期光纤光栅。离子束写入法主要是因为注入的离子（He2+或H+）与玻璃中的原子核相互作用使玻璃的密度增加，从而导致折射率增大。 长周期光纤光栅的传输理论研究分析长周期光纤光栅的传输特性用得最多的还是模式耦合理论和传输矩阵法。Erdogan运用耦合模理论研究了LPFG的导模、包层模和辐射模之间的模式耦合及传输谱特性。它不仅对均匀光栅，而且对非均匀光栅也进行了比较深入的理论分析，得到了LPFG的谐振波长、损耗峰幅值、带宽、耦合系数、传播常数等参数的具体表达式及其与光栅周期、周期数、有效折射率的关系，从而奠定了LPFG的理论基础。H. J. Patrick等人运用耦合模理论详细分析了LPFG损耗峰的谐振波长和幅值随外部环境折射率的变化，认为这种变化与光栅周期有关。K.S.Chiang等人研究了LPFG与包层直径、外部环境折射率之间的关系，并建立了谐振波长与包层直径、外部环境折射率的关系模型。Xuewen Shu等人用耦合模理论比较详细地分析了LPFG高阶模耦合的特性。由于耦合模理论采用的一些近似只有在折射率调制不太大时才成立，因此对于折射率调制较大（10-2量级以上）的情形，该模型的精确度变差，且其数值运算复杂，计算量较大。在耦合模理论基础上，发展起来了一种用分段传输矩阵分析LPFG传输特性的方法，该方法没有太多的近似，精确度较高，且适合于数值运算，计算量相对较小，因此特别适合用于长周期光纤光栅的光学特性分析。此外，对于那些折射率变化非常特殊，如折射率横截面分布非对称、任意折变包络的长周期光纤光栅，研究者们对其理论也有了一些研究。刘勇等人通过分析研究龙格-库塔法和传输矩阵法求解非均匀光纤光栅的异同，发现在计算过程中矩阵法的运算速度快、精确度高，特别适合求解非均匀长周期光纤光栅问题，而龙格-库塔法的计算结果则受步长的影响，当步长取得足够小时两种方法计算结果基本吻合。E. Anemogiannis等人提出可以通过将光栅每个周期横截面折射率离散成不同的扇环，再基于多层圆波导的耦合理论和传输矩阵方法来数值分析部分非均匀长周期光纤光栅的光学特性。之后，朱涛等人将对这种理论分析方法进行改进和完善，使之能够用于高频CO2激光脉冲写入的边缘折变型长周期光纤光栅、旋转折变型长周期光纤光栅以及非对称超长周期光纤光栅的光学特性研究。2.4 长周期光纤光栅的应用研究LPFG是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料的优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。 长周期光纤光栅在通信中的应用长周期光纤光栅是一种很好的传输型带阻滤波器，具有附加损耗小、无后向反射、不受电磁干扰、全兼容于光纤等优点。与FBG相比，LPFG具有更大的阻带带宽，而且是传输型的，没有回波影响，可以简便地级联多个不同阻带特性的LPFG以获得所需的滤波特性，使其在光纤通信中可得到广泛的应用。可用作掺铒光纤放大器（EDFA）的增益均衡器、噪声滤波器5、模场转换器、光分插复用器11、耦合器、光开关等，其中EDFA的增益均衡器和噪声滤波器在光纤通信的应用中较为重要。增益均衡器：长周期光纤光栅在光纤通信领域的应用中最令人瞩目的当属它在掺铒光纤放大器（EDFA）中作为增益平坦器的应用。在DWDM通信系统中，由于 EDFA的增益谱不平坦，使得各信道得到的增益不同，从而导致信号传输产生误码。长周期光纤光栅是一个理想的带阻型滤波器，通过不同的设计方法（比如级联不同带阻特性的光栅、重新设计光栅的参数得到特殊带阻特性的光栅等）可得到与EDFA增益谱线相反的阻带特性，从而让EDFA的增益谱通过光栅后变成比较平坦的谱线。滤波器：激光器的放大自发辐射（ASE）噪声降低了通信系统的信噪比，减小了信号的增益系数，给通信系统的通信质量带来了危害，长周期光纤光栅作为带阻的滤波器可以有效的滤除ASE噪声的干扰。从2002起，我们相继提出利用高频CO2激光脉冲写出的长周期光纤光栅来改善前置EDFA和线路EDFA，通过滤除ASE噪声，分别达到了降低前置EDFA噪声系数约0.5dB、提高线路放大器小信号增益约6dB的目的。此外，基于LPFG的滤波特性，选择合适的LPFG可以滤出波长大于980nm的泵浦光能量，从而稳定980nm泵浦激光器的输出，提高泵浦效率。X. J. Gu和C. D. Su等人利用两个级联LPFG实现了DWDM的多通道滤波器和多波长光纤光源。 长周期光纤光栅在传感中的应用虽然LPFG的传感中的应用和FBG比较相似，也是通过外界参量对谐振峰波长或幅度的调制来获取传感信息，但由于FBG是反射型光栅，以致在传感系统通常需要隔离器来抑制反射光对测量系统的干扰，而LPFG却是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器。而且LPFG的满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模，这一特点导致了LPFG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比FBG更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度。因此，LPFG在光纤传感领域具有比FBG和其它传感器器件更多的优点和更加广泛的应用。基本物理量的测量：LPFG谐振波长对于温度、应变等物理参数的高灵敏度反应，决定其优良的物理参数传感性能。H. Georges等人发现用电弧法写入的LPFG具有良好的高温特性，在高温段的温度灵敏度远高于低温段，可用作高温（1000）下的温度传感器。Y. Liu等人的研究结果表明LPFG的横向负载灵敏度比光纤布拉格光栅高两个数量级，并且谐振波长随负载线性变化，因此是很好的横向负载传感器。H. J. Patrick和G. D. VanWiggeren等人的实验结果表明LPFG的谐振波长随着弯曲曲率的增大而线性漂移，其灵敏度具有方向性，因此可用于测量弯曲曲率。L. A. Wang和T. J. Ahn等人已分别用单个和多个LPFG级联的扭曲实验，表明用LPFG可实现对扭曲的直接测量。生物化学量测量：由于环境折射率的改变会直接改变放在环境中的长周期光纤光栅的模式有效折射率，从而导致光栅谐振峰波长位置和幅度发生变化。因此，利用LPFG制成的化学传感器可以实现对液体折射率、浓度等生物化学量进行实时测量。S. Pilevar等人于2000年用LPFG和FBG的组合制成了抗体抗原生物传感器。S. Luo等人于2002年提出了基于在外表面涂有特殊塑料覆层的LPFG的化学传感器，可以实现对相对湿度和有毒化学物质特别是对化学武器的实时监测。其原理是湿度或有毒化学物质会引起塑料涂覆层的折射率发生变化，从而改变LPFG的模式耦合特性。I. Bennion等人于2004年研究了利用紫外曝光法在D型光纤上写出长周期光纤光栅的光学特性，他们指出这种光栅对外界环境折射率的变化很敏感，可以用于水溶液折射率和浓度、气体浓度等化学量的测量。Lars Rindorf等人于2005年，报道可利用CO2激光脉冲在空芯光子晶体光纤上写出的长周期光纤光栅作为生化传感器。通过将生物分子层固定在空芯光子晶体光纤通孔一边，然后观察光栅谐振峰的漂移量从而判定生物分子层的厚度，利用这种方法他们实验测量了单层聚乙烯和双链DNA。Jesus M. Corres等人于2007年基于静电自组装技术在长周期光纤光栅包层表面沉淀丙烯氨氢氧化物和丙烯酸制作了可重复使用的pH传感器，敷层厚度为解调信号光波长数量级。多参数测量：与FBG传感器一样，LPFG传感器在应用中一直存在温度、应变、折射率、弯曲等物理量之间的交叉敏感问题。目前，解决交叉敏感问题的主要方案一是利用两种或两种以上传感器的组合，二是利用LPFG有多个损耗峰的特性，并在这两个方案的基础上实现了对多参数的测量。H. J. Patrick等人于1996年用LPFG和FBG的组合解决了温度和应变之间的交叉敏感问题，实现了对温度和应变的同时测量。V. Bhatia等人于1996年用温度不敏感的LPFG实现了折射率和应力的测量，解决了温度、应变、折射率之间的交叉敏感问题。Rao，Zeng等人于2002年利用LPFG、FBG和非本征型光FB干涉腔等其它传感器的结合实现了温度静态应变振动横向负载四参数同时测量。Chia-Min Lin等人于2006年将FBG和LPFG组合在一起构成了一种超结构光栅，用于压力和温度的同时测量，这种传感器可用于高温锅炉和水深测量。本实验室也在近年提出一系列基于高频CO2激光脉冲写入LPFG的多参数测量传感器，如横向负载和温度同时测量、应变温度扭曲三参数同时测量、高温应变同时测量等。