光电技术概论-考试

研究生（光电技术概论）课程报告题目：光子晶体光纤光栅的研究

学号M201372142

姓名万旭

专业软件工程

指导教师唐霞辉、元秀华、邓勇、方妍妍、刘德明

院（系、所）光电学院

2014年 1 月 2 日

光子晶体光纤光栅的研究

万旭

（华中科技大学光学与电子信息学院武汉 430000）

摘要：光子晶体光纤光栅是近十年发展起来的一个新型的科技产品。由于它的优良特性及其在光学通讯方面的广泛应用使得它越来越受到人们的关注。本文讲解了光纤光栅的原理，特性，分类，研究方法，以及发展状态，然后归结为对光子晶体光纤光栅的研究，介绍光子晶体光纤光栅的组成材料，结构特点、性质特点和制作方法。使人们更加深入地理解光纤光栅这种科技产品能够带来的社会价值。

关键词：光子晶体；光子晶体光纤；光纤光栅；长周期光纤光栅；光子晶体光纤光栅

Studies on photonic crystal fiber gratings

Wanxu

(School of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and

Technology,Wuhan,430000,China)

Abstract:Photonic crystal fiber gratings (PCFG), as a new type of technology products developed in resent years, has attracted more and more attentions due to its excellent properties and wide applications in optics communications. In this thesis, we discuss the principle, classification, research methods, as well as the development of state of the photonic crystal fiber and fiber grating characteristics, and then attribute to the study of PCFG. And we have discussed mainly the ingredients, structural characteristics, properties and growth mechanism of PCFG, which is helpful to further understand the social value of this technology product.

Key words:photonic crystal; photonic crystal fiber; fiber-gratings; long period fiber-gratings; photonic crystal fiber gratings

引言

光子晶体光纤光栅是光子晶体光纤在光纤通信领域一个非常重要的应用。在光子晶体光纤写入光纤光栅，对光子晶体光纤的实用化具有重要意义。在光子晶体光纤问世之初，人们就尝试在光子晶体光纤中写入光纤光栅，研究发现，基于光子晶体光纤的光栅，和常规光纤中写入的光纤光栅相比，在某些方面具有更加优良的特性。最近几年这一方面的研究进展很快，出现了无掺杂光子晶体光纤布喇格光栅、掺锗光敏纤芯光子晶体光纤光栅、聚合物填充金属镀层的长周期光子晶体光纤光栅、无掺杂纯硅大模面积长周期光子晶体光纤光栅等一系列科研成果。

介绍光子晶体光纤光栅的理论，是从介绍光纤光栅的理论和光子晶体光纤的理论出发的。因为光子晶体光纤光栅是在光纤的芯层写入光栅的，要求芯层折射率满足一定的函数分布，对包层没有过高的限制，而光子晶体光纤主要是将空气孔分布在包层中，影响包层的折射率，对芯层没有高的要求，所以在这样的情况下我们可以通过对光纤光栅和光子晶体光纤的理论分析来得到光子晶体光纤光栅的相关理论。

1光纤光栅

1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。经过二十多年来的发展，光纤光栅在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。

光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。

2 光纤光栅的类型

随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级)；非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。具体分类如下：

2.1 均匀光纤光栅

均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。

2.2 均匀长周期光纤光栅

均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。

2.3 切趾光纤光栅

对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾所谓切趾，就是用一些特定的函数对光纤

光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。

2.4 相移光纤光栅

相移光纤光栅是由多段M（M>2）具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。

2.5 取样光纤光栅

取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件可同时分或插多路信道间隔相同的信号。

2.6 chirped光纤光栅

所谓chirped光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在chirped光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以chirped光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以，可以利用chirped光纤光栅作为色散补偿器。

3 光纤光栅的制备

3.1 成栅光源

光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar 离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。

3.2 光纤的光敏性

要制作光纤光栅，就是要对光纤进行处理产生折射率变化。通常，我们是利用光纤的光敏性，用UV光照射而产生折射率永久性变化的。要制作光纤光栅，光纤的光敏性将是决定性的因素。高的光敏性将会很容易制作光纤光栅，所以在制作光纤光栅前要对光纤做好预处

采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。

光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为（10的负4次方）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：

1）掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。

2）多种掺杂（主要是B/Ge共接）。

3）高压低温氢气扩散处理。

4）剧火。

光纤完成了增敏处理过程就可以对光纤进行写入折射率的不同分布，进而形成不同的光纤光纤光栅。现在对光纤光栅的写入方法发展了很多种，本文就现在主要的几种方法介绍一下光纤光栅的制作。

3.3 成栅方法

（1）内部写入法

内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被采用。用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由∧=λuv/（2sinθ）给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，目前这种方法使用不多。

相位掩膜法实际上就是利用相位掩膜模板（衍射光学模板[1] ），使得紫外光在掩膜板上形成衍射条纹，从而影响光纤中折射率的变化。如图1，衍射模板紧贴在光纤光栅上，用UV 光照射掩膜板，实现对光纤光栅的写入。掩膜板可以在光纤表面移动，所以这样可以形成长的光纤光栅。

图1 相位掩膜法

将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于探光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。这种成栅方法不依赖于人射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统。由于掩膜板的原因，我们对入射光的角度的变化也不会引起光纤写入光栅的变化，仪器的机械变化也不会影响到制作，所以这种方法制作光纤对外部的变化稳定性较强，这样使得生产工艺简单易行。这种方法的缺点是制作掩膜复杂。并且每一个掩膜板只能制作同种类型的光栅，要制作不同的周期的光栅就需要制作不同的掩膜板，这样使得制作成本提高，不利于实际生产。用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅极有前途的一种方法。

应用这种方法制作光栅，在1993年就已经制作出了长5mm，反射率达到94% 的光栅[2]。同年利用这种技术制作出了多个周期的光栅，它的长度可以达到5cm，后来通过技术的改进，制作出了长达1m 的光纤光栅[3]。

（3）逐点写入法

逐点写入法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤

移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。如图22是逐点写入的简单示意图。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，通常我们难以控制光纤的移动，它是一个机械过程，机械过程的一个很大的弊端就是精确度很难把握，这样极容易引起制作出的光栅质量问题。目前，由于各种精密移动平台的研制，这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。

图2 逐点写入法

（4）热激成栅法

热激成栅法专门用于写人长周期光纤光栅（LPG）。2002年Kakarantzas G等人利用CO2激光在纯硅纤芯的PCF上热激蚀刻实现了LPG的写制[4]，它是利用C02激光在纯石英纤芯的PCF上热激蚀刻，或采用电弧加热的方法，使PCF包层的空气孔受热坍塌，破坏其周期性结构而获得LPG。这种方法具有周期可调，灵活性高等优点，可以在纯石英的纤芯上进行写入，弥补了紫外曝光技术需要纤芯掺杂的不足，简化了PCF的生产工艺，降低了生产成本，但受装置及光斑大小的限制，只能用于写入LPG。

4光子晶体光纤光栅的理论分析

光子晶体光纤光栅是在光子晶体光纤中写入光纤光栅。由于光子晶体光纤独特的无截止单模特性，低的空气孔损耗和可控的色散等特点使得光子晶体光纤光栅和普通光纤光栅相比在一些方面更加的优秀。

我们知道光纤光栅是通过紫外光对光纤芯层作用使得光纤芯层的折射率分布满足一定的要求，而光子晶体光纤分为芯层为固体硅材料的和芯层为空气孔洞，即折射率引导和光子带隙两种光子晶体光纤，所以光子晶体光纤光栅一定是在折射率引导型光子晶体光纤中写入的光纤光栅。光子晶体光纤光栅横截面图如下图所示：

图3 光子晶体光纤光栅横截面图

我们知道光子晶体光纤包层孔洞的排列决定了光纤中的传输模的模式，而光纤光栅中通过耦合模式方程，知道纤芯层的折射率分布可以求解出光纤光栅中耦合模式和传输特性，所以在求解光子晶体光纤光栅的中的传输特性时，我们要求知道光纤包层的折射率分布和光纤芯层的折射率分布。芯层的折射率分布直接可以根据光纤光栅而已知，所以要求解光子晶体光纤的传输，必须求解包层的折射率。

下面本部分就用光子晶体长周期光纤光栅来分析。利用典型的光子晶体光纤――空气孔正六边形的排布中写入的长周期光纤光栅。长周期光纤光栅的芯层折射率分布为)2cos()(0z n n z n Λ

+=πδ，类似与布拉格光纤光栅，不过它的光栅周期Λ非常长，它的耦合条件是Λ=-/2πββcl co [20] 或者Λ-=)(cl co n n λ，其中下标co 和cl 分别代表芯层和包层。那么现在只要知道包层的折射率就可以分析出这种光子晶体光纤光栅的传输特性了。我们现在采取的是利用等效折射率来求解正六边形空气孔排列光子晶体光纤的包层的等效折射率。光子晶体包层等效折射率：等效折射率是指将单个六边形空气孔光纤等效为传统的圆行光纤，如图4-3等效过程要求的是正六边形的面积Ssix 正好等于圆的面积Sring ，所以可以通过ring six s s =得到)3/)2/(2(2/2/162Λ?Λ??=R π,即Λ=2/1)2/3(πR 。再对等效的模型利用电磁场传播的标量近似理论[5]，得到在极坐标中，光纤中传输模式满足：

0)(/122

2222=--++φρ

βρφρρφm k d d d d n （4-1）

图4 等效过程

求解这个方程，可以得到解：

])([),(1ρωρω?k I o = )20(d <<ρ （4-2）

])([])([),(2ρωγρωγρωφo o Y B J ?+= )2(R d <<ρ （4-3） 其中2222/)()()(c n k r ωωωβω-=，2222/)()()(c n r R ωωωβω+-=,n r ,n R 表示对应层的折射率，可以得到

222222/)]()([)()(c n n k r R ωωωωγω-=+ （4-4） 根据边界连续可以得到0/=??=R ρρφ，即：

0])([)(])([)(11=??-?-R Y B R J ωγωγωγωγ （4-5） 由，当 )2/(R d <<ρ时，])([/])([])([])([),(11002ρωγρωγρωγρωγρωφY J Y J -=，再次利用边界连续条件r p r ==??=??ρφρφρ//21和),(),(21r r ωφωφ=，可以得到：

})(])([])([])([){(}]

)([])([])([])([{])([])([)

(111110001R

R J d Y d J R Y R J d Y d J d k I d k I k ωγωγωγωγωγωγωγωγωγωωω--=- （4-6） 根据（4-5）和（4-6），得到2/12222)](/)([)(ωγωωωβ-=c n R ，所以包层的有效折射率[6]

为：

ωωβω/)()(c n eff = （4-7）

包层的等效折射率求解出来了，我们可以看到，这个折射率是近似的结果，并不是确切值，不过它对于应用来说已经可以解决大多数的问题了。我们将等效折射率带入到长周期光子晶体光纤光栅耦合模式条件Λ-=)(cl co n n λ 中，可以得到光子晶体长周期光纤光栅的透射峰在Λ-=)(cl co n n λ，ωωβω/)()(c n eff =。

5 光子晶体光纤光栅的应用

PCFG 的多种优异特性使得其具有很广泛的应用领域：某些PCFG 对外部折射率变化保持光谱的稳定性，这在需要对环境(如湿度等)变化条件下稳定工作具有优势；传统光纤光栅对应力、温度都具敏感性，这种交叉敏感效应给应力的测量带来了误差，利用某些PCFG 对温度不敏感的特性，可以消除温度、应力交叉敏感效应，获得精确的物理量测量值；对于包层具有大空气孔结构的PCFG ，可以在空气孔内充入对温度或电磁敏感的材料，从而实现大范围的波长调谐，基于这种PCFG 制成的性能优越的调谐光电器件和光衰减器等光通信器件，可用于高速率、大容量的DWDM 领域。

PCFG 还可以应用在生物化学的传感领域。长周期光子晶体光纤光栅生物和折射率传感器主要应用了隐失波的灵敏性。由于在PCF 中这种隐失波特性将更加明显，由于在长周期光子晶体光纤光栅中，可将待测样品直接注入到PCF 的空气孔中，这时就会和探测电磁场产生一种强的相互作用[7]。选用大模场面积的PCF 并通过CO 2热激成栅法制成长周期光子晶体光纤光栅[8]，既可以在PCF 的空气孔里注入气体或液体，实现高精度折射率的测量，或在PCF 的空气孔外涂覆生物分子和化学分子薄膜，实现涂覆层薄膜厚度的测量。这种长周期光子晶体光纤光栅可作为生物分子传感器用于生物芯片产品，如微流体芯片中。

另外，随制作工艺的进一步提高以及人们对PCFG 不断深人的研究，一些特性将被逐渐挖掘出来，如将PCF 制做的相移光纤光栅、啁啾光纤光栅等。PCFG 将随着PCF 一起，必会在光脉冲压缩、光通信器件、光纤传感、光信息存储、通信领域等获得更加广泛的应用，填充传统光纤光栅的空白。

6 总结

本文介绍了光纤光栅的类型与制备方法。并将光子晶体光纤光纤光栅结合起来，通过理论计算分析光子晶体光纤光栅的原理。并介绍了光子晶体光纤光栅在诸多方面的应用。 从第一根光子晶体光纤光栅被制作出来到现在时间不是很长，光子晶体光纤光栅还是一

种年轻的产品。这种年轻的产品由于它的基础组成――光子晶体和光纤光栅是现在研究的热门，使得它是一个非常具有潜力的新型产品。对这种产品的研究和制作是现在很多科学家所关注的，理论科学家还在致力于寻找更加好的计算方法，实验科学家还在努力制造出满足人们生活中各种需要的光子晶体光纤光栅，相信这门年轻的学科将会快速的发展壮大。光子晶体光纤光栅到现在为止主要是在实验室制作出来的，将它投入到社会生产中还需要科学家的继续努力，寻找更加符合市场机制的生产方法。

随着PCFG的成功制备及对PCFG认识的加深，各种基于PCFG的光子器件的研制，如各种PCFG激光器、PCFG放大器、PCFG滤波器以及PCFG多维传感器等，也将随之兴起和发展。而研制结构新颖、功能优异的各种基于PCFG的新型光子器件，结合应用具有“奇异”光学特性的PCF，将给光纤技术的深远发展带来重大突破，为光通信与光传感的发展提供新思路、新方法及新技术，并为设计、研制基于PCFG的新一代性能优异的光子器件开辟广阔的应用领域。PCFG现在是全球的一个研究热点，随着PCF技术的发展以及在该类光纤内写入光纤光栅技术的日益完善，将会有新的PCFG不断涌现。PCF与传统光栅技术的结合，将为光纤光栅领域带来深刻的变革，将促进并产生全新的性能优异的新一代光纤光子器件，由此导致现代光纤技术的新跨越。

参考文献

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[4] Kakarantzas G, Birks A, Russell P St J. Structural long-period gratings in photonic crystal fibers. Optics Letters, 2002, 27(12):1013–1015

[5] Snyder A W, Love J D. Optical Waveguide Theory, 2nd ed. New York:Springer,1983

[6] 李曙光, 刘晓东, 候兰田光子晶体光纤的波导模式与色散特性物理学报,2003,52(11):2811-2817

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[8] RINDORF L,JESEN J B. Photonic crystal fiber long-period gratings for-biochemical sensing[J].Optics Express.2006,14(18);8224-8231