长周期光栅

[ H 2 ] = 3.3 ×10 α1245
−3
进行紫外曝光时，由于光栅区曝光部分B 参加反应的氢分子要比被遮挡部分A 参加反应 的氢分子多,在光栅制作完毕后B 区中残留的氢分子要比A区中的少,所以当经历退火后A 区由于氢分子逃逸导致折射率的减小量要比B 区大,这就导致纤芯折射率调制深度的增加， 引起谐振峰的较大的变化。为了解决这个问题,作者应用了均匀紫外曝光技术。
3 应力或温度传感器 长周期光纤光栅用作传感器不仅具有光纤传感器的一切优点: 如体积小、重量轻、可 重复性好等, 而且对温度、应力变化非常灵敏。因此, 它是一种比较理想的温度或应力 敏感元件。研究表明 ,长周期光纤光栅温度灵敏度是光纤B ragg 光栅的7 倍。长周期 光纤光栅的多个损耗峰可以同时进行多轴应力及温度测量, 也可以将级联的长周期光 纤光栅作为传感器阵列进行多参数分布式测量。随着研究逐渐深入, 长周期光纤光栅 应用越来越广。就目前所知, 在通信领域中的带通滤波、光上下路复用、光纤光源、 光纤耦合、偏振器件等方面都有相关的研究结果。在传感领域, 由于其谱特性对温度、 应力、微弯及外部折射率变化相当灵敏, 因此, 能够产生温度、应力、微弯及外部折射 率变化的物理量就间接导致其谱特性变化。目前研究结果包括长周期光纤光栅用作温 度传感、振动测量、磁场传感、载重传感器、液体气体传感器等。 4 带通滤波器 光纤B ragg 光栅带通滤波器一个潜在缺点是产生光反馈或不希望的光谐振。利用长周 期光纤光栅组合设计成光学带通滤波器件, 可以避免这一点。原理如图,在四端口的瞬 逝型(evanescen t) 单模光纤耦合器两纤芯中分别写入一对相位相反的长周期光纤光栅。 将光栅的周期与折射率调制深度设定为特定比率, 这样在耦合作用长度内, 特定波长的 光耦合得到抑制, 而其它波长能够进行光耦合, 从耦合器纤芯1 耦合进纤芯2。只有希望 的特定波长的光由于耦合极弱, 保
留在纤芯1 中, 由主端口1 输出, 从而实现了波长选择的带通滤波。为增强纤芯2 的衰 减程度, 可以在外部环绕放置金属吸收物质或采用高吸收能力的光纤(图1b 或c)。这 种带通滤波器的通带带宽与旁瓣抑制一定程度上取决于耦合器的长度(耦合作用长度) 与第二纤芯的衰减能力。
载氢技术作为一种光纤增敏技术是由贝尔实验室在1993 年提出的,它可以使普通光 纤的光敏性提高1 ～2 个量级。载氢光纤中氢气摩尔分数的饱和值H 与温度T 和压力 P 有关
均匀紫外曝光技术：在制作光栅的时候去掉振幅掩模板,让紫外光均匀地照射到光栅区
上一段时间。在利用掩摸板制作光栅之后引入均匀紫外曝光技术,使整个光栅区都接收紫 外曝光,让整个光栅区残留下来氢分子都有机会参与反应。由于A区残留氢气的浓度比B 区 大,在同时接受紫外曝光的时候,A 区所参与反应的氢分子要比B 区多,这样可减小A 区和B 区在退火前的氢气浓度差,在一定程度上减少了退火前后折射率调制深度的变化。但是对 光栅进行均匀紫外曝光同时会改变光纤光栅的耦合特性。图2 为实验中测得的长周期光纤 光栅第四个谐振峰在均匀紫外曝光过程中的变化情况。图2(a) 中谐振峰的波长随脉冲的 增加而增加,而损耗则相反。这是由于均匀紫外曝光能同时使A 区和B 区的折射率有很大 的提高,引起谐振波长的增加。但是由于A 区的氢气浓度比B 区大,所以它的光敏性也比B 区要好。当同时接受紫外光幅照的时候,A 区的折射率增长速度要比B 区快。这样也就导 致了光栅折射率调制深度的减小,谐振峰的损耗也就相应地发生变化。图2 (b) 为均匀紫外 曝光前后光纤光栅的透射谱,通过它我们可以更直观地看到均匀紫外曝光对长周期光纤光 栅耦合特性的影响。
长周期光纤光栅最典型用于三个方面:EDFA 增益平坦、带阻滤波器、光纤传感。 1 EDFA 增益平坦 通信系统中, 如果掺铒光纤放大器(EDFA )增益谱分布不平坦, 则各个信道增益不同, 一 方面限制了无中继跨接距离, 另一方面也造成接收端误码率的增大。可以用B lazed 光 栅进行增益平坦, 此法的缺陷在于总存有一定程度的反射光, 长周期光纤光栅可以克服 这一缺点。将两个具有不同工作波长的长周期光纤光栅组合进行EDFA 增益平坦, 在 25nm～ 30nm 带宽内EDFA 增益谱的起伏小于0.2dB。将之应用于20×5Gb/s 的 WDM 通信系统中, 通信信道以0. 6nm 的间隔分布于1550.4nm～ 1561. 8nm 的带宽 内, 增益平坦带宽提高了3 倍。 2 带阻滤波器 长周期光纤光栅的耦合机理决定了它对特定的波长具有损耗的能力, 在谱特性曲线上 表现为一个损耗波峰。特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度, 可以使谐振波长强烈 衰减, 而其余波长基本没有损耗的通过, 从而实现了基于光纤的光学带阻滤波。其中光 栅周期与调制深度决定谐振波长, 而光栅长度决定阻带带宽。
H = 6.9 ×10 −11 exp(7.8 ×10 2 / T ) P
式中T为热力学温度值, P的量纲为Pa , H为无量纲值。而氢气在光纤中扩散的时间 又取决于光纤的半径(µm) 和T 的高低,对于一段裸光纤来讲,扩散时间满足下面的关 系式:
2 t diff = 4.4 ×10 −6 exp(5.2 × 103 / T )rcl
Fig. 4 Transmission spectrums of both LPFGs before and after annealing
对于乙光纤来讲,纤芯中的含氢量很小,而由于受幅照的时间很长,纤芯中大部分的氢 气都参与了反应,所以纤芯中残留的氢气就变得很少了,这同样也提高了光纤光栅的 热稳定性。 需要注意的是,降低光纤的含氢量并不是说它越低越好。纤芯中氢气浓度的降低 会引起光纤最大折变量∆nc 的降低。如果含氢量太低的话,有可能根本达不到想要的 折变量。
结论 本文在实验中对比了在不同的含氢量的光纤上制作成的长周期光纤光栅的热 稳定性,发现在含氢量较小的光纤上制作出的长周期光纤光栅具有更好的热稳定性。 通过理论分析,作者认为降低光纤的含氢量,同时在制作过程中进行均匀紫外曝光能 够很好地改善长周期光纤光栅的热稳定性
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包层模之间耦合的光栅,它的光栅周期一般为几十到几百个微米。 它与普通布拉格(Bragg) 光栅相比具有背向反射率低,带宽宽,对 温度、应力、折射率变化的响应灵敏度高和易于批量制作等优 点,可以被运用于掺铒光纤放大器的增益平坦、放大器自发辐射 噪声的抑制以及测量中的光纤传感。 长周期光纤光栅：振幅掩模法、电弧感生微弯法、熔融拉锥法、 长周期光纤光栅 机械感生法,逐点写入法(CO2激光写入和飞 秒 激光写入)等.
在实验中先将谐振峰的波长通过 掩摸板辐照至离要求波长一定距离的 短波长λx 处,然后进行均匀紫外曝光。 在保证波长的同时也保证损耗的大小。 但这里λx 的确定由于和许多因素有 关,所以比较困难,这需要通过多次的实 验摸索才能总结出一定的规律。
5 试验及分析 实验采用的光纤为长1. 8 m 的康宁(Corning) 普通通信光纤,制作光栅前先将其放入 1.01325 ×107 Pa ,30 ℃的氢气中载氢以提高其光敏性。根据在上述条件下的tdiff 3 为7. 5 天( rcl取62. 5µm) ,而氢气摩尔分数的饱和值H为 9.6 ×10 −,采用的载氢时间为5 天。 实验用的激光器为波长193 nm 的准分子激光器,单个脉冲的能量为80 mJ / cm2,重复频率 为5 Hz ,铜制振幅掩模板的周期为450µm ,制作的时候用宽带光源和光谱仪对光纤光 栅的变化作实时监控。制成的长度为4 cm的光纤光栅在150 ℃的高温下退火24 h 以 提高它们的稳定性。 把在空气中放置了2 天的载氢光纤称为甲光纤,而将放置了7 天的载氢光纤称为 乙光纤。实验在甲、乙光纤上分别制作光栅,并且在乙光纤光栅的制作过程中引 用了均匀紫外曝光技术。图3 是制作过程中甲、乙光纤光栅第四个谐振峰波长、 损耗随脉冲个数增长而变化的情况。图3 (a) 为甲光纤光栅,图3(b) 为乙光纤光栅, 图3 (b) 中12000 个脉冲以前是加上掩模板照射时变化的情况,而12000 个脉冲以 后是均匀紫外曝光时的变化情况。从图3 中可以看出乙光纤光栅的增长速度要比 甲慢了很多。源自长周期光纤光栅的研究主要内容
介绍 应用 一种改善长周期光纤光栅热稳定的方法
根据光栅周期分类
布拉格光栅 (FBG)
长周期光纤光栅 （ LPFG ）
L 光纤布拉格光栅 光栅周期～0.5 µ m 前向模和后向模之间的耦合 长周期光纤光栅 光栅周期>100 µ m 纤芯模和包层模之间的耦合
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长周期光纤光栅(LPFG) 是一种基于纤芯基模和同向传输的
tdiff 量纲为s。其中当t = tdiff 时,光纤中氢气的浓度达到其饱和值H 的63 %。另外,由 于存在游离的氢气,光纤在1245 nm 处存在着一个比较明显的吸收峰。光纤中氢气的 摩尔分数[ H2 ]可以简单地通过测量每米光纤上这个吸收峰的大小α1245来确 定,α1245的量纲采用dB ,它们满足以下的关系: