啁啾光纤光栅

*集成光电子国家重点实验室资助课题。

收稿日期:1998-07-13第19卷　第11期1999年11月光　学　学　报ACT A O PT ICA SIN IC A V o l.19,No.11N ov embe r,1999用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅*韦占雄　秦　莉　韦　欣　王庆亚　郑　伟　张玉书(吉林大学电子工程系,长春130023)摘　要　介绍了一种用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅的方法。

采用氢氟酸腐蚀布拉格光纤光栅,使光栅的横截面沿光栅轴向逐渐变小,然后对光栅施加1.50N 的拉力,在光栅轴向建立应变梯度,制作出长15mm 、峰值反射率达92%、反射半高宽为5nm 的啁啾光纤光栅。

关键词　布拉格光纤光栅,　腐蚀,　应变梯度,　啁啾光纤光栅。

1　引 言近年来,光纤光栅因其在光通信和传感技术领域有着广泛的应用前景而引起了人们极大的兴趣,光纤光栅的制作及其特性的研究成了有关研究人员普遍关注的热点。

自从Ouel-lette [1]在1987年提出用啁啾光纤光栅作为长距离光通信系统的色散补偿器件以来,人们对啁啾光纤光栅的制备、性能及应用作了一系列深入的研究和探讨。

除了用作色散补偿器件外,啁啾光纤光栅还可应用于波分复用系统[2]、掺铒光纤放大器[3]等多种光通信器件和温度、应力等传感器件[4]中。

因此,人们对啁啾光纤光栅的制备作了大量的研究工作,提出了多种方法,如非相似波前干涉法[5]、相位掩膜法[6]、二次曝光法[7]、锥形法[8]、光纤弯曲法[9]、光纤倾斜法[10],温度梯度法[11]等。

然而,非相似波前干涉法和光纤倾斜法均要求用于制作光纤光栅的激光光源有很好的相干性;二次曝光法、锥形法是以改变光栅的有效折射率为基础来制作啁啾光纤光栅,由于有效折射率的变化量有限,所以制作出的光栅的反射带宽受到了很大的限制;相位掩膜法需要购买价格昂贵的啁啾相位掩膜板;利用均匀周期相位掩膜板来制作啁啾光纤光栅的光纤弯曲法虽然可通过控制光纤弯曲的形状来调整光栅的带宽,但是这种方法与其它利用相位掩膜板制作光纤光栅的方法一样,制作出啁啾光纤光栅的反射波长受到所用相位掩膜板周期分布的限制。

常见光纤光栅传感器工作原理光纤光栅传感器的工作原理光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1）式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。

如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。

此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。

通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。

1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。

一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。

啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。

与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。

这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。

通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。

2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。

Λ。

式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。

光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。

一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。

光纤光栅啁啾效应
光纤光栅啁啾效应是指当光线通过光纤光栅时，由于光栅中存在微小的周期性变化，导致光的频率发生变化，进而引起光频偏，产生频率偏移或啁啾现象。

光纤光栅是一种具有周期性折射率变化的光纤结构，可用于光通信、光传感、光谱分析等领域。

当光线通过光栅时，由于光纤光栅的周期性变化，光的传播速度也会发生周期性变化，从而导致光的频率发生变化。

光纤光栅啁啾效应是由光纤光栅中的折射率变化引起的，而这种折射率变化可能是由于光纤中的应力、温度变化以及光栅制作过程中的误差等因素所导致的。

啁啾效应会导致光信号的频率发生偏移，从而影响光纤光栅的性能和应用。

为了解决光纤光栅啁啾效应带来的问题，可以采取一些措施进行校正和补偿，例如通过调节光纤光栅的制作参数、优化光栅结构等方式来减小啁啾效应的影响；同时，也可以利用数字信号处理或者光纤光栅传感器的信号处理算法对啁啾效应进行补偿，从而提高光纤光栅的性能和精度。

总之，光纤光栅啁啾效应是光纤光栅中折射率变化引起的光频偏，会对光纤光栅的性能和应用造成影响，需要采取相应的校正和补偿措施来减小其影响。

光栅啁啾量与色散关系1.引言1.1 概述概述：光栅啁啾量与色散关系是光学研究领域中的一个重要课题。

光栅是一种能够将光波分解成不同色彩的光学元件，而啁啾量是光束经过光栅后所形成的衍射效应。

色散关系则是描述了光栅衍射现象中不同波长光的出射角度与波长之间的关系。

随着科学技术的不断发展，人们对光栅啁啾量与色散关系的研究越来越深入。

这不仅有助于我们更好地理解光栅的工作原理，也为光学仪器的设计与应用提供了重要的理论基础。

在光栅啁啾量方面，研究者通过数学模型和实验手段揭示了光栅波前畸变、啁啾效应等现象，进一步拓展了我们对光栅的认识。

而在色散关系方面，研究者通过理论推导和实验验证，发现了不同类型光栅的色散特性及其与光栅参数的关联规律。

这一方面的研究不仅对于解释光栅衍射现象提供了重要线索，也为光栅在光谱分析、干涉测量和激光器等领域的应用提供了科学依据。

本文旨在对光栅啁啾量与色散关系进行系统阐述，通过梳理相关文献和实验数据，深入探讨影响光栅啁啾量和色散性能的因素，并剖析其内在机理。

同时，我们还将回顾已有研究成果，总结目前对光栅啁啾量与色散关系认识的不足之处，并展望未来的研究方向与应用前景。

综上所述，光栅啁啾量与色散关系是光学研究领域中一个重要且复杂的课题，通过对其深入研究与理解，有望为光栅的优化设计、光学仪器的提升以及光谱分析等领域的应用提供有力支撑。

本文将从光栅啁啾量和色散关系的基本原理出发，系统探讨其相关理论和实验研究，以期为读者了解和掌握此领域的最新进展提供参考。

文章结构部分的内容可以是以下内容：1.2 文章结构本文主要分为三个部分：引言、正文和结论。

在引言部分，首先概述了光栅啁啾量与色散关系的研究背景和意义。

随后介绍了本文的文章结构和目的，以及各个部分的内容概要。

接下来是正文部分，分为2个小节：光栅啁啾量和色散关系。

在光栅啁啾量部分，将介绍光栅啁啾量的定义、计算方法以及其在光学领域中的应用。

在色散关系部分，将解释色散关系的基本概念、产生机制以及与光栅啁啾量之间的关系。

光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅），二是透射光栅（也称为长周期光栅）。

光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅；其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。

目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。

1）短周期光纤光栅的制作a）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。

示。

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。

b）光纤光栅的单脉冲写入由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J•cm－2，近年来又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。

英国南安普敦大学的Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。