基于偏芯光纤的倾斜长周期光栅制作及其特性研究毕业论文

2020-02-17 10:02

摘要

偏芯光纤的纤芯与中心轴线有一定距离，这导致其传感特性与一般的标准单模光纤不同。与单模光纤相比，偏芯光纤的纤芯离外部环境更近，因此泄露的倏逝波更加强大，对外部环境变化的敏感度也更高。倾斜长周期光栅是一种特殊的光纤光栅，它的光纤轴线方向与光栅成栅平面的波矢方向有被设定的夹角。这导致其具有很多独有的特点，比如具有新颖的偏振相关特性，并且能够提高对外界响应的灵敏度。在偏芯光纤上制作出倾斜长周期光栅，就会获得既有偏芯光纤特点和又有倾斜长周期光栅优点的光纤器件，后向散射不强，插入损耗降低，灵敏度提高，方向传感性良好，并且具有偏振特性。然而，以前的研究中倾斜长周期光纤光栅的制作大多是在标准单模光纤上进行的，在偏芯光纤上制作倾斜光栅的研究较少。本文对基于偏芯光纤的倾斜长周期光栅的制作及特性进行了系统性的研究。本文的主要内容包括：

（1）概述了本课题的研究背景及其意义，阐述了偏芯光纤和倾斜长周期光栅的国内外研究现状。

（2）基于耦合模理论，介绍了倾斜长周期光栅的理论模型，分析了倾斜光栅各种可能的结构，理论分析了倾斜光栅折射率公式；又介绍了偏芯光纤的理论模型。最后，利用改造的耦合模理论，分析了ECF-LPFG的模式耦合特性。

（3）进行了写制实验。首先介绍了高频CO₂激光脉冲写制法的成栅机理及特点，然后根据机理进行了 ECF-TLPFG 的写制实验，并分析了写制结果，与成栅机理互相印证，证明实验的正确性。

（4）进行了相关的测量实验。实验研究了不同参数对ECF-TLPFG的影响，包括不同的弯曲度和温度。并对实验结果进行对比分析，根据分析结果总结其特性，最后展望其在实际中的应用。

关键词：偏芯光纤；倾斜长周期光栅；激光写制；温度；弯曲

Abstract

The core of the eccentric fiber has a certain distance from the central axis, which results in different sensing characteristics than the standard single-mode fiber. Compared with single-mode fiber, the core of the eccentric fiber is closer to the external environment, so the leakage of the evanescent wave is more powerful and the sensitivity to changes in the external environment is higher. The tilted long-period grating is a special fiber grating whose optical fiber axis direction has a set angle with the wave vector direction of the grating grating plane. This results in many unique features, such as novel polarization-dependent properties, and improved sensitivity to external responses. When a tilted long-period grating is fabricated on an eccentric fiber, a fiber optic device having the advantages of both an eccentric fiber and a tilted long-period grating can be obtained, the backscattering is not strong, the insertion loss is reduced, the sensitivity is improved, and the direction is sensed. Good and polarized. However, in the previous studies, the fabrication of tilted long-period fiber gratings was mostly performed on standard single-mode fibers, and there were few studies on making tilted gratings on eccentric fibers. In this paper, the fabrication and characteristics of tilted long period gratings based on eccentric fiber are systematically studied. The main contents of this article include:

(1) The research background and significance of this topic are summarized, and the research status of eccentric fiber and inclined long-period grating at home and abroad is expounded.

(2) Based on the coupled mode theory, the theoretical model of the tilted long period grating is introduced. The possible structures of the tilted grating are analyzed. The refractive index formula of the inclined grating is theoretically analyzed. Finally, the mode coupling characteristics of ECF-LPFG are analyzed by using the coupled coupled mode theory.

(3) A writing experiment was conducted. Firstly, the grating formation mechanism and characteristics of high-frequency CO2 laser pulse writing method are introduced. Then, the ECF-TLPFG writing experiment is carried out according to the mechanism, and the writing results are analyzed. The proof-forming mechanism is mutually confirmed to prove the correctness of the experiment.

(4) Related measurement experiments were carried out. The effects of different parameters on ECF-TLPFG were investigated experimentally, including different degrees of curvature and temperature. The experimental results are compared and analyzed, and the characteristics are summarized based on the analysis results. Finally, the application in practice is expected.

Key words: eccentric fiber; tilted long period grating; laser writing; temperature; bending

第1章绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 倾斜长周期光栅的国内外研究现状 1

1.3 偏芯光纤的国内外研究现状 2

1.4 本文研究主要内容 3

第2章基于偏芯光纤的倾斜长周期光栅理论分析 4

2.1 倾斜长周期光栅理论模型 4

2.2 偏芯光纤光栅理论模型 5

2.3 偏芯光纤倾斜长周期光栅的耦合特性 7

2.4 本章小结 8

第3章基于偏芯光纤的倾斜长周期光栅的制作 9

3.1 高频CO₂激光脉冲写制法原理 9

3.2 逐点写入法介绍 10

3.3 倾斜光栅的写制实验 10

3.4 本章小结 12

第4章基于偏芯光纤的倾斜长周期光栅传感特性的研究 13

4.1 弯曲响应特性的研究 13

4.2 温度响应特性的研究 17

4.3 本章小结 19

第5章总结 20

参考文献 21

致谢 23

第1章绪论

1.1 课题研究背景与意义

二十世纪的后半世纪，一种新型无源光子器件，即光纤光栅出现了，并凭借其安全、灵敏度高等优势，迅速在通信领域与传感领域广泛的应用起来^[1]。随着人们对光纤光栅各种写制方法的不断探索，写制技术在不断进步，一定程度上满足了人们对光纤光栅的不断提高的功能的需求。与此同时，一些结构特殊，却有新颖的特性，功能也众多的光纤光栅开始进入人们的视野，成为新型光纤光子器件中的一个的新研究热点。

1996年，美国ATamp;T的A.M.Vengsarkar等人采用逐点写入法，首次在单模光纤（single mode fiber，SMF）中制作了真正的长周期光纤光栅（long period fiber grating，LPFG）^[2]。

偏芯光纤（eccentric core fiber，ECF）是光纤纤芯不处于中心轴线上的特殊的单芯光纤。随着纤芯偏离中心的程度改变，偏芯光纤不同的特性会被表现出来。ECF的结构是非对称型，所以纤芯对比SMF来说更加接近外界环境，倏逝波也更强，对外界环境变化的敏感度也更高。这种结构上的特点使ECF有更多的应用，比如在液体液面的测量方面优势更大。

从LPFG问世以来，人们对LPFG不断进行理论分析，实验研究也在逐渐深入，对LPFG中的模式耦合特性的认知也更加清晰。人们的研究热点逐渐改变，想要加强光栅中的模式耦合。1990年，Meltz等人首次发表了倾斜长周期光纤光栅(Tilted Long Period Fiber Grating，TLPFG)的理论模型，之后人们发现引入倾斜角即可起激励作用，使反向包层模与纤芯基模与得到耦合,并且耦合特性发生了改变，与普通的LPFG变得不同^[3]。对于倾斜长周期光纤光栅，由于可以根据实际需要来设计倾斜角，这就使光栅结构设计的自由度得到提高，折射率调制的分布结构也变得灵活多变。而倾斜折射率调制结构又使其具有一些新颖的特性，比如耦合、色散、偏振及感知，使光栅结构的设计进一步丰富，为更好的光学特性的实现提供了新方法，这并成为了新的研究热点。

将偏芯光纤与倾斜长周期光栅技术结合到一起，便产生了基于偏芯光纤的倾斜长周期光栅（ECF-TLPFG）。相比SMF-LPFG，ECF-TLPFG 不仅具有 SMF-LPFG 的全部优点，并且由于ECF-TLPFG 具有不对称结构，ECF-TLPFG对外界环境的敏感度更高，折射率、温度、压力等传感特性更加优异。同时，ECF-TLPFG 的制作工艺并不复杂，成本低廉，因此 ECF-TLPFG 可以成为相当理想的光纤传感器件。然而，目前国际上还没有针对 ECF-TLPFG 建立起完善的理论模型，理论基础也并不全面，也没有文章对其进行全面系统性的研究和仿真分析。本论文利用高频CO₂激光器在偏芯光纤上写制倾斜长周期光栅，并研究了基于偏芯光纤的倾斜长周期光栅的温度特性和弯曲特性，介绍了一些应用前景。

1.2 倾斜长周期光栅的国内外研究现状

人们对倾斜光栅的研究始于倾斜布拉格光栅。在2000年，耦合模理论逐渐得到完善，研究范围从布拉格光栅扩展到长周期光栅，从而有了倾斜长周期光栅的理论。倾斜长周期光栅方面的研究，从Erdogan和Sipe完善TLPFG的模式耦合理论开始^[4]。Sipe和Erdogan采用紫外曝光法制作了TLPFG，实现了纤芯基模LP₀₁与包层模LP₁₁之间的模式耦合，首次发现了TLPFG可以激励纤芯基模与高阶包层模式 (LP_lv，l≠0) 产生耦合，因此TLPFG的耦合特性与LPFG不同。扩展耦合模理论之后，分析了透射型(TLPFG)的倾斜光栅。同时发现倾斜角的引入使光栅结构设计的自由度得到增加，倾斜光栅与普通均匀光栅所不同，具有新颖的模式耦合特性。引入倾斜角后，随着倾斜角的变化，光栅的模式耦合系数也不断改变。同时，倾斜角对光栅的偏振特性有较大影响，可以利用这一点研制光栅偏振器件。此理论使倾斜光纤光栅也可以用耦合模理论进行分析。2001年，Sipe和Erdogan等人利用TLPFG实现了光纤模式之间的转换，实现了纤芯基模LP₀₁向包层模LP₁₁不同偏振态(TE₀₁、TM₀₁、HE₂₁)线性组合模式的耦合^[5]。到2011年，有了基于高频CO₂激光脉冲写制的TLPFG的特性研究的报告，此报告对制作的TLPFG的模式耦合特性进行了分析，对倾斜角对光栅写制效率的影响进行了研究，并将结果与使用紫外曝光法制作的TLPFG进行了对比分析^[6]。在同一年，范弘型等人提出了一种新光栅，其折射率沿光纤轴向调制，是超长周期光纤光栅，并在其中分析了光栅写制效率与不同占空比之间的关系^[7]。

2013年，陈海云等人在TLPFG的表面镀制一层高折射率敏感薄膜，分析了其耦合特性^[8]。研究表明, 光栅倾斜角的改变对包层模耦合的谐振波长无影响, 不过影响光谱透过率。与非倾斜LPFG相比, TLPFG中引入的倾斜角使光谱透过率对薄膜折射率变化的响应得到增强。lt;80时, 高阶包层模之间的耦合所产生的谐振峰很弱, 可以忽略不计。他们的研究结果表明, 与非倾斜LPFG相对比，基于TLPFG的薄膜传感器在薄膜折射率发生变化时，响应灵敏度提高了的幅度非常大，达到了一个数量级。

2015年，陆建国等人将倾斜长周期光栅进行级联，并研究其传输谱特性^[9]。他们运用耦合模理论, 对CTLPFG的传输谱特性进行理论研究。与实验结果做对比发现, 实验结果与理论模拟的结果有很高的一致性。与CLPFG的传输谱相比, 级联长度对CTLPFG传输谱谐振峰值和谐振峰位置的影响有一致性。当光栅倾斜角增至60以上时, CTLPFG的二阶包层模对应的损耗峰增强,而三阶包层模对应的损耗峰变化不明显;特别当光栅倾角为80°以上时,二阶包层模传输谱的损耗峰峰值对光栅倾角的变化极其敏感。对于像压力和弯曲等可影响光栅倾角量的参量,CTLPFG可用作该参量的传感器。当多个TLPFG级联时,增加级联段数,不但可以减弱阻带之间的小损耗峰,同时还可明显增加通带的宽度, 且通带宽度与级联段数呈很好的线性关系,表明CTLPFG在双峰滤波器中有良好的应用价值。

1.3 偏芯光纤的国内外研究现状

偏芯光纤是纤芯偏离中心轴线的特种光纤，光纤结构的非对称性使得该光纤体现出不同于单模光纤的特性。Alphones提出了一种新型结构的偏芯单模光纤，并通过改进的点匹配方法，对该种偏芯光纤的偏振特性进行了数值分析^[10]。关春颖等人提出了一种由包层和贴近包层表面的圆形或椭圆形纤芯组成的新型近表面芯光纤。这种近表面芯光纤是 ECF 的一个特例。燕山大学的王擎，李晓林等人在ECF基本结构基础上，利用保角变换的方法，将其映射到同心圆平面上，等同于普通光纤，再经过一系列系数扩展来分析偏芯光纤的光传输特性^[11]。在偏芯光纤上写入的 LPFG 都统称为偏芯长周期光纤光栅。为了更好的发挥LPFG 在某一个或几个方面的长处，LPFG越来越多的被写在各种偏芯光纤上，并且迸发出更多更优异的特性。

通过对偏芯光纤进行不断的理论探索，一些分析ECF-LPFG 的理论方法逐渐形成。目前，对于光纤传输特性的分析方法主要包括数值法和解析法。研究理论主要基于传输矩阵法，有限元分析理论和耦合模理论等。因为耦合模理论成熟而且应用广泛，因而常采用耦合模理论分析折射率调制较弱的长周期光纤光栅。SMF-LPFG 理论较为成熟，可以选择解析解和数值解的方法分别求解。而 ECF-LPFG 由于光纤结构不对称，ECF解析计算复杂，因而选择采用数值解法。使用有限元分析方法求解 ECF 模场及其传播常数等传输特性参量，简化计算。并使用耦合模理论分析 ECF-LPFG 透射光谱，并与实验对比分析，系统研究 ECF-LPFG 特性，扩展 ECF的应用范围，并验证了 ECF-LPFG 的正确性。

目前，在 ECF 上写入 LPFG 的研究成果还不算多。ECF-LPFG 不同于 SMF-LPFG 特性，ECF 纤芯不在光纤中心轴线上，因而具有方向传感特性。又因为 ECF 纤芯靠近包层表面，ECF-LPFG 比 SMF-LPFG 对外界环境（折射率、压力、温度、应力等）敏感性更高。而 ECF-LPFG 制作简单，成本低廉。因而系统性的对 ECF-LPFG 进行特性研究对 ECF-LPFG 的发展和应用比较有用。