0　引言

　　长周期光纤光栅(LPFG)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,在光纤通信和光纤传感中得到了广泛的应用。目前它主要用于制作增益均衡器[1-2]、滤波器、波长选择耦合器、光分插复用器和光开关等器件,以及对温度、应变、扭曲等单参数测量;同时,在多参数测量,化学生物传感器以及非线性测量中也获得了相应的应用。长周期光纤光栅的写入方法很多,除常见的紫外光写入法外,还有CO2激光写入法、腐蚀刻槽法、电弧放电法、离子束入射法、机械微弯变形法等[3-4]。在这些写入方法中,最常用的是紫外光通过振幅掩模板曝光载氢掺锗光纤,通过掺锗光纤的光敏性引起纤芯折射率周期性调制而形成长周期光纤光栅.

　　利用设计周期性压力槽对单模光纤施加压力,使光纤沿轴向发生周期性的物理微弯形变,因光弹效应使光纤折射率也发生周期性的改变,进而形成光栅效应。该方法制作的长周期光纤光栅可以通过施加不同的应变外力,调节光纤的有效周期,制作成谐振波长和损耗峰振幅都可以选择的长周期光纤光栅。
 

　　1　基于周期性压力槽的LPFG的制作

　　依据耦合模理论[5],理想均匀光纤在未受微扰时,纤芯及包层中存在的各阶次模式相互正交,不存在模式耦合。在光纤中写入光栅破坏了光纤波导光学特性的一致性,这种沿光纤纵向的周期性扰动,使得各个模式在纤芯及包层中相互耦合。考虑任一个模式μ受其他ν个模式的影响,光纤中耦合模方程的表达式为

　　式中,Aν、Bν分别是第ν个模式在光纤中沿正向和反向传输的振幅;βν、βμ分别是ν,μ模式的传播常数;Klνμ、Ktνμ分别是第ν个和第μ个模式之间纵向和横向的耦合系数。

　　长周期光纤光栅中,在不同的谐振波长λm处,纤芯基模LP01和m阶前向传输包层模发生耦合[6]。耦合波长决定于光纤相位匹配方程:

　　其中,ncoeff和nco,meff分别为在λm处的LP01模和m次包层模LP0m的有效折射率,Λ为长周期光纤光栅的周期。一般说来,对于一个给定的周期Λ,存在几个不同的包层模式满足相位匹配方程,所以就会有几个不同的谐振损耗峰。谐振峰波长取决于纤芯和包层的折射率。

　　光纤受机械应力作用后,弹光效应引起光纤折射率的变化,设计基于周期性压力槽的可调谐长周期光纤光栅,写制结构如图1所示。

　　采用ASE宽带光源(1 520~1 575 nm),机械线加工技术设计制作周期600μm,占空比50%,周期数60,宽10 mm的矩形槽模板;光纤为CorNIngSMF-28的单模光纤(纤芯直径8.3μm,包层直径125μm,数值孔径0.11).

　　2　实验结果与分析

　　2.1　长周期光纤光栅压力调谐实验

　　根据光纤耦合模理论,对于折射率的调制主要集中于纤芯的有效折射率变化。由应力引起纤芯和包层折射率变化。随着应力的不断增加,机械感生效应增大,从而导致纤芯基模LP01与包层模之间的耦合逐步增强[7]。通过施加不同的应力,得到的LPFG的透射谱如图2所示,最大谐振峰值大于18dB。

　　曲线P1至P8为应力顺次增加的长周期光纤光栅透射谱测试曲线。由曲线P1至曲线P7可以看出,随着有效折射率调制的增加,谐振波长向长波方向漂移,损耗峰逐渐增大,边带变得逐渐明显,带宽逐渐减小。

　　但是当压力增加到一定程度时,纤芯基模与包层模之间会出现过耦合现象[8],耦合到包层模中的纤芯基模又耦合回纤芯,损耗峰振幅不但不增加反而减小,并且由于机械作用的原因,制作的长周期光纤光栅的整体损耗也相应会大幅增加,谐振波长以及谐振峰损耗值变化规律也将发生变化,如图2中P8曲线所示。

　　2.2　长周期光纤光栅有效周期调谐实验

　　通过调整压力槽和光纤之间的角度来改变长周期光纤光栅的有效周期[9],写制长周期光纤光栅的位置关系如图3所示。

　　根据压力槽的设计尺寸,长36 mm,宽10 mm,在保证周期数不变的条件下,最大调整角度为16°,在0°~16°的范围内,施加相应的压力后得到的测试谱如图4所示。

　　由图4分析得知,随着压力槽和光纤之间的角度的增大,谐振波长向长波方向移动,调整施加的应力,仍然能够保证较高的谐振峰值损耗。在角度变化16°的范围内,波长移动大于12 nm。因此,设计的长周期光纤光栅作为滤波器使用时,可以通过调整压力槽和光纤之间的角度,影响长周期光纤光栅的有效周期,改变其谐振波长。

　　2.3　长周期光纤光栅的温度特性

　　长周期光纤光栅的模式耦合主要是指纤芯基模和同向传输的各阶包层模之间的耦合。利用受温度影响的光纤的本征方程和相位匹配条件,考虑三层介质光纤,设初始温度为T0时,纤芯、包层和环境的折射率分别为nco,nc1和n00,nco>nc1>n00,光栅周期为Λ。根据热光效应,折射率为n的材料,当温度改变时,有如下关系:ξ=(1/n)(dn/dT),ξ为材料的热光系数。那么当温度为T时,nco,nc1和n00分别表示为

　　式中,L为长周期光纤光栅的长度;I为纤芯基模LP01的模场ψ01与包层模LP0m的模场ψ0m在纤芯区域的重叠积分;κ为纤芯折射率调制引起的交叉耦合系数。

　　由式(8)可知,长周期光纤光栅的损耗幅值A的幅度灵敏度dA/dT与纤芯热光系数ξco、包层热光系数ξc1、谐振波长的温度灵敏度dλres/dT、模场重合积分的温度灵敏度dI/dT、交叉耦合系数与光栅长度的乘积κL等因素有关,其中κL值的大小对损耗峰幅值的温度灵敏度有重要影响。为了研究写制长周期光纤光栅的温度响应,分别采用带有以及剥去涂敷层的Corning单模光纤写制LPFG。待相对谐振峰值达到16 dB时将写制装置固定,进行温度实验,测试图谱如图5,图6所示。

　　两种光纤写制LPFG的谐振波长温度响应分别为0.057和0.086 nm/℃,谐振峰值灵敏度分别为0.230和0·312 dB/℃。光纤剥去涂敷层写制的光纤光栅的温度灵敏度,不论是谐振波长还是谐振峰值对温度都有较高的响应灵敏度。

　　3　结论

　　设计了基于周期性压力槽方法写入的长周期光纤光栅,通过调谐应力、光纤和压力槽的夹角,以及温度实验,验证了机械微弯方法写入长周期光纤光栅的特性。该长周期光纤光栅最大谐振峰值可达18 dB,谐振波长调整范围大于12 nm,并且具有较高的谐振波长温度稳定度,但谐振峰值受温度影响较大。利用改变周期性压力槽的长宽尺寸,可以增

　　大谐振波长的可调范围,不断提高长周期光纤光栅的性能,使其可以作为滤波器、增益均衡器等器件,在光路系统中以其成本低、谐振波长和谐振峰值可调谐的优点得到更为广泛的应用。

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