机械感生可调谐长周期光纤光栅的特性研究

　　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).