光電技術-考試

1、分 數(shù)：評卷人：研究生（光電技術概論）課程報告題 目：光子晶體光纖光柵的研究學 號 M201372142姓 名 萬旭專 業(yè) 軟件工程指 導 教 師 唐霞輝、元秀華、鄧勇、方妍妍、劉德明院（系、所） 光電學院2014年 1 月 2 日光子晶體光纖光柵的研究萬旭（華中科技大學 光學與電子信息學院 武漢 430000）摘要：光子晶體光纖光柵是近十年發(fā)展起來的一個新型的科技產(chǎn)品。由于它的優(yōu)良特性及其在光學通訊方面的廣泛應用使得它越來越受到人們的關注。本文講解了光纖光柵的原理，特性，分類，研究方法，以及發(fā)展狀態(tài)，然后歸結為對光子晶體光纖光柵的研究，介紹光子晶體光纖光柵的組成材料，結構特點、性質(zhì)特點和制作

2、方法。使人們更加深入地理解光纖光柵這種科技產(chǎn)品能夠帶來的社會價值。關鍵詞：光子晶體；光子晶體光纖；光纖光柵；長周期光纖光柵；光子晶體光纖光柵Studies on photonic crystal fiber gratingsWanxu(School of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430000,China) Abstract:Photonic crystal fiber gratings (PCFG), as a new type of techn

3、ology products developed in resent years, has attracted more and more attentions due to its excellent properties and wide applications in optics communications. In this thesis, we discuss the principle, classification, research methods, as well as the development of state of the photonic crystal fib

4、er and fiber grating characteristics, and then attribute to the study of PCFG. And we have discussed mainly the ingredients, structural characteristics, properties and growth mechanism of PCFG, which is helpful to further understand the social value of this technology product.Key words: photonic cry

5、stal; photonic crystal fiber; fiber-gratings; long period fiber-gratings; photonic crystal fiber gratings引 言光子晶體光纖光柵是光子晶體光纖在光纖通信領域一個非常重要的應用。在光子晶體光纖寫入光纖光柵，對光子晶體光纖的實用化具有重要意義。在光子晶體光纖問世之初，人們就嘗試在光子晶體光纖中寫入光纖光柵，研究發(fā)現(xiàn)，基于光子晶體光纖的光柵，和常規(guī)光纖中寫入的光纖光柵相比，在某些方面具有更加優(yōu)良的特性。最近幾年這一方面的研究進展很快，出現(xiàn)了無摻雜光子晶體光纖布喇格光柵、摻鍺光敏纖芯光子晶體光纖光柵

6、、聚合物填充金屬鍍層的長周期光子晶體光纖光柵、無摻雜純硅大模面積長周期光子晶體光纖光柵等一系列科研成果。介紹光子晶體光纖光柵的理論，是從介紹光纖光柵的理論和光子晶體光纖的理論出發(fā)的。因為光子晶體光纖光柵是在光纖的芯層寫入光柵的，要求芯層折射率滿足一定的函數(shù)分布，對包層沒有過高的限制，而光子晶體光纖主要是將空氣孔分布在包層中，影響包層的折射率，對芯層沒有高的要求，所以在這樣的情況下我們可以通過對光纖光柵和光子晶體光纖的理論分析來得到光子晶體光纖光柵的相關理論。1 光纖光柵1978年K.O.Hill等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成第一只光纖光柵。Hill的早期光纖是采用488nm可見光波長的

7、氛離子激光器，通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵。后來Meltz等人利用高強度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進行側面橫向曝光在該光纖芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵。1989年，第一支布拉格諾振波長位于通信波段的光纖光柵研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技術，它主要是利用紫外光透過相位掩模板后的士1級衍射光形成的干涉光對光纖曝光，使纖芯折射率產(chǎn)生周期性變化寫入光柵，此技術使光纖光柵的制作更加簡單、靈活，便于批量生產(chǎn)。1993年Alkins等人采用了低溫高壓氫擴散工藝提高光纖的光敏特性。這一技術使大批量、高質(zhì)量光纖光柵的制作成為現(xiàn)實。經(jīng)過二十多年來的發(fā)展，光纖光柵

8、在光纖通信、光纖傳感等領域均有廣闊的應用前景。隨著光纖光柵制造技術的不斷完善，光纖光敏性逐漸提高；各種特種光柵相繼問世，光纖光柵某些應用已達到商用化程度。應用成果日益增多，使得光纖光柵成為最有發(fā)展前途、最具代表性和發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起的折射率永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用的實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成（利用空間相位光柵的布拉格散射的波長特性）一個窄帶的（投射或反射）濾光器或反射鏡。 光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護、帶寬范圍大、附加損耗小、

9、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實用性，其優(yōu)越性是其他許多器件無法替代的。這使得光纖光柵以及基于光纖光柵的器件成為全光網(wǎng)中理想的關鍵器件。 2 光纖光柵的類型 隨著光纖光柵應用范圍的日益擴大，光纖光柵的種類也日趨增多。根據(jù)折射率沿光柵軸向分布的形式，可將紫外寫入的光纖光柵分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。其中均勻光纖光柵是指纖芯折射率變化幅度和折射率變化的周期(也稱光纖光柵的周期)均沿光纖軸向保持不變的光纖光柵，如均勻光纖Brag光柵(折射率變化的周期一般為0.1um量級)和均勻長周期光纖光柵(折射率

10、變化的周期一般為100um量級)；非均勻光纖光柵是指纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向變化的光纖光柵，如chirped光纖光柵(其周期一般與光纖Bragg光柵周期處同一量級)、切趾光纖光柵、相移光纖光柵和取樣光纖光柵等。 具體分類如下：2.1 均勻光纖光柵 均勻光纖Bragg光柵折射率變化的周期一般為0.1um量級。它可將入射光中某一確定波長的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作溫度傳感器、應變傳感器等傳感器;在光通信領域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作帶通濾波器、分插復用器和波分復用器的解復用器等器件。 2.2 均勻長周期光纖光柵 均勻長周期光纖光

11、柵折射率變化的周期一般為100um量級，它能將一定波長范圍內(nèi)入射光前向傳播芯內(nèi)導模耦合到包層模并損耗掉。在傳感器領域，長周期光纖光柵可用于制作微彎傳感器、折射率傳感器等傳感器;在光通信領域，長周期光纖光柵可用于制作摻餌光纖放大器增益平坦器、模式轉(zhuǎn)換器、帶阻濾波器等器件。 2.3 切趾光纖光柵 對于一定長度的均勻光纖Bragg光柵，其反射譜中主峰的兩側伴隨有一系列的側峰，一般稱這些側峰為光柵的邊模。如將光柵應用于一些對邊模的抑制比要求較高的器件如密集波分復用器，這些側峰的存在是一個不良的因素，它嚴重影響器件的信道隔離度。為減小光柵邊模，人們提出了一種行之有效的辦法一切趾所謂切趾，就是用一些特定的

12、函數(shù)對光纖光柵的折射率調(diào)制幅度進行調(diào)制。經(jīng)切趾后的光纖光柵稱為切趾光纖光柵，它反射譜中的邊模明顯降低。 2.4 相移光纖光柵 相移光纖光柵是由多段M（M>2）具有不同長度的均勻光纖Bragg光柵以及連接這些光柵的M-1個連接區(qū)域組成.相移光纖光柵因為在其反射譜中存在一透射窗口可直接用作帶通濾波器。 2.5 取樣光纖光柵 取樣光纖光柵也稱超結構光纖光柵，它是由多段具有相同參數(shù)的光纖光柵以相同的間距級聯(lián)成。除了用作梳狀濾波器之外，取樣光纖光柵還可用wdm系統(tǒng)中的分插復用器件。與其他分插復用器件不同的是，取樣光纖光柵構成的分插器件可同時分或插多路信道間隔相同的信號。 2.6 chirped光纖

13、光柵 所謂chirped光纖光柵，是指光纖的纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向逐漸變大(小)形成的一種光纖光柵。在chirped光纖光柵軸向不同位置可反射不同波長的入射光。所以chirped光纖光柵的特點是反射譜寬，在反射帶寬內(nèi)具有漸變的群時延，群時延曲線的斜率即光纖光柵的色散值。所以，可以利用chirped光纖光柵作為色散補償器。3 光纖光柵的制備3.1 成柵光源 光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現(xiàn)在244nm紫外光的錯吸收峰附近，因此除駐波法用488nm可見光外，成柵光源都是紫外光。大部分成柵方法是利用激光束的空間干涉條紋，所以成柵光源的空間相干性特別重要。目前，主要的成柵光

14、源有準分子激光器、窄線寬準分子激光器、倍頻Ar 離子激光器、倍頻染料激光器、倍頻OPO激光器等，根據(jù)實驗結果，窄線寬準分子激光器是目前用來制作光纖光柵最為適宜的光源。它可同時提供193nm和 244nm兩種有效的寫入波長并有很高的單脈沖能量，可在光敏性較弱的光纖上寫人光柵并實現(xiàn)光纖光柵在線制作。 3.2 光纖的光敏性要制作光纖光柵，就是要對光纖進行處理產(chǎn)生折射率變化。通常，我們是利用光纖的光敏性，用UV光照射而產(chǎn)生折射率永久性變化的。要制作光纖光柵，光纖的光敏性將是決定性的因素。高的光敏性將會很容易制作光纖光柵，所以在制作光纖光柵前要對光纖做好預處理增敏。采用適當?shù)墓庠春凸饫w增敏技術，可以在幾

15、乎所有種類的光纖上不同程度的寫入光柵。所謂光纖中的光折變是指激光通過光敏光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應的變化，如這種折射率變化呈現(xiàn)周期性分布，并被保存下來，就成為光纖光柵。 光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關，如照射波長、光纖類型、摻雜水平等。如果不進行其它處理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為（10的負4次方）數(shù)量級便已經(jīng)飽和，為了滿足高速通信的需要，提高光纖光敏性日益重要，目前光纖增敏方法主要有以下幾種： 1） 摻入光敏性雜質(zhì)，如：鍺、錫、棚等。 2） 多種摻雜（主要是B/Ge共接）。 3）高壓低溫氫氣擴散處理。 4）劇火。 光纖完成了增敏處理過程就可以對光纖進行寫入折

16、射率的不同分布，進而形成不同的光纖光纖光柵。現(xiàn)在對光纖光柵的寫入方法發(fā)展了很多種，本文就現(xiàn)在主要的幾種方法介紹一下光纖光柵的制作。3.3 成柵方法（1）內(nèi)部寫入法 內(nèi)部寫入法又稱駐波法。將波長488nm的基模氛離子激光從一個端面耦合到錯摻雜光纖中，經(jīng)過光纖另一端面反射鏡的反射，使光纖中的入射和反射激光相干涉形成駐波。由于纖芯材料具有光敏性，其折射率發(fā)生相應的周期變化，于是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵，它起到了Bragg反射器的作用。已測得其反射率可達90%以上，反射帶寬小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于實驗要求在特制鍺摻雜光纖中進行，要求鍺含量很高，芯徑很小，并且上述方法只能夠

17、制作布拉格波長與寫入波長相同的光纖光柵，因此，這種光柵幾乎無法獲得任何有價值的應用，現(xiàn)在很少被采用。用準分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了橫向側面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在接錯光纖的側面相干，形成干涉圖，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由 =uv/（2sin）給出。可見，通過改變?nèi)松涔獠ㄩL或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數(shù)，獲得適宜的光纖光柵。但是要得到高反射率的光柵，則對所用光源及周圍環(huán)境有較高的要求。這種光柵制造方法采用多脈沖曝光技術，光柵性質(zhì)可以精確控制，但是容易受機械震動或溫度漂移的影響，并且不易制作具有復雜截面的光纖光柵，目前這種方法使用不多。 (

18、2) 相位掩膜法 相位掩膜法實際上就是利用相位掩膜模板（衍射光學模板1 ），使得紫外光在掩膜板上形成衍射條紋，從而影響光纖中折射率的變化。如圖1，衍射模板緊貼在光纖光柵上，用UV光照射掩膜板，實現(xiàn)對光纖光柵的寫入。掩膜板可以在光纖表面移動，所以這樣可以形成長的光纖光柵。圖1 相位掩膜法 將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置于探光纖上，相位掩膜具有壓制零級，增強一級衍射的功能。紫外光經(jīng)過掩膜相位調(diào)制后衍射到光纖上形成干涉條紋，寫入周期為掩膜周期一半的Bragg光柵。這種成柵方法不依賴于人射光波長，只與相位光柵的周期有關，因此，對光源的相干性要求不高，簡化了光纖光柵的制造系統(tǒng)。由于掩膜板的原因，我們對入

19、射光的角度的變化也不會引起光纖寫入光柵的變化，儀器的機械變化也不會影響到制作，所以這種方法制作光纖對外部的變化穩(wěn)定性較強，這樣使得生產(chǎn)工藝簡單易行。這種方法的缺點是制作掩膜復雜。并且每一個掩膜板只能制作同種類型的光柵，要制作不同的周期的光柵就需要制作不同的掩膜板，這樣使得制作成本提高，不利于實際生產(chǎn)。用低相干光源和相位掩膜版來制作光纖光柵的這種方法非常重要，并且相位掩膜與掃描曝光技術相結合還可以實現(xiàn)光柵耦合截面的控制，來制作特殊結構的光柵。該方法大大簡化了光纖光柵的制作過程，是目前寫入光柵極有前途的一種方法。應用這種方法制作光柵，在1993年就已經(jīng)制作出了長5mm，反射率達到94% 的光柵2。

20、同年利用這種技術制作出了多個周期的光柵，它的長度可以達到5cm，后來通過技術的改進，制作出了長達1m 的光纖光柵3。（3） 逐點寫入法 逐點寫入法是利用精密機構控制光纖運動位移，每隔一個周期曝光一次，通過控制光纖移動速度可寫入任意周期的光柵。這種方法在原理上具有最大的靈活性，對光柵的耦合截面可以任意進行設計制作。如圖22是逐點寫入的簡單示意圖。原則上，利用此方法可以制作出任意長度的光柵，也可以制作出極短的高反射率光纖光柵，但是寫人光束必須聚焦到很密集的一點，因此這一技術主要適用于長周期光柵的寫入。它的缺點是需要復雜的聚焦光學系統(tǒng)和精確的位移移動技術，通常我們難以控制光纖的移動，它是一個機械過程

21、，機械過程的一個很大的弊端就是精確度很難把握，這樣極容易引起制作出的光柵質(zhì)量問題。目前，由于各種精密移動平臺的研制，這種長周期光纖光柵寫入方法正在越來越多的被采用。圖2 逐點寫入法（4）熱激成柵法熱激成柵法專門用于寫人長周期光纖光柵（LPG）。2002年Kakarantzas G等人利用CO2激光在純硅纖芯的PCF上熱激蝕刻實現(xiàn)了LPG的寫制4，它是利用C02激光在純石英纖芯的PCF上熱激蝕刻，或采用電弧加熱的方法，使PCF包層的空氣孔受熱坍塌，破壞其周期性結構而獲得LPG。這種方法具有周期可調(diào)，靈活性高等優(yōu)點，可以在純石英的纖芯上進行寫入，彌補了紫外曝光技術需要纖芯摻雜的不足，簡化了PCF的

22、生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，但受裝置及光斑大小的限制，只能用于寫入LPG。4 光子晶體光纖光柵的理論分析光子晶體光纖光柵是在光子晶體光纖中寫入光纖光柵。由于光子晶體光纖獨特的無截止單模特性，低的空氣孔損耗和可控的色散等特點使得光子晶體光纖光柵和普通光纖光柵相比在一些方面更加的優(yōu)秀。我們知道光纖光柵是通過紫外光對光纖芯層作用使得光纖芯層的折射率分布滿足一定的要求，而光子晶體光纖分為芯層為固體硅材料的和芯層為空氣孔洞，即折射率引導和光子帶隙兩種光子晶體光纖，所以光子晶體光纖光柵一定是在折射率引導型光子晶體光纖中寫入的光纖光柵。光子晶體光纖光柵橫截面圖如下圖所示：圖3 光子晶體光纖光柵橫截面圖我們知道

23、光子晶體光纖包層孔洞的排列決定了光纖中的傳輸模的模式，而光纖光柵中通過耦合模式方程，知道纖芯層的折射率分布可以求解出光纖光柵中耦合模式和傳輸特性，所以在求解光子晶體光纖光柵的中的傳輸特性時，我們要求知道光纖包層的折射率分布和光纖芯層的折射率分布。芯層的折射率分布直接可以根據(jù)光纖光柵而已知，所以要求解光子晶體光纖的傳輸，必須求解包層的折射率。下面本部分就用光子晶體長周期光纖光柵來分析。利用典型的光子晶體光纖空氣孔正六邊形的排布中寫入的長周期光纖光柵。長周期光纖光柵的芯層折射率分布為，類似與布拉格光纖光柵，不過它的光柵周期非常長，它的耦合條件是20 或者，其中下標co和cl分別代表芯層和包層。那么

24、現(xiàn)在只要知道包層的折射率就可以分析出這種光子晶體光纖光柵的傳輸特性了。我們現(xiàn)在采取的是利用等效折射率來求解正六邊形空氣孔排列光子晶體光纖的包層的等效折射率。光子晶體包層等效折射率：等效折射率是指將單個六邊形空氣孔光纖等效為傳統(tǒng)的圓行光纖，如圖4-3等效過程要求的是正六邊形的面積Ssix 正好等于圓的面積Sring，所以可以通過得到,即。再對等效的模型利用電磁場傳播的標量近似理論5，得到在極坐標中，光纖中傳輸模式滿足： （4-1） 圖4 等效過程求解這個方程，可以得到解： （4-2） （4-3）其中，,nr,nR表示對應層的折射率，可以得到（4-4）根據(jù)邊界連續(xù)可以得到，即：（4-5）由，當 時

25、，再次利用邊界連續(xù)條件和，可以得到：（4-6）根據(jù)（4-5）和（4-6），得到，所以包層的有效折射率6為：（4-7）包層的等效折射率求解出來了，我們可以看到，這個折射率是近似的結果，并不是確切值，不過它對于應用來說已經(jīng)可以解決大多數(shù)的問題了。我們將等效折射率帶入到長周期光子晶體光纖光柵耦合模式條件 中，可以得到光子晶體長周期光纖光柵的透射峰在，。5 光子晶體光纖光柵的應用PCFG的多種優(yōu)異特性使得其具有很廣泛的應用領域：某些PCFG對外部折射率變化保持光譜的穩(wěn)定性，這在需要對環(huán)境(如濕度等)變化條件下穩(wěn)定工作具有優(yōu)勢；傳統(tǒng)光纖光柵對應力、溫度都具敏感性，這種交叉敏感效應給應力的測量帶來了誤差，

26、利用某些PCFG對溫度不敏感的特性，可以消除溫度、應力交叉敏感效應，獲得精確的物理量測量值；對于包層具有大空氣孔結構的PCFG，可以在空氣孔內(nèi)充入對溫度或電磁敏感的材料，從而實現(xiàn)大范圍的波長調(diào)諧，基于這種PCFG制成的性能優(yōu)越的調(diào)諧光電器件和光衰減器等光通信器件，可用于高速率、大容量的DWDM領域。PCFG還可以應用在生物化學的傳感領域。長周期光子晶體光纖光柵生物和折射率傳感器主要應用了隱失波的靈敏性。由于在PCF中這種隱失波特性將更加明顯，由于在長周期光子晶體光纖光柵中，可將待測樣品直接注入到PCF的空氣孔中，這時就會和探測電磁場產(chǎn)生一種強的相互作用7。選用大模場面積的PCF并通過CO2熱激

27、成柵法制成長周期光子晶體光纖光柵8，既可以在PCF的空氣孔里注入氣體或液體，實現(xiàn)高精度折射率的測量，或在PCF的空氣孔外涂覆生物分子和化學分子薄膜，實現(xiàn)涂覆層薄膜厚度的測量。這種長周期光子晶體光纖光柵可作為生物分子傳感器用于生物芯片產(chǎn)品，如微流體芯片中。另外，隨制作工藝的進一步提高以及人們對PCFG不斷深人的研究，一些特性將被逐漸挖掘出來，如將PCF制做的相移光纖光柵、啁啾光纖光柵等。PCFG將隨著PCF一起，必會在光脈沖壓縮、光通信器件、光纖傳感、光信息存儲、通信領域等獲得更加廣泛的應用，填充傳統(tǒng)光纖光柵的空白。6 總結 本文介紹了光纖光柵的類型與制備方法。并將光子晶體光纖光纖光柵結合起來，

28、通過理論計算分析光子晶體光纖光柵的原理。并介紹了光子晶體光纖光柵在諸多方面的應用。 從第一根光子晶體光纖光柵被制作出來到現(xiàn)在時間不是很長，光子晶體光纖光柵還是一種年輕的產(chǎn)品。這種年輕的產(chǎn)品由于它的基礎組成光子晶體和光纖光柵是現(xiàn)在研究的熱門，使得它是一個非常具有潛力的新型產(chǎn)品。對這種產(chǎn)品的研究和制作是現(xiàn)在很多科學家所關注的，理論科學家還在致力于尋找更加好的計算方法，實驗科學家還在努力制造出滿足人們生活中各種需要的光子晶體光纖光柵，相信這門年輕的學科將會快速的發(fā)展壯大。光子晶體光纖光柵到現(xiàn)在為止主要是在實驗室制作出來的，將它投入到社會生產(chǎn)中還需要科學家的繼續(xù)努力，尋找更加符合市場機制的生產(chǎn)方法。隨

29、著PCFG的成功制備及對PCFG認識的加深，各種基于PCFG的光子器件的研制，如各種PCFG激光器、PCFG放大器、PCFG濾波器以及PCFG多維傳感器等，也將隨之興起和發(fā)展。而研制結構新穎、功能優(yōu)異的各種基于PCFG的新型光子器件，結合應用具有“奇異”光學特性的PCF，將給光纖技術的深遠發(fā)展帶來重大突破，為光通信與光傳感的發(fā)展提供新思路、新方法及新技術，并為設計、研制基于PCFG的新一代性能優(yōu)異的光子器件開辟廣闊的應用領域。PCFG現(xiàn)在是全球的一個研究熱點，隨著PCF技術的發(fā)展以及在該類光纖內(nèi)寫入光纖光柵技術的日益完善，將會有新的PCFG不斷涌現(xiàn)。PCF與傳統(tǒng)光柵技術的結合，將為光纖光柵領域帶來深刻的變革，將促進并產(chǎn)生全新的性能優(yōu)異的新一代光纖光子器件，由此導致現(xiàn)代光纖技術的新跨越。參考文獻1 Anderson D Z, Mizrahi V, Erdogan T, et