摘 要

长周期光栅是一种无源光学器件，它利用折射率或几何形状的周期性调制实现特定波长下纤芯模与包层模的耦合，可以作为一种损耗型光纤滤波器，具有较低的一体化插入损耗、不存在后向散射等优势，在光纤通信和光纤传感领域得到了广泛的应用。本课题研究利用电弧放电的方法制备长周期光纤光栅的技术，该方法的制备设备仅需一台普通单模光纤熔接机和电动位移台，制作过程简单、成本低，光栅稳定性好。对于不同类型的光纤、不同折射率调制目的，可以通过控制光纤熔接机设置不同的放电电流参数来实现。本文主要内容如下：

（1）介绍本课题的研究背景，电弧放电法制备长周期光栅的国内外研究现状，简要介绍本文的主要结构。

（2）简单介绍光纤的结构和工作原理，并基于长周期光纤光栅的传感理论研究和耦合模理论，对LPFG的传感原理进行分析。

（3）结合上述理论模型，利用电弧放电法实验室制备不同参数的长周期光纤光栅，分析不同光栅周期对其光谱的影响。

（4）研究电弧放电法制作的长周期光纤光栅对外界参量的响应，如温度、轴向应力、折射率。对比得到的光谱图和灵敏度图，找寻规律，得出结论。

关键词：长周期光纤光栅；耦合模理论；电弧放电法；长周期光纤光栅特性

Abstract

Long period grating is a passive optical device. It uses periodic modulation of refractive index or geometric shape to realize coupling of core mode and cladding mode at a specific wavelength. It can be used as a lossy optical fiber filter with low integrated insertion loss and no back scattering. It has been widely used in the field of optical fiber communication and optical fiber sensing. This subject studies the technology of preparing long-period fiber grating by arc discharge. The preparation equipment of this method only needs a common single-mode fiber fusion splicer and an electric displacement table. The fabrication process is simple, the cost is low, and the grating stability is good. For different types of optical fibers and different refractive index modulation purposes, different discharge current parameters can be set by controlling the optical fiber fusion splicer. The main contents of this paper are as follows:

(1) Introduce the research background of this topic, the research status of long period grating fabricated by arc discharge at home and abroad, and briefly introduce the main structure of this paper.

(2) The structure and working principle of optical fiber are briefly introduced, and the sensing principle of LPFG is analyzed based on the sensing theory research and coupling mode theory of long-period fiber grating.

(3) Combined with the above theoretical model, long-period fiber gratings with different parameters are prepared by arc discharge method in laboratory, and the influence of different grating periods on their spectra is analyzed.

(4) The response of long-period fiber grating fabricated by arc discharge method to external parameters, such as temperature, axial stress and refractive index, is studied. Comparing the spectra and sensitivity maps, finding the rules and drawing the conclusion.

Keywords：Long period fiber grating;Coupling mode theory;Arc discharge method; Characteristics of Long Period Fiber Grating

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 长周期光纤光栅发展历程 1

1.3 课题的研究内容 3

第2章 长周期光纤光栅的传感理论研究 4

2.1 光纤简介 4

2.2 长周期光纤光栅的基本理论 5

2.3 LPFG传感原理 5

2.3.1 对温度传感特性响应 6

2.3.2 对折射率传感特性响应 6

2.3.3 对轴向应力的传感特性响应 7

第3章 电弧放电法制备LPFG 8

3.1 实验原理及装置 9

3.1.1 光纤熔接机 9

3.1.2 光纤切割刀 9

3.1.3 步进电机及控制器 9

3.1.4 光源 10

3.1.5 光谱仪 10

3.2 制作过程 10

3.3 不同周期的LPFG 11

3.4 本章小结 13

第4章 电弧放电法制备LPFG的传感特性研究 14

4.1 折射率响应特性 14

4.2 应力响应特性 16

4.3 温度响应特性 17

4.4 本章小结 19

第5章 总结与展望 20

5.1 总结 20

5.2 展望 20

参考文献 22

致谢 25

绪论

研究背景及意义

二十一世纪的人类社会，步入了空前的信息爆炸时代。网络在人们生活中起到了至关重要的作用，将人们收发信息的方式从电话传真推动到了数据图像、视频动画及音频。人们使用的信息传输方式也从座机、传真、图片发展到了高清图像、3D立体图像和模拟现实的手段。目前IP业务量每半年就会翻一番，这种业务对于网络带宽的需求量巨大，同时对传输的速度和质量要求很高。因此为了提供给这些业务足够的发展基础，光纤通信的发展已经成为研究热点。在此前提的推动下，光纤通信的正在高速发展。二十世纪后半叶以来，光纤传输信号具有损耗低、带宽高的优势，已经成为了信息社会不可替代的最佳传输媒介，光纤技术以其安全、高速、方便等优点而迅速发展，成为信息传输技术发展的主流方向，被广泛应用于各领域，影响并推动人类社会的不断发展。

以光纤通信和光纤传感技术为代表的光学技术和传感技术，在从二十世纪后半叶到最近的几年这一段时间里不断取得优异的科研成果，为人类社会进步做出了巨大贡献。光纤光栅技术的出现在光纤通信领域至关重要，它启发了人们去研究、设计和制作更多更新颖的传感器件。

通常LPFG的光栅周期为几十至几百微米。它是一种一体式体积小巧的无源器件，这种器件的出现使得光纤应用范围由简单的传输介质开始扩展为独立的光子器件，拓宽了光纤技术的研究应用。

长周期光纤光栅发展历程

科学技术突飞猛进的发展，总能推动人类社会的进步。在最近的几年里，光纤通信和光纤传感受到社会各界的热切关注和不断钻研，成为了现代科技不可或缺的一部分。它不仅仅是光学行业的基石，也为光学行业的自我发展和更新换代中起到了重要的作用，这其中不乏长周期光纤光栅的身影。

1978年，加拿大通信领域的Hill等专家学者^【1】用488nm的氩离子激光器，通过驻波法在掺杂了锗的光纤上刻写了世界上第一根光纤光栅。从此，这种对光纤内部折射率进行周期性调制的光纤元件诞生于世，它以其特殊的光学特点被世人所认知，并且不断的对其进行理论和应用上的研究。在那时，光纤光栅主要是周期较短的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG），也就是短周期光纤光栅。这种短周期光纤光栅在传输过程中会发生向前传输的纤芯模与向后传输的纤芯模互相耦合，最终表现出带宽非常窄的带阻滤波作用^【2】。FBG由于它优秀的带阻滤波器作用，在光学行业内大受青睐，表现出极高的应用价值，例如光纤激光器、波分复用系统等。此外，由于它的制备原理和特殊的内部结构，使得它对于外界参量变化的响应十分灵敏，所以在传感行业也得到了极大的重视和研究，表现出了作为传感器的优秀应用价值。

伴随着社会各界学者们对光纤光栅的深入研究，长周期光纤光栅（Long-Period Fiber Grating,LPFG）诞生了。自从1995年，美国ATamp;T贝尔实验室提出长周期光纤光栅及其相关的技术后，LPFG引起了人们的广泛关注，并迅速在光纤传感领域成为了研究的热点。1996年A.M.Vengsarkar等人借鉴光纤布拉格光栅的刻写方法，用紫外线透过振幅掩模板照射载氢的锗盐酸光纤，使其在特定位置发生形变，产生周期性的折射率变化，首次在单模光纤（single mode fiber， SMF）中写入了真正意义的长周期光纤光栅，并利用长周期光纤光栅实现了带阻滤波、掺铒光纤放大器（EDFA）的平坦增益和外界扰动（应力、温度、折射率等）传感。LPFG周期范围是几十微米到一毫米，其性能与FBG不同，也得到了了全世界学者们的关注和研究。长周期光纤光栅的耦合模式存在于同向传输的纤芯模和包层模，某些波长的光会被耦合到包层模中被损耗掉，但是因为长周期光纤光栅具有很宽的带阻，且没有背向反射，因此具有作为透射性带阻滤波器的优秀潜力。同时，LPFG与FBG具有对外界环境参量变化敏感的共同点，所以也被设想用于测量温度、折射率、应力等参量，并且发挥了良好的作用。与此同时，AshishiM.Vengsarkar与Vikram Bhatia根据长周期光纤光栅的光谱，提出了它在光纤传感和传输中的应用可能，使得LPFG更加称为社会各界的关注热点。在1997年，Turan-Erdogan先后发表了多篇文献使用耦合模理论详细分析并研究了LPFG中的纤芯基模、包层模及辐射模之间的模式耦合特性，给出了长周期光纤光栅比较完整的耦合模式理论和分析方法。这些理论分析结果为后来 LPFG 理论研究的发展奠定了基础。1998年，美国贝尔实验室的D.D.Davis等人提出了用CO₂激光脉冲轴向周期性加热光纤写入长周期光纤光栅的技术，启发了人们开始尝试更多的方法去刻写长周期光纤光栅，各种方法都结合了独有的优势，制作方式更加多样灵活，优化了刻写光栅的过程，也提高了长周期光纤光栅的性能；2001年，中国学者Xuewen Shu等人用计算机控制聚焦的高频CO₂激光脉冲，在普通单模光纤中写入了长周期光纤光栅，这种CO₂激光法能够高效率高质量地刻写长周期光纤光栅，使长周期光纤光栅的制作和应用跨入了一个新的纪元。2004年，Georges Humbert等人在OPTICS LETTEERS上发表了介绍利用电弧放电法制备LPFG的文章。其使用的是空心光子晶体光纤，这种特种光纤具有良好的热稳定性，并且对温度不敏感，因此减少了在对其测量过程中温度变化导致的误差。不仅如此，长周期光纤光栅与特种光纤碰撞出的火花，进一步启发了人们对LPFG应用范围的理解。

近几年来，光纤光栅的刻写制备、理论和实际应用都取得了突飞猛进发展。在光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅的基础上人们已先后研制出了一些具有特殊用途的光栅，比如啁啾光纤光栅、高斯光纤光栅、高斯变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅等^【30】。随着进一步的科研探讨和社会各界的关注，光纤光栅在通信、传感等领域一定会大放异彩。

课题的研究内容

本文的题目是基于电弧放电法的长周期光栅的制作及特性研究。首先在实验室制备不同周期的LPFG（本文选择的周期是550μm、560μm、570μm），在此基础上对实验室制备的LPFG进行折射率、轴向应力和温度的参量特性响应测量，得出三种周期LPFG的参数响应特性曲线。本文的主要结构如下：

第1章为绪论，主要介绍了本课题的研究背景、意义和长周期光纤光栅的发展历程。

第2章主要介绍了光纤、LPFG的传感原理。

第3章结合上述理论模型，利用电弧放电法实验室制备不同周期的长周期光纤光栅，分析不同光栅周期对其光谱的影响。

第4章基于前面的理论和设计，研究电弧放电法制作的长周期光纤光栅对外界参量的响应，如温度、应力、折射率等。

第5章总结已完成的主要工作、成果以及不足，并对后期的工作做进一步展望。

长周期光纤光栅的传感理论研究

光纤及周期光栅简介

光导纤维（Optical fiber）又称光纤，其外表是半透明的玻璃丝，粗细如人的头发。它是一种介质波导，光在其中发生全反射，其能量因为全反射的缘故，不会耗散到光纤外，光被引导着沿光纤的轴向传输。通常市面上的光纤是由玻璃或者聚合物材料制作的，不同材料、不同结构的光纤在传输光信号上有很大的区别。光纤横截面可以看做是两个同心圆，里面的同心圆称作为纤芯，外面的同心圆称为包层。纤芯的折射率都比包层的折射率要高，使用光纤在传播光信号时，输入的光需要满足一定的条件，才在光纤内发生全反射，从而被限制在光纤内沿轴线向前传播。市面上常见的光纤生产制造时会在最外层涂加包覆，也就是横截面中第三个、最外面的同心圆，被称为涂覆层。它可以保护光纤，减少光纤被外界污染或者发生物理损坏的可能性。

光信号在光纤内传播时，它的电磁场是间断的，这种间断的场解称为光的传播模式。光纤中的光信号传播模式满足亥姆霍兹方程。如上文所述，光信号想要尽可能地减少耗散，在光纤中发生全反射，对其入射角和偏振状态有一定条件的要求。从光信号传输模式的数量上分类，光纤可以分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的直径较小，通常是2-12μm，并且只能传输一种模式的光；而多模光纤则可以传输多种模式，其直径也较大，通常是50-500μm。本次实验选用的是单模光纤。

从光纤折射率的分布上分类，可以将光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。阶跃折射率光纤的纤芯和包层折射率不同，在二者交界处折射率发生阶跃；而渐变折射率光纤的包层折射率是以一种特定的函数来分布的。

光纤光栅是直接在光纤内部形成的一种全光器件，其原理是通过一定的方法（本次实验选用电弧放电法），沿光纤轴向写入周期性变化的折射率调制。光在光纤中传输时通过光栅，在这里满足特定波长的光会发生反射或透射，形成了一个窄带的滤波器或者反射镜，具有很多独特的性质。迄今为止，已经诞生了两种类型的光纤光栅，即光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。FBG和LPFG的主要区别是光栅周期的长度。FBG的光栅周期小于100微米，而LPFG的周期为几百微米。就工作原理而言，FBG将前向传播的纤芯模式耦合到后向传播的纤芯模式，而LPFG将前向传播的纤芯模式耦合到几个沿相同方向共同传播的包层模式。

长周期光纤光栅（Long period fiber Grating，LPFG）是这几年来新出现的一种光栅元件。以前的短周期光栅，如光纤布拉格光栅，具有波长选择性反射的特点，而长周期光栅具有波长选择透射性的特点，这个特点可以应用于带阻滤波器件。此外，长周期光纤光栅还有不受偏振影响、兼容于光纤、无后向反射、插入损耗小等优点。长周期光纤光栅属于一种光纤无源器件。其主要原理是利用纤芯区的光敏性，在光纤上的纤芯区形成一种空间上的周期性的结构，即对光纤纤芯的折射率进行周期性调制，使得光在光纤中的这一区域的传播路径或者传播方式进行调制或者改变。

长周期光纤光栅的基本理论

自从上世纪九十年代人们开始研究长周期光纤光栅以来，长周期光纤光栅的传输理论已经比较完整，其中具有代表性的有：多层介质膜理论，传输矩阵理论和耦合模理论。其中耦合模理论被使用的最为广泛，它也是在分析长周期光纤光栅模场分布和光传播特性中使用的基本方法。对于一般的长周期光纤光栅，仅用耦合模理论分析即可。

一般的单模光纤其纤芯直径为几微米，包层约为125微米。其结构为内外三层的圆柱形介质：内层称为纤芯层，中间层为包层，最外层称为涂覆层。在理论计算时，考虑到包层模，往往将光纤按照内中外简化为三层波导模型。三层波导模型是指将纤芯、包层及外界环境三者组成的波导结构看为一体（它们三者在光传输过程中会发生相互的响应），在此基础上计算纤芯、包层模式有效折射率。在单模光纤中，正负20μm以内的空间是纤芯基模的模场能量主要存在区域，而62.5μm以外的外界环境对其影响极小，因而只研究纤芯基模时，可以将单模光纤简化为包层无穷大的两层波导模型，不需要考虑外界环境的影响，就可以求得比较精确的值。

当光信号通过光纤传输时，会出现许多的传输模式，每个模式都有一个电磁场解，并且这些解是相互离散的。这是由于光纤的每一个层都有明显的分界线，这其中的边界条件存在限制，会导致电磁场解出现断续性。而光纤光栅，无论光纤布拉格光栅还是长周期光纤光栅，其传输模式都是在芯层导模，包层模和辐射模三者相互耦合的作用结果下形成。为了更加正确地理解光纤内部模场分布的规律，并且深层次地分析光纤外部参数对其内部光场的影响，我们可以通过对光纤的三层模理论进行分析，去了解各个参数对于光纤的影响。我们可以从亥姆霍兹方程的角度求解光纤包层模的特征方程，再通过耦合模理论，推演出长周期光栅的传感原理，进而求解光纤的芯层导模和包层模的有效折射率。

LPFG传感原理

外界温度、轴向应力和折射率等因素的变化会引起光纤光栅周期和有效折射率的变化, 从而使得光纤光栅中心波长发生漂移。根据这一特性,我们可以把将外界环境的变化与光纤光栅中心波长漂移量构造一个函数关系，然后通过检测波长漂移量，即可获得温度、折射率、轴向应力的变化量，实现LPFG对外界参数变化的传感。

根据LPFG的相位匹配条件，可以定性地解释光谱特性的来源如下式：

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