新型長周期光纖光柵的設計與研制進展?

張偉剛 張嚴昕 耿鵬程 王標 李曉蘭 王松 嚴鐵毅

1)(南開大學現代光學研究所,光學信息技術教育部重點實驗室,天津 300350)

2)(天津理工大學材料科學與工程學院,天津 300384)

3)(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220)

4)(天津理工大學理學院,天津 300384)

1 引 言

1.1 光纖光柵

光纖光柵( fiber grating,FG)是以光導纖維為基質的光柵.FG是利用材料特性(如光纖光敏性等)以及加工技術(如激光刻制、化學腐蝕、機械壓制、特殊加工等)建立在光纖上的一種空間結構類似衍射光柵的無源光子器件,其特征為在光纖上形成折射率空間周期性調制分布,其作用在于改變或控制光波在該區域的傳輸行為和方式[1].對FG的深入研究及其廣泛應用,深刻地影響著光纖器件的設計及研制,并極大地提升了光纖通信、光纖傳感等系統的功能,使得長距離低損耗傳輸、多參量分布式傳感以及網絡實時動態調控成為可能,有效地拓寬了光纖技術的應用范圍.

1.2 長周期光纖光柵

1.2.1 基本概念

長周期光纖光柵(long-period fiber grating,LPFG)是FG家族中的一個重要成員,其柵格周期一般為幾十到幾百微米,是一種透射型FG.LPFG并非將某個波長的光波進行反射,而是耦合到包層加以損耗,具有插入損耗低、帶寬較寬、易制作、可集成等特點,是一種優異的波長選擇器和損耗器件,可用于光纖放大器( fiber ampli fier,FA)增益平坦和光纖系統的傳感測量等[2,3].

1.2.2 特征參數

柵格周期的長短、折射率調制深度和柵面法線取向是影響LPFG光學性質的三個重要特征參數.根據這三個特征參數的不同變化,LPFG可分為均勻型LPFG(uniform long-period fiber grating,U-LPFG)和非均勻型LPFG(nonuniform long-period fiber grating,NU-LPFG)[4].U-LPFG是指柵格周期沿光纖軸向均勻、折射率調制深度為常數且柵面法線取向不變(三者無一發生改變)的一類LPFG,如常規LPFG(general longperiod fiber grating,GLPFG)、傾斜LPFG(titled long-period fiber grating,TLPFG)以及柵格周期達毫米級的超長LPFG(ultra long-period fiber grating,ULPFG)[5,6];而NU-LPFG則是指上述三個特征參數至少有其一發生改變的一類LPFG,如啁啾LPFG(chirp long-period fiber grating,CLPFG)、螺旋LPFG(helix longperiod fiber grating,HLPFG)、相移LPFG(phaseshifted long-period fiber grating,PS-LPFG)、扇形LPFG(sector-shaped long-period fiber grating,SLPFG)[7?10]等.

1.2.3 成就與不足

自從1995年Vengsarkar等[11]利用紫外曝光法成功寫制出LPFG以來,科研工作者們在LPFG的模型構建、理論分析、結構設計、技術實現、應用探索等方面,已經取得了諸多令人贊嘆的成就[12?16].其中,具有代表性的工作包括1998年Davis等的CO2激光逐點寫制技術[17]、2001年Lin等的周期性機械壓制技術[18]、2006年Miao等聲致成柵技術[19]、2007年Bock等的電弧放電技術[20]、2013年Cui等的非對稱成柵技術[21]以及2015年Zhou的扇形光柵寫制技術[22]等.

相對而言,U-LPFG的發展較為成熟,應用也較為廣泛(如GLPFG,TLPFG,ULPFG等).然而,LPFG亦存在一些固有缺陷(如尺寸較大、無反射峰、帶寬較寬、單面曝光偏振相關損耗較高等),使得這類光柵的潛力尚未充分發揮,其工程應用亦受到限制.

1.3 新型長周期光纖光柵

1.3.1 NLPFG的定義

近些年來,隨著光纖拉制技術的成熟和激光微加工技術的快速發展,以GLPFG為基礎,在結構設計及性能探索方面不斷創新,許多具有新穎結構和優異性能的LPFG不斷出現,極大地豐富了FG的研究范疇,進一步拓展了其應用領域[23].LPFG屬于可變參量較多的帶阻型光纖濾波器,并因其易受外界影響而具有多參數傳感的價值.對此,需根據LPFG的結構和光譜特性揚長避短,探索新方法并開發新技術,研制能夠滿足工程應用需求的新型LPFG(novel long-period fiber grating,NLPFG).

目前,有關NLPFG尚無明確定義.我們根據LPFG研究現狀,按照“結構決定性質、性質決定應用”的科研思路,將NLPFG定義為:在GLPFG的基礎上,從成柵機理、柵格結構、制作材料、加工技術、應用性能等方面,通過注入新的因素而實現的具有新結構和新特性的LPFG[24].

1.3.2 NLPFG研究的意義

研究NLPFG的意義在于:克服上述LPFG在結構、性能及應用方面的不足,改善并挖掘其真正可用之特性并實用化.研究方法是通過對柵格周期長短、折射率調制深度和柵面法線取向三個特征參量的合理設計和調配,研制出結構新穎、性能優異并可工程化應用的NLPFG器件[25].同時,NLPFG的折射率調制不局限于單一維度,傳輸損耗亦有所降低,其豐富的空間結構和靈巧的實現方式,為調控光波傳輸、耦合、變換及應用于光纖通信和光纖傳感系統提供了廣闊的創新空間和功能的實現可能[26].

2 長周期光纖光柵寫制新技術

目前,LPFG寫制技術可分為三類,即全息相干技術(holographic coherent technology,HCT)、掩模寫制技術(mask writing technology,MWT)和逐點寫制技術(per point writing technology,PPWT)[27].其中,HCT只適用于在光敏光纖上成柵,MWT因每塊掩模板的周期固定而缺乏靈活性.與前二者相比,PPWT則因無需掩模板和光纖增敏而具有較強的適應性,特別是其應用的飛秒激光、二氧化碳(CO2)激光技術近年來不斷進步和成熟,使其廣受歡迎.

探索并開發LPFG寫制新技術,目的在于制作結構豐富、類型多樣、性能優異、應用所需的NLPFG.為此,可將現有的成柵技術進行組合并改進,通過衍生、交叉、組合而加以實現.同時,光源性質、寫制裝置以及光纖材料等因素,也會對NLPFG寫制產生重要影響.以下是經我們歸納、提煉且具有鮮明特色的LPFG寫制新技術.

2.1 多次曝光技術

多次曝光技術是指對光纖寫制區域進行多次曝光,以實現特殊需求的光柵制作技術.該技術一般以二次曝光為主,適用于制作均勻及非均勻的NLPFG.圖1為多次曝光技術原理圖.其中,圖1(a)為掩模板二次掃描裝置[28],可調控掃描速度并實現均勻與非均勻曝光,并對LPFG透射光譜整形;圖1(b)為采用±180°雙面曝光[29]以及互為120°三面激光曝光成柵的示意圖[30,31],這種技術有效地降低了偏振相關損耗,可適應對偏振敏感的光纖通信和傳感系統應用要求.

圖1 多次曝光技術原理圖 (a)掩模板二次掃描裝置;(b)雙面及三面激光曝光Fig.1. Principle ofmulti-exposure technique:(a)Mask twice scanning device;(b)double and triple surface laser exposure.

2.2 變跡曝光技術

變跡曝光技術是指通過控制激光的輸出功率以及曝光區域(纖芯或包層)的掃描方式,實現對寫制區域折射率分布的包絡改變技術.該技術適用于制作非均勻的NLPFG,但曝光光束的輸出功率及掃描速率需精確調控.圖2為變跡曝光技術原理圖,其中,圖2(a)為相位掩模直線變跡曝光裝置[32],采用控制激光輸出功率、相位模板變速掃描、點-點掃描等方法,可以實現LPFG纖芯或包層折射率分布的調控;圖2(b)為CO2激光非對稱雙側變跡曝光示意圖[33],采用這種技術可以對光柵的光譜進行調整與控制,從而獲得具有特殊通信或傳感性能的NLPFG.

2.3 外場作用技術

圖2 變跡曝光技術原理圖 (a)相位掩模直線變跡曝光裝置;(b)非對稱雙側變跡曝光Fig.2. Principleofapodized exposuretechnique:(a)Phase mask linear apodized exposure device;(b)asymmetrical bilateral apodized exposure.

圖3 外場作用技術原理圖 (a)磁場作用形成光纖微彎;(b)彎曲光纖與相位掩模板幾何關系Fig.3.Principle of out field action technique:(a)Magnetic field action leads to fiber micro bending;(b)geometrical relationship between curved fiber and phase mask.

外場作用技術是指在光纖曝光的同時對其施加外場作用(如應力致拉伸或壓縮、壓力致形變或彎曲、力矩致扭曲或纏繞、溫度致膨脹或收縮等),實現對纖芯或包層折射率分布的周期性調控技術.該技術適用于各種類型的光纖(如單模光纖、多模光纖、錐形光纖、微結構光纖等),可用于寫制雙波長、多波長均勻光纖光柵以及啁啾型、螺旋型等非均勻光纖光柵,但外場的施加方式與強弱分布需精確調控.圖3為外場作用技術原理圖,其中,圖3(a)為Sakata等[34]利用磁鐵對光纖周期性微彎形成LPFG;圖3(b)為彎曲光纖與相位掩模板的幾何關系[35].通過彎曲或扭轉光纖產生軸向或扭轉應變,利用掩模板或者高頻脈沖激光逐點掃描光纖,可實現具有特殊性能的NLPFG寫制[36].

2.4 涂覆填充技術

涂覆填充技術是指采用金屬或者特殊介質對光纖的表面或內部進行周期性的涂覆或者填充處理,對纖芯或包層折射率分布進行靈活控制而形成光柵的技術.對于涂覆材料以及填充介質的選擇,則需根據FG的結構和性質來決定.圖4為涂敷填充技術原理圖,其中,圖4(a)為Luís等[37]制作的表面金屬鍍膜LPFG,它可以有效調控光柵的諧振波長及耦合特性;圖4(b)為Lee等[38]在空芯光纖填充單體聚合物NOA65,通過高壓泵將紫外敏感材料注入空芯光纖,再利用掩模板對其紫進行外曝光形成的LPFG.

圖4 涂敷填充技術原理圖 (a)LPFG表面金屬鍍膜;(b)空芯光纖填充介質曝光成柵Fig.4. Principle of coating and filling technique:(a)Metal coating of LPFG surface;(b)exposure in medium filled hollow core fiber to form LPFG.

2.5 腐蝕拉伸技術

腐蝕拉伸技術是指采用化學腐蝕的方法對光纖進行處理,使其產生具有周期性的凹陷或形變,從而改變光纖的折射率分布并在應力作用下形成光柵的技術.通過控制光纖腐蝕時間和區域,以及對光纖軸向施加不同的應力作用,可以調控LPFG的結構、機械強度和敏感特性.圖5為Cui等[21]利用該技術寫制的波狀LPFG原理及LPFG顯微圖.其中,利用CO2激光或者飛秒激光對光纖涂覆層橫向掃描,刻制出間距相等僅至包層表面的劃痕;將光纖劃痕部分浸入腐蝕溶液(如HF等)形成較平滑的周期性微錐區域,對腐蝕后的光纖施加軸向應力形成LPFG.

圖5 光刻腐蝕拉伸形成LPFG技術原理及光柵掃描電鏡照片Fig.5.Principle and SEM micrographs of lithography etching strain technique to form LPFG.

2.6 切纖熔接技術

切纖熔接技術是指僅用精密切割方法將光纖進行微米級長度切割后,再利用光纖熔接機精密軸向錯位熔接或者軸向準直過熔焊接,從而形成結構型光柵的技術.該技術操作簡便,成柵效率高,僅有幾個周期的熔接結構即可出現光柵效應,屬于折射率強調制結構.這是一種獨特的光柵制作技術,其優點是不需要激光刻制,目前有錯位型、過熔型兩種制作技術,圖6為Bai等[3,39]利用該技術制作的錯位型、過熔型LPFG制作原理示意圖.

2.7 多維調制技術

多維調制技術是指利用激光技術對光纖的纖芯及包層折射率進行調制,以形成二維或三維空間光柵的技術.這是一種極具發展前途的光柵寫制技術,具有結構調制靈活、性能優化可控等優點.圖7為Zhong等[40],Geng[41]、朱濤[42]及Gao等[43]利用CO2激光寫制空間LPFG原理圖.

圖6 切纖熔接技術制作LPFG技術原理 (a)錯位型LPFG;(b)過熔型LPFGFig.6.Principle of fiber incised and welded technique to form LPFG:(a)Mismatching LPFG;(b)over-melting LPFG.

圖7 多維調制技術制作LPFG技術原理 (a)二維掃描調制結構;(b)雙側交錯寫制結構;(c)旋轉折變調制結構;(d)三維螺線寫制結構Fig.7.Principle of multi-dimensional modulation technique to form LPFG:(a)Two-dimensional scanning modulated structure;(b)double-side stagger written structure;(c)rotary refractive index modulation structure;(d)three-dimensional helix curve written structure.

在上述光柵寫制技術的基礎上,輔以打孔、刻腔、過熔、拉錐、涂覆、填充、腐蝕、封裝等多種技術組合方式,能夠制作諸如嵌套型、并置型、交叉型、級聯型等各類NLPFG.

3 新型長周期光纖光柵設計

3.1 NLPFG模型構建

圖8為我們提出的NLPFG模型示意圖,該模型將成柵范圍由傳統的局限于纖芯區域拓展至纖芯和包層的共同區域.其中,θ為柵面與z的夾角,即波矢K在xOz平面內的投影與光纖z軸的夾角,即傾斜角(0°＜θ＜90°);φ為柵面短軸與y軸的夾角,即方位角(0°＜φ＜90°);折射率調制深度由區域顏色深淺表示.當θ=φ=0°時,模型對應于一維LPFG,即“線型LPFG”;當θ=0°而φ/=0°或θ/=0°而φ=0°時,對應于二維LPFG,即“平面LPFG”;當θ/=0°且φ/=0°時,對應于三維LPFG,即“空間LPFG”.

進一步研究圖8可知,光纖折射率調制效果隨傾斜角θ、方位角φ、柵格周期Λ的不同而改變,使NLPFG呈現對稱或非對稱分布.于是,改變θ,φ,Λ的大小及均勻性,可望設計結構新穎、性能優異的NLPFG,從而能夠靈活控制纖芯中不同波長的光波以不同角度耦合到包層之中.

3.2 NLPFG設計理論

依據上述NLPFG模型,可以建立NLPFG設計理論.首先,根據NLPFG對空間折射率調制的要求,將纖芯折射率調制拓展至包層和纖芯全部區域;其次,探索并建立傾斜角θ和方位角φ與包層模耦合系數的關系式;進而,分析僅由傾斜角θ和方位角φ引起的包層折射率傾斜調制分布對包層模耦合系數的影響;最后,將耦合系數代入耦合模方程,求解耦合模方程并對光柵光譜特性進行分析,實現NLPFG構建.

圖8 NLPFG模型及坐標示意圖 (a)折射率空間調制;(b)坐標示意圖Fig.8.Diagram of NLPFG’s model and coordinates:(a)Refractive index spatial modulation;(b)diagram of coordinates.

NLPFG中纖芯和包層的折射率多維調制分布函數可表示為

式中,Δnco為纖芯所受折射率改變,Δncl為包層所受折射率改變;σco(z′)與σcl(z′)分別對應于纖芯和包層折射率調制的慢變包絡,z′表示沿柵面波矢方向建立的新坐標系,z′=z/(cosθsinφ).

考慮到激光單側曝光及傾斜折射率調制特點,NLPFG中纖芯基模、包層模式的自耦合系數及二者交叉耦合系數可分別表示為

式中,Δnco為纖芯所受折射率擾動,ω為光波的圓頻率,ε0為真空中的介電常數,0—π為角向積分區間,a1—a2為徑向積分區間.

3.3 NLPFG設計流程

對于NLPFG的結構設計,可采用正向設計與反向設計相結合的方法進行,主要步驟和流程如下所述.

3.3.1 NLPFG正向設計

正向設計的要點是:根據上述建立的NLPFG模型及設計理論,從給定的參數出發,設計具有纖芯和包層折射率多維調制結構的光柵;根據光柵功能需要并基于纖芯和包層折射率調制的差異性、局域性以及非對稱等因素,在選定類型的光纖(如保偏型、微結構型等)纖芯和包層上進行均勻及非均勻光柵設計.圖9為我們提出并設計的典型NLPFG結構,分析表明它們均具有一些新奇的光譜特性.

3.3.2 NLPFG反向設計

反向設計的要點是:根據預期的光柵功能或特定的光譜波形,重構LPFG的長度、周期、折射率調制深度等參數,以實現在選定類型的光纖(如保偏型、微結構型等)纖芯和包層上進行均勻及非均勻光柵設計.圖10為我們構建的一種NLPFG反向設計流程.

將正向設計與反向設計結合,我們稱之為正反結合設計,它可以為實現具有特定功能的新型光纖光子器件的設計提供新的研究思路和有效方法.

3.4 典型設計方法

在設計NLPFG時,需要考慮光柵的幾何結構、制作材料、涂覆介質以及寫制技術、應用需求等諸多因素[25].在參考國內外同行研究的基礎上,我們結合本課題組的研究成果進行歸納和提煉,創設出多種NLPFG設計方法.下面簡介其中幾種典型的設計方法.

3.4.1 幾何結構改變法

幾何結構改變法是指通過改變原有光柵空間結構或者拓撲形狀的方式,以獲得結構新穎、功能優異的NLPFG的設計方法.該法主要包括四種典型的方式,即柵格周期改變法(周期線性或非線性增大或減少)、折射率調變法(均勻或非均勻調制)、柵面位置改變法(柵面一致傾斜或扇形傾斜)和光柵斷續連接法(均勻間斷或非均勻間斷),其典型示例如圖11所示[44,45,10,46].

圖10 NLPFG反向設計流程圖Fig.10.Process of inverse design for NLPFG.

3.4.2 制作材料調換法

制作材料調換法是指通過對原有光柵制作材料進行部分或全部調換的方式,以獲得結構新穎、功能優異的NLPFG的設計方法.該法主要包括三種典型的方式,即材料完全調換法(如以聚合物替換玻璃拉制光纖等)、材料部分調換法(如填充、涂敷增敏材料等)、制作材料拼接法(如異類光纖拼接等),其典型示例如圖12所示[47,48].

3.4.3 介質涂覆嵌入法

介質涂覆嵌入法是指通過將特殊介質(液體或固體)在光柵表面涂覆或者內部嵌入等方式,以獲得結構新穎、功能優異的NLPFG的設計方法.該法主要包括三種典型的方式,即介質表面涂覆法、介質內部嵌入法、端面選擇處理法,其典型示例如圖13所示[49,50,51].

圖11 幾何結構改變法設計NLPFG典型示例 (a)柵格周期漸變;(b)折射率弧形調制;(c)柵面逐漸傾斜;(d)多光柵啁啾級聯Fig.11.Typicalexamples of designing NLPFG with geometrical structure changed method:(a)Gradual changed grating period;(b)arc-modulated refractive index;(c)gradual tilted grating plane;(d)chirp-cascaded multiple grating.

圖12 制作材料調換法設計NLPFG典型示例 (a)聚合物光纖;(b)介質定位填充;(c)異類光纖拼接Fig.12. Typicalexamples of designing NLPFG with materials changed method:(a)Polymer fiber;(b)medium located filling;(c)disparate fibers splicing.

圖13 介質涂敷嵌入法設計NLPFG典型示例 (a)納米膜表面涂敷;(b)介質內部嵌入;(c)端面腐蝕處理Fig.13.Typicalexamples of designing NLPFG with medium coated and embedded method:(a)Nano film surface coating;(b)internal medium embedding;(c)end face corroding process.

4 新型長周期光纖光柵研制及應用

設計并研制NLPFG的目的,在于獲得可用的性能并有效地加以應用.以下是幾種典型的NLPFG研制及應用實例.

4.1 偏芯型LPFG器件

偏芯型LPFG器件是指在偏芯光纖中寫制LPFG并制作的光子器件.Guan等[52]利用高頻CO2激光技術在一種大空孔偏芯光纖上寫制出LPFG并制成器件,其成柵原理、透射光譜以及折射率感測應用如圖14所示.

4.2 多芯型LPFG器件

多芯型LPFG器件是指在雙芯、三芯及以上的光纖中寫制LPFG并制作的光子器件.Wang等[53]利用高頻CO2激光技術在一種雙芯光纖上寫制出雙芯型LPFG并制成器件,Sa ff ari等[54]利用紫外曝光技術在由120個單模芯組成的多芯光纖上寫制出多芯型LPFG并制成器件,它們的成柵原理、透射光譜以及彎曲矢量感測應用如圖15和圖16所示.

4.3 少模型LPFG器件

少模LPFG器件是指在少模光纖中寫制LPFG并制作的光子器件.Wang等[55]利用高頻CO2激光技術在一種能夠容納4個低階模(LP01,LP11,LP21,LP02)的光纖上寫制出少模型LPFG并制成器件,其成柵原理、透射光譜以及溫度、軸向應力感測應用如圖17所示.

圖14 偏芯型LPFG器件的研制及折射率感測應用 (a)光纖橫截面;(b)光纖側面;(c)纖芯;(d)CO2激光寫柵;(e)掃描周期不同;(f)掃描方向不同;(g)折射率感測Fig.14.Developing and refractive index sensing application of excentric core LPFG device:(a)Cross-section of fiber;(b)side-section of fiber;(c) fiber core;(d)grating written by CO2laser;(e)different scanning period;(f)different scanning direction;(g)refractive index sensing.

圖15 雙芯型LPFG寫制、光譜及彎曲傳感應用[53] (a)雙芯光纖截面;(b)雙芯型LPFG寫制原理;(c)掃描次數不同光譜;(d)柵格周期不同光譜;(e)曲率及方向感測結果Fig.15.Fabrication,spectra and bending sensing application of two-core LPFG[53]:(a)Cross-section of two-core fiber;(b)writing principle of two-core fiber;(c)spectra of different scanning times;(d)spectra of different grating period;(e)results of curvature and direction sensing.

圖16 多芯型LPFG器件的研制及彎曲感測應用 (a)纖芯模1;(b)纖芯模2;(c)包層模1;(d)包層模2;(e)柵格周期與諧振波長關系;(f)寫制的LPFG實驗光譜;(g)曲率及方向感測結果Fig.16.Developing and bending sensing application of multi-core LPFG device:(a)Core mode 1;(b)core mode 2;(c)cladding mode 1;(d)cladding mode 2;(e)relation between grating period and syntony wavelength;(f)experimental spectrum of written LPFG;(g)results of curvature and direction sensing.

圖17 少模型LPFG器件的研制及溫度、應力感測應用 (a)少模型LPFG透射譜及模場;(b)柵格周期不同光譜;(c)溫度感測結果;(d)軸向應力感測結果Fig.17.Developing and temperature and stress sensing application of few-mode LPFG device:(a)Transmission spectra and mode field of few-mode LPFG;(b)spectra of different grating period;(c)results of temperature sensing;(d)results of axis-direction strain sensing.

4.4 交錯型LPFG器件

交錯型LPFG器件是指在同一根光纖上沿同一平面交錯平移柵格,或者在兩個垂直平面內交錯移動柵格形成的兩個及以上結構相同或不同的組合LPFG并制作的光子器件.利用高頻CO2激光技術,Fan等[56]成功寫制出平行交錯型LPFG,Geng等[57]成功寫制出垂直交錯型LPFG.相應傳感器件的成柵原理、透射光譜以及彎曲矢量感測應用如圖18[56]和圖19[57]所示.

4.5 錯位型LPFG器件

錯位型LPFG器件是指由若干個微小分段光纖沿纖軸平行錯位移動熔接而形成的LPFG并制作的光子器件,這種光柵還可用于超長LPFG(ULPFG,柵格周期為mm級)的設計和制作.Bai等[58]設計并制作出一種錯位型LPFG器件,該結構由一根光纖分段切割后錯位熔接而成,其成柵原理、透射光譜以及高溫感測應用如圖20所示.

4.6 過熔型LPFG器件

過熔型LPFG器件是指采用精密切割方法將光纖切割成微米級長度,再利用光纖熔接機對其進行軸向準直過熔焊接,從而形成結構型LPFG并制作的光子器件.這種光柵可通過控制放電來調節LPFG的峰值位置及光譜形狀.Bai等[59]設計并制作出一種過熔型LPFG器件,該結構由一根光纖分段切割后過準直過熔而成,其成柵原理、透射光譜以及軸向微位移傳感應用如圖21所示.

圖18 平行交錯型LPFG結構及實驗透射譜 (a)單方向平行交錯型結構;(b)uniform;(c)n=2;(d)n=3;(e)n=4Fig.18.Structure and experimental transmitted spectra of parallel stagger LPFG:(a)Single-direction parallel stagger structure;(b)uniform;(c)n=2;(d)n=3;(e)n=4.

圖19 垂直交錯型LPFG器件的研制及彎曲矢量感測應用 (a)光纖垂直曝光截面;(b)垂直交錯型LPFG實驗透射譜;(c)彎曲方向辨識;(d)三維坐標系傳感表征Fig.19.Developing and bending vector sensing application of perpendicular stagger LPFG:(a)Cross-section of perpendicular exposures;(b)experimental transmission spectrum of perpendicular staggered LPFG;(c)identi fication of bending directions;(d)sensing characterization in three-dimensional coordinate system.

圖21 過熔型LPFG器件的研制及微位移感測應用 (a)LPFG與光纖錐組合測量裝置;(b)LPFG-光纖錐干涉測量譜;(c)d=10μm時微位移感測結果;(d)d=20μm時微位移感測結果Fig.21.Developing and micro-displacement sensing application of over-melted LPFG device:(a)Measure equipment combined with LPFG and fiber-cone;(b)interference measure spectra of LPFG- fiber-cone;(c)result of microdisplacement sensing when d=10μm;(d)result of micro-displacement sensing when d=20μm.

4.7 相移型LPFG器件

相移型LPFG器件是指在光柵上某一點或多個點引入相位改變,使其透射譜分裂形成變化豐富的PS-LPFG并制作的光子器件.相移可采取多種方法引入,如相位突變法、折射率累積法和光柵調制法[60]等.Li等設計了多種PS-LPFG器件,并利用光柵重疊法及電弧放電法加以實現,其成柵原理、透射光譜以及扭轉感測應用如圖22[61]和圖23[62]所示.

4.8 調諧型LPFG器件

調諧型LPFG器件是指通過巧妙的結構設計,使制作的光柵諧振峰位置或者強度連續可調(或可控)的光子器件,它是光纖通信、光纖傳感等系統中不可或缺的器件之一.Sakata等利用周期性機械壓力以及扭應力作用,在雙包層光纖(double cladding fiber,DCF)及保偏光纖(polarization maintain fiber,PMF)上形成LPFG并制成全光纖帶通濾波器,通過調節壓力及扭應力可控制其輸出波長和振幅,其成柵原理、透射光譜、調諧特性及典型應用如圖24[63]和圖25[64]所示.

4.9 耦聯型LPFG器件

耦聯型LPFG器件是將兩個或多個具有不同特性的光柵通過耦合或級聯方式組合形成的光子器件.Fang等[65]設計了由單模LPFG(SMFLPFG)和少模LPFG(FMF-LPFG)構成的耦合器件,理論分析了SMF-LPFG中的基模LP01耦合至FMF-LPFG轉換為包層高階模LP0m的過程,其器件結構、模式耦合與轉換、模式復用及上下載過程如圖26所示.

Caucheteur等將FBG疊加在LPFG上并涂覆WO3敏感層,用于空氣中H2的傳感檢測,其傳感結構、透反諧振峰光譜、H2濃度檢測如圖27所示[66].

圖22 光柵重疊法制作PS-LPFG器件及扭轉感測應用 (a)短光柵調制前光譜;(b)短光柵調制后光譜;(c)引入相移前后實驗光譜;(d)扭轉感測結果Fig.22.Grating-overlap formed PS-LPFG device and its torsion sensing application:(a)Spectrum of short grating before modulated;(b)spectrum of short grating after modulated;(c)experimental spectra before and after imported phase-shift;(d)result of torsion sensing.

圖23 電弧放電法制作PS-LPFG器件及應力感測應用 (a)PS-LPFG結構及器件;(b)放電調控光柵光譜;(c)放電位置調控光柵光譜;(d)應力感測結果Fig.23.Arc discharge formed PS-LPFG device and its stress sensing application:(a)Structure and device of PS-LPFG;(b)FG regulated by discharge;(c)FG regulated by discharge position;(d)result of force sensing.

圖24 壓力調諧型LPFG器件的研制及調諧應用 (a)DCF-LPFG壓力調諧機構;(b)光譜隨周期性壓力的變化;(c)壓力調諧測量結果;(d)溫度調諧測量結果Fig.24.Developing and tuning application of pressure tuning LPFG device:(a)DCF-LPFG tuning mechanism;(b)spectra changing with periodic pressure;(c)measurement of pressure tuning;(d)measurement of temperature tuning.

圖25 扭轉調諧型LPFG器件的研制及調諧應用 (a)PMF-LPFG調諧機構;(b)調諧器件兩個偏振態光譜;(c)扭轉調諧偏振測量結果;(d)扭轉調諧PDL測量結果Fig.25.Developing and tuning application of torsion tuning LPFG device:(a)PMF-LPFG tuning mechanism;(b)spectra of two polarized states of tuning device;(c)measurement of torsion tuning;(d)measurement of torsion tuning PDL.

圖26 雙LPFG耦合型器件的研制及模式轉換與復用 (a)雙LPFG耦合型器件結構及模式耦合原理;(b)上下載復用器的設計(LP01,LP02及LP03)Fig.26.Fabrication of coupled SMF-LPFG and FMF-LPFG device and its application in mode conversion and multiplexing:(a)Structure and principle of SMF-LPFG and FMF-LPFG device;(b)design of mode add/drop multiplexers(multiplexing modes LP01,LP02and LP03).

圖27 FBG與LPFG耦聯型器件的研制及氣體傳感應用 (a)用于H2檢測的FBG與LPFG疊加結構;(b)傳感器的透射和反射諧振峰光譜;(c)不同濕度下FBG波長隨H2濃度測量的關系曲線;(d)不同溫度下FBG波長隨H2濃度測量的關系曲線Fig.27.Fabrication of cascaded FBG and LPFG device and its application in gas sensing:(a)Superimposed structure of FBG and LPFG for H2sensing;(b)harmonic peaks in the transmitted and re flected spectra of the sensor;(c)relation curve of the Bragg wavelength shift and the H2concentration under different humidity;(d)relation curve of the Bragg wavelength shift and the H2concentration under different temperatures.

Dandapat等設計并制作了一種可激發LP06,LP09高階模的雙LPFG組合器件,并利用其進行水中大腸桿菌的檢測.該生物傳感器具有結構緊湊、性價比高及溫度不敏感等特性,其傳感結構、諧振峰光譜、細菌濃度及檢測光譜漂移如圖28所示[67].

圖28 雙LPFG耦聯型器件的研制及生物傳感應用 (a)雙LPFG生物傳感器結構及諧振峰光譜;(b)傳感器表面細菌濃度掃描電鏡照片(①102cfu/mL,②103cfu/mL,③105cfu/mL);(c)SiO2中纖芯摻雜3.1摩爾%GeO2的鍺硅光纖的色散曲線(①LP01-LP09模式耦合,②LP01-LP06模式耦合);(d)該傳感器在不同階段對大腸桿菌濃度檢測的光譜漂移Fig.28.Fabrication of cascaded double-LPFG device and its application in biosensing:(a)structure and resonance spectrum of double-LPFG biosensor;(b)SEM micrographs of bacterial concentration on the sensor’s surface:①102cfu/mL,②103cfu/mL,③105cfu/mL;(c)Dispersion curves of the germanio-silicate optical fiber with a SiO2core doped 3.1 mol%GeO2:①LP01-LP09mode coupling,②LP01-LP06mode coupling;(d)spectral shift of the sensor at different stages of E.coli’s concentration.

5 結 論

NLPFG器件有許多獨特的優勢,具有解決許多傳統電磁測量器件所無法解決的關鍵問題的潛力.NLPFG器件的設計方法和實現技術具有相當程度的挑戰性,并展現出良好的發展前景.探索設計新方法,開發研制新技術,穩步推進工程化應用,需要提出NLPFG分析新理論并突破其技術難點,這對于實現NLPFG器件的高分辨率、大測量范圍、多光柵復用、網絡化系統以及遠程監測等功能,無疑具有重要的科學意義和應用價值.

展望NLPFG及其器件的研究和發展趨勢,我們提出如下建議:一是創新光柵新結構,可從柵格周期長短、折射率調制深度、柵面法線取向三個特征參數入手,從單因素改變或者多因素復合的角度進行NLPFG結構創新,從而獲得新奇性能并加以工程化實現;二是探索設計新方法,通過光纖的材質調換、介質嵌入、表面涂覆、形貌修飾等手段,研制出結構新穎、功能優良的NLPFG器件;三是開發成柵新技術,即在干涉、掩模、逐點等寫制技術基礎上,采用衍生、交叉、組合等多種手段開發NLPFG寫制新技術,實現高質量NLPFG器件的批量生產.相信通過廣大科研工作者及工程師們的共同努力,對NLPFG的理論及應用研究必將更為廣泛及深入.同時,根據實際需求,NLPFG器件也將朝著網絡化、智能化方向推進,使其在結構健康監測、航空航天傳感、遠程醫學診斷等領域發揮更加重要的作用.

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