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分数：评卷人：研究生（光电技术概论）课程报告题目：光子晶体光纤光栅的研究学号M201372142姓名万旭专业软件工程指导教师唐霞辉、元秀华、邓勇、方妍妍、刘德明院（系、所）光电学院2014年1月2日光子晶体光纤光栅的研究万旭（华中科技大学光学与电子信息学院武汉430000）摘要：光子晶体光纤光栅是近十年发展起来的一个新型的科技产品。由于它的优良特性及其在光学通讯方面的广泛应用使得它越来越受到人们的关注。本文讲解了光纤光栅的原理，特性，分类，研究方法，以及发展状态，然后归结为对光子晶体光纤光栅的研究，介绍光子晶体光纤光栅的组成材料，结构特点、性质特点和制作方法。使人们更加深入地理解光纤光栅这种科技产品能够带来的社会价值。关键词：光子晶体；光子晶体光纤；光纤光栅；长周期光纤光栅；光子晶体光纤光栅StudiesonphotoniccrystalfibergratingsWanxu(SchoolofOpticalandElectronicInformation,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,430000,China)Abstract:Photoniccrystalfibergratings(PCFG),asanewtypeoftechnologyproductsdevelopedinresentyears,hasattractedmoreandmoreattentionsduetoitsexcellentpropertiesandwideapplicationsinopticscommunications.Inthisthesis,wediscusstheprinciple,classification,researchmethods,aswellasthedevelopmentofstateofthephotoniccrystalfiberandfibergratingcharacteristics,andthenattributetothestudyofPCFG.Andwehavediscussedmainlytheingredients,structuralcharacteristics,propertiesandgrowthmechanismofPCFG,whichishelpfultofurtherunderstandthesocialvalueofthistechnologyproduct.Keywords:photoniccrystal;photoniccrystalfiber;fiber-gratings;longperiodfiber-gratings;photoniccrystalfibergratings引言光子晶体光纤光栅是光子晶体光纤在光纤通信领域一个非常重要的应用。在光子晶体光纤写入光纤光栅，对光子晶体光纤的实用化具有重要意义。在光子晶体光纤问世之初，人们就尝试在光子晶体光纤中写入光纤光栅，研究发现，基于光子晶体光纤的光栅，和常规光纤中写入的光纤光栅相比，在某些方面具有更加优良的特性。最近几年这一方面的研究进展很快，出现了无掺杂光子晶体光纤布喇格光栅、掺锗光敏纤芯光子晶体光纤光栅、聚合物填充金属镀层的长周期光子晶体光纤光栅、无掺杂纯硅大模面积长周期光子晶体光纤光栅等一系列科研成果。介绍光子晶体光纤光栅的理论，是从介绍光纤光栅的理论和光子晶体光纤的理论出发的。因为光子晶体光纤光栅是在光纤的芯层写入光栅的，要求芯层折射率满足一定的函数分布，对包层没有过高的限制，而光子晶体光纤主要是将空气孔分布在包层中，影响包层的折射率，对芯层没有高的要求，所以在这样的情况下我们可以通过对光纤光栅和光子晶体光纤的理论分析来得到光子晶体光纤光栅的相关理论。1光纤光栅1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。经过二十多年来的发展，光纤光栅在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。2光纤光栅的类型随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级)；非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。具体分类如下：2.1均匀光纤光栅均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。2.2均匀长周期光纤光栅均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。2.3切趾光纤光栅对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾所谓切趾，就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。2.4相移光纤光栅相移光纤光栅是由多段M（M2）具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。2.5取样光纤光栅取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件可同时分或插多路信道间隔相同的信号。2.6chirped光纤光栅所谓chirped光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在chirped光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以chirped光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以，可以利用chirped光纤光栅作为色散补偿器。3光纤光栅的制备3.1成栅光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。3.2光纤的光敏性要制作光纤光栅，就是要对光纤进行处理产生折射率变化。通常，我们是利用光纤的光敏性，用UV光照射而产生折射率永久性变化的。要制作光纤光栅，光纤的光敏性将是决定性的因素。高的光敏性将会很容易制作光纤光栅，所以在制作光纤光栅前要对光纤做好预处理―增敏。采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为（10的负4次方）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1）掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。2）多种掺杂（主要是B/Ge共接）。3）高压低温氢气扩散处理。4）剧火。光纤完成了增敏处理过程就可以对光纤进行写入折射率的不同分布，进而形成不同的光纤光纤光栅。现在对光纤光栅的写入方法发展了很多种，本文就现在主要的几种方法介绍一下光纤光栅的制作。3.3成栅方法（1）内部写入法内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被采用。用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由∧=λuv/（2sinθ）给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，目前这种方法使用不多。(2)相位掩膜法相位掩膜法实际上就是利用相位掩膜模板（衍射光学模板[1]），使得紫外光在掩膜板上形成衍射条纹，从而影响光纤中折射率的变化。如图1，衍射模板紧贴在光纤光栅上，用