收稿日期:2001204210
作者简介：何万迅(19742)，男，河南洛阳人，博士生，主要从事光纤传感、光纤通信、信号检测方面的研究。 文章编号:100422474(2002)0120015204
何万迅1，施文康1，范晓波2，何 朔2，叶爱伦2
(11上海交通大学自动检测研究所，上海200030;21上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200030)
摘 要：将微结构光纤分为光子晶体光纤和大尺寸气孔微结构光纤两种。详细介绍了大尺寸气孔微结构光纤。其包层的气孔硅结构(或者聚合物硅结构)影响了包层模式的空间分布以及包层模式的有效折射率，使其表现出与传统光纤不同的光学特性。基于这种微结构光纤的光纤光栅对外部折射率的变化显示了很好的稳定性。偏振特性 (对长周期光纤光栅)可以大大加强。基于聚合物硅包层的长周期光纤光栅显示了优良的温度调谐性能。
关键词：微结构光纤；气孔；长周期光纤光栅；光纤B ragg 光栅中图分类号:TN 929111 文献标识码:A
Appl i ca ti on s of Large A i r Hole M i crostructure
Opti ca l F i ber on F i ber Gra ti n gs
HE Wan -xun ,SH IW en -kang ,FAN Xi a o -bo ,HE Shuo ,YE A i -lun
(11Institute of A utom atic D etecti on ,Shanghai J iaotong U niversity ,Shanghai 200030,China ;21State Key L aboratory on Local F iber Comm unicati on N etworks and A dvanced Op tical F iber Comm unicati on Syste m s ,Shanghai J iaotong U niversity ,Shanghai 200030,China )
Abstract :M icrostructure op tical fibers include two types :photonic crystal fibers and large 2air 2hole m icrostructure
op tical fibers 1T he latter is introduced in detail 1Such novel op tical fibers differ from traditi onal op tical fibers in op tical p roperties due to the effect of the air 2silica structure or polym er 2silica structure of the fiber cladding on the s pacial dis 2tributi on and effective refractive indices of cladding modes 1M icrostructure 2fiber 2based fiber gratings show good stabili 2ty against refractive
index of surrounding m aterials 1T he enhanced polarizati on characteristics of l ong peri od fiber grat 2ing is expected by using such fiber 1Polym er 2silica 2cladding 2based l ong peri od fiber grating de monstrates agreeable te m 2perature tunability 1
Key words :m icrostructure op tical fiber ;air hole ;l ong peri od fiber grating ;fiber B ragg grating
1 引言
1996
年,
在
O FC
(Op tical
F iber
现有人口Comm unicati on s )会议上，英国Bath 大学的J 1C 1Knigh t 、T 1A 1B irk s 等学者作了关于光子晶体
光纤(Photon ic C rystal F iber )的报告，标志着一种新型光纤的诞生，从而揭开了光纤发展历史新的一页。1999年,Bell 实验室的B 1J 1Eggleton 、R 1S 1W indeler
等学者将光子晶体光纤归纳于微结构光纤的范畴[1]。同年,A 1A 1A bra mov 、R 1R 1W indeler 等提出一种包层有大尺寸气孔的微结构光纤[2]。在2000年的O FC ’2000会议上,P 1St 1J 1R ussell 、J 1C 1Knigh t 等又作了光子晶体光纤若干进展的报告[3]。同时在
会议上,T anya M 1M on ro 、P 1J 1Bennett 等提出了多
孔光纤(Ho ley F iber )的概念[4]。总体看来，虽然两者
对各自研制出的光子晶体光纤以及多孔光纤定义略有不同，但是两种新型光纤依据的波导机理相同，制备方法也很接近，差别仅在于对纤芯部分的处理上。
由此，根据微结构光纤中气孔的尺寸，将微结构光纤归纳为两种:
(1)光子晶体光纤，又称多孔光纤。这种光纤在包层横向截面上隔一定间距就分布有微小气孔，气孔直径在光波长量级，并贯穿光纤轴线。即在光纤包层中形成了微小气孔阵列[5]。
(2)大尺寸气孔微结构光纤。与光子晶体光纤相比，其气孔尺寸要大得多。本文针对大尺寸气孔微
第24卷第1期
压 电 与 声 光
V ol .24N o .12002年2月
P IEZ O EL ECTR I CS &A COU STOO PT I CS
Feb .2002
结构光纤进行了较为详细的介绍，并描述了其在光
纤光栅中的各种典型应用。
2 大尺寸气孔微结构光纤
图1为大尺寸气孔微结构光纤截面示意图。在
光纤包层中存有若干大尺寸气孔，气孔在光纤包层
中形成了环形区域，这种空气硅的环带就将光纤的
硅包层大致隔离分成内外两部分。因此，大尺寸气孔
微结构光纤的包层就比传统的纯硅包层光纤复杂得
多，可分为外硅层、中间的空气硅环形区域和内硅
层。相比包层中有微小气孔点阵的光子晶体光纤(其
气孔直径与光波波长可以相比拟，约为1～3Λm),
其气孔尺寸要大得多，一般在几十微米
。
图1 大尺寸气孔微结构光纤截面示意图
由于包层中的气孔结构破坏了光纤包层硅材料
周向、法向的一致性，因此，如果光波在其中传播，与
传统光纤相比，其包层模式的空间分布与有效折射
率指数就会有很大的改变。与传统光纤的硅包层空
气截面不同，这种新型的微结构光纤在内硅层和空
气硅环形区域之间也形成了界面。光波在光纤包层
中传播，当抵达内硅层和空气硅环形区域之间的界
面时，一方面发生反射，截面的反射作用破坏了光波
从内包层向外包层的辐射；另一方面，透射进包层中
间环形区域空气中的部分光波在光纤轴向被强烈衰
颈部肿块的鉴别诊断减。这样，光波在进入外包层之前就受到强烈抑制,
外硅层以及与外部空气界面的变化就不会影响光纤
包层模式的空间分布与有效折射率指数(对于空气
硅环形区域中空气比例大的情况，如图2(a)、3(a)、
4(a)所示)。这与传统光纤包层模式受包层与空气界
面的状况影响的光学特性截然不同[6]。形象的说，这
种大尺寸气孔微结构光纤的外硅层好像一个硅材料
的套管，套在由内硅层及纤芯组成的较细的传统光
纤之外，对外部环境(湿度等)的变化起“隔离”的作
用
。
图2 葡萄形气孔微结构光纤截面图及
其B ragg
光栅谱特性
图3 不规则气孔微结构光纤截面图及其
长周期光纤光栅谱特性
16压 电 与 声 光2002年
图4 聚合物硅混合波导微结构光纤截面图及其
长周期光纤光栅温度调谐特性
截至目前，所报道的大尺寸气孔微结构光纤可以分类如下。根据气孔中是否填注聚合物，可以分为空气硅包层微结构光纤和聚合物硅包层微结构光纤两类。目前来看，后者在包层气孔中填注的多为丙烯酸类聚合物。按照气孔构形的不同，可以分为：圆形气孔微结构光纤、葡萄型气孔微结构光纤、网脉状硅隙气孔微结构光纤以及有对称边孔的微结构光纤(具体见图2(a )、图3(a )、图4(a )、图5)
反倾销条例。
图5 有对称边孔的微结构光纤截面图以及基于
此光纤的长周期光纤光栅偏振特性
对于这种大尺寸气孔微结构光纤，目前基本用于制备光纤光栅等光纤器件，因此本文基本不涉及
散等与光纤传输相关的非线性光学特性，而描述了这种新型光纤的偏振、损耗等与器件相关的特性。在偏振特性方面，气孔的存在明显增强了光纤的双折射性能，使器件的偏振特性得到加强。而损耗略高于类似的传统光纤(无气孔的情况)，随着制备工艺的提高，应该与传统光纤大致相同。
3 大尺寸气孔微结构光纤光栅
由于结构的不同，使得大尺寸气孔微结构光纤的光学特性与传统光纤不一样，因此，基于大尺寸气孔微结构光纤的光纤光栅的模式耦合以及损耗谱特性就不同于传统光纤光栅。本文从光纤B ragg 光栅和长周期光纤光栅两方面入手，对比传统光纤，分析研究了基于大尺寸气孔微结构光纤光栅的谱特性。311 外部折射率指数不敏感的光纤Bragg 光栅
描述一种新型光纤B ragg 光栅，由于光纤采用
大尺寸气孔微结构光纤，使其谱特性基本不受外部
折射率指数变化的影响。这种大尺寸气孔微结构光纤的截面见图2(a )。六个气孔在光纤包层中呈六边形分布，气孔形状类似葡萄，直径约为 40Λm ，气孔中心距离光纤轴线约36Λm 。光波由纤芯耦合进入包层，当传播抵达气孔与内硅层之间的界面时，就会发生反射。这样，部分光波就来回反射，被限制在光纤包层中气孔与纤芯之间的内硅层中。这对应于低阶包层模式，相当于发生了全反射，被完全限制在内硅层，因此基本不发生能量的泄露。而高阶包层模式透过气孔与内硅层的界面，继续向外辐射，能量明显泄露。所以，气孔之外的外包层以及其与空气界面的变化就不会影响低阶包层模式，而高阶包层模式因为能量比例较小，所以这种微结构光纤的包层模式能量大体不受包层外部环境变化的影响。这样，根据相位匹配条件，基于此光纤的光纤B ragg 光栅的谐波就对包层外部折射率指数的变化不会敏感。
通过相位掩模法，将光纤B ragg 光栅写入此微结构光纤。并利用宽带白光源和光谱分析仪构建测试系统。接着将光纤中光栅部分浸入折射率指数为11457(63218nm )的匹配液中，测得的光纤B ragg 光栅谱特性结果如图2(b )所示。图中，实线表示光纤B ragg 光栅在空气中的谱特性，虚线表示将其浸入匹配液中的情况。模式“a ”表示与第a 阶次包层模式耦合产生的谐波,“纤芯谐波”表示与纤芯模式耦合产生的谐波。可以看出，对于低阶包层模式(见图2(b )右部)，两条谱线基本重合，即外部折射率指数的变化不影响纤芯基模与低阶包层模式的耦合；对于
第1期何万迅等：大尺寸气孔微结构光纤在光纤光栅中的应用17
高阶包层模式(见图2(b)左部)，两条谱线差别较大，即纤芯基模与高阶包层模式的耦合对外部折射率指数的变化比较敏感。与传统光纤B ragg光栅相比，这种光纤B ragg光栅对环境(如湿度等影响折射率指数的参量)的稳定性大大提高。
312 外部折射率指数不敏感的长周期光纤光栅介绍一种基于大尺寸气孔微结构光纤的长周期光纤光栅。光栅用光纤截面如图3(a)所示(图中未显示纤芯)。光纤纤芯掺锗，包层的空气硅环形区域中气孔形状不规则，气孔之间的网脉状硅结构(silica w ebs)对内外硅层起到连接支撑作用[7]。此种光纤包层的空气硅环形区域中空气比例较高，因此，此部分折射率指数接近空气。
先对光纤进行载氘处理，然后，通过幅值掩模的方法制备长周期光纤光栅。利用248nm的K rF激光器，透过一块铬制的幅值掩模，对这种大尺寸气孔微结构光纤进行横向曝光。写入的长周期光纤光栅周期为264Λm，长50mm。同上构建测试系统并将光栅部分浸入同种折射率匹配液，测试长周期光纤光栅的谱特性。
测试结果如图3(b)所示。其中实线是光栅在空气中的情况，虚线表示光栅在匹配液中，两种情况的谱特性曲线基本重合。说明这种基于大尺寸气孔微结构光纤的光纤光栅谱特性基本不受外界环境折射率指数变化的影响。
313 大范围波长调谐的长周期光纤光栅
在聚合物硅混合波导微结构光纤中写入长周期光纤光栅，其温度调谐能力比传统光纤光栅明显增强。光栅用大尺寸气孔微结构光纤截面如图4(a)所示。在光纤包层中有六个直径为 40Λm的圆形气孔，形成一个六边形的链环。在空气硅链环内形成直径约为 30Λm的内硅层。光纤外径为 125Λm，纤芯掺杂锗，直径为 8Λm。光纤纤芯与包层(内包层)折射率指数差为0135%。同样光纤载氘，并利用幅值掩模法将长周期光纤光栅写入。制备的光栅周期为550Λm。然后在光纤包层气孔中注入丙烯酸聚合物，其折射率指数略低于包层。并通过紫外光照加速聚合物凝固，从而制备了混合波导微结构光纤光栅。
根据热光效应，丙烯酸聚合物材料的光学特性受温度影响。温度的变化，导致包层中丙烯酸聚合物部分折射率指数的变化，从而影响内硅层中包层模式的分布与有效折射率指数，也就是影响了纤芯基模与包层模式的耦合，最终表现为谱中谐波随温度变化而移动(温度升高，发生红移；温度降低，发生蓝
移)，即具有温度调谐的性能。这种调谐类似于传统光纤光栅外面涂覆聚合物的情况，不过前者改变的是包层内部结构，而后者改变了包层与空气的界面。
测试制备的长周期光纤光栅温度调谐特性，结果如图4(b)所示。其中的谐波是纤芯基模与一阶一次包层模式耦合所产生。可以看出，基于聚合物硅混合波导微结构光纤的光栅温度调谐能力大大增强。当温度从25～120°C，调谐范围超过150nm。相比文献[2]中，温度从0～100°C产生80nm温度调谐的光栅，有相当的提高。而温度低于25°C时，谐波消失。
健康指数
314 偏振增强型长周期光纤光栅
在此介绍的长周期光纤光栅采用大尺寸气孔微结构光纤，使得其偏振特性显著增强。光栅用光纤截面如图5中小图。类似于传统保偏光纤，其纤芯(未显示)为椭圆形，长轴长约10Λm，短轴长约2Λm；不同的是，其包层中在椭圆纤芯短轴延长线上有两个对称于长轴的圆孔，圆孔直径为 30Λm，两孔中心距离40Λm。纤芯包层折射率指数差为215%。结果表明，此光纤的双折射指数为4×10-4。
对于保偏光纤，由于结构的轴向不对称，使得两个线偏振模式从纤芯耦合进入包层后，传播常数不等。这样，根据相位匹配条件，在长周期光纤光栅谱中，对应此两线偏振模式的谐波中心波长就不同，即发生了谐波的分离。因此，在谐波中心波长处，一个线偏振模式就被强烈损耗，对于单模光纤来说，此波长处就只存有一个线偏振模式。
光栅制备过程：利用双频A r离子激光器，产生直径为 50Λm，功率密度为5×103W c m2的光斑，沿光纤轴线扫描一块幅值掩模，从而完成对掩模后光纤的横向曝光。为保证足够的折射率指数调制深度，扫描速度控制在扫描一个掩模节距时间3～5s，并对掩模多次重复扫描。写入的光栅周期为200Λm，长50mm。
制备的长周期光纤光栅透射谱如图5所示。“0°”、“90°”分别表示与两相互垂直的线偏振模式耦合形成的谐波。纤芯基模与两线偏振模式耦合产生的谐波明显分开，谐波幅值均约10dB，两者中心波长间隔达
43nm。这种长周期光纤光栅在用作光纤偏振器件方面潜力很大。
4 总结
本文介绍了大尺寸气孔微结构光纤。与传统光纤相比，这种光纤包层中的大尺寸气孔抑制了包层 (下转第22页)
4 结果
我们研究了基于瑞利后向散射的分布式光纤传感器系统的稳定性，该传感系统可以实现沿光纤的温度场或压力场的在线监测报警。通过在光源、A PD、以及数据处理和补偿等诸方面的工作，系统的稳定性得到大幅度的提高。
在实验中发现,AD卡的稳定性也是一个相当大的因素，由于受器件性能和工艺的限制,AD卡通常很难达到其标称的精度。另外，计算机对测试系统的干扰也不能轻视。仍有相当的问题有待进一步研究。
参考文献:
[1]S U S UM U O,S A T ESH I Y.D evel opm ent of op tical
te mperature sens or(op tical fiber sens ors for s m art m a2
terials and structures)[C].P roceedings of the U S2
Japan W ork shop on S m art M aterials and Structures,
1997:2352242.
[2]S I M S P.T he A PD′s stability in the syste m of op tical
fiber transi m issi on[J].IEEE T ransaci ons on E lectron
D evices,1982,ED229(10):161121616.
[3]KUM A R A,J I NDA R,VA R SHN EY R K,et al.A
fiber2op tical sens or based on L P012L P02mode interfer2
叶之枫
ence[J].Op tical F iber T echnol ogy,2000,6(1):83290.
[4]赵洪志，李乃吉，赵达尊，等.基于背向喇曼散射的分布
式光纤温度传感器A PD最佳雪崩增益的分析[J].传感技术学报,1997,10(3):27231.
[5]邹 建，扶 新.雪崩光电二极管温漂特性的实验研究
[J].压电与声光,1999,21(2):1582160.
[6]周胜军，张志鹏.提高分布式光纤温度传感器测量准确
性的方法[J].光学仪器,1997,19(6):327.
[7]AN S A R I F,CH EN Z,L I Q.M ulti pexed op tical fiber
sens or syste m for distributed m easure m ent of stuctureal
strain[J].M aterials R esearch Society Symposium P ro2
ceedings,1997,503(4):1192130.
(上接第18页)
模式的传播，使其对环境(如湿度等)的变化表现了良好的稳定性能。也不同于光子晶体光纤，由于其包层中气孔尺寸可以比拟光波波长，因而具有全范围波长的单模传输特性。基于空气硅包层的光纤B ragg光栅、长周期光纤光栅均对包层外部折射率指数的变化表现了很好的谱稳定性；包层中有对称边
孔结构的长周期光纤光栅偏振特性大大增强；而基于聚合物硅混合波导的长周期光纤光栅展现了优良的温度调谐性能。可见，和光子晶体光纤一样，这种大尺寸气孔微结构光纤在光纤通信、光纤传感方面有着极好的应用前景。
参考文献:
[1]EGGL ETON B J,W ESTBROO K P S,W I ND EL ER R
S,et al.Grating res onances in air2silica m icrostructured
op tica fibers[J].Op tics L etters,1999,24(21):146021
462.
[2]ABROM OV A A,HAL E A,W I ND EL ER R S,et al.
W idely tunable l ong2peri od fibre gratings[J].E lectron2 ics L etters,1999,35(1):81282.
[3]RU SSELL P S J,KN IGH T J C,B I R KS T A,et al.R e2
山居笔记pdfcent p rogress in photoic crystal fibres[C].Balti m ore,
M aryland:O FC’2000,T hG121.
[4]M ON RO T M,BENN ET T P J,BROD ER I CK N G R,
et al.N e w possibilities w ith holey fibers[C].Balti m ore,
M aryland:O FC’2000,T hG421.
[5]W I ND EL ER R S,RAN KA J K.N ovel p roperties of air2
silica m icrostrcutre op tical fibers[C].Balti m ore,M ary2 land:O FC’2000,2000.T hG321.
[6]ST EGALL D B,ERDO GAN T.L eaky cladding mode
p ropagati on in l ong2peri od fiber grating devices[J].
IEEE Phot T ech L ett,1999,11(3):3432345.
[7]ABROM OV A A,EGGL ETON B J,RO GER S John
A,et al.E lectrically tunable efficient broad2band fiber
filter[J].IEEE Phot T ech L ett,1999,11(4):4452447.
豫公网安备41160202000603
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