光纤光栅超结构调谐方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤器件，特别是光纤光栅的调谐装置和方法。
【背景技术】
[0002]光纤光栅具有选择和控制在光纤中传播的光的波长的特性而具有许多应用，例如被广泛用于光纤通信系统、光纤传感器和光纤激光器。一个典型的光纤光栅是由在光纤芯中沿光纤长度方向引进周期性的微小折射率变化(扰动)而形成。一般而言，按光栅周期的长短可有两种类型的光纤光栅:光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，缩写为FBG)和长周期光纤光栅(Long Per1d Fiber Gratings，缩写为LPFG)，长周期光纤光栅(LPFG)与光纤布拉格光栅(FBG)的差异在于LPFG的光栅周期远长于FBG的光栅周期。
[0003]FBG反射波长为λΒ的光，有λ Β= 2ηΛ Β，被称为布拉格条件，或Bragg波长，其中，λ B是从光栅反射光的中心波长，η是光纤芯的有效折射率，Λ 8是折射率调制的周期。FBG有良好的波长选择能力，可用作为窄带反射镜。LPFG与FBG具有相似的结构，但LPFG的光栅周期Al远长于FBG的周期Λ Β，通常Al是Λ 4勺200至2000倍以上。LPFG使光纤中的基模耦合到包层模，而激发的包层模随之衰减，从而在传输光谱上出现共振损耗。相比于FBG, LPFG不会产生反射光。
[0004]LPFG的基模与包层模在波长耦合的相位匹配条件可以表达为:λ nL =(ncore-nc；) ‘其中，1_是基模的有效折射率，n ^是第m阶包层模的有效折射率，Λ濕LPFG的周期。由于多个包层模能满足这一条件，而每一个包层模在不同的中心波长λ…因此LPFG的传输光谱展示出一系列沿光谱分布的传输损耗峰。
[0005]光纤光栅的光学性质(光谱响应)取决于光纤光栅中的折射率扰动沿光纤光栅长度的分布状态。以FBG为例，一般地，根据折射率扰动的分布状态，光纤光栅结构上可分为:均匀光纤光栅，切趾光纤光栅，啁啾光纤光栅，相移光纤光栅，倾斜光纤光栅，取样光纤光栅或超结构光纤光栅。
[0006]均匀光纤光栅的特征在于折射率扰动沿光纤的长度均匀分布，其光谱响应表现为光的窄带反射谱。切趾光纤光栅是对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制，使光谱响应的反射谱中的边模降低。啁啾光纤光栅的特点是具有单调变化的光栅周期，其光谱响应提供宽带光谱反射。
[0007]相移光纤光栅是在折射率调制分布的某些点上改变分布的周期间隔，引入相移跳跃，使光谱响应的反射谱中中打开一个窄线宽的透射窗口。
[0008]超结构光纤光栅具有复杂的沿光纤光栅长度上变化的折射率扰动分布，其折射率分布的振幅、周期或两者都可以沿光纤的长度变化，具有复杂的光谱响应。取样光纤光栅可视为超结构光纤光栅中的一例，其沿光纤光栅长度上变化的折射率分布的振幅或相位又被周期性调制，得到的光谱响应显示多个光谱反射通道。实际上，切趾光纤光栅，啁啾光纤光栅，相移光纤光栅，取样光纤光栅都可视为超结构光纤光栅的特例。
[0009]长周期光纤光栅(LPFG)与光纤布拉格光栅(FBG)具有相似的结构，LPFG也可以有啁啾、相移、取样和超结构折射率分布的结构。
[0010]FBG的中心波长，又名共振波长，可受应变和温度变化的影响而变化。例如，对于某一特定的应变ε z，FBG的中心波长漂移是Δ λΒ = λβ(Ι-ρ) ε ζ，其中ρ是有效应变光学常数。对于给定的温度变化AT，该FBG的中心波长漂移是Δ λΒ= λΒ(αΑ+αΒ) ΔΤ，其中a A是光纤的热膨胀系数，a 表热光系数。一个典型的中心波长在1550nm的FBG，应变导致的波长漂移约为1.2pm/μ ε，温度变化引起的波长漂移约为12.8pm/°C。
[0011]这些物理特性可用于调节FBG的中心波长，即采用可控制的应变或热加到FBG上，从而改变FBG的光谱响应。
[0012]类似地，LPFG的中心波长(共振波长)也受应变和温度变化的影响。因此，LPFG的共振波长也可采用可控制的应变或热进行对其光谱响应的相应调谐。
[0013]已有的光纤光栅调谐技术可概括为:
[0014](I)Morey 等人在专利号为 N0.5, 469, 520、题为 “Compress1n Tuned FiberGrating”的美国专利中描述了一种FBG的压缩调谐原理。另一种方法是由Fernald等人在专利号为 N0.6, 229, 827 和 N0.6, 363, 089、题为 “Compress1n-Tuned Bragg Grating andLaser”的美国专利中描述了将FBG焊接在一个玻璃毛细管内，然后一起压缩调谐。再一种方法是 Long 在专利号为 N0.6，360，042、题为“Tunable optical fiber gratings device”的美国专利中描述了将FBG粘在悬臂梁上，梁可以弯曲在不同的方向上而使粘在悬臂梁上的FBG受压缩或拉伸应变。方祖捷等人在专利号为CN 1122861 C、题为“光纤光栅的双向应力调谐装置”的中国专利中，赵华凤等人在专利号为CN 1131455 C、题为“光纤光栅调谐器”的中国专利中，骆飞和叶东风在专利号为CN 101424771B、题为“光纤光栅调谐装置和光学系统”的中国专利中都描述了一种应用应变调谐光纤光栅的装置。
[0015]所有这些技术被设计用于调谐光纤光栅的中心波长漂移，调谐应变被施加到整个光纤光栅结构上，产生光纤光栅的整个光谱移动。
[0016](2)Moo-Youn Park 等人在专利号为 N0.6246814、题为 “Tunable chirped fibergrating device and method for forming chirped fiber grating” 的美国专利中，Feng等人在专利号为N0.6453095、题为“Tuning of optical dispers1n by using a tunablefiber bragg grating”的美国专利中，黄锐等人在专利号为CN 1200290C、题为“带宽可调的斜边光纤光栅及其制作方法”的中国专利中，张伟刚等人在专利号为CN 1544974 A、题为“光纤光栅带宽调谐装置”的中国专利中，冯德军等人在专利号为CN101546049 B、题为“一种光纤光栅带宽调谐方法”的中国专利中都描述了一种应用应变调谐啁啾光纤光栅的带宽的装置。
[0017]这些技术被设计用于调谐FBG的光谱带宽，通过应用应变加载在光纤光栅上，通过调节光纤光栅的啁啾系数变化以调节光纤光栅的光谱带宽，可应用于光纤通信系统中的色散补偿。
[0018](3) Ximin Zhao 在专利号为N0.6721478、题为“Dynamic fiber bragg grating”的美国专利中描述了通过使用相对布置于光纤光栅上的加热元件，以形成沿光纤光栅长度上的周期性“热点”，可产生超结构光纤光栅的技术。屈红昌等人在专利号为CN 1232867 C、题为“一种基于光纤超声超结构光栅的可调滤波器及调制方法”的中国专利中提出了一种基于采用高频超声波在光纤上产生的超声光栅而对光纤上的均匀FBG进行调制形成光纤超声超超结构FBG，从而实现波长的动态调谐的方法。Yize Huang等人在文献题为“Tunablesuperstructure fiber Bragg grating with chirp-distribut1n modulat1n based onthe effect of external