新型长周期光纤光栅传感与滤波特性的研究

摘要

长周期光纤光栅是光纤传感，光纤通信等领域最为重要的光无源器件之一。作为传感器，长周期光纤光栅（LPFG）对外界折射率的变化很敏感。由于折射率传感在生化应用方面的重要性，如环境监测、医学诊断、石油化工等方面，所以基于折射率传感的光纤光栅生化探测技术正处于不断深入的研究之中。本文以长周期光纤光栅为研究对象，首次提出了一种基于矩阵模型来计算包层外镀有真正金属薄膜的四层光纤光栅有效折射率及波谱特性的方法。与He等人的色散模型相比，该方法在推导和理解上要简单的多，可很容易拓展到更多层情况，并且计算时间也较短。在四层模型的理论计算中，包层模的有效折射率可能会激发表面等离子体现象，该现象会增加光栅的灵敏度。我们理论上详细研究了镀有纳米量级厚度的金属膜的长周期光纤光栅的波谱特性，解决了第二类贝塞尔在参数较大情况下不收敛的问题。利用这个模型和耦合模方程，我们可以计算任意厚度的镀有金属膜的长周期光纤光栅的波谱。此外，镀有不同金属厚度的光栅敏感度，即光栅谐振波长随着外界媒介的折射率的改变带来的波长漂移，也能够被定量计算出来。理论上发现，厚度不同的金属膜对外界折射率的敏感度不同。在一定的金属膜厚度条件下，光栅对折射率的敏感度要大于不镀膜光栅的敏感度，研究发现当金膜的厚度在20nm左右的时候最为敏感。如果设计恰当的薄膜复合材料折射率，长周期光纤光栅会发生表面等离子体现象，使光栅的折射率灵敏度成倍提高。
　　 作为通信器件，长周期位相光纤光栅由于其带通滤波特性在全光纤激光器、光通信、光纤传感领域有广泛应用。本文提出了基于应力的长周期光纤光栅可调谐带通滤波器思想。采用CO2逐线烧制技术制作表面形变位相长周期光纤光栅带通滤波器，与其他方法相比，该方法调制简易、方便，容易把光斑调节到光纤包层表面。实验制作了基于应力的可调谐带通滤波器，定量讨论了波长调谐范围和光栅表面形变量的关系。研究发现周期数为37，光栅长度为16.5mm的π位相光栅的调谐范围可达10nm。在应力调谐的过程中，带通滤波器的带宽和通带的幅度几乎不变，并且对温度不敏感。这种应力调谐的方法与温度调谐相比，要更加方便、灵活，可以用在光纤可调谐激光器、光纤传感器和光纤通信等领域。