应力作用下光纤光栅Bragg波长调谐特性的研究

　　　　　　　　　　　　JOURNALOFOPTOELECTRONICS󰃖LASER　Vol.11　No.1　Feb.

文章编号:100520086(2000)0120023203

　第11卷　第1期2000年2月

2000

应力作用下光纤光栅Bragg波长调谐特性的研究

郭　威,刘　凯,黄永清,陈　雪,任晓敏

(北京邮电大学,#66,北京100876)

Ξ

　　　　　　　　摘要:本文对1550nm光纤光栅在纵向拉伸应力和侧向拉伸应力作用下Bragg波长的偏移特性进

行了实验研究。当纵向拉伸应力加至3.60N(367.60g)时,得到了5.02nm的调谐范围。这可能是在相同应力作用下,目前所报道的最好结果。此外,还对光纤光栅弯曲所导致的其Bragg波长的迁移特性进行了实验研究,并比较了对光纤光栅段添加涂覆层前后的调谐情况,得到了最大为3.02

nm的波长调谐范围。

关键词:光纤光栅;Bragg波长;选择;调谐中图分类号:TN253　　　文献标识码:A

StudyonFiberGrating’sBraggWavelengthShiftCausedbyStrain

GUOWei,LIUKai,HUANGYong2qing,CHENXue,RENXiao2min

(BeijingUniversityofPosts&Telecommunications,#66,Beijing1000876,China)

Abstract:Inthispaper,theeffectsofstrainontheBraggwavelengthoffibergratingareanalyzed,Thestrain2inducedBraggwavelengthshiftofa1550nmfibergratinghasbeeninvestigatedexper2imentallybyobservingitstransmissionspectrumandashiftupto5.02nmhasbeenachieved.Thepossibilitiesoffurtherimprovementofthetuningrangeandtherelevantdeviceapplicationsarediscussed.Wealsoinvestigatedthebend2inducedBraggwavelengthshiftoffibergrating,andashiftupto3.02nmhasbeenachieved.

Keywords:fibergrating;Braggwavelength;selection;tuning

1　引言

　　在应力作用下,光纤光栅的Bragg波长会发生偏移。光纤光栅的这一特性在光纤通信和传感技术领域中得到了越来越广泛的应用。在光纤通信方面,光纤光栅的影响几乎遍及系统的各个部分,包括光发送、光放大、光纤色散补偿和光接收等等[1]。利用光纤光栅可以制成光纤光栅外腔激光器和光纤激光器,此类激光器输出激光的线宽窄,而且可以获得较稳定的单模输出。将光纤光栅应用于WDM系统的研究也取得了很大的进展,已出现了大量的实用化器件。同时,对光纤光栅应用于接入网中的研究也已经开始。在传感器方面,光纤光栅也有着广阔的应用前景,它可以

方便地实现物理量的分布式传感,可应用于建筑结构监控、化学传感和航空航天等各个方面[2]。在本文中,我们对光纤光栅在应力作用下所呈现的Bragg波长的偏移特性作了理论分析,介绍了我们利用应力的影响来改变Bragg波长的最新实验情况,给出了相应的实验结果,并对如何扩大光纤光栅的调谐范围进行了探讨。

2　原　理

　　我们知道,在温度不变化的情况下,如果光纤光栅的拉抻是各向同性的且均匀的,则光纤光栅的

[1]

Bragg波长变化和光纤的单位伸长量的关系为

Ξ收稿日期:1999210205

　　基金项目:国家“八六三”计划资助项目;国家自然科学基金(69625101);教育部留学回国人员科研启动基金和邮电部中青年科技基金资助

项目

・24・

∆ΚB(1)=Ε-(n2󰃗2)[P12-Λ(P11+P12)]Ε

ΚB

其中,Ε表示光纤的轴向单位伸长量;n表示光纤的折射率;Λ为泊松系数(横向变形系数),Pi,j表示光弹性

(1)式可表达成[1]张量的Pockel系数。

∆ΚB(2)　　　　=[1-pe]Ε

ΚB

其中pe=(n2󰃗2)[p12-Λ(p11+p12)]≈0.22。由(2)式我们可以得到纵向拉伸时,光纤光栅的调谐范围为

(3)　　∃Κ.78Ε.78(∃L󰃗S1=0ΚB=0L)ΚB　　

式中,L为光栅的长度;∃L为纵向伸缩量。从中可以

看出调谐范围的大小正比于∃L而反比于光栅的长度。横向拉伸时,光纤光栅的调谐范围为[1]

(4)　　∃Κ.78Ε.78(d2󰃗2D2)ΚS2=0B=0BΚ式中,D为受到拉伸的光纤的长度;d为横向拉伸的范围。可以看出调谐范围的大小与d2成正比与D2成反比。

光电子󰃖激光　　2000年　第11卷　

　　从图1可看出光纤光栅Bragg波长的偏移与其所受的应力变化大致呈线形关系。这一结论与理论分析

完全符合。

图1　Bragg波长移动拟合结果

Fig.1　SimulationresultofBraggwavelengthshift

3　实验和分析

　　我们在以往研究工作的基础上[3,4],通过实验研

究了在恒定温度下光纤光栅Bragg波长随施加于其上的纵向拉伸应力和横向拉伸应力而变化的特性。实验中测试的是光纤光栅的透射谱。

　　施加纵向拉伸应力的实验采用紫外写入光纤光栅,光缜光栅的初始Bragg波长(即不加应力时的波长)为18.62nm,线宽为0.24nm,光栅长度为10实验中,光纤光栅的一头被固定,另一头用夹具mm。

夹紧,该夹具再接上放砝码的容器,实验中通过在容器中不断增添砝码来改变施加于光纤光栅上的应力。　　在实验中不断改变砝码的重量,使得光纤光栅的伸长量变化,并进而改变光纤光栅的Bragg波长。观察频谱仪测得的实验曲线,可明显看出波长的改变。逐渐加大砝码重量(即加大了伸长量)光纤光栅Bragg波长逐渐向长波长方向移动,当砝码重量加到367.6g时,Bragg波长已移到了1553.nm,带宽为0.28nm,和初始波长相比,波长偏移了5.02nm,也就是获得了5.02nm的可调谐范围。这是目前所见报道中[1,2],[5～13],相应应力条件下可得最大的调谐范围。从实验曲线还可看出,在波长偏移的过程中,线宽基本保持不变,透射谱形状基本相同,较好地反映了加应力时,Bragg波长偏移的情况。

　　图1为砝码重量不断增加时光纤光栅Bragg波长变化的实验测量结果和由此结果得出的线性拟合曲线。拟合结果为

(5)　　　　Κ.620+0.01336GB=18

　　采用横向拉伸的测试装置如图2所示。实验中使

用的同样是紫外写入光纤光栅。光纤光栅的初始Bragg波长为1550.08nm,带宽为0.15nm,光纤光栅长度为10mm,光纤光栅段无涂覆层。实验中用夹具固定光纤光栅的两端,利用步进装置逐步对光纤光栅施加侧向应力,使光纤光栅横向伸展,Bragg波长向长波长方向偏移。当步进装置推进5.9mm时,

为增大光纤光栅的强度,Bragg波长移动了1.68nm。

以便在横向拉伸时增大调谐范围,我们对光纤光栅段添加了涂覆层。添加涂覆层之后,光纤光栅的初始利用同样的实验方法,当步进装置Bragg波长不变。

推进10mm时,Bragg波长向长波长方向移动了3.02nm,在不破坏光纤光栅的前提下,调谐范围相比添加涂覆层之前增加了1.52nm。

图2　机械调谐横向拉伸测试装置

Fig.2　Schemefortransverse-extractionexperiment

offibergrating

　第1期　　郭　威等:应力作用下光纤光栅Bragg波长调谐特性的研究

・25・

　　由以上实验分析可见,光纤光栅具有较大的弹性和强度是获得较大的调谐范围的关键。横向拉伸实验中,添加涂覆层后调谐范围大大增加正说明了这一点。纵向拉伸实验中之所以获得较大的调谐范围,可能是由于在掺锗光纤拉制中添加了一定的碳,降低了对光纤强度影响最大的水分的含量,增大了光纤强度所致。因此,要获得更大的调谐范围,就必须进一步增强掺锗光纤的强度和弹性。同时,由于光纤的抗压能力要大大强于其抗拉能力,因此,对光纤光栅压缩所获得的调谐范围将远远大于拉伸时所获得的调谐范围。相关的试验情况,将在后续文章中报道。

ofBUPT,1992.32237.

[4]　黄少山,周爱红,任晓敏,黄永清.可调谐光纤光栅中变

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[5]　MGXu,JLArchambault,LReekieetal.Discrimi2

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[8]　陈根祥.光致折射率调制光纤Bragg光栅的研究:[博

4　结　论

　　我们通过实验研究了光纤光栅Bragg波长随所加拉伸应力变化的特性。在施加向应力时得到了每0.98N(≈100g)1.35nm的波长偏移量,此为目前所见报道中,在相同单位应力条件下最大的波长偏移量;在施加侧向应力时,对比了添加涂覆层的调谐情况,并得到了最大为3.02nm的调谐范围。同时还探讨了进一步扩大调谐范围的方法。参　考　文　献:

[1]　KOHill,GMeltz.FiberBraggGratingTechnology

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作者简介:

郭　威　(1973-),男,浙江杭州人,北京邮电大学光通信中心博士研究生,目前主要从事波分复用系统中关键技术的研究.

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[3]　RenXiaomin,ZhangLintao,YePeida.Experimental

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