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线性啁啾光纤光栅局部点加热光谱特性的研究.docx
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线性啁啾光纤光栅局部点加热光谱特性的研究.docx
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0. 引 言
光纤布拉格光栅作为一种常见光纤无源器件,具有体积小、稳定性高、成本低廉、易
与光纤连接、插入损耗低等优点。通过改变其折射率调制方式,可以灵活多样地实现对波
长的选择,达到带通滤波的效果,因此目前被广泛应用于光纤激光技术、光纤传感和光纤
通信等领域
[1-3]
。
线性啁啾光纤光栅(Linearly Chirped FBG,LCFBG)具有较宽的反射带宽和出色的
色散补偿能力,常被用于波分复用系统、色散补偿和激光脉冲压缩等应用技术中
[4-5]
。而啁
啾相移光纤光栅,则是将啁啾光纤光栅的宽带特性与相移光纤光栅的窄带透射窗口特性相
结合,通过在栅区控制相移突变点的大小、位置和数量,便可在透射禁带中实现一个或多
个带宽较窄、透射率可控的透射窗口,因此可用于窄线宽单频光纤激光器、光通信中的多
路波分解复用等应用中
[6-7]
。利用传统的相位掩模板法制作啁啾相移光纤光栅,虽然制作过
程较为简单,可重复大量制备,但是只能制作固定透射窗口的啁啾相移光纤光栅,且掩模
板价格较为昂贵。其他诸如遮挡法、二次处理法、相位掩模板移动法,在相位突变引入精
度控制方面要求较高,且重复性不甚理想
[8-9]
。此外,啁啾光纤光栅中相移的引入,还可通
过对栅区局部进行外部调制的方法来实现,且这种外部调制引起的相移变化具有可逆性、
响应速度快等特点。例如,利用压电陶瓷在栅区某一位置施加外力,通过改变驱动电压实
现该位置栅区处的微小形变,从而获得可调谐相移突变
[10]
。这种引入相移的方法具有调节
简单、可准确控制相移量等优点,但相移点位置固定,相移点数量受压电陶瓷数量所限
制。相对于施加外力的方式,通过对栅区进行局部点加热而引入瞬时相移的方法,则成本
相对低,在引入相移点的数量、位置等方面操作更为灵活方便
[11]
。
文中对线性啁啾光纤布拉格光栅进行局部点加热时,在不同情况下的输出光谱特性进
行了深入而系统的研究。基于数值模拟的结果,利用可编程热敏打印头的加热阵列作为局
部点加热源,通过控制加热温度、加热宽度以及加热位置,对 LCFBG 在局部点加热时的
输出光谱特性进行了实验验证。
1. LCFBG 局部点加热理论分析及数值模拟
1.1 理论分析
LCFBG 是光栅周期 Λ(z)沿光栅轴向呈线性变化的啁啾光纤布拉格光栅。由于不同栅
区位置处的光栅周期对应不同的布拉格反射波长,根据布拉格反射波长公式:
λD(z) = 2neffΛ(z)λD(z) = 2neffΛ(z)
(1)
可知,LCFBG 可具有很宽的反射带宽。公式(1)中,n
eff
为 LCFBG 纤芯的有效折射
率,光栅周期 Λ(z)可表示为:
Λ(z) = Λ0+C2neffzΛ(z) = Λ0+C2neffz
(2)
式中:Λ
0
为 LCFBG 栅区中心位置对应的初始光栅周期,啁啾系数
C = dλDdzC = dλDdz
[12]
。由光栅周期啁啾化引入的相移量为:
12dϕdz=−4πneffzλ2D(z)dλDdz=−C4πneffzλ2D(z)12dϕdz=−4πneffzλD2(z)dλDdz=−C4πneffzλD2(z)
(3)
从上式可以看出,LCFBG 的相移变化与有效折射率、光栅周期等参数密切相关。而
这些参数对诸如温度、应力等外界条件的变化较为敏感。当温度发生变化时,光栅周期和
有效折射率都将发生如下变化
[13]
:
neff′ = neff + Δneff = neff(1+ξΔT)neff′ = neff + Δneff = neff(1+ξΔT)
(4)
Λ′(z)=Λ(z)+ΔΛ = Λ(z)(1+αΔT)Λ′(z)=Λ(z)+ΔΛ = Λ(z)(1+αΔT)
(5)
式中:ξ 为热光系数;α 为热膨胀系数;ΔT 为温度变化量。同时,布拉格波长也将发
生漂移:
λD′(z)=λD(z)+(α+ξ)λD(z)ΔTλD′(z)=λD(z)+(α+ξ)λD(z)ΔT
(6)
根据公式(3)可知,如果对 LCFBG 栅区某一局部位置进行加热(如图 1 所示),其栅
区的线性啁啾特性将会被破坏,在该位置处的相移量将会发生突变。这将和啁啾相移光纤
光栅一样,在其透射禁带中会产生一窄带透射峰。通过改变 LCFBG 局部加热点的位置 z、
温度 ΔT、宽度 ΔL 和数量等参数,其透射禁带中透射峰的透射率、中心波长、带宽以及透
射峰个数亦将随之发生变化。
图 1 LCFBG 局部点加热理论模型示意图
Fig. 1 Schematic of the local heating model of LCFBG
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.2 数值模拟
根据上述理论分析,采用光纤光栅传输矩阵法,对局部点加热的 LCFBG 输出光谱特
性进行了理论模拟。设定宽带高反 LCFBG 栅区中心位置对应的布拉格波长 λ
0
=1550 nm,
栅区长度 L=15 mm,有效折射率 n
eff
=1.453,啁啾系数 C=2 nm/cm,此时透射禁带宽度约为
2.45 nm(不是透射谱带宽)。需要说明的是,在数值模拟过程中,没有考虑在 LCFBG 栅
区局部加热位置两侧存在的热传导现象。
当对 LCFBG 栅区中心位置处进行局部点加热,且加热宽度 ΔL=0.25 mm 时,在温度
变化 ΔT 分别为 110 ℃、135 ℃和 150 ℃的情况下,其透射光谱图如图 2(a)所示。从图中可
以看出,当 ΔT 在 135 ℃附近时,温度变化引起的相移突变量 Δφ 接近 π,窄带透射峰的透
射率接近 100%,且其中心波长位于 LCFBG 透射禁带的中心位置附近。随着温度变化量
ΔT 增大,该窄带透射峰的中心波长将向长波长方向移动,且由于相移突变量 Δφ 具有周期
性,透射峰中心波长将在小于透射禁带宽度的一定范围(Δλ=0.34 nm)内,随 ΔT 以周期
约为 225 ℃的规律变化。同时,窄带透射峰的透射率以相同的温度变化周期发生规律性变
化,如图 2(b)所示。该周期的大小主要受加热宽度 ΔL 的影响,如图 2(c)所示。随着加热宽
度的增加,该周期值逐渐减小,且减小趋势逐渐平缓,而窄带透射峰在透射禁带范围内的
扫描范围 Δλ 基本上不随加热宽度的增加而发生变化。
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