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1、华中科技大学 博士学位论文 光敏光纤与光纤光栅器件研究 姓名：涂峰 申请学位级别：博士 专业：光学工程 指导教师：刘德明 20091101 I 摘 要 光纤 Bragg 光栅的开拓是继掺铒光纤放大器之后光领域的又一重大技术突破，光 纤光栅可以用来制作光纤激光器、 色散补偿器、 波长转换器、 上/下话路复用器、 EDFA 增益均衡器等，这些器件都是全光网络所必不可少的。光纤光栅的 Bragg 波长随着温 度、压强呈良好的线性变化关系。光纤光栅传感器在桥梁、隧道、建筑物及航空航天 技术等方面显示了广阔的应用前景和巨大的市场潜力。 本课题从光纤光栅制作的基本材料光敏光纤开始着手进行光纤光栅及其系列
2、器件的研究。光敏光纤作为刻写光栅的材料，对光栅的性能有着十分重要的影响，在 对光敏光纤和光纤的光敏性进行研究的基础上，能够找到刻写优良性能光栅的材料。 并针对光纤光栅在实际应用过程中的机械性能和使用寿命这些实际应用需求，对光敏 光纤的机械可靠性进行了实验研究，为保证刻写出的光纤光栅的实际使用性能提供了 参考。其次对光纤光栅器件的制作和测试工艺进行了研究和开发，为光纤光栅的生产 制造和性能测试提供了工艺方法。再次针对啁啾光纤光栅色散补偿器件，对器件的用 途、设计、制造和封装等工艺进行了深入的研究；并对这种色散补偿器件的主要性能 特别是群时延波动和相位波动、偏振模色散、温度稳定性能等关键参数进行了
3、分析研 究和优化设计；在此基础上对光敏光纤进行了改进设计，研制出了适合应用的低偏振 模色散包层模抑制型光敏光纤，从而完善啁啾光纤光栅色散补偿器件的光纤生产、光 栅刻写、光栅封装、性能测试等全部制造生产关键技术。 本论文涉及到材料、光学、通信、传感等方面，主要研究成果如下： (1) 阐述了光纤光敏性的机理，将各种增加光纤光敏性能的方法进行了对比，研 究了光栅刻写用的特种光敏光纤的设计和研制。开发出高掺锗与锗硼共掺型两种光敏 光纤，通过不同掺杂的光纤光敏性能的研究，找到了最佳光敏性能光纤的设计。并采 用 ITU-T 标准测试方法对几种不同掺杂光敏光纤的动态疲劳参数、筛选强度参数、抗 拉强度参数等性
4、能进行了分析、测试和研究，得出了优化光敏光纤性能的设计工艺方 案； (2) 根据光纤光栅型器件在系统中应用的需要，针对两个关键参数：偏振模色散 II 和包层模耦合损耗，进行了优化设计，提出了低偏振模色散包层模下陷型光敏光纤。 开发出了适合于光纤光栅型器件生产所需要的新型光敏光纤材料。新型设计开发出来 的光敏光纤具有良好的光敏特性，刻写出的光纤光栅具有很高的边模抑制比和较低的 偏振模色散值， 这些特性说明其刻写材料-新型光敏光纤的良好双折射性能和包层模抑 制的能力； (3) 对啁啾光纤光栅色散补偿器件的光栅制造、封装、测试等各个方面的技术工 艺进行了深入的研究开发。同时对啁啾光纤光栅温度稳定性能
5、的高温封装方法进行了 实验与理论分析，通过优化封装设计与工艺，使得封装后的色散补偿器件能够达到较 好的温度稳定性； (4) 系统地对光纤光栅色散补偿器件的几个重要性能进行了研究，对器件的群时 延、群时延波动和相位波动这三个参数进行了详细的理论分析，并结合实验数据进行 研究。根据实际应用中的需求，对光纤光栅色散补偿器件的偏振模色散、偏振相关损 耗、插入损耗等参数进行了原理分析，并分析了这些参数对传输系统的影响。通过如 上性能的分析和测试，提出了降低啁啾光纤光栅器件时延波动、相位波动，优化其偏 振模色散与偏振相关损耗的方法。 关键词关键词：光纤光栅 光纤传感 光纤通信 光敏光纤 色散补偿 相位波动
6、 偏振模色散 III Abstract The development of Fiber Bragg Grating (FBG) is a great breakthrough follow the Erbim Doped Fiber Amplifier (EDFA) in optical area. FBG can be used in fiber laser, dispersion compensator, wavelength convertor, add/drop multiplexer, EDFA equalizer et al, these devices are all indi
7、spensible in all optical networks. The Bragg wavelength of FBG has the well linearity with the temperature and pressure, it can be used as the sensor cell of many phisical parameters. This kind of optical fiber sensor has shown vastitude application foreground and huge market potential in bridge, tu
8、nnel, construction, aviation and space areas. This thesis studies from the base material of fiber grating-photosensitive fiber, then research on the fiber grating and the series of fiber devices. The photosensitive fiber is the base material for write fiber grating, would influence the fiber grating
9、s performance greatly. Form the study of photosensitive fiber and the fibers photosensitivity, the best way to get the high quality fiber grating would be got. Then deep research on the application of fiber grating in the optical communication and sensing areas, especially on the chromatic dispersio
10、n compensation device. Study the fiber design, fiber grating fabrication, encapsulation of the device, performance measurement of the device. Based on these researches, design and optimize the photosensitive fiber, develop the low PMD cladding mode depressed photosensitive fiber for the fiber bragg
11、grating devices application. Then the fiber fabrication, grating written, grating encapsulation, performance measurement of chirp fiber bragg grating chromatic dispersion compensation device have been realized. This thesis involves material, optical, communication, sensing areas, the main research p
12、roduction are: (1) Expound the theory of fibers photosensitivity, compare the many kinds of method to increase the fibers photosensitivity, design and fabricate the special photosensitive fiber for fiber grating writing. Developed two kinds of photosensitive optical fiber: the high Ge doped photosen
13、sitive fiber and Ge/B codoped photosensitive fiber, with compare the two kinds photosensitive optical fibers photosensitivity, find the advanced photosensitivity design of optical fiber. Adopt the ITU-T standard test methods to measure, analyze, and study the different doping photosensitive fibers d
14、ynamic fatigue, prooftest strength, IV tensile strength; (2) Based on the requirement in the system application, optimize two key characters of the FBG: polarization mode dispersion and cladding mode couplling loss. Bring forward the low PMD CMS photosensitive fiber, research the fiber design, perfo
15、rmance measurement, and grating write condition. FBG written by this new fiber shown the high cladding mode depression and low PMD value, these characters indicate that this new fiber has the well birefringence and cladding mode depression abilities; (3) Deep research on the fiber grating chromatic
16、dispersion compensators every aspect, such as the FBG fabrication, encapsulation, measurement. Theoretical and experimental analyze of the chirp FBG high temperature encapsulation method for optimize the temperature stability; (4) System research of several important characters of the FBG dispersion compensator device. Combine the experiment data to deep theoretical research on the group delay, group delay ripple, and phase ripple. Base on the practice application, analyze the PM
