[发明专利]光纤光栅调谐装置和光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤器件，特别是可调谐的光纤光栅。

背景技术

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而形成。一般而言，有两种类型的光纤光栅：光纤Bragg光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPFG)，长周期光纤光栅(LPFG)与光纤Bragg光栅(FBG)的差异在于长周期光纤光栅(LPFG)的光栅周期远长于光纤Bragg光栅(FBG)的光栅周期。

FBG反射波长为λ_B的光，有λ_B＝2nΛ_B，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，n是光纤芯的有效折射率，Λ_B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。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Δλ_B＝λ_B(1-p)ε_z，其中p是有效应变光学常数。对于给定的温度变化ΔT，该FBG的中心波长漂移是Δλ_B＝λ_B(α_A+α_B)ΔT，其中α_A是光纤的热膨胀系数，α_B代表热光系数。一个典型的中心波长在1550nm的FBG，应变导致的波长漂移约为2pm/με，温度变化引起的波长漂移约为12.8pm/℃。这些物理特性可用于调节FBG的中心波长，即采用可控制应变或热加到FBG上。

长周期光纤光栅(LPFG)与光纤Bragg光栅(FBG)具有相似的结构，但LPFG的光栅周期Λ_L远长于FBG的周期Λ_B，通常Λ_L是Λ_B的200至2000倍以上。LPFG光纤中的基模耦合到包层模，而激发的包层模衰减，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。

长周期光纤光栅的基模与包层模在波长λ_mL耦合的相位匹配条件可以表达为：λ_mL＝(n_core-n_cl^m)Λ_L，其中，n_core是基模的有效折射率，n_cl^m是第m阶包层模的有效折射率，Λ_L是长周期光纤光栅的周期。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_mL，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。类似于FBG，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加热进行调谐。

对于各种应用，诸如以光纤光栅为基础的可调谐滤波器、光纤传感器解调系统和可调谐光纤激光器，能对光纤光栅的共振波长进行大范围的调谐是很有意义的。正如前面已经提到的，光纤光栅可通过应变(例如，拉伸或压缩)进行调谐，或通过加热进行调谐。然而，热调谐的问题是它可能导致光纤光栅的加热退化和调谐范围相对较小。对于应变调谐，已知压缩光纤光栅比拉伸光纤光栅具有更大的调谐范围，因为光纤的抗压强度比抗拉强度高过20倍。然而，由于光纤非常细小，例如，典型的光纤直径约为125um，因此，如何作用轴向压缩应变到光纤上而确保光纤没有诱导弯曲确有不少困难。