表面浮雕式光纤光栅的新光学特性

姚　雷

(江苏师范大学 物理与电子工程学院, 江苏 徐州　221116)



表面浮雕式光纤光栅的新光学特性

姚雷

(江苏师范大学 物理与电子工程学院, 江苏 徐州221116)

摘要：通过计算机模拟研究表面浮雕式光纤布拉格光栅的新性质，得到关于这种新型光纤光栅的新的光学特性，即光纤光栅上刻蚀深度、光纤直径以及外部折射率与反射谱带宽之间的关系.这种新光学特性使得该光栅用于传感器、光通信以及激光泵浦等方面具有更大的潜在应用价值.

关键词：纳米结构;微纳光纤;光纤布拉格光栅

相比于传统光栅，表面浮雕式光纤布拉格光栅具有可永久存在、超过200 ℃的环境下不会很快消失等优点.它可进行更强的折射率调制，且体积小、质量轻，拥有的周期数也远小于之前的其它光栅数百个周期.此外，这种光纤布拉格光栅还可以测量倏逝波.

关于光栅的研究，Hill等[1]早在1978年发现了光纤光敏性，此后光纤布拉格光栅(FBG)在光通信和光传感中扮演着重要的角色[2-5].最初，光纤布拉格光栅利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成空间相位光纤光栅(外部入射光子与纤芯内部的锗离子相互作用导致了这种永久的变化)[6].然而,依赖于光纤光敏性的激光注入光纤仍有不少缺点，比如一个非常小的折射率调制、高温下不能存在以及调制起来非常麻烦等.Lin等[7]将聚焦离子束(FIB)技术用来准备这种微纳光纤布拉格光栅，改变了柱形结构，从而导致额外的光学损耗以及由于不对称结构所产生的极化.Zhang等[8]研究了微结构光纤的制备和应用.当一种新型的光纤光栅通过纳米压印的方法被制造出来后，Li与Shen等[9-10]研究了用纳米压印技术在光纤表面制成的表面浮雕式光纤布拉格光栅.为了促进有关这种光栅研究的进一步发展，对其进行计算机模拟，以求挖掘它的一些新的光学特性以及贴近实际的应用.

图1　表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅

1表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的制作与新光学特性

为模拟和推断表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅，建立的模型数据运算巨大，因而主要使用Matlab和COMSOL这2个计算模拟软件进行定义与分析，并予以解决.制作这种光纤布拉格光栅的方法是首先使得光纤直径接近10 μm，再将紫外光学材料覆盖在光纤腐蚀过的表面，最后利用这复合形式来做紫外纳米压印.这种光纤光栅在纵向方向上，指数有一个周期性的改变，周期为500 nm；刻蚀深度可以控制，刻蚀光纤直径统一为10 μm；光纤纤芯折射率指数指定为1.4457，包层折射率指数指定为1.4378.表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅如图1所示.

2两种光栅的反射谱的对比及刻蚀深度对反射谱的影响

用掩模法制作的光纤布拉格光栅和表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱的对比以及刻蚀深度对反射谱的影响如图2所示.

图2　不同刻蚀深度的光纤布拉格光栅对比图

在图2的3幅图中，2种塑造方法所制成的光纤光栅的反射率均为100%.表面浮雕式微纳光纤光栅的刻蚀深度分别为200,100,50 nm.表面刻蚀的越深，反射谱的带宽就越宽,对此的解释[11]是

(1)

式中：λ是入射光波波长；L是光栅长度；neff是有效折射率；Δn是折射率调制指数,正相关于刻蚀深度；Δλ0是光纤布拉格光栅的反射谱的带宽.通过图2和式(1)，可以看出光纤布拉格光栅的反射谱的带宽正相关于折射率调制指数，即折射率调制指数越大，光纤布拉格光栅的发射谱的带宽越宽.所以，可以通过相应压印技术实现表面浮雕式光纤光栅的反射谱带宽的增大或者减小.首先，由于表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅反射谱带宽增大,反射谱的带宽间隔变大,反射信号也能容纳很多，这样光栅可用于激光泵浦光反射，从而改善以及提高泵浦效率，此外还可以减少在输出光中泵浦光对信号光源的干扰.其次，利用表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱带宽的减少，可以制成优良的波长选择器.这样，它可以用在密集波分复用中，用来反射以及分离不同的波长,在这方面明显优于传统光纤光栅，同样也可以应用在传感器中作为传感器的光纤光栅，其反射谱的峰越窄，传感器就越敏锐，测量结果就越精确.

3表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅反射谱的变化及应用

随着外部折射率以及光纤直径变化，表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅反射谱的变化如图3所示.

图3　表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅反射谱变化图

图3(a)显示了随着光纤直径的改变，表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱也随之改变.图中表面浮雕式微纳光纤光栅的深度h都是200 nm，它们的长度也都为2 mm.从图3(a)中可看出，随着光纤直径从12 μm 增加到15 μm ，表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱变窄；直径15 μm的表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的带宽小于1 nm，而直径12 μm的表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的带宽约为1.5 nm.从式(1)可知，随着光纤直径的增加，有效折射率也就增加，从而导致反射谱的带宽变窄.表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱的谱宽可以随着光纤直径的变化增大或者减小，而这与上面的结果相类似，由此可以判断光纤纵向外力改变时光纤直径也会改变，那么放射谱也随之改变.将这个结果应用到传感器中，利用测量表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱，可以探测到外部对光纤的纵向拉力的相关数据.

在图3(b)中，随着外部折射率从1改变到1.03，表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱逐渐向短波方向移动，反射谱的峰值也越来越小.这一新性质可以用于传感器中.通过表面浮雕式微纳光纤布拉格光栅的反射谱的改变，可以测量外部材料的改变以及外部物质量的改变.例如，可以利用这一点来测量和控制石油在罐中的液体高度，即当石油的容量低于某个限定值时，则就会及时反映在反射谱上，然后就可以采取相应的措施，使它返回限定值以上.

4结语

对纳米压印制成的表面浮雕式光纤布拉格光栅进行计算机模拟，并通过对比，得出这种光纤光栅反射谱和光纤光栅刻蚀深度、光纤直径以及外部折射率之间存在的相关关系.这种新型光纤光栅的新性质使得该光栅在传感器和光通信以及激光泵浦方面具有潜在应用价值.以上研究表明表面浮雕式光纤布拉格光栅是一种新型的光纤光栅，具有一定的发展前景.

参考文献：

[1] HILL K O,FUJII Y,JOHNSON D C,et al.Photosensitivity in optical fiber waveguides:application to reflection filter fabrication[J].Applied Physics Letters,1978,32(10):647.

[2] HILL K O,MELTZ G.Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview[J].Journal of Lightwave Technology,1997,15(8):12633.

[3] GILES C R.Lightwave applications of fiber Bragg gratings[J].Journal of Lightwave Technology,1997,15(8):1391.

[4] ANDREAS O,KYRIACOS K.Fiber Bragg gratings[M].Seattle:Artech House Publishes,1999.

[5] RAO Y J.In-fibre Bragg grating sensor[J].Measurement Science &Technology,1997,8(4):355.

[6] VASILIEV S A.Photoinduced fiber gratings[C].SPIE,2001.

[7] LIN C Y,WANG L A.Loss-tunable long period fibre grating made from etched corrugation structure[J].Electronics Letters,1999,35:1872.

[8] ZHANG A P,YAN G F,GAO S R,et al.Microfluidic refractive-index sensors based on small-hole microstructured optical fiber Bragg gratings[J].Applied Physics Letters,2011,98(22):1109.

[9] LI Z W,GU Y N,WANG L,et al.Hybrid nanoimprint-soft lithography with sub-15 nm resolution[J].Nano Letters,2009,9(6):2306-2310.

[10] SHEN Y M,YAO L,LI Z W,et al.Double transfer UV-curing nanoimprint lithography[J].Nanotechnology,2013,24(46):4-13.

[11] OTHONOS A,LEE X,MEASURE R M.Superimposed multiple Bragg gratings[J].Electronics Letters,1994,30(23):1972.

(编辑徐永铭)

The Optical Properties of the Surface-Relief Fiber Bragg Gratings

YAO Lei

(School of Physics and Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China)

Abstract:This paper revealed the novel properties of the surface-relief microfiber Bragg gratings through simulating by computer.The new optical properties of the new fiber gratings were obtained including the relationships among the bandwidth of the reflection spectrum and the depth of the etching on the surface,diameter of fibers and the external material index of refraction.Furthermore, some new applications about the optical communication,laser and sensor were also obtained as a new fiber grating with the good prospects for application.

Key words:nanostructure fabrication; microfibers; fiber Bragg gratings

收稿日期：2016-04-02

基金项目：江苏省教育技术课题(2014-R-30773)

作者简介：姚雷(1986-)，男，讲师，复旦大学博士研究生，主要从事光学材料及激光应用研究.

中图分类号：TN253

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2016)02-0046-04