第33卷 第8期
2006年8月
中
国 激 光
C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS
Vol. 33, No. 8
August , 2006
文章编号:025827025(2006) 0821078203
新型保偏光纤温度特性的测试方法
宁提纲, 秦 曦, 裴 丽, 谭中伟, 童 治, 简水生
(北京交通大学光波技术研究所, 全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京100044)
摘要 保偏光纤(PMF ) 在相干光通信、光纤激光器、光纤传感、光纤陀螺中应用广泛, 温度稳定性是其在实际应用中的一个十分关键的问题。理论和实验分析了保偏光纤上写入光栅的特性, 。结果表明, 随温度升高, 偏振反射峰的间隔缩小。、方便地获得保偏光纤温度特性的新方法。测试了保偏光纤-40～130℃, 。关键词 光纤光学; 保偏光纤; ; 中图分类号 A Novel W ay to Measure the T emperature Characteristic of
Polarization 2Maintaining Fiber
N IN G Ti 2gang , Q IN Xi , PEI Li , TAN Zhong 2wei , TON G Zhi , J IAN Shui 2sheng
(Key L aboratory of A ll O ptical N etw ork &A dvanced Telecomm unication N etw ork , M inist ry of Education ,
I nstitute of L i ghtw ave Technology , B ei j ing J iaotong Universit y , B ei j ing 100044, China )
Abstract Polarization 2maintaining fibers (PMF ) are widely used in coherent optical communication systems , optical fiber sensors , optical fiber lasers , optical fiber gyros , and so on. The temperature stability is one of the key factors for the application of such fiber. In this paper , the characteristics of the fiber Bragg grating (FB G ) fabricated in the PMF are analyzed by both of the theory and experiments. The results show that the higher of the temperature , the narrower of the polarization peak space. This is the theory basis of the high resolution new method to get the temperature characteristic of PMF. The experiments for the PMF at temperature range f rom -40℃to 130℃are measured , and the results agree well with the theory analysis.
K ey w ords fiber optics ; polarization 2maintaining fiber ; fiber Bragg grating ; biref ringence ; temperature characteristic
1 引 言
保偏光纤(PMF ) 是一类具有重要使用价值的特种光纤[1～5], 其主要参数是工作波长、截止波长、模场直径、数值孔径、衰减、拍长、偏振串音、偏振温度稳定性等, 其中拍长、偏振串音、偏振温度稳定性在光纤制作完成后, 主要由光纤的双折射温度特性决定。保偏光纤的双折射测量主要是压力法, 受到测试光源及其步进电机的影响, 测试复杂且精度不高[6]。保偏光纤经常会应用在各种不同的环境中,
收稿日期:2005212214; 收到修改稿日期:2006202222
周围环境的变化会对保偏光纤的性能产生影响。如
用于航空航天领域的光纤陀螺, 要求保偏光纤的偏振性能能够经受温度的考验。低温下光纤中产生压应力会导致光纤微弯和模式耦合, 使光纤的偏振性能恶化, 因此, 保偏光纤的偏振温度稳定性成为研究保偏光纤的重要课题[5～7]。
利用紫外光在光纤纤芯中写入光栅可以广泛应用于光纤通信与传感中[7～10]。写入的光栅反射波长由掩模板的周期和光纤的有效折射率决定, 在掩模板周期确定的情况下,
利用写入测定的光纤光栅
基金项目:国家863计划(2004AA31G200) , 国家自然科学基金(60477017) , 北京市自然科学基金(4052023) 和霍英东基金(91062) 资助项目。
) , 男, 北京交通大学博士, 特聘教授, 主要从事高速光通信系统、 作者简介:宁提纲(1968—大光纤传感、大功率包层抽运激
光器方面的研究。E 2mail :tgning@center. njtu. edu. cn
8期 宁提纲等:新型保偏光纤温度特性的测试方法1079
波长就可以知道光纤的折射率。在保偏光纤写入的光栅, 由于它的高双折射, 它的快慢轴对应的反射波长不同。本文利用熊猫保偏光纤(以下简称为保偏光纤) 上写入光栅的特性, 提出了一种新的研究保偏光纤双折射及其温度特性的方法。这种测试方法避免了压力法测试的不足, 可以高精度测试保偏光纤的双折射。
是常数; GeO 2在光纤中的物质的量含量为13%; 熊猫保偏光纤的椭圆度取为1, 光源波长为1554. 4nm 。双折射的测量采用偏振万用表。
3 保偏光栅测保偏光纤双折射原理
光纤写入光栅的波长(λB ) 由光纤的有效群折
) 决定, 即[8]射率n eff 与掩模板的周期(Λ
λ(3) B =n eff Λ, , , 为
, 轴, y 轴; 对x 轴, y , x 轴和y 轴是不同的, 它们之间反射的波长差由保偏光纤的双折射决定。保偏光纤写入光栅的反射波长差可以表示为
y x y x
Δλ(4) B =λB -λB =n neff Λ-n neff Λ,
由此可以计算出所用的保偏光纤的双折射为
y x
Δn B =(λ(5) B -λB ) /Λ,
从式(3) ～(5) 可以知道, 如果测量得到在保偏光纤上写入光栅的反射波长, 就可以得出保偏光纤的双折射值; 并且由于利用掩模板, 相当于把双折射放大了, 测量的精度大大提高。
为了写入光栅更加容易, 保偏光纤事先经过140×102kPa 的高纯氢气在室温下处理4周。采用相位掩模紫外曝光法写入光栅, 紫外光源为TureLaser 的BraggStar 200, 紫外光能量为10mJ , 写入用的紫外光频率为25Hz , 相位掩模板的周期为1068nm , 使用的保偏光纤相对折射率剖面如图2, 图3为保偏光纤上写入光栅的反射谱, 从图3(b ) 可以推算出写入光
栅用的保偏光纤双折射为3. 48×10-4。
2 温度对保偏光纤的影响
保偏光纤的种类较多, 真正性能优良得到成熟
[2,3]
B =T ε, 1+γ
(1)
) 为光弹常数, 与波其中E 为光纤的杨氏模量; C (λ
α为温度导致的包层膨胀因子长有关; γ为泊松比; Δ
与硅管膨胀因子的差; ΔT 为室温与纤芯软化的温度差; ε为保偏光纤的椭圆度。与保偏有关的特性好
坏都是保偏光纤的双折射大小决定的, 从式(1) 可以看出, 如果保偏光纤周围温度发生变化, 就会引起光纤本身的拍长(L p =λ/B ) 、偏振串音、偏振消光比发生变化。
光纤中掺杂的成分影响保偏光纤的膨胀因子, 设m 为GeO 2或B 2O 3的物质的量浓度, 那么掺硼或掺锗光纤的膨胀因子可以表示为[2]
Δα=(5. 6+1. 04m ) ×10-7deg -1。
(2)
以20℃温度下保偏光纤的双折射值为参考(以
20℃的值与其他温度下测得的双折射作差) , 对保偏光纤的双折射在-40～130℃之间的温度特性进行了计算和测量, 如图1。计算采用的光纤杨氏模量为7. 75×109, 光弹常数为-3. 5×10-11, 与波长有关, 但在这里, 研究的光波长带宽很窄, 可以认为
图2保偏光纤的三维相对折射率剖面
Fig. 2Relative 3D index of PMF
图1熊猫保偏光纤的温度影响理论与实验
Fig. 1Theoretical and experimental change of Panda PMF ′s biref ringence at different temperature
把均匀掩模板写入的保偏光纤光栅先经过
150℃退火6h (如果仅用于测定保偏光纤的参数, 写入光栅的保偏光纤不需要氢载, 可以省略氢载和退火的程序) 。测试用的温度控制系
统(德国
1080中 国 激 光 33卷
WEISS W T180) , 温度控制范围为-40～180℃, 控
制精度为0. 1℃。
在测试光栅任意温度点的特性之
前, 光栅都被放置在该温度点保持2h 以上, 以保证
温度分布的均匀, 图4为保偏光纤光栅温度特性测试结果。图4(a ) 为保偏光纤光栅反射波长与温度的关系“, □”和“○”为测试值, 直线为拟合线; 图4(b ) 为保偏光纤的快慢轴20℃时的折射率作各自的参考(其变化值为20℃的值减其他温度下的值) , 在不同温度下, 保偏光纤快慢轴的折射率变化差, 其中折射率的计算采用了式(4) 。利用保偏光纤光栅的。
利用保偏光纤上写入光栅可以测定其双折射, 保偏光纤光栅的温度特性可以很好地反映其双折射特性, 从而可以简单方便地研究保偏光纤的拍长、偏振串音、偏振温度稳定性。
参
考文
献
1 D. N. Payne , A. J. Barlow , J. J. R. Hansen. Development
of low 2and high 2birefringence optical fibers [J].J. Quant um
218(4) :477～488Elect ron. , 1982, QE
2 Rongfeng Guan , Xueli Wang , Xuefang Wang et al. . Finite
element analysis on stress 2induced birefringence of polarization 2maintaining optical fiber [J].Chin. Opt. Lett. , 2005, 3(1) :42～453 J. Noda , K. Okamoto , Y. Sasaki. Polarization 2maintaining fibers and t heir applications [J ].J. Li ght w ave Technol. , 1986, LT 24(8) :1071～1089
4 Kyung J un Han , Y ong Wook Lee , J aejoong Kwon et al. .
Simultaneous measurement of strain and temperature incorporating a long 2period fiber grating inscribed on a polarization 2maintaining fiber [J ].I E E E Photon. Technol. Lett. , 2004, 16(9) :2114～21165 Miroslav Chomat. Efficient suppression of t hermally induced
nonreciprocity in fiber 2optic Sagnac interferometers wit h novel double 2layer winding [J].A p pl. Opt. , 1993, 32(13) :2289～22916 Lin Min , Huang Jianjun , Gu Xiaozhong. The automatic testing for beat lengt h of fiber [J ].Journal of S henz hen Universit y (Science &Engi neeri ng ) , 1998, 15(2～3) :60～64 林 敏, 黄建军, 古晓忠. 自动测量保偏光纤拍长的实验研究
[J].深圳大学学报(理工版) , 1998, 15(2～3) :60～64
7 K. K illian , M. Burmenko , W. Hollinger. High performance fiber optic gyroscope wit h noise reduction [C ].S PI E , 1994, 2292:255～2638 C. R. G iles. Lightwave applications of fiber Bragg gratings
[J].J. Li ght w ave Technol. , 1997, 15(8) :1391～14049 Ning Tigang , Fu Y ongjun , Tan Zhongwei et al. . Study on
delay characteristics of cascaded chirped FB Gs [J].Chinese J . L asers , 2004, 31(1) :77～80 宁提纲, 傅永军, 谭中伟等. 光纤光栅级联时延特性的研究[J].
中国激光, 2004, 31(1) :77～80
10 He Wei , Xu Xiandong , Jiang Desheng. High 2sensitivity fiber
Bragg grating temperature sensor wit h polymer jacket and it s low 2temperature characteristic [J].Acta Optica S inica , 2004, 24(10) :1316～1319 何 伟, 徐先东, 姜德生. 聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度
传感器及其低温特性[J].光学学报, 2004, 24(10) :1316～1319
图3保偏光纤光栅不同温度下的反射谱
Fig. 3Reflective spectra of PMF gratings at
different
temperatures
图4保偏光纤光栅波长(a ) 和双折射(b ) 与
温度的关系
Fig. 4Relation of PMF wavelength (a ) and
biref ringence (b ) versus temperature
第33卷 第8期
2006年8月
中
国 激 光
C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS
Vol. 33, No. 8
August , 2006
文章编号:025827025(2006) 0821078203
新型保偏光纤温度特性的测试方法
宁提纲, 秦 曦, 裴 丽, 谭中伟, 童 治, 简水生
(北京交通大学光波技术研究所, 全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京100044)
摘要 保偏光纤(PMF ) 在相干光通信、光纤激光器、光纤传感、光纤陀螺中应用广泛, 温度稳定性是其在实际应用中的一个十分关键的问题。理论和实验分析了保偏光纤上写入光栅的特性, 。结果表明, 随温度升高, 偏振反射峰的间隔缩小。、方便地获得保偏光纤温度特性的新方法。测试了保偏光纤-40～130℃, 。关键词 光纤光学; 保偏光纤; ; 中图分类号 A Novel W ay to Measure the T emperature Characteristic of
Polarization 2Maintaining Fiber
N IN G Ti 2gang , Q IN Xi , PEI Li , TAN Zhong 2wei , TON G Zhi , J IAN Shui 2sheng
(Key L aboratory of A ll O ptical N etw ork &A dvanced Telecomm unication N etw ork , M inist ry of Education ,
I nstitute of L i ghtw ave Technology , B ei j ing J iaotong Universit y , B ei j ing 100044, China )
Abstract Polarization 2maintaining fibers (PMF ) are widely used in coherent optical communication systems , optical fiber sensors , optical fiber lasers , optical fiber gyros , and so on. The temperature stability is one of the key factors for the application of such fiber. In this paper , the characteristics of the fiber Bragg grating (FB G ) fabricated in the PMF are analyzed by both of the theory and experiments. The results show that the higher of the temperature , the narrower of the polarization peak space. This is the theory basis of the high resolution new method to get the temperature characteristic of PMF. The experiments for the PMF at temperature range f rom -40℃to 130℃are measured , and the results agree well with the theory analysis.
K ey w ords fiber optics ; polarization 2maintaining fiber ; fiber Bragg grating ; biref ringence ; temperature characteristic
1 引 言
保偏光纤(PMF ) 是一类具有重要使用价值的特种光纤[1～5], 其主要参数是工作波长、截止波长、模场直径、数值孔径、衰减、拍长、偏振串音、偏振温度稳定性等, 其中拍长、偏振串音、偏振温度稳定性在光纤制作完成后, 主要由光纤的双折射温度特性决定。保偏光纤的双折射测量主要是压力法, 受到测试光源及其步进电机的影响, 测试复杂且精度不高[6]。保偏光纤经常会应用在各种不同的环境中,
收稿日期:2005212214; 收到修改稿日期:2006202222
周围环境的变化会对保偏光纤的性能产生影响。如
用于航空航天领域的光纤陀螺, 要求保偏光纤的偏振性能能够经受温度的考验。低温下光纤中产生压应力会导致光纤微弯和模式耦合, 使光纤的偏振性能恶化, 因此, 保偏光纤的偏振温度稳定性成为研究保偏光纤的重要课题[5～7]。
利用紫外光在光纤纤芯中写入光栅可以广泛应用于光纤通信与传感中[7～10]。写入的光栅反射波长由掩模板的周期和光纤的有效折射率决定, 在掩模板周期确定的情况下,
利用写入测定的光纤光栅
基金项目:国家863计划(2004AA31G200) , 国家自然科学基金(60477017) , 北京市自然科学基金(4052023) 和霍英东基金(91062) 资助项目。
) , 男, 北京交通大学博士, 特聘教授, 主要从事高速光通信系统、 作者简介:宁提纲(1968—大光纤传感、大功率包层抽运激
光器方面的研究。E 2mail :tgning@center. njtu. edu. cn
8期 宁提纲等:新型保偏光纤温度特性的测试方法1079
波长就可以知道光纤的折射率。在保偏光纤写入的光栅, 由于它的高双折射, 它的快慢轴对应的反射波长不同。本文利用熊猫保偏光纤(以下简称为保偏光纤) 上写入光栅的特性, 提出了一种新的研究保偏光纤双折射及其温度特性的方法。这种测试方法避免了压力法测试的不足, 可以高精度测试保偏光纤的双折射。
是常数; GeO 2在光纤中的物质的量含量为13%; 熊猫保偏光纤的椭圆度取为1, 光源波长为1554. 4nm 。双折射的测量采用偏振万用表。
3 保偏光栅测保偏光纤双折射原理
光纤写入光栅的波长(λB ) 由光纤的有效群折
) 决定, 即[8]射率n eff 与掩模板的周期(Λ
λ(3) B =n eff Λ, , , 为
, 轴, y 轴; 对x 轴, y , x 轴和y 轴是不同的, 它们之间反射的波长差由保偏光纤的双折射决定。保偏光纤写入光栅的反射波长差可以表示为
y x y x
Δλ(4) B =λB -λB =n neff Λ-n neff Λ,
由此可以计算出所用的保偏光纤的双折射为
y x
Δn B =(λ(5) B -λB ) /Λ,
从式(3) ～(5) 可以知道, 如果测量得到在保偏光纤上写入光栅的反射波长, 就可以得出保偏光纤的双折射值; 并且由于利用掩模板, 相当于把双折射放大了, 测量的精度大大提高。
为了写入光栅更加容易, 保偏光纤事先经过140×102kPa 的高纯氢气在室温下处理4周。采用相位掩模紫外曝光法写入光栅, 紫外光源为TureLaser 的BraggStar 200, 紫外光能量为10mJ , 写入用的紫外光频率为25Hz , 相位掩模板的周期为1068nm , 使用的保偏光纤相对折射率剖面如图2, 图3为保偏光纤上写入光栅的反射谱, 从图3(b ) 可以推算出写入光
栅用的保偏光纤双折射为3. 48×10-4。
2 温度对保偏光纤的影响
保偏光纤的种类较多, 真正性能优良得到成熟
[2,3]
B =T ε, 1+γ
(1)
) 为光弹常数, 与波其中E 为光纤的杨氏模量; C (λ
α为温度导致的包层膨胀因子长有关; γ为泊松比; Δ
与硅管膨胀因子的差; ΔT 为室温与纤芯软化的温度差; ε为保偏光纤的椭圆度。与保偏有关的特性好
坏都是保偏光纤的双折射大小决定的, 从式(1) 可以看出, 如果保偏光纤周围温度发生变化, 就会引起光纤本身的拍长(L p =λ/B ) 、偏振串音、偏振消光比发生变化。
光纤中掺杂的成分影响保偏光纤的膨胀因子, 设m 为GeO 2或B 2O 3的物质的量浓度, 那么掺硼或掺锗光纤的膨胀因子可以表示为[2]
Δα=(5. 6+1. 04m ) ×10-7deg -1。
(2)
以20℃温度下保偏光纤的双折射值为参考(以
20℃的值与其他温度下测得的双折射作差) , 对保偏光纤的双折射在-40～130℃之间的温度特性进行了计算和测量, 如图1。计算采用的光纤杨氏模量为7. 75×109, 光弹常数为-3. 5×10-11, 与波长有关, 但在这里, 研究的光波长带宽很窄, 可以认为
图2保偏光纤的三维相对折射率剖面
Fig. 2Relative 3D index of PMF
图1熊猫保偏光纤的温度影响理论与实验
Fig. 1Theoretical and experimental change of Panda PMF ′s biref ringence at different temperature
把均匀掩模板写入的保偏光纤光栅先经过
150℃退火6h (如果仅用于测定保偏光纤的参数, 写入光栅的保偏光纤不需要氢载, 可以省略氢载和退火的程序) 。测试用的温度控制系
统(德国
1080中 国 激 光 33卷
WEISS W T180) , 温度控制范围为-40～180℃, 控
制精度为0. 1℃。
在测试光栅任意温度点的特性之
前, 光栅都被放置在该温度点保持2h 以上, 以保证
温度分布的均匀, 图4为保偏光纤光栅温度特性测试结果。图4(a ) 为保偏光纤光栅反射波长与温度的关系“, □”和“○”为测试值, 直线为拟合线; 图4(b ) 为保偏光纤的快慢轴20℃时的折射率作各自的参考(其变化值为20℃的值减其他温度下的值) , 在不同温度下, 保偏光纤快慢轴的折射率变化差, 其中折射率的计算采用了式(4) 。利用保偏光纤光栅的。
利用保偏光纤上写入光栅可以测定其双折射, 保偏光纤光栅的温度特性可以很好地反映其双折射特性, 从而可以简单方便地研究保偏光纤的拍长、偏振串音、偏振温度稳定性。
参
考文
献
1 D. N. Payne , A. J. Barlow , J. J. R. Hansen. Development
of low 2and high 2birefringence optical fibers [J].J. Quant um
218(4) :477～488Elect ron. , 1982, QE
2 Rongfeng Guan , Xueli Wang , Xuefang Wang et al. . Finite
element analysis on stress 2induced birefringence of polarization 2maintaining optical fiber [J].Chin. Opt. Lett. , 2005, 3(1) :42～453 J. Noda , K. Okamoto , Y. Sasaki. Polarization 2maintaining fibers and t heir applications [J ].J. Li ght w ave Technol. , 1986, LT 24(8) :1071～1089
4 Kyung J un Han , Y ong Wook Lee , J aejoong Kwon et al. .
Simultaneous measurement of strain and temperature incorporating a long 2period fiber grating inscribed on a polarization 2maintaining fiber [J ].I E E E Photon. Technol. Lett. , 2004, 16(9) :2114～21165 Miroslav Chomat. Efficient suppression of t hermally induced
nonreciprocity in fiber 2optic Sagnac interferometers wit h novel double 2layer winding [J].A p pl. Opt. , 1993, 32(13) :2289～22916 Lin Min , Huang Jianjun , Gu Xiaozhong. The automatic testing for beat lengt h of fiber [J ].Journal of S henz hen Universit y (Science &Engi neeri ng ) , 1998, 15(2～3) :60～64 林 敏, 黄建军, 古晓忠. 自动测量保偏光纤拍长的实验研究
[J].深圳大学学报(理工版) , 1998, 15(2～3) :60～64
7 K. K illian , M. Burmenko , W. Hollinger. High performance fiber optic gyroscope wit h noise reduction [C ].S PI E , 1994, 2292:255～2638 C. R. G iles. Lightwave applications of fiber Bragg gratings
[J].J. Li ght w ave Technol. , 1997, 15(8) :1391～14049 Ning Tigang , Fu Y ongjun , Tan Zhongwei et al. . Study on
delay characteristics of cascaded chirped FB Gs [J].Chinese J . L asers , 2004, 31(1) :77～80 宁提纲, 傅永军, 谭中伟等. 光纤光栅级联时延特性的研究[J].
中国激光, 2004, 31(1) :77～80
10 He Wei , Xu Xiandong , Jiang Desheng. High 2sensitivity fiber
Bragg grating temperature sensor wit h polymer jacket and it s low 2temperature characteristic [J].Acta Optica S inica , 2004, 24(10) :1316～1319 何 伟, 徐先东, 姜德生. 聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度
传感器及其低温特性[J].光学学报, 2004, 24(10) :1316～1319
图3保偏光纤光栅不同温度下的反射谱
Fig. 3Reflective spectra of PMF gratings at
different
temperatures
图4保偏光纤光栅波长(a ) 和双折射(b ) 与
温度的关系
Fig. 4Relation of PMF wavelength (a ) and
biref ringence (b ) versus temperature