光纤通信系统522光栅 ppt课件

光纤光栅 （Fiber Bragg grating ） n光敏性与光纤光栅 n分类 n制作方法 n应用 n光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将 光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导 器件。 n发展： 1978年Hill发现光敏特性并成功制作FBG 1989年Meltz提出的横向写入制造方法 1993年Hill等人提出的相位掩膜制造法 光纤光栅器件逐步走向实用化 光敏特性 n光纤的折射率在紫外光照射下，随光强 发生变化的特性。 n光纤的这种光致折射率变化具有稳定性 ，可保持永久性不变。 n利用紫外光就可以将一些特定的光波导 结构写入光纤中，形成光纤型光波导器 件。 n光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全 研究清楚 n较为普遍的观点：由于诱导光（紫外光） 的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产 生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中 ，从而改变了光纤的吸收、散射等光学特 性，出现折射率的变化；另外，在光照射 过程中，光纤材料结构释放诱导应力以及 构形的畸变等也导致了折射率的变化。 n这种光折变效应主要发生在近紫外波段 n最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中 ，后来研究发现，具有光敏特性的光纤 种类很多，有些是掺磷或硼，并不一定 都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明 显。有时根据需要为了加大折射率的变 化程度，就会选用高掺杂的光纤。 n折射率的永久性改变 n与掺杂锗的浓度基本上成正比关系，与 所用的紫外光源类型及照射到材料上的 能量密度有关 n对光纤材料进行高压低温H2扩散，可以 极大地提高光纤材料的光敏性； nB/Ge双掺杂材料具有较高的光敏性； 各种光纤材料光敏特性 光纤纤纤纤 芯掺杂类掺杂类 型 最大光致折射率 掺掺Ge光纤纤10-310-2 普通通信光纤纤10-3 B/Ge光纤纤10-310-2 掺掺P光纤纤 10-3 硫化物光纤纤 10-4（可见光） 光纤光栅的制作 n基于光纤的光敏特性，可以利用紫外 光将特定的波导结构写入到光纤中 n根据波导结构构造相应的光场分布 n制作方法： 纵向写入法 （早期） 双光束干涉法 横向写入法 相位掩膜法 （主要） 逐点写入法 nL=l0/(2sinq) n缺陷是对光源的相干性要求较高，对制 造环境要求极严，重复性差 双光束干涉法 L l0l0 q 相位掩膜法 n产生的光纤光栅周期为掩膜光栅周 期的一半，与入射光无关，因此对 光源的相干性要求不高，并且稳定 、易于准直，重复性好，可以简化 光纤光栅的制作系统。 n缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通 常只能制造一种光栅。 逐点写入法 n一种非相干写入技术 n利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而 形成光栅，每写一个条纹，光栅移 动一定距离，需用精密机构控制光 纤运动位移。通过控制光纤的移动 ，可以方便的控制光栅的周期。 n一般用于制造长周期光栅 光纤光栅的类型 光纤纤光栅栅模型 （Fiber grating） 光纤光栅从本质上讲是通 过波导与光波的相互作用， 将在光纤中传输的特定频率 的光波，从原来前向传输的 限定在纤芯中的模式耦合到 前向或后向传输的限定在包 层或纤芯中的模式，从而得 到特定的透射和反射光谱特 性。 光纤光栅中，光场与光 波导之间的相互作用可用耦 合模理论来描述。 光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类： n短周期光纤光栅 (FBG，也叫反射或布喇格光栅) 短周期光纤纤光栅栅 Fiber Bragg grating m为为衍射级级数 光栅周期一般为零点 几个m, 耦合发生在正 向与反向传输的模式之 间，它的一个重要特性 是将某一频段内的光反 射回去 n长周期光纤光栅(LPG，也叫传输光栅) 长长周期光纤纤光栅栅 Long period grating 光栅周期在 100m 以上, 耦合发生在同向传 输的模式之间，它的特性 是将导波中某频段的光耦 合到包层中损耗掉而让其 他频段的光通过 均匀光纤光栅 n最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光 栅，其折射率可以表示为 n前向和后向两种模式间的耦合波方程为 A+(0)=1、A-(L)=0 n解耦合方程可得光纤光栅的反射率为 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1， 如果满足布喇格相位匹配布喇格相位匹配条件： 其中为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合到另一个 波中去。 在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左 向右传播，如果满足条件： （7.7） （7.8） 则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相 同波长的反射光中去。 设0=2neff/0，其中0为输入光的波长，neff为波导或光纤 的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射， 这个波长0就称作布喇格波长布喇格波长。 随着入射光波的波长偏离布喇格波长布喇格波长，其反射率就会降低 如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅上，则 只有波长等于布喇格波长布喇格波长的光才反射，而其它的光全部透射。 图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的 光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为 变迹光栅(Apodized Grating)的光栅，它与渐变折射率光纤有点 类似，其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小，变迹光栅的功率 反射谱如图7.15(b)所示。 注意: 变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。 图7.15布喇格光栅的反射谱 (a) 均匀折射率情形； (b) 变迹折射率情形 线性啁啾光栅 （折射率沿光栅轴向周期性变化,有 较宽反射带构成宽带滤波器,用于色 散补偿） Taper型光栅 （ 消除折射率突变,反射谱不存在 旁瓣构成各种滤波器、波长变换 器和OADM） Moire型光栅 （有效抑制了旁瓣效应,存在多个 透射窗口构成滤波器、色散补偿 器和信道选择器） Blazed型光栅 （可对一定带宽范围内的光功率进行 衰减，从而可实现光放大器的增益平 坦化7，通过复合Blazed光纤光 栅还可实现残余泵浦光反射等。 ） 光纤光栅的应用 n滤波器 n色散补偿 nEDFA的增益平坦 n分插复用器 n光纤激光器 n光纤光栅传感器 滤波器 1.5545lB1.5555 0 0.5 1 波长（mm） 反 射 率 光纤激光器 波长分插复用器(OADM) n上下话路复用器，实现在其他波长信道信号不 变的前提下，在波分复用网络的节点上直接提 取或添加一个或几个波长信道的信号，避免将 所有波长信号全部分解开来进而再复接在一起 。 色散补偿 n在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频 率的光的反射位置不同，短的波长ls在近端 反射，长的波长ll在远端反射，从而有不同 的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来 使用就可以改变色散的符号。 长波长l l 短波长ls L 光栅周期增大 初始脉冲 光纤 色散展 宽脉冲 压缩脉冲 啁啾光纤光栅 光发射机 环形器 EDFA的增益平坦 nEDFA的增益平坦化，就是把其1532nm的增 益峰吸收或损耗掉一部分，使其和后面平坦的 增益曲线部分连合，成为一段宽的平坦谱线.这 段平坦谱线越宽越好. n利用长周期光纤光栅来进行增益平坦。通过选 择适当的光栅周期，使得长周期光栅将一定波 长的光耦合至包层而迅速损耗掉，而且不存在 反射，较好的用于EDFA的增益平坦。 . 光纤光栅传感器 通过拉伸和压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变 光纤光栅的周期和有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射 波长的目的。反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关 系，根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力 、加速度等多种传感器。 应 变 土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监 控 航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指