《光纤光学教学课件》第十五讲.ppt

* * HUST 2012 第六章光纤无源及有源器件 Date * * HUST 2012 五、 光纤光栅 1、简介 （1）衍射体光栅与光纤光栅 衍射体光栅通过在平板上 刻制不同的衍射条纹实现对 不同波长的光进行滤波。 Date * * HUST 2012 光纤光栅： 通过对纤芯折射率的调制形成光栅； 光栅形成区域改变光纤中的模式； 形成光栅的强弱与折射率的调制成正比。 Date * * HUST 2012 （2）如何实现纤芯的折射率调制？ 在石英光纤中引入缺陷：增强光吸收；通过掺杂改变折射率； 稠化石英，增加密度：直接来增加n值； 通过紫外光照射光敏光纤，改变n 值。 紫外光照射在石英光纤中引入缺陷增加折射率 氢载标准单模光纤增加OH的吸收增加缺陷 Date * * HUST 2012 （3）光纤光栅的发展历程 1978年加拿大通信研究中心K. O. Hill等人，一次偶然的实验。利用紫外光对 高掺杂锗光纤照射，发现激光吸收会导致光纤纤芯内折射率的变化。 K.O.Hill et al., Appl. Phys. Lett., 32, p. 647, 1978. Date * * HUST 2012 1989年Meltz利用紫外光横向全息法制作了第一根光纤光栅；所用的紫外光 波长为257nm。 G.Meltz et al., Optics Lett., 14, p. 823, 1989. Date * * HUST 2012 2、分类 光栅周期是否均匀：均匀光纤光栅；非均匀光纤光栅。 光栅平面是否与纤轴相垂直：普通光纤光栅；闪耀光纤光栅。 光栅周期的长短：Bragg光纤光栅；长周期光纤光栅。 折射率变化特性：均匀光纤光栅；变迹（Apodized）光纤光栅 按工作特性：反射光纤光栅；透射光纤光栅 Date * * HUST 2012 Date * * HUST 2012 Date * * HUST 2012 500 nm (布喇格光栅) 200 m (长周期光栅) 125 m 8 m 1 mm to 1500 mm 单模光纤 纤芯 包层 折射率比纤芯高的区域 Date * * HUST 2012 3、光纤光栅的工作原理 光纤的模式耦合理论： 相向传输的导模间的耦合 Bragg反射光纤光栅。 导模与包层模之间的耦合 长周期光纤光栅。 由光栅衍射公式： 较小时，形成反射光栅： 较大时，形成透射光栅，即长周期 光纤光栅。 Date * * HUST 2012 Bragg反射光纤光栅 Date * * HUST 2012 Date * * HUST 2012 长周期光纤光栅透射光纤光栅 Date * * HUST 2012 (1)Bragg反射光纤光栅传输特性 折射率沿z轴的变化： ：纤芯折射率；：纤芯折射率变化最大值；：折射率调制幅度 ：光纤光栅的周期。 光纤光栅中的模式耦合方程： ：对Bragg波长该式为0；其他波长该式不为0。 Date * * HUST 2012 耦合系数： 令： 得到： 求解方程，得到： Date * * HUST 2012 其中， 上述计算结果可表示为矩阵形式： 令： 得到Bragg光纤光栅的反射谱： Date * * HUST 2012 Bragg光纤光栅的特性参数 中心波长： 由光栅周期、传输模式决定。 反射率大小：由光栅长度、耦合系数决定。 反射带宽：由耦合系数决定，一般为0.3nm。 Date * * HUST 2012 Bragg光纤光栅的传输特性的改变： 拓宽传输带宽：采用啁啾光纤光栅（光栅周期沿z轴改变）。 消除旁瓣：采用变迹光纤光栅（折射率的调制沿z轴改变）。 非Bragg光纤光栅的传输特性的计算： 非均匀周期光栅划分为小间隔的均匀光栅 均匀光栅已知 的传输矩阵 总的传输矩阵： 反射系数： Date * * HUST 2012 (2)光纤光栅的种类 单信道的均匀光栅 Coupling ConstantReflection Coefficient Date * * HUST 2012 单信道的变迹光纤光栅 Date * * HUST 2012 取样光纤光栅 Date * * HUST 2012 啁啾光纤光栅 啁啾使光栅的周期沿着长度发生变化，因此在不同的位 置，相应波长也不同。 改变光栅周期或 改变光栅的平均折射率大小。 Date * * HUST 2012 变迹啁啾光栅 在整个反射带内波段都有 100%反射 Date * * HUST 2012 闪耀光纤光栅 闪耀 FBGs ：与光纤的纤轴成一定角度所刻制成的光栅，被 选择的波长的光被反射至纤芯外。 可用来均衡EDFA 对光的响应。 Date * * HUST 2012 形成多个极窄的透射峰 Date * * HUST 2012 长周期光纤光栅（LPG） 多数的FBGs 是一阶光栅，光栅的周期同中心反射波长 相当。 长周期光纤光栅的周期谐振波长的数百或数千倍。 长周期光纤光栅耦合向前传输的导模进入包层因此， 耦合的光波将被损耗掉。 长周期光纤光栅 具有与闪耀光栅相同的效果- 谐振波 长被反射出光纤。 Date * * HUST 2012 长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，其光学特性是由前向传输的导模和光 栅中包层模之间的耦合所决定的。 R导模；S包层模的幅度 导摸耦合到包层模的能量： Date * * HUST 2012 长周期光纤光栅的透射谱： 长周期光纤光栅的透射谱中的陷波波长由相位匹配条件所决定： Date * * HUST 2012 实际制作的长周期光纤光栅透射谱： 长周期光纤光栅透射谱的可调谐性： 改变包层外介质的折射率、改变包层的直径。 Date * * HUST 2012 光纤光栅的工作稳定性 由可知： 凡是外界因素造成光栅周期、传输模式的变化，都将使光纤光栅的传输特性 发生变化。光纤光栅所环境温度、外界应力的变化较为敏感。 正是由于光纤光栅的这种敏感特性，被广泛应用于光纤传感技 术领域。 Date * * HUST 2012 将光纤暴露在紫外光进行刻制而实现的。用244 nm 的紫外 光可永久地改变纤芯地折射率。 折射率地变化是很微小的， 0.0001的变化已足够来实现光 栅。 4、光纤光栅的制备 Date * * HUST 2012 使光栅的响应更敏感 增加锗（ germanium ）的掺杂 硼（ Boron ） 与铝（ Aluminium ）的 共掺杂可增加光纤的光敏性。 氢载 Date * * HUST 2012 相干技术 Date * * HUST 2012 相位掩膜技术 Date * * HUST 2012 Date * * HUST 2012 5、光纤光栅的应用 稳定激光器波长 色散补偿 WDM 系统中的波长选择 滤波器 光纤传感技术 Date * * HUST 2012 色散补偿应用 Chirped Bragg grating llonglshort Date * * HUST 2012 OADM 应用 Identical FBGs at l4 l1 , l2 , l3 , l4 , l5 l4 D D l4 A A Reported Characteristics Channel