切趾光栅设计

1、正弦型切趾光栅设计引言：光纤Bragg光栅（FBG）是利用光纤的光敏性，通过紫外光照射使光纤纤芯的折射率产生周期性扰动而形成的具有波长选择性的反射器.作为通信中的滤波器、波分复用器，光纤激光器的谐振腔和各种传感器等的核心元件已得到广泛的研究和应用。作为一种全光纤器件，具有成本低、与光纤兼容、易于集成等优点，在光纤通信系统中得到了广泛应用。通过设计光栅结构参数，可获得满足不同应用要求的基于光纤光栅的功能器件.1978年加拿大握太华Hill等人首次发现了光纤的光敏性并成功应用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，1989年美国联合技术研究中心的Meltz等人以244nm紫外光为光源，用全息干涉的方法在掺

2、锗石英光纤上研制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅。其后人们对光纤光栅的研究投入不断加大，步伐不断加快，光纤光栅的制造技术也不断取得进步和发展，现在人们已经可制造各种参数的光纤光栅。原理介绍：基础原理：（1）光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：1、均匀周期光纤布喇格光栅：通常称为布喇格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。2、啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增

3、益平坦。3、闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。4、长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。5、相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构造多通道滤波器件。（2）光纤光栅的光学切趾是指：在光栅中光感折射率调制的振幅沿着光栅长度有一个钟形函数的形状变化。光学切趾能避免光栅

4、的短波损耗和有效抑制布拉格光纤光栅反射谱，并能减少嗯啾光纤光栅时延特性的振荡，因此对切趾光纤光栅的研究具有十分重要的意义。 对于均匀周期光栅，折射率分布为n（z）=n+An-（1+cos（core2兀Az)1），对于用紫外激光器制作的光纤光栅,假定形成光栅的结果仅是对研究的光纤导模有效折射率的一种微扰,其折射率分布可以描述为：n(z)=ncore厂L、2兀LA丿2），其中n为纤芯折射率，An为折射率变化幅度，A为平均光栅周期，v为core折射率变化的条纹可见度，0描述光栅的啁啾。切趾光纤光栅折射率调制的振幅沿着光栅长度呈一个钟形函数包络,典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数

5、、帽型函数和哥西函数等。各种钟形函数的切趾布拉格光纤光栅的反射谱旁瓣被大大抑制,拖尾较小,且在谐振波长附近较宽范围内反射率接近100%,谱线接近矩形,抑制比大大提高。相比之下高斯和升余弦函数分布的反射谱旁瓣抑制效果更好（升余弦最好）,普通高斯分布反射谱更接近矩形。光学切趾特别是沿切趾方向平均折射率变化均匀的光学切趾是有效抑制旁瓣,减少惆啾光纤光栅的时延振荡的有效方法。应用举例：光纤光栅在光纤通信系统中的应用光纤光栅作为一种新型光器件，主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能，应用广泛，可构成的有源和无源光纤器件分别是：（1）有源器件：光纤激光器（光栅窄带反射器用于D

6、FB等结构，波长可调谐等）;半导体激光器（光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源）；EDFA光纤放大器（光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射）;Ramam光纤放大器（布喇格光栅谐振腔）；（2）无源器件：滤波器（窄带、宽带及带阻;反射式和透射式）；WDM波分复用器（波导光栅阵列、光栅/滤波组合）；OADM上下路分插复用器（光栅选路）；色散补偿器（线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿，抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿）;波长变换器、OTDM延时器、OCDMA编码器、光纤光栅编码器。GratingMOD软件：是一种分析和综合处理在光纤和集成光波导线路中复杂的光栅特性的设计工具。包含快速算法

7、能处理任意光栅的二维或三维光波导特性。通过选择光纤光栅长度1、折射率变化An、光栅周期A以及中心波长九，GratingMOD软件进行模拟计算得到“帽形”反射谱图样。通过对反射谱图样进行分析，对光纤长度调制幅度等进行优化，直到符合要求为止。设计步骤：一、初始化（1）相关参数的获得：取X=28，包层折射率(1.44)，纤芯折射率1.45(或自定)；纤芯直径d=5.5+0.5Xint(X/10)10(um)(3),其中int()函数表示取整，d=9.5um；中心波长九=1+.01X(um)4)，九=1.28um；2)设计指标：带宽B0.1X(nm)(5),允许偏差10%,3.08nmB$2.52nm

8、；反射率R=75%+int(X/10)5其中int()函数表示取整，偏差2.5%,82.5%R$87.5%；、软件模拟1)初步设计：用GratingMODGratingLayout模拟输出光栅(l=1000，ncore=1.45，An=0.01),设置中心波长九=1.28um；得反射谱图样:).u.a(rewoPevitalePostprocessing:PowerSpectrumofReflection1.00.051.261.271.281.291.301.311.321.33Wavelength(卩m)问题分析；带宽远大于设计要求，中

9、心折射率高于要求。(2)进行优化：光栅长度：300、调制深度：0.0023；得反射谱图样：).u.a(rewoPevitale其中光栅周期A=0.442074709、实际峰值波长九=1.28um，基本符合要求。折射率分布图(20um内)：ContourMapofIndexProfileatY二0-IUUIuXgm)折射率分布截面图（20um内）：CutofIndexProfileatX=-0.4设置切趾类型：Cosine，系数：0.4，光栅长度：349，调制深度：0.0024；得反射谱图样：折射率分布图：折射率分布截面图：A,!ContourMapofIndexProfileatY=0Cuto

10、fIndexProfileatX=-2.2xednIevitcarfe1.4521.4511.4501.4491.4480100200300Z(m)参考文献赵玉成，陈根祥,简水生，王汗.Bragg光纤光栅光通信技术，1995第4期；邹柳娟,潘小龙,邹道文,刘水华,林兵,赵梓森.ChirpedBragg光纤光栅的优化设计与优化指数.光学技术，2000年3月第2期；高社成,励强华.均匀光纤布拉格光栅的反射偏振相关损耗特性.光学学报,2011年3月第3期；洪从胜,徐新华,吕昌贵,徐春祥,崔一平.切趾光纤光栅技术及其研究进展.光电子技术与信息,200年6月第3期；光纤光栅在光通信领域中的应用. HYP

11、ERLINK /news/1229778 /news/1229778.附录：(1)均匀周期光栅设计程序：Length=300ModDelta=0.0023N0=background_indexPeriod=0.5alpha=0background_index=1.44delta=0.01dimension=3domain_max=20eim=0free_space_wavelength=1.28grating_fixlambda=1grating_scan_option=55height=9.5index_display_mode=DISPLAY_CONTOURMAPXZk0=(2*pi)/f

12、ree_space_wavelengthmode_length=defaultmonitor_step_size=Period/4profile_type=PROF_STEPINDEXsim_tool=ST_GRATINGMODslice_step_size=Period/4step_size=Period/4structure=STRUCT_FIBERwidth=9.5user_taper1type=UF_GRATINGgr_profile_type=0gr_apodization_type=APOD_UNIFORMgr_chirp_type=CHIRP_LINEARgr_phase=0gr

13、_period=Periodgr_apodization_coef=0gr_chirp_coef=0enduser_tapersegment1color=12index_taper=TAPER_USER_1begin.x=0begin.z=0end.x=0relbeginsegment1end.z=Lengthrelbeginsegment1end.delta=delta+ModDeltaendsegment(2)切趾光栅设计程序：Length=349ModDelta=0.0024N0=background_indexPeriod=0.442074709alpha=0background_in

14、dex=1.44delta=0.01dimension=3eim=0free_space_wavelength=1.28height=9.5index_display_mode=DISPLAY_CONTOURMAPXZk0=(2*pi)/free_space_wavelengthmode_length=defaultmonitor_step_size=Period/4profile_type=PROF_STEPINDEXsim_tool=ST_GRATINGMODslice_step_size=Period/4step_size=Period/4structure=STRUCT_FIBERwidth=9.5user_taper1type=UF_GRATINGgr_profile_type=0gr_apodization_type=APOD_COSINEgr_chirp_type=CHIRP_