1、3.2 3.2 光纤光栅光纤光栅Fiber GratingFiber Grating 光纤光栅的基本概念光纤光栅的基本概念 光纤光栅的基本原理光纤光栅的基本原理 光纤光栅的基本特征光纤光栅的基本特征 光纤光栅的应用光纤光栅的应用 19781978年由加拿大通讯研究中心年由加拿大通讯研究中心(CRC,Canadian(CRC,Canadian Research Centre)Research Centre)的的K.O.Hill.K.O.Hill.率先报道了光率先报道了光纤的光敏特性，制造了第一支光纤光栅。纤的光敏特性，制造了第一支光纤光栅。19891989年年 G.Melts G.Melts 报
2、道了从光纤的侧面用激光的干报道了从光纤的侧面用激光的干涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发展。展。19931993年年 K.O.HillK.O.Hill提出的相位掩模制造法使光纤提出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大批量制造成为可能。批量制造成为可能。光纤光栅的历史光纤光栅的历史一、一、光纤光栅的基本概念光纤光栅的基本概念1 1.光纤光栅光纤光栅光纤光栅是一种折射率沿光纤纵向周期变化光纤光栅是一种折射率沿光纤纵向周期变化的波导。当光的波导。当光通过通过这样的波导时将产生相位的
3、周这样的波导时将产生相位的周期性变化。期性变化。由由衍射理论有衍射理论有 令令sinsin()irmn2n通过光栅的同相弱反射光相干加强。反射光波通过光栅的同相弱反射光相干加强。反射光波长位于长位于1.51.5mm附近的光纤光栅，其周期为附近的光纤光栅，其周期为=0.5=0.5m m22irm/，/，=1二、光纤光栅的形成机理二、光纤光栅的形成机理1.1.光敏光纤刻栅光敏光纤刻栅2.2.载氢增敏技术载氢增敏技术3.3.光纤材料的还原性处理光纤材料的还原性处理4.4.多种掺杂多种掺杂5.5.预加应力增敏技术预加应力增敏技术1 1、光敏光纤刻栅、光敏光纤刻栅光纤的光敏特性光纤的光敏特性是指光纤的折
4、射率在某些波长的光是指光纤的折射率在某些波长的光的照射下，发生永久变化的特性。的照射下，发生永久变化的特性。石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个SiSi原子通过形成共价键与四个氧原子相连。原子通过形成共价键与四个氧原子相连。石英的基本结构石英的基本结构 提出了多种模型，没有一种可以解释所提出了多种模型，没有一种可以解释所有的实验结果。有的实验结果。一般认为一般认为 掺杂光纤的光敏性与光纤中的氧空掺杂光纤的光敏性与光纤中的氧空位缺陷有关。位缺陷有关。GeGe具有两种氧化态具有两种氧化态Ge2+和和Ge4+因此具因此具有有GeO和和GeO2两种缺陷。两种
5、缺陷。GeO缺陷对应于光纤在缺陷对应于光纤在242242nm和和325325nm的吸收，的吸收，GeO2缺陷对应于缺陷对应于193193nm的的吸收。吸收。GeO缺陷对缺陷对242242nm的光产生了强烈的吸收，的光产生了强烈的吸收，引起引起GeOGeO电离，引起光纤的折射率发生变化。电离，引起光纤的折射率发生变化。在在1.31.3m1.61.6m的波长范围内，折射率变化的波长范围内，折射率变化的典型值约为的典型值约为10-4，对于高锗掺杂浓度的光纤，这，对于高锗掺杂浓度的光纤，这个值可大于个值可大于0.0010.001。色心模型色心模型 D.P.HandD.P.Hand认为在紫外光的照射下掺
6、锗石英光纤认为在紫外光的照射下掺锗石英光纤材料中缺氧锗缺陷将发生电离，所释放的电子陷落材料中缺氧锗缺陷将发生电离，所释放的电子陷落在附近位置上形成新的缺陷中心。这种在附近位置上形成新的缺陷中心。这种色心缺陷粒色心缺陷粒子数的变化将永久地改变光纤的紫外吸收谱，从而子数的变化将永久地改变光纤的紫外吸收谱，从而引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，其改变的引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，其改变的具体数值如下式具体数值如下式：KramersKramersKronigKronig关系：关系：220()()cdn 色心模型认为，在紫外色心模型认为，在紫外光照射下电子在不同位置上光照射下电子在不同位置上的
7、重新分布是掺锗石英光纤的重新分布是掺锗石英光纤折射率改变的主要原因。折射率改变的主要原因。密致模型密致模型 玻璃的光敏性与玻璃中缺陷有关，在紫外光照射玻璃的光敏性与玻璃中缺陷有关，在紫外光照射下光纤材料中的局部应力和密度将发生变化。掺锗石下光纤材料中的局部应力和密度将发生变化。掺锗石英玻璃的折射率与其密度呈线性关系，因此这种应力英玻璃的折射率与其密度呈线性关系，因此这种应力和密度的变化被认为是光纤材料中光致折射率的一种和密度的变化被认为是光纤材料中光致折射率的一种可能的机制密致模型。可能的机制密致模型。玻璃的折射率变化不仅仅与玻璃吸收系数有玻璃的折射率变化不仅仅与玻璃吸收系数有关，还与体积有关
8、（光致密化和光致热膨胀效应）。关，还与体积有关（光致密化和光致热膨胀效应）。22(2)(1)16nnVRVnXnVRV 2 2、载氢增敏技术、载氢增敏技术 1993 1993年年 AT&T BellAT&T Bell实验室的实验室的P.J.LemaireP.J.Lemaire掺锗掺锗光纤的载氢增敏技术。光纤的载氢增敏技术。掺锗掺锗3 3光纤被放入气压为光纤被放入气压为2.0-76MPa2.0-76MPa，温度为，温度为20207575的氢气中，形成载氢光纤。的氢气中，形成载氢光纤。载氢光纤在紫外光照射时将引起氢气和掺锗石英载氢光纤在紫外光照射时将引起氢气和掺锗石英光纤之间产生化学反应，光纤之间
9、产生化学反应，H2分子在分子在Si-O-GeSi-O-Ge区发生变区发生变化，形成与折射率有关的化，形成与折射率有关的Ge-OH,Si-OH,Ge-H,Si-HGe-OH,Si-OH,Ge-H,Si-H等等化学键和缺氧锗缺陷中心，从而产生光致折射率变化化学键和缺氧锗缺陷中心，从而产生光致折射率变化，光敏性可提高，光敏性可提高1 12 2个数量级，折射率变化提高两个个数量级，折射率变化提高两个数量级。数量级。特别说明，由于光纤中存在未反应的氢特别说明，由于光纤中存在未反应的氢,载氢光载氢光纤形成的折射率变化是持久的纤形成的折射率变化是持久的,室温条件下放置室温条件下放置2 2个星个星期下降期下降
10、1111。通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的光纤段进行光纤段进行“焰刷焰刷”处理。把拉制好的标准通信锗处理。把拉制好的标准通信锗光纤段放在光纤段放在17001700的氢氧焰下灼烧，使光纤在的氢氧焰下灼烧，使光纤在240nm240nm处的吸收增加，可获得大于处的吸收增加，可获得大于10-3的折射率变化的折射率变化，光纤材料的光敏性提高了一个数量级。缺点就是，光纤材料的光敏性提高了一个数量级。缺点就是高温灼绕破坏了光纤，有长期稳定性的问题。高温灼绕破坏了光纤，有长期稳定性的问题。3 3、光纤材料的还原性处理、光纤材料的还原性处理对光纤预制棒进行对光纤预
11、制棒进行高温氢气高温氢气处理，使芯区的缺处理，使芯区的缺氧锗缺陷浓度增加，可将光纤材料的光敏性提高氧锗缺陷浓度增加，可将光纤材料的光敏性提高2 23 3倍。缺点就是氢气与倍。缺点就是氢气与GeO2反应生成的反应生成的OHOH-离子将离子将在在1.41.4m m处产生一个很强的吸收带。处产生一个很强的吸收带。4 4、多种掺杂、多种掺杂 在锗硅光纤材料中，掺入在锗硅光纤材料中，掺入B B、SnSn或或AlAl等元素可等元素可提高光纤材料的光敏性，其中以提高光纤材料的光敏性，其中以B/GeB/Ge双掺杂光纤材双掺杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相
12、当的单掺锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以采用采用MCVDMCVD技术生产。技术生产。（1 1）避免了危险性的氢气敏化处理。）避免了危险性的氢气敏化处理。（2 2）可避免载氢增敏引起的羟基吸收损耗；这一损）可避免载氢增敏引起的羟基吸收损耗；这一损耗在长度较大的耗在长度较大的ChirpChirp光纤光栅中是十分严重光纤光栅中是十分严重（3 3）提高了光栅的制作效率。）提高了光栅的制作效率。5 5、预加应力增敏技术、预加应力增敏技术 在写入光栅的过程中在写入光栅的过程中，对掺锗光纤施加适当应，对掺锗光纤施加适当应力，将会提高光纤的光敏力，将会提
13、高光纤的光敏性。在同样的曝光条件下性。在同样的曝光条件下写入写入BraggBragg光栅时，施加光栅时，施加应力的光纤将会得到高达应力的光纤将会得到高达18dB18dB的反射深度，而未加的反射深度，而未加应力的光纤的反射深度仅应力的光纤的反射深度仅为为7dB7dB，因此利用这种方，因此利用这种方法将会明显缩短光纤光栅法将会明显缩短光纤光栅的写入时间。的写入时间。光纤光栅的生命周期和稳定性光纤光栅的生命周期和稳定性 光纤光纤光栅在环境（如温度、应变、外部光源光栅在环境（如温度、应变、外部光源的照射等的照射等)影响下，会逐渐退化。光纤光栅的长影响下，会逐渐退化。光纤光栅的长期稳定性是通信和传感器的
14、关键。期稳定性是通信和传感器的关键。无论无论光纤在紫外照射之前是否经过处理，即光纤在紫外照射之前是否经过处理，即使是室温，光栅也会随时间而产生热退化。使是室温，光栅也会随时间而产生热退化。光栅光栅光栅在应用中最经常遇到的退化因素是光栅在应用中最经常遇到的退化因素是擦除温度。擦除温度。光纤光栅的光纤光栅的温度稳定性主要由光纤温度稳定性主要由光纤光敏性的物理光敏性的物理属性，即光栅写入的三种类型，即属性，即光栅写入的三种类型，即I型型、IIA型型和和III型型。光纤光栅的分类：光纤光栅的分类：I I型、型、IIAIIA型和型和IIII型型类光栅：类光栅：温度稳定性较差（温度稳定性较差（300300
15、）、脉冲或连续）、脉冲或连续 较低掺杂浓度、较低较低掺杂浓度、较低UVUV曝光量、局部缺陷引起折射曝光量、局部缺陷引起折射率变化、折射率变化率变化、折射率变化n n 10-510-3AA类光栅：类光栅：温度稳定性较好（温度稳定性较好（500500）、脉冲或连续）、脉冲或连续掺杂浓度较高（掺杂浓度较高（egeg 25mol%25mol%GeO2)、较高较高UVUV曝光曝光量（量（500J/cm500J/cm2)，、结构重构引起折射率变化、，、结构重构引起折射率变化、折射率变化折射率变化n n0 0类光栅：类光栅：温度稳定性好（温度稳定性好（800800）、脉冲激光）、脉冲激光极高极高UVUV曝光
16、量，瞬间局部温度达上千度、物理破坏引曝光量，瞬间局部温度达上千度、物理破坏引起折射率变化起折射率变化(融化石英基质，物理性损伤）、折射融化石英基质，物理性损伤）、折射率变化率变化n n可达可达1010-2三、光纤光栅的制作技术三、光纤光栅的制作技术 内部写入法内部写入法干涉写入法干涉写入法逐点写入法逐点写入法1 1、内部写入法、内部写入法光纤中沿相反方向传播的两列相干光波可表示为光纤中沿相反方向传播的两列相干光波可表示为 两列波相干叠加后形成跓波两列波相干叠加后形成跓波跓波干涉条纹的强度可写为跓波干涉条纹的强度可写为 sin()fEAkzwtsin()bEAkzwt2 sin()cos()fb
17、EEEAkzwt224sinIAkz2Bewn 2 2、全息、全息相干法相干法 将工作在紫外区的同一束激光分成一定夹角的将工作在紫外区的同一束激光分成一定夹角的两束光，在一段光纤的裸露纤芯区形成干涉。干涉条两束光，在一段光纤的裸露纤芯区形成干涉。干涉条纹产生折射率型光栅。纹产生折射率型光栅。布拉格波长：布拉格波长：优点：优点：通过调节就可以实现通过调节就可以实现周期大范围周期大范围内的改变。内的改变。缺点：缺点：需要紫外激光具有高需要紫外激光具有高的时间和空间上的相干性。的时间和空间上的相干性。3 3、逐点写入法、逐点写入法 逐点写入法是利用聚焦光束沿光纤逐点曝光，使逐点写入法是利用聚焦光束沿
18、光纤逐点曝光，使光纤纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅的光纤纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅的方法。关键在于光纤与写入光斑的相对位置。方法。关键在于光纤与写入光斑的相对位置。优点：优点：对相干性没有严格要求，光栅参数易于调整。对相干性没有严格要求，光栅参数易于调整。缺点：缺点：曝光时间长，光栅间距的误差较大，光栅周曝光时间长，光栅间距的误差较大，光栅周期不能太小，适合写长周期光栅。期不能太小，适合写长周期光栅。4 4、相位掩膜技术相位掩膜技术 相位掩模是采用电子束平板印刷术或全息曝光相位掩模是采用电子束平板印刷术或全息曝光蚀刻于硅基片表面的一维周期性透射相位光栅，其蚀刻于硅基片表
19、面的一维周期性透射相位光栅，其实质是一种特殊设计的光学衍射元件。实质是一种特殊设计的光学衍射元件。相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只考虑相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只考虑0 0级和级和1 1级衍射波，在正入射情况下级衍射波，在正入射情况下1 1衍射波的强度衍射波的强度相等。衍射角满足光栅相等。衍射角满足光栅sinsin()mimn斜入射斜入射斜入射情况下的分布为斜入射情况下的分布为0 0级和级和1 1级干涉条纹的周期为级干涉条纹的周期为而而1 1级衍射波产生的干涉周期为级衍射波产生的干涉周期为当当sinsini i+w w/pmpm11时，可以消除正一级衍射光。时，可以消除正一级衍射光
20、。1001111()exp(sin)exp(sin)exp(sin)E xAiKxAiKxAiKx0,101sinsinwPM 1,10.5*PM 正正入射入射 在正入射的情况下，齿高满足在正入射的情况下，齿高满足 的情况下，抑制了零级衍射条纹，则一级衍射可的情况下，抑制了零级衍射条纹，则一级衍射可表示为：表示为：则两列波叠加形成的条纹是则两列波叠加形成的条纹是 干涉条纹的周期为干涉条纹的周期为111()exp(sin)E xAiKx111()exp(sin)ExAiKx211()21 cos(2sin)I xAKx12sin2PM 2(1)ghn 干涉条纹干涉条纹照射到光敏光纤上制作出周期与
21、干涉条纹周照射到光敏光纤上制作出周期与干涉条纹周期相同的期相同的BraggBragg光纤光栅。光纤光栅。优点：优点：对对光源相干性要求低，而且光栅的周期与光光源相干性要求低，而且光栅的周期与光源的波长无关，对光路稳定性要求低，易于批量生产源的波长无关，对光路稳定性要求低，易于批量生产。缺点：缺点：是是成本相对较高，并且一般而言同一块相位成本相对较高，并且一般而言同一块相位掩模板制作的光纤光栅周期相同。掩模板制作的光纤光栅周期相同。四、光纤四、光纤光栅特性光栅特性1.1.耦合模方程耦合模方程 有两种方法用来研究光栅是如何影响光波在有两种方法用来研究光栅是如何影响光波在光光纤中纤中传播的。传播的。
22、一一种方法是通常用于描述半导体中电子运动的种方法是通常用于描述半导体中电子运动的布洛布洛赫理论赫理论；另另一种方法是一种方法是耦合模理论耦合模理论。耦合模理论分别处理光纤光栅内向前和向后传耦合模理论分别处理光纤光栅内向前和向后传播的光，光栅提供向前和向后传播的光的耦合播的光，光栅提供向前和向后传播的光的耦合。在光纤光栅中，既要考虑折射率的非线性变化，也在光纤光栅中，既要考虑折射率的非线性变化，也要考虑要考虑折射率折射率的周期性变化。因此考虑到非线性和周期的周期性变化。因此考虑到非线性和周期性后，光纤光栅内的性后，光纤光栅内的折射率写为：折射率写为：n 为为光栅折射率光栅折射率调制深度调制深度；
23、表征光栅表征光栅沿光纤沿光纤长度长度方向方向上折射率的上折射率的周期性变化周期性变化；布拉格布拉格波数波数；布拉格布拉格波长波长；与与布拉格光栅周期关系布拉格光栅周期关系 表征表征非线性折射率非线性折射率变化，由于其值很变化，由于其值很小小，我们暂不考虑。，我们暂不考虑。0(,)()cos(2)NLBnznnzncos(2)Bnz2BB 02BnN Ln2212nEBB 根据根据耦合模理论，应包括耦合模理论，应包括向前向前和向后传播的和向后传播的光，光，因而光纤中的光场是正向传播的模式和反向传播的模因而光纤中的光场是正向传播的模式和反向传播的模式的线性叠加，各个模式的系数是随着传输距离的变式的
24、线性叠加，各个模式的系数是随着传输距离的变换发生变化的。换发生变化的。式式中，上标中，上标“+”+”表示沿表示沿z z轴正方向传播的模式，轴正方向传播的模式，“-”-”表示沿表示沿z z轴负方向传播的模式轴负方向传播的模式，为为电场的传播电场的传播常数常数，和和 为为电场的叠加电场的叠加系数。系数。,mqitzmmmitzqqqx y zAzx y eAzx y eEEEm mAz qAz 和和 是是理想波导模式，它们满足理理想波导模式，它们满足理想波导方程想波导方程，提取，提取它的横向分量它的横向分量，,mx yE,qx yE222200,0tmmmx yk nx yEE222200,0tq
25、qqx yk nx yEE2202t EE实际波导中的光波场应满足波动方程实际波导中的光波场应满足波动方程 22222200,qmmmqqmitzitzmtmmtqmitzitzmmmmmitzitzqqqqqitzmmmqAzx y eAzx y edAzdx y eiAzx y edzdzdAzdx y eiAzx y edzdzk n Azx y ek n AzEEEEEEEE,0qitzx y e 利用缓变条件：利用缓变条件：222220222222022,2,0mqitzmmmtmmmmmmitzqqqtqqqqqqd AzdAzAziAzk n Azx y edzdzd AzdAz
26、AziAzk n Azx y edzdz EE 222mmmd AzdAzdzdz=22200222002,2,0mqitzmmmmmitzqqqqqdAziknnAzx y edzdAziknnAzx y edzEE 和折射率变化导致的极化强度变化：和折射率变化导致的极化强度变化：从而：从而：22222200002220000022,22qmitzitzmmqqmqpknnAzx y eknnAzx y en nn ntt EEEEP02pn nPE222t 利用时间微分：利用时间微分：可得：可得：2022,2,mqitzmmmmitzqqqpqdAzix y edzdAzix y edzt
27、EEP 由折射的分布可知：由折射的分布可知：利用模式的正交性，公式两边乘以利用模式的正交性，公式两边乘以 ，再积分得：再积分得：22,2qmitzitzqmpldAzdAzieex y dxdydzdzt P Eg 21coseffn znszz 002202221cos212peffizzizzeffnn znnszzsnneePEEE,lx yE 20220220221cos,221,222122qmmi tzi tzqmeffli tzi zi zeffmmlmi zeffdA zdA zieennszx y dxdydzdztisnneeA zx y ex y dxdytisnnet
28、EEEEgg 00,1,21,2qmqi tzi zqqlmi tzi zi zmeffmlmi tzi zi zqeffqmeA zx y ex y dxdysi n A zneex y ex y dxdysi n A zneex y e EEEEEggg 00,2,2mmmqqqli tzzi tzzi tzmeffmlmi tzi tzzi tzzqeffqlmx y dxdysi n A zneeex yx y dxdysi n A zneeex yx y dxdy EEEEEgg 0012,2,mqmqmqmqizzqmizizeffmmlmizzizzzizzzeffqqlmdAz
29、dAzedzdzsneei nAzx yx y dxdysneeei nAzx yx y dxdy EEEEgg 020,2mqmeffmmlmzizzzeffqqlmdAzi nnAzx yx y dxdydzs ninAz ex yx y dxdy EEEEgg 200,2,mqzizzzqeffmmlmeffqqlmdAzs nin eAzx yx y dxdydzi nnAzx yx y dxdy EEEEgg 0,mleffmlmznnx yx y dxdy EEg0,2effqlqlqs nnx yx y dxdy EEg令：令：22mqmqzizzzmmlmqlmzizzzqql
30、mmlmdAziAziAz edzdAziAz eiAzdz 得到光纤正反向传输光的耦合方程：得到光纤正反向传输光的耦合方程：对于单模对于单模BraggBragg光栅，光纤中至存在一个模式，光栅，光纤中至存在一个模式，m=q=l=1 且且 从而可得：从而可得：,mqlx yx yx yEEE 2222zizzzizzdAzi Azi Az edzdAzi Azi Az edz 令：令：可得：可得：22zzizzzizSAz eRAz edSiSi RdzdRiRi Sdz 12dddz表示自耦合系数表示自耦合系数112deffBn表示波长失谐量表示波长失谐量对于均匀对于均匀BraggBragg
31、光纤光栅光纤光栅 为常数，为常数，对于单模对于单模BragBrag反射光栅，反射光栅，mmlEEEE22effeffnsneffn0ddz 在给定了确定的场强条件和边界条件后，在给定了确定的场强条件和边界条件后，12LS02LR2.2.光栅的光谱特性光栅的光谱特性 反射系数反射系数 由反射系数可得到由反射系数可得到反射率反射率22222222sinh2sinhcosh2iLLRL erLLiLS222222222sinhcoshLRrL 光纤光栅刻栅发射率与反射贷款与光纤光栅刻栅光纤光栅刻栅发射率与反射贷款与光纤光栅刻栅长度的关系。长度的关系。15491549.515501550.515510
32、0.20.40.60.81Wavelength/nmReflectivityLength of FBG=5mmLength of FBG=10mm 光纤光栅刻栅发射率与反射带宽与光纤光栅折射光纤光栅刻栅发射率与反射带宽与光纤光栅折射率变化的关系。率变化的关系。15491549.515501550.5155100.20.40.60.81Wavelength/nmReflectivityn=5*10-5n=1*10-4 事实上事实上，随着光栅长度的增加，光栅禁带的，随着光栅长度的增加，光栅禁带的形状形状将将更加趋于矩形，且位于禁带内的光波频率都能更加趋于矩形，且位于禁带内的光波频率都能得到得到近乎
33、近乎100100的高反射的高反射。但是。但是随着值的变大，光栅禁带两随着值的变大，光栅禁带两边的弱边的弱反射峰反射峰也将被放大。这些弱反射峰将严重影响也将被放大。这些弱反射峰将严重影响光栅在光栅在实际实际应用中的效果应用中的效果。禁带内高反射率的实现条件禁带内高反射率的实现条件当当 时时 ，当当 或或更大时，在禁带内光栅的更大时，在禁带内光栅的反射率将反射率将接近接近100100。因此因此，利用，利用 和和 的的条件，可以条件，可以估算禁带内高反射率的实现条件。估算禁带内高反射率的实现条件。对于用于通信波长的普通光纤布拉格光栅，对于用于通信波长的普通光纤布拉格光栅，折射折射率调制率调制深度深度
34、 ，光栅，光栅周期周期 。因此因此 要满足的要满足的条件，条件，L L应超过应超过5mm5mm。这。这个个长度的长度的光栅在光栅制作中是很容易满足的。因光栅在光栅制作中是很容易满足的。因此在此在实际应用实际应用中，光纤光栅可以作为高反射镜。中，光纤光栅可以作为高反射镜。2Lmax0.93R3L2Ln 410n 0.534 m 2L禁带宽度禁带宽度 给定一个反射率，我们可以估算出满足此给定一个反射率，我们可以估算出满足此反反射率的射率的禁带宽度禁带宽度。对于普通的用于通信的光纤布拉格光栅：对于普通的用于通信的光纤布拉格光栅：有效折射率有效折射率折射率调制深度折射率调制深度光栅周期光栅周期对应的光
35、栅布拉格波长对应的光栅布拉格波长01.45n 410n 0.534 m 1550Bnm 若若定义反射率大于定义反射率大于95%95%的波长范围为光栅的禁带宽度的波长范围为光栅的禁带宽度，当光栅，当光栅长度取长度取等于或大于等于或大于7.5mm7.5mm时，禁带宽度大小为时，禁带宽度大小为0.20nm0.20nm左右。随着光栅左右。随着光栅长度长度的增加，禁带的宽度增加。但的增加，禁带的宽度增加。但是禁带宽度不能无限制的增加，是禁带宽度不能无限制的增加，而是而是趋近于一个极限趋近于一个极限宽度宽度020.213Bnnnm 4.5 4.5 布拉格光纤光栅的应用布拉格光纤光栅的应用 滤波器滤波器 T
36、FBG光纤激光器光纤激光器可调谐光源可调谐光源光纤光栅可光纤光栅可调谐滤波器调谐滤波器宽带光源宽带光源泵浦源谐振腔隔离器输出Bragg光栅窄带窄带DBRDBR光纤激光光源光纤激光光源 可调谐单频光纤激光器可调谐单频光纤激光器隔离器铒纤980nm 泵浦源环形器可调谐滤波器输出波分复用器耦合器 光分插复用器光分插复用器 光纤传感器光纤传感器下话路上话路02Bn4.6 4.6 长周期光纤光栅长周期光纤光栅1.1.基本概念基本概念 长周期长周期光纤光栅是光纤光栅中的一种光纤光栅是光纤光栅中的一种,它的周期它的周期通常在几百微米范围内通常在几百微米范围内,它能够把光纤中传输的特它能够把光纤中传输的特定波
37、长光的导波模能量耦合到包层模中定波长光的导波模能量耦合到包层模中,导致一定导致一定带宽的传输损耗带宽的传输损耗,实现带阻滤波的实现带阻滤波的效果。效果。因为因为长周期光栅几乎没有反射波长周期光栅几乎没有反射波,所以在通信系所以在通信系统中常常用它实现掺铒光纤放大器的增益平坦统中常常用它实现掺铒光纤放大器的增益平坦.2.2.长周期光纤光栅（长周期光纤光栅（LPGLPG）中的模式耦合）中的模式耦合多模光纤多模光纤 纤芯内导模与正向传播的其它纤芯导模耦合纤芯内导模与正向传播的其它纤芯导模耦合单模光纤单模光纤纤芯内导模与光纤包层模耦合纤芯内导模与光纤包层模耦合。单模光纤中单模光纤中LPGLPG 某些某
38、些特定波长的基模和包层模之间的耦合特定波长的基模和包层模之间的耦合。对应对应谐振波长所耦合的总的包层模能量到达谐振波长所耦合的总的包层模能量到达光纤后变成泄漏模而光纤后变成泄漏模而损耗，形成损耗，形成长周期光纤光长周期光纤光栅的透射谱栅的透射谱.设光纤中入射模为：设光纤中入射模为：被耦合的其它模式为：被耦合的其它模式为：Z=LZ=L处的长周期光纤光栅透射率为：处的长周期光纤光栅透射率为：相位匹配条件相位匹配条件:mm0,0,得得最大透过率：最大透过率：3.3.长周期光纤光栅的制作长周期光纤光栅的制作 扫描曝光法制作扫描曝光法制作的长周期光栅在不同的长周期光栅在不同曝光时间的光谱曝光时间的光谱4
39、.4.长周期光纤光栅制作条件对光栅光谱的影响长周期光纤光栅制作条件对光栅光谱的影响 LPFG LPFG 的谱特性的谱特性谐振波长谐振波长峰值损耗率峰值损耗率带宽带宽 谐振波长：谐振波长：光栅周期决定了光栅谐振峰的波长；光栅周期决定了光栅谐振峰的波长；在一定的波长区间内，光栅周期也决定了光在一定的波长区间内，光栅周期也决定了光栅中耦合模的个数栅中耦合模的个数.带宽带宽长周期光纤光栅的光谱半宽（长周期光纤光栅的光谱半宽（3dB3dB带宽带宽）长周期长周期光纤光栅的长度影响光栅光谱的半宽光纤光栅的长度影响光栅光谱的半宽和和被被耦合的包层模透射强度。耦合的包层模透射强度。理论计算的不同长度时理论计算的
40、不同长度时长周期光纤光栅透射谱长周期光纤光栅透射谱实验测试的不同实验测试的不同长度的光栅透射谱长度的光栅透射谱 光栅传感器：光栅传感器：平坦掺铒光纤放大器中的增益谱平坦掺铒光纤放大器中的增益谱5.5.长周期光纤光栅的应用长周期光纤光栅的应用 121212()()()()ffbbAlA lgPgAlA l4.7 4.7 相移布拉格光纤光栅相移布拉格光纤光栅当当 ，时时111111cos()sin()sin()sin()cos()sin()qliqliqlqqgiqlqLiqlqq 00iiePe2222222cos()sin()sin()sin()cos()sin()qliqliqlqqgiql
41、qliqlqq22422222244sin()2()4sin()2gLqrLq 2122llL1.1.单段相移光纤光栅反射谱单段相移光纤光栅反射谱不同耦合强不同耦合强度下光纤光度下光纤光栅反射谱栅反射谱2.2.多段相移光纤光栅反射谱多段相移光纤光栅反射谱透射峰的数目与相移段的数透射峰的数目与相移段的数目相同。目相同。随着相移段的增多，透射峰随着相移段的增多，透射峰的线宽增加，透射峰间的隔的线宽增加，透射峰间的隔离度下降。离度下降。3.3.相移保偏光纤布拉格光栅相移保偏光纤布拉格光栅02Bn2Byyn2Bxxn相移保偏光纤光栅特点相移保偏光纤光栅特点产生两套透射峰产生两套透射峰透射峰具有偏振态互
42、相垂直透射峰具有偏振态互相垂直透射峰间隔由透射峰间隔由 决定决定xynn4.4.普通单模光纤与保偏光纤普通单模光纤与保偏光纤 相移光栅反射谱的比较相移光栅反射谱的比较 在单模光纤上两段相移光纤光栅的反射谱在单模光纤上两段相移光纤光栅的反射谱 保偏光纤上单段相移光纤光栅的反射谱保偏光纤上单段相移光纤光栅的反射谱 相移保偏光纤光栅反射谱的特点相移保偏光纤光栅反射谱的特点 不同偏振模式的透射波的偏振方向是相互正交不同偏振模式的透射波的偏振方向是相互正交的，的，这一特性的意义在于其不同偏振态可以这一特性的意义在于其不同偏振态可以携带不同信息。携带不同信息。保偏光纤光栅的透过峰数目是单模光纤光栅的保偏光纤光栅的透过峰数目是单模光纤光栅的2 2倍。倍。与相移普通单模光纤光栅透过同样的波数相比与相移普通单模光纤光栅透过同样的波数相比，相移保偏光纤光栅的透射峰线宽更窄，透过，相移保偏光纤光栅的透射峰线宽更窄，透过率更高。不同偏振态的透射峰之间隔离度更高率更高。不同偏振态的透射峰之间隔离度更高。
