1、 HUST 20122021/7/91第六章光纤无源及有源器件 HUST 20122021/7/92五、光纤光栅1 1、简介、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。HUST 20122021/7/93 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。HUST 20122021/7/94（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。紫外光照射紫外光照射在石英光纤中引
2、入缺陷在石英光纤中引入缺陷增加折射率增加折射率(0)n 氢载标准单模光纤氢载标准单模光纤增加增加OH的吸收的吸收增加缺陷增加缺陷2max10n HUST 20122021/7/95（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.HUST 20122021/7/961989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。)sin()sin(2 writeef
3、fBwritenG.Meltz et al.,Optics Lett.,14,p.823,1989.HUST 20122021/7/972 2、分类、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 HUST 20122021/7/98 HUST 20122021/7/99 HUST 20122021/7/910 500 nm(布喇格光栅布喇格光栅)200 m(长周期光栅长周期光栅)12
4、5 m8 m1 mm to 1500 mm单模光纤单模光纤纤芯纤芯包层包层折射率比纤芯高的区域折射率比纤芯高的区域 HUST 20122021/7/9113 3、光纤光栅的工作原理、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：12sinsinnnm 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。21 HUST 20122021/7/912Bragg反射光纤光栅 HUST 20122021/7/913 HUST 20122021/7/914长周期光纤光栅透射光纤光栅 HUST 201
5、22021/7/915(1)Bragg反射光纤光栅传输特性折射率沿z轴的变化：0n：纤芯折射率；maxn：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：111221212112izizdAiA edzdAiAedz 12222：对Bragg波长该式为0；其他波长该式不为0。222222effBeffBnndzdA2 zznnzn2cos1max0 HUST 20122021/7/916耦合系数：max1221n令：221122()(),()()izizA zR z eA zR z e得到：1112222211()()()2()()()2dR ziR ziR
6、zdzdR ziR ziR zdz 求解方程，得到：1211221212()cosh()sinh()(0)sinh()(0)2()sinh()(0)cosh()sinh()(0)2iziziiA zzzAez AiiA zez AzzA HUST 20122021/7/917其中，222122上述计算结果可表示为矩阵形式：1122()(0)()(0)A zAFA zA令：2212(0)1;()0AA L得到Bragg光纤光栅的反射谱：22122122222(0)(0)sinh()=cosh()sinh()2ARALLL HUST 20122021/7/918Bragg光纤光栅的特性参数中心波长
7、：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。2Beffn2maxtanhRL HUST 20122021/7/919Bragg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：非均匀周期光栅非均匀周期光栅划分为小间隔的均匀光栅划分为小间隔的均匀光栅均匀光栅已知均匀光栅已知的传输矩阵的传输矩阵1122()(1)()(1)iiiiiAzAzFAzAz总的传输矩阵：1112112122NNFFFFFFFF反射系数：
8、22122FRF HUST 20122021/7/920(2)光纤光栅的种类单信道的均匀光栅Coupling ConstantReflection Coefficient HUST 20122021/7/921单信道的变迹光纤光栅1549.6 1549.8 1550.0 1550.2 1550.4 1550.6 1550.8 1551.0-45-40-35-30-25-20-15-10-505Reflection dBWavelength nmLgr0Refractive index modulationGrating position Constant.)(Constant.)(.contr
9、olledNot )(Tapered.)(zznzzAeff HUST 20122021/7/922取样光纤光栅1.521.531.541.551.561.571.580.00.20.40.60.81.0 ReflectivityWavelength(m)HUST 20122021/7/923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。HUST 20122021/7/924变迹啁啾光栅在整个反射带内波段都有 100%反射 HUST 20122021/7/925闪耀光纤光栅闪耀 FBGs：与光纤的纤轴成一定角度所刻制
10、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。HUST 20122021/7/926形成多个极窄的透射峰形成多个极窄的透射峰 HUST 20122021/7/927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。HUST 20122021/7/928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。)()(zSi
11、zRidzdR)()(zRizRidzdSR导模；S包层模的幅度导摸耦合到包层模的能量：2222222sin11)0(/)(RzSt HUST 20122021/7/929长周期光纤光栅的透射谱：)(nm透射率透射率波长波长)(nm(a)(b)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：0)(2121,cocl mmeffeffnn HUST 20122021/7/930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。HUST 20122021/7/931光纤光栅的工作稳定性由2Beffn可知：凡是外界因素造成光栅周期、传输模
12、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。HUST 20122021/7/932 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 HUST 20122021/7/933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 HUST 20122021/7/934相干技术相干技术 HUST 2012
13、2021/7/935相位掩膜技术相位掩膜技术 HUST 20122021/7/936 HUST 20122021/7/9375、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 HUST 20122021/7/938色散补偿应用 Chirped Bragg grating longshort HUST 20122021/7/939OADM 应用Identical FBGs at 4 1,2,3,4,5 4 DD 4 AAReported CharacteristicsChannel passband:0.1-0.5 nm Channel spacing:0.7-1.6 nm Channel isolation:20-30 dB Insertion loss 15 dB 1,2,3,4,5 HUST 20122021/7/940OADM 应用 HUST 2012问题？问题？
