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1、1,5. 5 光纤光栅5. 5. 1 光纤光栅的基本概念与应用,衍射光栅是能对入射光振幅或相位产生周期性变化的任意光学元件。 当光波通过折射率周期性变化的光学介质时, 光波的相位会产生周期性的变化, 因此这种折射率周期性变化的光学介质就是光栅, 称为折射率型光栅( index grating) 。 光纤光栅就是典型的折射率型光栅。,2,光纤光栅是在光纤纤芯中形成的光栅, 折射率沿光纤的轴向呈现周期性的分布, 从而产生了谐振效应。 当光学波长等于谐振波长时, 该波长光波被强烈反射( Bragg 光 栅, 图5. 28) 或损耗 (长周期光栅) 。 最初的光纤光栅是在标准的掺锗单模石英光纤中制作的
2、, 实际上所有的在光纤中制作的光栅都可以称为光纤光栅。,3,根据实际应用的需要, 人们在不同介质材料的光纤上制作光栅, 不仅在掺锗、掺硼、掺磷等无源光纤中制作光纤光栅, 而且在有源稀土掺杂光纤上制作光栅以适应光纤激光器的需求。,4,光通信的发展取决于光放大、光补偿、光交换以及光处理等关键技术的发展。光纤光栅具有带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、易与其他光纤器件融成一体等特性, 这使得光纤光栅以及基于光纤光栅 的器件成为光通信网络中的理想器件, 而且完全满足光通信器件集成化、光纤化、全光化的发展要求。,5,通过多年来的研究, 光纤光栅以及基于光纤光栅的器件已经能够解决光通信系统中许多
3、关键技术。 从编码、光源、复用、传输( 色散补偿) 、光放大( 增益均衡) 、分插复用、波长转换到解复用、解码、接收( 滤波) , 光纤光栅渗透到了光纤通信系统的各个环节。 光纤光栅可以应用于全光开关、全光逻辑来实现全光自动交换。 可以预见, 光纤光栅在未来光网络中的作用就如同二极管、三极管在半导体电路中的作用一样不可或缺。,6,光纤光栅传感领域,光纤光栅不仅在通信领域, 在传感领域也发挥着无可替代的作用, 从最基本的温度、压力、应变到电压、电流、磁场、微振动等各种物理量的测量, 现代大型系统中实现分布式光纤传感神经网络, 最终建成光纤光栅传感的灵敏材料、灵敏结构和灵敏反映的智能传感系统。,7
4、,5.5.2 光纤光栅的基本原理,光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制作的。所谓光敏性, 就是指材料被外部光照射时, 引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。 当特定波长的光辐射掺锗光纤时, 它的一 些物理特性发生了永久性的改变, 如折射率、吸收谱、内应力密度等等。 在外部光源照射时, 光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化, 变化的大小与光强成线性关系并可以被保留下来, 成为光纤光栅。,8,光纤光栅的折射率沿光纤的轴向呈现周期性的分布, 是典型的折射率型衍射光栅。 根据衍射理论, 以角1 入射的光将以角2 衍射, 且满足布拉格衍射方程,式中, 是光栅周期, n为介质折射率, m
5、 为布拉格衍射的级数。在光纤中, 光传播的有效折射率可以简化为 neff = ncosin , nco 表示纤芯折射率。,9,光栅面,光栅面,10,光栅面,光栅面,11,在光纤中, m= 1, 只考虑一级衍射, 则可以写为,式中, neff1 为入射模式有效折射率, neff2 为衍射模式有效折射率。,12,对于反射式光纤光栅, 衍射模和入射模的传播方向相反, 如果两模式是相同的, 则有 2 = - 1 , 式( 5. 15) 可以改写为,式中, n 是平均折射率。这就是布拉格条件, 满足该条件的光栅称为布拉格光栅。,13,对于单模光纤, 反射式光纤光栅的耦合是发生在同种模式之间的。在单模光纤
6、中, 透射式光纤光栅的模式耦合是在纤芯模与包层模之间进行的。 对于多模透射式光纤光栅, 衍射模和入射模的传播方向相同, 所以耦合是在不同模式之间进行的。 对比式( 5. 16) 和式( 5. 17) 可以看出, 要对同一波长发生谐振, 透射式光栅的周期要远远大于反射式光栅。 透射式光栅又被称为长周期光纤光栅, 反射式光栅又被称为短周期光纤光栅。,14,5.5.3 光纤光栅的基本分类,光纤光栅按照不同的标准来划分, 就有不同的分类。 按照周期划分, 光纤光栅可以分为两类: 一类是布拉格光栅, 也称为反射光栅和短周期光纤光栅; 另一类是透射光栅也就是长周期光纤光栅。,15,按照折射率调制的强度来划
7、分, 可以分为弱折射率调制光纤光栅和强折射率调制光纤光栅。 没有明确指出的时候, 通常研究的光纤光栅是指弱折射率调制光纤光栅。,16,根据光栅平面是否有倾角来划分, 也可以分为Blazed光栅和非Blazed光栅。Page156 倾角更准确的理解应该是光纤光栅的一项参数, 各种光栅都有这个参数, 但在一般情况下该参数为零, 而 Blazed 光栅常用于不同模式间的耦合。,17,光纤光栅的形成通常基于光纤的光敏性, 不同的曝光条件、不同类型的光纤可产生多种不同折射率分布的光纤光栅, 不同折射率分布的光纤光栅具有不同的性质。 折射率调制深度和光纤光栅的长度决定了光纤光栅的反射率和带宽, 而折射率调
8、制的类型决定了光纤光栅的光谱特性。 通常以折射率调制的类型来划分光纤光栅的类型。下面简单介绍几种基本的光纤光栅。,18,1. 均匀光纤光栅( uniform fiber grating),均匀光纤光栅是折射率调制周期严格均匀的光纤光栅, 其折射率分布为,z表示光纤光栅的位置函数, n0 表示光栅中 的折射率基准值, 表示光栅周期。均匀光纤光栅的折射率调制, 是在基准折射率水平之上的。,19,20,均匀光纤的数值模拟折射率分布图和光谱图如图5. 29所示。图中的光谱特性说明, 一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣, 这是由于光纤光栅的两端折射率突变引起Fabry-Perot 效应所致。,21,折射率调
9、制深度越强, 光栅的反射率就越高、带宽就越宽。光栅的长度越长反射率就越高, 而带宽就越窄。,22,谐振峰两边的旁瓣分散了光能量, 不利于光纤光栅的应用, 所以均匀光纤光栅的边模(旁瓣)抑制比是表征其性能的主要指标之一。,图5. 30 经过切趾（apodization）后光纤光栅的滤波特性,23,2. 啁啾光纤光栅(chirped fiber grating),画图,24,啁啾光纤光栅的光谱特性取决于光栅长度、折射率调整深度和啁啾参量C, 前两者影响光栅的反射率, 而后者影响光栅的带宽和色散特性, 对反射率也有一定的影响。 如图5. 31所示的光谱特性说明: 啁啾光纤光栅有较宽的带宽, 其反射具
10、有振荡性。,25,适当地修正折射率分布, 即进行切趾, 使光纤光栅两端折射率调制度逐渐递减, 可改善这种振荡性。 利用啁啾型光栅可构成宽带滤波器用于色散补偿和脉冲压缩和放大。（Chirped Pulse Amplifier）,26,3. 闪耀光纤光栅( blazed fiber grating),利用Blazed光栅对不同模式之间的耦合, 例如纤芯模式向包层模式的耦合和向辐射模式的耦合, 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。通过复合的Blazed 光纤光栅还可制成耦合器。,27,闪耀光纤光栅,28,29,利用载氢普通光纤写制的倾斜光栅透射谱,30,大角度倾斜光
11、纤光栅显微照片,31,各种折射率分布修正 及其 反射谱,32,4. 长周期光纤光栅( long period grating, LPG),虽然同是光纤光栅, 但长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅之间的差异很大。 从模式耦合的机理来看, 布拉格光纤光栅是 前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间的耦合; 而长周期光纤光栅是前向传输的纤芯模式与同向的各阶次包层模式之间的耦合。,33,所以, 前者是反射型光纤器件, 插入损耗较大( 几dB) ; 而后者是透射型光纤器件, 插入损耗可以小得多。 由于是反向模式之间的耦合, 所以布拉格光纤光栅周期一般较短;而长周期光纤光栅为同向模式之间的耦合, 所以周期要
12、长, 通常达几百微米。（Page 153 5.16 5.17）,34,满足相位匹配条件的特定波长由纤芯耦合进包层向前传播, 很快被衰减掉, 这样在谱图上就有一个损耗峰。 其他波长不满足相位匹配条件, 基本无损耗地在光纤纤芯中传播, 从而能够实现波长选择损耗特性。,35,长周期光纤光栅,36,由于基本没有后向反射, 使得长周期光纤光栅在光路中不产生光反馈, 不会对系统性能造成附加恶化, 而且由于不存在布拉格谐振, 所以在光栅中心波长附近不会引入额外的大色散。,37,在谐振波长调谐方面, 两者对应力的调谐基本相当, 长周期光纤光栅谐振波长随温度的变化约为布拉格光纤光栅的7倍多。长周期光纤光栅制备简
13、单, 成本要低于布拉格光纤光栅。长周期光纤光栅的谐振波长为,式中, 为长周期光纤光栅的周期, nco 为纤芯模 式有效折射率, ncl为包层模式有效折射率。,38,5. 5. 4 光纤光栅的制作,用图5. 33所示的实验装置制作布拉格光纤光栅。,39,氩离子激光器的488nm 波长的光经过分光器后被注入到一段光纤中。 从光纤中返回的光经过分光器, 由左边的光探测器监测。而透射光则由右边的光探测器接收, 从前端注入到光纤中的激光光束与反向传输的光(光纤远端的菲涅耳反射光) 相干涉, 在光纤芯中形成一个弱的驻波强度分布。,40,如果光纤纤芯对光子敏感, 光纤芯中的折射率就被永久地改变了, 尤其是在
14、干涉区中光强强的位置要比光强弱的位置改变得多。于是，折射率扰动(折射率光栅) 就形成了, 且其光栅周期与干涉光场的空间周期相同。,41,这种折射率光栅起到了一个分布布拉格反射器的作用, 它可将前向传输光耦合到反向传输光束中。 写入光栅的光束耦合提供了正反馈, 反向传输光束初始的强度是由消耗正向传输光束而获得的, 因而就增加了干涉场的光强, 这反过来加快了写入过程。 最后, 光栅的反射率可以达到接近100% 的饱和值, 其光栅的质量依赖于干涉光场的稳定性。,42,1) 横向侧面干涉曝光制作法,光源是准分子泵浦的染料激光器, 其输出是经过倍频的, 在紫外244nm 谱区产生相干 可调谐光。,43,44,物理光学基本结果： Page 80 Page 230 本书page177 习题6,45,2) 相位掩模法,实质：用相位掩模光栅以B/eff宽度的间距来调制紫外光束的空间相位,46,47,48,3) 点-点写入法,49,4) LPFG写入法,1996年，Vengsarkar在载氢光栅中 写入了长周期光栅 1998，Davis 饶云江 Liu Hwang Sohn Yokota Karpov 叶艾伦,50,5) 高频CO2激光脉冲写入法制作长周期光栅,51,逐点写入法,