光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用

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光纤通信器件
在光纤通信中的应用
相关参数(续):
双向1550nmWDM通信系统的 隔离滤波器
FWHM=0.2~1nm, R=100%
1550nmWDM系统的解复用器
1550nmWDM系统中光分插复用 器的
滤波器
FWHM=0.2~1nm, Isolation＞30dB
FWHM=0.1~1nm, Isolation＞50dB
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光纤光栅工作原理
a. 梯度应变调谐 应力可以改变光纤光栅的光栅常数Λ，也可以改变
光纤光栅的折射率分布，从而影响光纤光栅的工作波长， 完成波长调谐。
将光纤光栅部位嵌在松软的介质中，一端固定，另 外一端施加拉力，造成介质内光纤光栅部位出现梯度分 布的应力，使光纤光栅变成啁啾光纤光栅。
长距离传输的色散补偿(1550nm)
1530nm~1560nm光放大器的 增益平坦器
FWHM=0.1~10nm, D=1600ps/nm
FWHM=30nm, loss=0~10dB
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在光纤通信中的应用
(1) 光源
a. DFB (Distributed Feedback) 光纤光栅激光器
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第四章 光纤光栅原理及应用
一、光纤光栅的工作原理
入 射 光
包 层
透 射 光
反 射 光
Λ
纤 芯
光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：
12 2
β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的 周期，在写入光栅的过程中确定下来。
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光纤光栅工作原理
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光纤光栅工作原理
b. 压电陶瓷驱动法
用压电陶瓷的伸缩驱动光纤光栅参数的线性调节，
如此可以利用光纤光栅在压电陶瓷的辅助下设计可调谐
激光器。
也可以利用压电陶瓷完成光纤光栅栅格间距的非均
匀调节，得到啁啾光纤光栅的波长输出。
将薄压电陶瓷片堆相互粘贴在一起，每片被独立控
制，将光纤光栅沿轴向粘贴在陶瓷串的侧壁，由PZT片
光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理
当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相 应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另 外一端透射出来。
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称 为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中 心波长（布拉格波长）表达式：
B 2n
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矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，
则波长漂移量为
1pesin20DMF
4GIP
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光纤光栅原理及应用
四、光纤光栅的应用：
1. 在光纤通信中的应用：
应用领域
光纤光栅的相关参数
980/1480nm激光器的波长稳定
FWHM=0.2~3nm, R=1~10%
为
1PeZ0M
EI
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光纤光栅工作原理
（2）纯转动情况
对于纯转动情况，在扭转角不大的情况下，光纤光
栅的应变可表示为 1 sin 2
2
式中，ν是轴距MF作用的梁表面任一点的扭应变，可表
示为
DM F
2G IP
式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性
直接在掺铒光纤或其他稀土掺杂的光纤上写入 光纤光栅，构成谐振腔，且有源区和反馈区同为一 体。
多波长光纤激光器。
边模抑制比优于DBR光纤光栅激光器。
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在光纤通信中的应用
b. DBR光纤光栅激光器 (Distributed Bragg Reflector)
FBG写在掺铒光纤或其他稀土掺杂的光纤的两 端，构成谐振腔，也可以构成多波长激光器。
P
光纤光栅
光纤
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光纤光栅工作原理
4. 非轴向应力产生的光纤光栅应变分析 （1）纯弯曲情况
对于纯弯曲情况，受弯矩M作用的弹性梁表面任一 点的轴向应变ε可表示为
Z0M EI
式中，Z0是考察点距梁中点的距离；E是梁的杨氏模量； I是梁的惯性距。
如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量
λ1
λ2
3 λ1,λ2, λ3 λ3,λ4
1 光 环 行 器 2 λ λ1 i+,1λ,· 2· ,· λ,i-λ1,λni,光 纤 光 栅
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光纤光栅的封装工艺与技术
（2）高温载氢处理
在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温 至600℃ 短时间（10秒）内增加光纤的光敏性 （3）火焰热处理 氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃ 持续20分钟 光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10-3 高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题
光纤光栅工作原理
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光纤光栅工作原理
均匀FBG的反射特性
峰值反射率： Rma xtan 2khL
反射带宽：

neff
neff
B
由以上两式可知，光栅互耦合系数k（正比于折 射率调制深度）与长度乘积kL越大，则峰值反射率 越高；折射率调制深度越大，则反射带宽越宽。
（2）简支梁调谐法
将待调谐的光纤光栅刚性地粘贴于中央部位， 对中间位置施加外力P，通过改变梁偏离水平位置 的距离影响作用于光纤光栅上的应变，从而达到调 谐光纤光栅波长的目的。
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光纤光栅工作原理
（3）悬梁臂调谐法 相对于简支梁结构而言，该结构比较简单，波长调
谐范围也较宽，可以达到17nm以上，但是这两种方法都 比较难以控制啁啾度，都可以实现啁啾和非啁啾调谐。
择损耗特性。
mn01nclm
Λ为光栅周期，n01为纤芯模式 折射率，n(m)为m阶包层模式 的折射率。
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光纤光栅工作原理
长周期光纤光栅的光谱特点
包层
纤芯
基模至包层模的转换谱（ ˆ 是自耦系数，k是互耦系数）：
峰值转换率：
Tt2
1
ˆ2
热稳定性优于B-Ge光纤
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光纤光栅的封装工艺与技术
（3）掺N2（氮气） SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加倍 折射率变化～2.8×10-3
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光纤光栅工作原理
三、光纤光栅的波长调谐技术
光纤光栅的波长调谐是指对制作好的光纤光栅 进行操作，通过不同物理效应改变光纤光栅的光栅 常数（栅距Λ）及光栅位置的折射率分布，使其反 射（或透射）波长产生一定的漂移量，以达到调谐 光纤光栅反射（或透射）波长的目的。
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光纤光栅工作原理
3. 机械调谐法 机械调谐法是基于折射率与应力的依赖关系。
各种纵向应力（使光纤光栅轴向拉伸或压缩）、横 向应力（使光纤光栅侧向弯曲）、扭转应力（使光 纤光栅产生形变）都可以实现光纤光栅的波长调谐。 基于机械方法实现调谐的不同途径，可以分为以下 几种： （1）轴向应力机械调谐 a. 梯度应变调谐
堆灵活控制光纤光栅各个局部的应变，如果每片陶瓷上
应变呈非均匀分布，则光纤光栅调谐为啁啾光纤光栅，
否则还是均匀周期的光纤光栅。2019/9/19来自18光纤通信器件
光纤光栅工作原理
c 轴向挤压法
1994年，Ball等人在压电陶瓷驱动法的基础上， 用两个光纤布拉格光栅构成线性谐振腔，其中一端 固定，另外一端改用步进电机驱动，通过步进电机 的移动挤压光纤布拉格光栅来改变其波长，调谐量 达到32nm。
光纤激光器
FWHM=0.1~1nm, R=1~100%
光纤放大器的泵浦反射器(1480nm) FWHM=2~25nm, R=100%
Raman放大器(1300/1550nm)
FWHM=1nm, R=100%
1550nm相位变换器的泵浦反射器 和波长转换器中的隔离滤波器
FWHM=1nm, R=100%
si2n
k2ˆ2
1k2
Tma xsi2 nkL
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光纤光栅的封装工艺与技术
二、掺杂光纤的光敏性
1. 掺杂光纤光敏性机理
掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂 形成色心
标准光纤：GeO2 其它掺杂：Erbium（铒）, Europium（铕）, Cerium（铈） 2. 影响光纤光敏性的因素
光纤布拉格光栅(FBG)与光纤耦合器或者光环形 器组合使用就可以构成波分复用器。
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在光纤通信中的应用
基于光纤光栅的WDM
光 环 行 器 1
光 环 行 器 2
光 环 行 器 3
λ4
λ1 1
2
λ2 1
2
λ3 1
2
光 纤 光 栅 1λ1 3 光 纤 光 栅 2λ2 3 光 纤 光 栅 3 λ3
1. 电磁调谐
将光纤光栅固定在磁致伸缩棒上，连同该磁致 伸缩棒置于均匀磁场中，磁致伸缩棒将磁力转化为 应力作用于光栅上，从而完成光纤光栅波长的连续 均匀调谐。103mT的磁场产生1.1nm的漂移量。
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光纤光栅工作原理
如何产生光纤光栅波长的非均匀调谐，即调谐 后为啁啾光纤光栅？
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光纤光栅工作原理
长周期光纤光栅的工作原理
当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位
匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，
很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，
并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，
基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选
磁致伸缩棒置于非均匀磁场中，则磁致伸缩棒 表面不同位置产生的应力大小也不同，使得光纤光 栅上不同位置的栅格间距（光栅常数Λ）被拉伸或挤 压的程度也有区别，折射率变化程度也不一致，使 得原本均匀周期的光纤光栅变为非均匀周期的啁啾 光纤光栅。磁场梯度为23mT/cm时，带宽为0.92nm 的光纤光栅被调谐成1.63nm的啁啾光纤光栅。
DBR光纤光栅激光器可获得比DFB光纤光栅激 光器更高的模式选择性，获得稳定的单模运行； DBR光纤光栅激光器也是目前商用化最好的一种可 调谐激光器。
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在光纤通信中的应用
c.光纤光栅外腔半导体激光器
将一个半导体激光器的输出耦合到一支光纤光栅 上便可以得到光纤光栅外腔半导体激光器。
多波长输出半导体激光器。
阈值电流低，并且具有极低的温度依赖性，以及 很高的边模抑制比，可获得窄线宽稳定激光输出， 特别适用于DWDM系统上。
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在光纤通信中的应用
(2) 波分复用器(WDM)
光纤布拉格光栅具有波长选择滤波的作用，并且 可以根据需要设计小到0.1nm的带宽，因此光纤光栅 适合于高速密集波分复用的光纤通信系统中。
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光纤光栅的封装工艺与技术
4. 混合掺杂
（1）掺Boron（硼）
降低折射率，可提高Ge掺杂浓度
光纤的光敏性增加3倍
30min400℃退火可使折射率变化减半
1500nm窗口付加损耗～0.1dB/m
双折射效应
（2）掺Tin（锡）
较B-Ge光纤的光敏性增加3倍
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光纤光栅工作原理
2. 热调谐法 热调谐法是基于折射率与温度的依赖关系，实
验证明：光纤布拉格光栅波长的温度灵敏度为0.011 nm/oC（或者0.015nm/oC ）。热调谐的方法可以使 光纤光栅波长的调谐量达到30nm，但是调谐温度不 易控制，容易受应力的交叉影响，而且热传递速度 缓慢决定调谐过程缓慢，以至于适用价值不是很大。
掺杂种类与掺杂浓度 预制棒 拉纤速度影响光纤光敏性 光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
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光纤光栅的封装工艺与技术
3. 增加光纤光敏性的方法
（1）低温载氢处理 压力：20~750atm(典型150atm)，温度：20~75℃， 时间：数十小时至数天 形成Ge-H，Si-H，Ge-OH，Si-OH 有效增加标准单模光纤的光敏性 标准单模光纤损耗增大 光敏性变化大 退火及老化处理
知识点回顾
光纤光栅：
用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光 纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间 分布，形成光栅结构，并且能精确控制谐振波长。
光纤光栅的的主要制作方法：
1. 纵向驻波写入技术(内部写入技术)
2. 横向全息写入技术 3. 相位掩模写入技术 4. 逐点曝光写入技术 5. 振幅掩模写入技术