光纤光栅

相位掩模法
光栅周期与相位掩模板 周期有如下关系：
p d
2 g pm
h
s
2(n pm 1)
h
-1 相位掩模写入光纤光栅
n pm
+1
啁啾光纤光栅写入方法
啁啾光纤光栅的写入，可以采用啁啾相 位掩模板，中心波长和啁啾量任意设计， 但制作困难，价格昂贵；

但也可以利用均匀相位掩模板： 右图所示为采用光纤弯曲法写入啁啾光 纤光栅，光栅周期如下： ( ) m / cos 光纤弯曲法写入 啁啾光纤光栅
可应用在WDM的各个环节
发射机 复用 色散斜率补偿器 光纤激光器 波长复用
光放 光信号监控 有源泵浦控制 泵浦反射器 增益平坦滤波器 动态增益均衡器 动态增益控制 分布式拉曼泵浦
……
光放 动态色散补偿 PMD监控及补偿 解复用 固定分插 可调分插 接收机
色散补偿中的应用
波长色散的起因有两个：
2.5 光纤光栅
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
体光栅工作原理
1＋ 2 光栅周期 1 成像平面
2ห้องสมุดไป่ตู้

反射光栅
当以角度d衍射的射线满足下面的光栅方程时，在成像平面 内就会产生波长上的相长干涉，即：(sini－sind)=m 式中m是光栅阶数，一般只考虑m=1的一阶衍射条件。 由于对于不同的波长，可以在成像面内的不同点满足光栅 方程，所以光栅可分离出单独的波长。
m 1
长周期光纤光栅的衍射
长周期光纤光栅
长周期光纤光栅
长周期光纤光栅的透射谱
长周期光纤光栅的透射谱
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
光纤材料的光敏性 光纤光栅中的折射率调制是利用光纤材料 的光敏性产生的; 光敏性－－指掺杂光纤被激光照射时，折 射率随光强的空间分布发生相应的变化， 变化大小与光强成线性关系并可永久保存 下来; 实质上，在纤芯内形成一个窄带的(透射或 反射)滤波器或反射器; 光纤光敏性的峰值位于240nm的紫外区;
光纤光栅在光纤传感中的应用
反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系： 土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全 监控； 航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的 监测； 船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警； 电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响，所 以特别适合于电力系统中的温度监控； 石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油 田中的温度、液位等的监控； 遥测核磁共振机中实地温度，可进行心脏有效率的测量等； 核工业：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等；
光纤Bragg光栅滤波器
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，可构成大量的有源和无源光器件是 :
有源器件: 光纤激光器; 半导体激光器; EDFA光纤放大器; Ramam光纤放大器;
无源器件: 滤波器; WDM波分复用器; OADM上下路分插复用器; 色散补偿器; 波长变换器 ；延时器； 光纤光栅编码器。
FBG光纤光栅的应用
输入谱 I I
传输谱
反射谱 I
应变引起 波长移动
典型应用就是滤波，还可利用应变实现可调谐滤波； 还可以利用其敏感度制备光纤传感器；
FBG光纤光栅传感器
光纤光栅是将通信用的光 纤的一部分利用掺锗光纤非 线性吸收效应的紫外全息曝 光法而制成的一种称为Bragg
Grating的纤芯折射率周期性
提高敏化的方法 最广泛采用的载氢技术
氢或氚通过反应并维持更多的缺陷结构来增 加光敏性，n>10-2； 降低了对光纤的选择要求，几乎可以用于任 意光纤； 氢原子只起临时敏化作用，没有参与作用的 氢原子会随着时间慢慢扩散而离开光纤，对 光纤的长期稳定性没有影响；
紫外脉冲光源
准分子激光器－最简单的高能、脉冲光源
普通衍射光栅原理
衍射光栅原理
短周期光纤光栅基本原理
基本特性表现为一个反射式的光学滤波器 1=i和2=-1分别对应0级和1级衍射光，二者传播 常数相同,得到FBG的反射波长(Bragg波长)：
B 2neff
i
2 m 1
1
m0
短周期光纤光栅的衍射
闪耀光纤光栅特性
1）折射率随波长呈非线性变化，色散系数与折射 率的二阶导数成正比，称为材料色散； 2）传播常数与波长呈非线性关系，色散系数与传 播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。
色散产生原理示意图
啁啾光栅－色散补偿
long short
Chirped Bragg grating
••• 优点： 补偿色散在一个很短小的栅区内形成，器件损耗低，在强信号功率下无 非线性问题； 沿光栅精确改变啁啾量可补偿波长依赖色散； 偏振不敏感； 时延抖动小； 良好的温度特性好，成本低； 缺点： 光栅长度与补偿带宽呈线性关系，对窄带补偿有利，对宽带器件困难； 光栅局部周期缺陷和切趾缺陷使得光栅的色散存在相位畸变；
λ=2neffΛ
neff为光纤纤芯有效折射率 Λ为光栅的栅距（光栅周期） 当外界的被测量引起光纤光栅温度、应 力改变都会导致反射光中心波长的变化。
FBG光纤光栅传感器基本原理
布拉格 光栅
施加外力
光栅的间隔 产生变化导 致波长变化
反射相应 变化的光
检测变化 值得出所 需量
温度：T=(λ-λb)*1000/10+T0 应变：με=(λ-λb )*1000/1.2 通过监测布拉格波长的变化即可测出 温度和应变扰动
θ>0表示正向传输光
θ<0表示反向传输光
普通衍射光栅原理
普通光栅的光栅方程
n1 sin i n2 sin m n1 sin i n2 sin m /
普通透射光栅的工作原理如图所示，1=i对应零级衍射 光，2对应1级衍射光。
i
n1

n2
2
1
m0 m 1
1 1
2 2 1
能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射 中--反射式滤波器FBG
FBG:
length
Period
•光纤光栅的形成： 光纤敏化（载氢或光敏光纤）--紫外光（~244nm） 以光栅条纹方式照射光纤--形成折射率光栅 反射中 心波长
2neff
光 纤
1 2 3
透 镜
光 栅
1+ 2+ 3
衍射光栅型波分复用器结构示意图
光
1
2 3
纤
棒 透 镜
光 栅
1+ 2+ 3
采用棒透镜的光栅型WDM
光纤光栅FBG
对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条 件，两波之间将发生能量的耦合。 Bragg条件： 2 1 2 光栅周期 特别地，如果满足
光栅切趾分布函数有很多种，此处介绍常用的：
高斯分布
升余弦分布
高斯分布切趾FBG 高斯切趾光栅的折射率调制深度分布：
n eff ( z ) n eff
4 ln 2 z 2 exp FWHM 2
其中FWHM是高斯轮廓的半高宽度，一般取光栅 总长度为6×FWHM。 随着FWHM的减小，光纤光栅的反射谱旁瓣受到 明显拟制，但在主反射带短波长边则仍有较大的 旁瓣，主要是由于光致折射率变化为非均匀时， 光纤中的有效折射率随光纤光栅的位臵而变化， 使光栅形成自啁啾效应所造成的。
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
光纤光栅的光学特性
由普通光栅的光栅方程得到光纤光栅的光栅方程： neff 2 neff 1 m 2 2 1 m
其中：
neff 2 n2 sin , neff 1 n1 sin i 2 neff
Bragg光纤光栅
Bragg光纤光栅
旁瓣效应
光栅中心和两侧对应不同反射峰，光纤光栅的两 端折射率突变引起的F-P效应所致在反射谱线上产 生旁瓣效应。
反射率
两侧反 射谱 中心反 射谱
光栅短波侧旁瓣形成示意图
Bragg光纤光栅的改进
变迹啁啾光纤光栅切趾特性
切趾FBG
切趾FBG－－折射率周期不变，调制幅度变化 目的－－使折射率调制深度由中心向两侧逐渐减 小，与非光栅区平滑过渡，从而抑制反射谱线的 旁瓣。
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类 光纤光栅基本原理 光纤光栅制作技术 各种光纤光栅应用 光纤光栅研究方向
光纤光栅的应用
光纤光栅有如一道道的栅门，一束光经过这 一排栅门，就会被分解成很多道光线，不能 通过栅门的光线就会被打回头； 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 （透射或反射）滤光器或反射镜。
工作波长193-248nm，工作功率0.3-100mW 相对较短的时间相干性和空间相干性，适合相移掩模法和逐点写入 法 成栅时间短
掺钕YAG泵浦染料激光器
发出可见光~484nm，然后倍频到~248nm 可调谐、高相干性 能量低于准分子激光器，但高相干性可聚焦得到高峰值光密度
掺钕YAG或掺钕YLF四倍频激光器
功率高，比准分子激光器更好的相干性 不能调谐，波长比理想光纤光敏波长偏大
其它方案－－价格、复杂程度、可使用性或相对差的性能导致 没有被广泛的使用
紫外连续光源 244nm倍频氩离子激光器
工作在连续状态，没有很高的峰值功率； 倍频可以直接在激光器内完成，也可通过外 腔得到； 典型功率50~500mW； 成栅时间长；
啁啾光纤光栅特性
长周期光纤光栅基本原理
前向传输模式耦合成一个泄漏的包层模 基本特性表现为一个带阻滤波器，阻带宽度一般 为十几到几十nm 1=i和2分别对应0级（为芯层模）和1（为包层模） 级衍射光：
D neff 1 neff 2
i
1
m0
2
FBG光纤光栅传感器基本原理
反射光进入 可调谐窄带 光纤F-P滤 波器
改变滤波器中 F-P的腔长来改 变 F-P滤波器的 导通频带
扫 描 光 栅 反 射 谱
变量
耦合器导引
电控压电 陶瓷
电信号 转为数 字信号
A/D转换
将反射 光变为 电信号
光电探 测器
检测导通中心 波长与某一光 纤光栅的 布拉 格波长相等
变化光栅。 属于波长调制型非线性作用 的光纤传感器
FBG光纤光栅传感器基本原理
当光栅周围的温度、应变、应力或其他 待测物理量发生变化时，将导致光栅周期 或纤芯折射率的变化，从而产生光栅布拉 格信号的波长位移，通过监测波长位移的 情况，即可获得待测物理量的变化情况。
FBG光纤光栅传感器基本原理 反射的中心波长
Pe为有效弹光系数 ~ 0.22，与光纤的弹光效应有 关
为光纤光栅的轴向应变
光纤光栅的封装技术
可通过控制应力来补偿温度对Bragg波长的影响
机械封装： • 为补偿波长随温度的漂移，应在光纤光栅轴向附加应变量进行补偿。 • 结构相对复杂，但可通过精密调节使光栅达到很高的精度和调谐范 围 负温度系数材料封装： • 材料可控性差，成型后无法进一步调节。 • 为了保证长时间的稳定性，树脂型热粘结胶比较常用，如353ND， UV固化胶等。
F
光纤应力拉伸法：通过机械结构的设计， 沿光纤轴向产生线性变化的应力，写入光 光纤拉伸法写入 栅，当应力释放后即得到啁啾光栅。 啁啾光纤光栅
光纤光栅的温度稳定性
光纤光栅的中心波长对外界温度和应力的变化非 常敏感，基本呈线性关系：
B
B
(1 pe ) ( )T
光纤的热膨胀系数 ~ 0.5 10 6 / O C 为光纤的热光系数 ~ 7 10 6 / O C
纤芯的有效折射率
光栅 周期
基本结构
光纤光栅的优势 全光纤结构
低插入损耗
低成本优势 偏振相关性较低，其可靠性较高 能灵活实现所需的光谱特性
许多物理参数可以调整
光纤光栅的分类
光纤光栅的结构参数
光栅周期－－光栅折射率调制的距离 光栅长度 调制深度－光栅中折射率差.(折射率的变化) 折射率分布