光纤布拉格光栅(FBG)-基础与应用
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最大反射率为 反射谱带宽为
R ( l , ) tanh ( l )
2
1 B s ( 2nn ) ( N ) 2
0
2
光电子技术精品课程
光纤的光敏特性
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：GeOx 其它掺杂物质：Erbium（铒）, Europium （铕）, Cerium（铈） 掺杂种类与掺杂浓度 预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前 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 火焰热处理
• •
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
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
光电子技术精品课程
光纤光栅分类
Ⅰ类光栅
掺杂浓度较低的光纤内形成 较低UV曝光量 局部缺陷引起折射率变化 折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0 温度稳定性较差（300℃） 可使脉冲或连续激光，前者更有效 掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)的光纤内形成 较高UV曝光量（ ＞ 500J/cm2)， 结构重构引起折射率变化 折射率变化⊿n＜0 温度稳定性较好（500℃） 可使脉冲或连续激光 极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 物理破坏引起折射率变化 折射率变化⊿n可达10-2 温度稳定性好（800℃） 只能使用脉冲激光
光电子技术 精品课程
第5讲:光纤布拉格光栅(FBG) --基础与应用
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
李恩邦
FBG的发现与发展 光纤布拉格光栅（简称FBG）是在 单模光纤的纤芯内通过某种方式 对其折射率产生周期性的调制而 形成的一种全光纤器件 (如右图 所示)。 1978年，加拿大Hill 等人使用如左图 所示的实验装置将488nm的氩离子激光 注入到掺锗光纤中，首次观察到入射 光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉 条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴 向的周期性调制，从而发现了光纤的 光敏特性，并制成了世界上第一个光 纤布拉格光栅。
• • • • 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
影响光纤光敏性的因素
混合掺杂 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 30min @400℃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 较B-Ge光纤的光敏性增加3倍 热稳定性优于B-Ge光纤
增加光纤光敏性的方法 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
掺Tin（锡）
WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
光电子技术精品课程
FBG原理与特性
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后 向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向 传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为λB=2neffΛ， 其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。 设光纤纤芯折射率为 n ( z ) n 0 n cos( 2 z / )
双光束干涉法
用于FBG制作的UV激光器
倍频氩离子激光器 准分子激光器 倍频铜蒸气激光器 倍频可调谐染料激光器 倍频可调谐OPO 三倍频YAG激光器 Alexandrite(紫翠玉)激光器
内部写入法 双光束干涉法 掩模法 模板+双光束干涉法 逐点写入法 其它写入法
WDM Amplifiers
WDM
Switching
• Optical Switches • Circulator s • Couplers • Add/drop modules
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated amplifiers • SOAs
光电子技术精品课程
ⅡA（Ⅲ）类光栅
Ⅱ类光栅
光电子技术精品课程
光致折射率变化的特性
光致折射率变化的各向异性
光纤光栅双折射～10-6 侧向写入制成的光纤光栅双折射要 大2个数量级 双折射与UV激光的偏振方向有关：P 方向小，S方向大，可相差10倍 双折射与UV激光的波长有关：193nm 较240nm UV激光产生更大的双折射
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为
k sinh ( sl ) s cosh k k / k 2 n 0 /
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V ( 2 a / )( n co n cl )
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
折射率变化的温度稳定性(右下图)
光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态 在一定温度下，折射率变化变小甚 至完全消失
光电子技术精品课程
FBG写入技术
FBG制作对UV激光器的要求
输出波长及其稳定性 空间及时间相干性 输出功率或脉冲能量及重复率 光斑质量 偏振特性 光束指向稳定性
FBG写入技术分类
掩模法
UV beam Phase Mask
光电子技术精品课程
FBG在光通信中的应用
波分复用与解 复用 源自文库 波长锁定 光纤放大器增 益平坦 色散补偿 上下路复用与 解复用 光CDMA
Components and Modules in DWDM Networks
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最大反射率为 反射谱带宽为
R ( l , ) tanh ( l )
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1 B s ( 2nn ) ( N ) 2
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光纤的光敏特性
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：GeOx 其它掺杂物质：Erbium（铒）, Europium （铕）, Cerium（铈） 掺杂种类与掺杂浓度 预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前 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 火焰热处理
• •
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
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
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光纤光栅分类
Ⅰ类光栅
掺杂浓度较低的光纤内形成 较低UV曝光量 局部缺陷引起折射率变化 折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0 温度稳定性较差（300℃） 可使脉冲或连续激光，前者更有效 掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)的光纤内形成 较高UV曝光量（ ＞ 500J/cm2)， 结构重构引起折射率变化 折射率变化⊿n＜0 温度稳定性较好（500℃） 可使脉冲或连续激光 极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 物理破坏引起折射率变化 折射率变化⊿n可达10-2 温度稳定性好（800℃） 只能使用脉冲激光
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第5讲:光纤布拉格光栅(FBG) --基础与应用
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
李恩邦
FBG的发现与发展 光纤布拉格光栅（简称FBG）是在 单模光纤的纤芯内通过某种方式 对其折射率产生周期性的调制而 形成的一种全光纤器件 (如右图 所示)。 1978年，加拿大Hill 等人使用如左图 所示的实验装置将488nm的氩离子激光 注入到掺锗光纤中，首次观察到入射 光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉 条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴 向的周期性调制，从而发现了光纤的 光敏特性，并制成了世界上第一个光 纤布拉格光栅。
• • • • 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
影响光纤光敏性的因素
混合掺杂 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 30min @400℃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 较B-Ge光纤的光敏性增加3倍 热稳定性优于B-Ge光纤
增加光纤光敏性的方法 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
掺Tin（锡）
WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
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FBG原理与特性
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后 向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向 传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为λB=2neffΛ， 其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。 设光纤纤芯折射率为 n ( z ) n 0 n cos( 2 z / )
双光束干涉法
用于FBG制作的UV激光器
倍频氩离子激光器 准分子激光器 倍频铜蒸气激光器 倍频可调谐染料激光器 倍频可调谐OPO 三倍频YAG激光器 Alexandrite(紫翠玉)激光器
内部写入法 双光束干涉法 掩模法 模板+双光束干涉法 逐点写入法 其它写入法
WDM Amplifiers
WDM
Switching
• Optical Switches • Circulator s • Couplers • Add/drop modules
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated amplifiers • SOAs
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Ⅱ类光栅
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光致折射率变化的特性
光致折射率变化的各向异性
光纤光栅双折射～10-6 侧向写入制成的光纤光栅双折射要 大2个数量级 双折射与UV激光的偏振方向有关：P 方向小，S方向大，可相差10倍 双折射与UV激光的波长有关：193nm 较240nm UV激光产生更大的双折射
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为
k sinh ( sl ) s cosh k k / k 2 n 0 /
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V ( 2 a / )( n co n cl )
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
折射率变化的温度稳定性(右下图)
光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态 在一定温度下，折射率变化变小甚 至完全消失
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FBG写入技术
FBG制作对UV激光器的要求
输出波长及其稳定性 空间及时间相干性 输出功率或脉冲能量及重复率 光斑质量 偏振特性 光束指向稳定性
FBG写入技术分类
掩模法
UV beam Phase Mask
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FBG在光通信中的应用
波分复用与解 复用 源自文库 波长锁定 光纤放大器增 益平坦 色散补偿 上下路复用与 解复用 光CDMA
Components and Modules in DWDM Networks