光纤光栅

5) 高频CO2激光脉冲写入法制作长周期光栅
逐点写入法
大角度倾斜光纤光栅显微照片
各种折射率分布修正 及其 反射谱
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;
• 《物理光学》基本结果：
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本书page177 习题6
2) 相位掩模法
• 实质：用相位掩模光栅以λB/λeff宽度 的间距来调制紫外光束的空间相位
3) 点-点写入法
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
• 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。
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,
• 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。
• 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。
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) 。
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。
• 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。
nz
n0
n cos 2
z
5.18
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, Λ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。
• 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 FabryPerot 效应所致。
• 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）
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。
• 光纤光栅就是典型的折射率型光栅。
• 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, 实际上所有的在光纤中 制作的光栅都可以称为光纤光栅。
• 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。
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。
neff1 neff 2
5.15
5.16
式中, neff1 为入射模式有效折射率, neff2 为衍射模式有效折射率。
• 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 θ2 = - θ 1 , 式( 5. 15) 可以改写为
2neff 2n
闪耀光纤光栅
Fiber
闪耀光栅结构示意图
fringe Fiber core
θ0
B（衍射零级方向）
n（刻槽面法线）
A（入射光线） N（光栅面法线）
光栅平面
0
-5
Y Axis Title
-10
-15
-20
-25
-30 1500
1520
1540
1560
1580
1600
11
利用载氢普通光纤写制的倾斜光栅透射谱
nsin 2
m
5.14
式中, λ是光栅周期, n为介质折射率, m 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 = ncosinθ , nco 表示纤芯折射 率。
光栅面
光栅面
光栅面 光栅面
• 在光纤中, m= 1, 只考虑一级衍射, 则可以 写为
neff1 neff 2
• 折射率调制深度越强, 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。
• 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
2. 啁啾光纤光栅(chirped fiber grating)
Ｍ@画图
• 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, 其反射具有振荡性。
• 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。
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。
5.17
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栅的耦合是发生在同 种模式之间的。在单模光纤中, 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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θ1 入射的光将以角θ2 衍射, 且满足布拉格衍射方程
n s in 1
• 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。
长周期光纤光栅
• 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。
• 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。
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
• 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。
• 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, 所以周期要长, 通常 达几百微米。（Page 153 5.16 5.17）
期光纤光栅; • 另一类是透射光栅也就是长周期光纤光栅。
• 按照折射率调制的强度来划分, 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。
• 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
• 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。
• 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。
• 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
nco nc1
式中, Λ 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。
• 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。
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