光纤光栅理论
光纤光栅原理及应用
光纤光栅原理及应用光纤光栅是一种通过在光纤中引入周期性折射率变化的装置，利用折射率变化来调制和处理光信号。
光纤光栅的工作原理基于布拉格光栅的原理，它可以实现光的反射、衍射和干涉，具有许多重要的应用。
光纤光栅的工作原理可以分为两种类型：折射率周期变化型和几何尺寸周期变化型。
在折射率周期变化型中，光纤的折射率会周期性地改变，形成一定的折射率分布。
而在几何尺寸周期变化型中，光纤的尺寸周期性改变，例如通过在光纤表面制造微细结构。
光纤光栅的应用十分广泛。
以下是一些光纤光栅的常见应用：1.光纤通信系统中的滤波器：光纤光栅可以用作滤波器来选择性地过滤光纤通信信号，去除噪声和干扰，从而提高信号质量和传输效率。
2.光纤传感器：由于光纤光栅对于外界环境的敏感性，它可以用作各种类型的传感器，例如温度传感器、应变传感器和压力传感器等。
当外界环境发生变化时，光纤光栅会产生相应的光强、频率或相位变化，从而测量环境的变化量。
3.激光器输出功率控制：光纤光栅可以通过调整光纤中的折射率改变激光器的输出功率。
通过改变光纤光栅的特性，可以有效地控制激光器的输出光强，实现激光器的功率稳定控制。
4.光纤光栅传输线惯性测量：光纤光栅可以用作惯性传感器，测量力、加速度或角度的变化。
通过测量光纤光栅的变化，可以获得与物体的动态运动相关的信息。
5.光纤光栅激光器：光纤光栅可以用作可调谐激光器，通过改变光纤光栅的特性，可以实现激光器输出波长的调谐。
这对于光通信系统、光谱分析和光学成像等领域非常重要。
以上只是光纤光栅的一些常见应用，随着技术的不断发展，光纤光栅的应用领域还在不断扩展。
光纤光栅具有体积小、重量轻、高稳定性和高灵敏度等优点，因此在光学传感、通信和激光器等领域具有广泛应用前景。
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种利用光纤中的布拉格光栅实现光波频率选择与调制的技术。
它在光通信、传感器等领域具有广泛的应用。
本文将从原理和技术特征两个方面来详细介绍光纤布拉格光栅技术。
光纤布拉格光栅的原理可追溯到布拉格散射理论。
布拉格散射是指当一束光波经过一个均匀光周期结构时，会在每个周期出现反射或透射，形成和入射光波相干的反射光波。
布拉格光栅是一种具有空间周期结构的光学元件，由一系列等距离的折射率变化组成。
光纤布拉格光栅则将布拉格光栅结构移植到了光纤中，形成了一种具有周期性折射率变化的光纤元件。
光纤布拉格光栅一般采用两种方法制备，即直写法和光干涉法。
直写法是指通过高能激光束直接照射在光纤的芯部，通过光纤材料的光学非线性效应和热效应来形成布拉格光栅结构。
光干涉法是指将两束光波通过干涉结构产生干涉现象，经过光纤芯部后，在折射率变化的作用下形成布拉格光栅。
1.高可靠性：光纤材料的插入损耗低，与光纤之间的耦合效率高，使得光纤布拉格光栅具有较高的传输效率，并且能够长时间保持稳定的性能。
2. 宽带性：光纤布拉格光栅的制备工艺已经趋于成熟，能够制备出能够覆盖整个光通信波段（1260~1650 nm）的宽带布拉格光栅。
3.稳定性：光纤布拉格光栅在光纤中的固定度较高，不易受到外界环境的干扰，能够长时间稳定地工作。
4.温度和应变传感：由于光纤布拉格光栅的折射率与温度和应变有关，因此可以通过测量布拉格光栅的中心波长偏移来实现温度和应变的传感。
这种传感技术具有高灵敏度、快速响应和长距离传输等优点，在工业和生物医学领域有广泛的应用前景。
5. 光互联和光波长多路复用：光纤布拉格光栅可以用作光纤互联中的微型光学件，实现在光纤网络中的信号调制、调整和复用等功能。
同时，光纤布拉格光栅也可以用于光波长多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）系统中，实现光路的选择和分离。
光纤光栅的理论研究
第1章 光纤光栅光学性质的研究光纤光栅是一种全光纤的滤波器件，它的光学性质决定了它的广泛应用。
研究光纤光栅光学性质的基本理论是耦合波理论。
基于耦合波理论的传输矩阵法是一种快速数值模拟非均匀光纤光栅光学特性的方法。
在本章，系统地总结了应用耦合波理论研究光纤光栅的光学性质的方法。
光栅反射带宽是其作为滤波器的主要性能指标，本章研究了光栅参数对光栅反射带宽的影响。
其它主要研究包括寻找传输矩阵法中分割段数的最优值，各种参数对线性啁啾光纤光栅光学性质的影响，包括反射谱和时延特性受光栅长度、光纤折射率微扰幅度、啁啾系数和光波从不同方向入射时的影响，以及各种切趾函数对光纤光栅的作用。
第一节 研究光纤光栅的基本理论：耦合波理论1 光纤光栅中的折射率分布光纤光栅中的折射率微扰是由制作时所用紫外光的场分布决定的。
一般全息曝光和相位图2.1-1几中典型光纤光栅的折射率微扰分布a uniform gratingb chirped gratingc Gauss gratingd phase shift gratinge Moire gratingf super structure grating掩模板法制作光纤光栅时的场分布具有余弦函数的形式，所以光栅的折射率微扰也具有余弦函数形式，一般可以写为：⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡φ+Λπν+δ=δ)z (z 2cos )z (1)z (n )z (n eff eff(2.1-1))z (n eff δ是折射率微扰的平均值，可以看成一个光栅周期内折射率变化的直流部分，ν是光栅条纹的可见度，Λ是光栅的周期，φ(z)可以用来描述光栅的啁啾。
光纤光栅的光学性质就决定于上式中各个参数的选择，我们将它们统称为光栅参数。
光纤光栅的光学性质就由这些光栅参数决定，通过选择它们沿光纤方向不同的变化形式，可以得到适用于不同目的的光栅。
图2.1-1是几中常见的光纤光栅的折射率微扰的分布示意图：1. 均匀光纤光栅：各个光栅参数沿光纤方向是常量，这种光栅可以得到解析的理论分析结果，是耦合波理论分析光纤光栅光学性质的出发点。
光纤光栅理论基础及重构算法
光纤光栅理论与分析方法光纤是一种介质光波导，其特点是将光波限制在其纤芯或包层传输，理论上分析光波在光纤中传输的一些基本特性，最基本的方法是求解一定边界条件下的麦克斯韦方程组。
但在光纤中写入光栅后，直接从麦克斯韦方程组研究其特性比较困难，而利用耦合模理论则简单得多。
早在光纤光栅出现以前，耦合模理论已经用于分析平面波导光栅、波导间的耦合。
从耦合模理论可以得到耦合模方程，一般情况下的耦合模方程较为复杂，但在某些特殊情况下可以得到简化并精确求解，本章中的均匀光纤布拉格光栅就是耦合模方程精确求解的例子。
对于均匀光纤布拉格光栅的耦合模方程，能够求解出其解析解，然而，对于非均匀光纤布拉格光栅，求解耦合模方程将变的十分复杂和繁琐且不适合数值计算。
从耦合模方程得到的传输矩阵分析法弥补了这些缺点，利用传输矩阵，可以很方便的分析各种特殊结构的光纤光栅(如啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、取样光纤光栅等)。
本章最后详细的分析了基于时间因果律的剥层算法，从频域上对光纤光栅进行重构设计。
利用剥层算法实现了任意光谱形状的光纤光栅重构，并设计了一种反射谱为理想矩形型的光纤光栅。
1.1耦合模理论利用麦克斯韦方程组研究光波导，直接求解较为困难，只有少数几种情况可以直接求解，如圆柱波导、矩形波导等。
在一些情况下，可以借助这些能够求解的光波导来研究一些无法直接求解的光波导，对于无法直接求解的光波导，可以看作是可求解光波导受到一些微扰形成的。
从而避开直接求解麦克斯韦方程组。
这一方法就是耦合模理论，耦合模理论是从麦克斯韦方程组推导得到的，其基本思想是利用可求解光波导的解，研究受到微扰的光波导，耦合模理论的理论基础在于规则光波导的模具有正交性。
由于本征模之间存在的正交关系，而且构成完备的正交集，因此可以将微扰光波导的解分解成本征模的线性叠加[]。
根据光的电磁理论，光波导中的电磁波用电场强度矢量E(x,y,z,t)和磁场强度矢量H (x, y,z,t)来描述，麦克斯韦方程组中E(x,y,z,t)和H (x, y,z,t)满足如下关系:(0-1) (0-2)其中J是介质中的传导电流密度。
光纤光栅的理论基础研究
高等光学论文光纤光栅的理论基础研究光纤光栅的理论基础研究光纤由于具有损耗低、带宽大、不受电磁干扰和对许多物理量具有敏感性等优点，已成为现代通信网络中的重要传输媒介和传感领域的重要器件。
光纤传感以其灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、可埋入工程材料及进行分布式测量等优点受到了广泛重视。
光纤光栅是近十多年来得到迅速发展的一种光纤器件，其应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
第一部分光纤光栅的简介1 光纤光栅的发展1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅[1]。
1989年，美国东哈特福联合技术研究中心的Meltz等利用244nm的紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅[2]，用两束相干光相遇时所产生的干涉条纹使光敏光纤曝光，形成折射率的周期性永久改变，从而制成光栅。
这种光栅已达到实用阶段。
但这种方法有其缺点：一是对光源的相干性要求较高；二是对系统的稳定性要求高。
1993年，贝尔实验室的Lemaire等用光纤载氢技术增强了光纤的光敏性[3]，这种方法适用于任何掺锗的光纤。
通过光纤的载氢能够将在不增加掺锗浓度的情况下，使光纤的光敏性大大提高。
1993年，又提出了制作光纤Bragg光栅的相位掩模法[4,5]，是到目前为止最为实用化的一种方法，仍被普遍采用，但这种方法的主要缺点是制作掩模版，一种掩模版只对应一种波段的光纤光栅。
1996年，出现了长周期光纤光栅[6～8]，这种光栅的周期较长，可以在数十微米到几百微米之间。
光纤光栅模耦合理论
1 j0
2 t Emt ) j m ( z H mt ) j 0 n0 Emt
............ ........... ...........
光纤光栅耦合模理论
各本征模均遵从麦克斯韦方程
t (
1 j0
1
2 t Emt ) j m ( z H mt ) j 0 n0 Emt
问题9：布拉格反射
光纤光栅耦合模理论
对于稍偏离上述条件的光波，相邻格栅 平面产生的子波，彼此间有点失配。当 这种失配维持在一定范围内时，应该有 一定的入射光被“反射”，因此反射光 束由彼此相差不多的不同波长的光组成， 这样光谱应该有一定的波长宽度，通常 用带宽去衡量。
反射光谱
带宽通常是指峰值能量一半处对应光谱
i i 2 t [ t (aim Emt )] z (bim H mt ) j 0 n aim Emt j0 z i0 m i0 m i0 m i
dbim )( z H mt ) j 0 (n 2 n0 2 )aim Emt ] 0 dz i 0 m i daim bim 1 1 {[( jb )( z E ) [( )( H i m m mt t t mt )]} 0 2 2 dz j n n i 0 m 0 0
麦克斯韦方程： 1 Ht 2 Ht ( E ) z j n E t t t 0 t j0 z ( H )t t H z z j 0 n 2 Et z ( E ) z t Et j0 H z z：轴向的单位矢量 E a E
光纤光栅原理
光纤光栅原理
光纤光栅原理是基于光的干涉效应，通过在光纤中引入周期性的折射率变化来实现的。
光纤光栅中的周期性折射率变化可以通过不同的方式实现，其中一种常见的方式是通过在光纤中引入周期性的应变或温度变化。
这种变化会导致光纤的折射率发生变化，从而形成了光纤光栅。
当光信号传输到光纤光栅中时，会与光栅发生相互作用。
由于光纤光栅中存在周期性的折射率变化，光信号会被散射成不同的方向。
其中，散射角度与波长之间存在一定的关系，被称为布拉格条件。
根据布拉格条件，当光信号的波长等于光纤光栅中的布拉格波长时，散射角度达到最大值，此时信号被完全反射回原始的传输方向。
当光信号的波长与布拉格波长不完全匹配时，只有部分光信号会被反射回原始方向，其余的会被散射到其他方向。
基于以上原理，光纤光栅可用于实现光信号的滤波、衍射、分路、光谱分析等应用。
在光通信领域中，光纤光栅还用于实现波长选择性的光纤耦合器、滤波器、传感器等器件。
总的来说，光纤光栅通过引入周期性的折射率变化，利用光的干涉效应实现了对光信号的调控和处理。
它在光通信和光传感等领域具有广泛的应用前景。
光纤光栅的原理及应用
光纤光栅的原理及应用1. 引言光纤光栅是一种基于光纤的传感器，利用光纤中的光栅结构对外界的物理量进行测量和检测。
它具有体积小、响应速度快、测量范围广等优点，在许多领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍光纤光栅的原理和一些常见的应用场景。
2. 光纤光栅的原理光纤光栅是通过在光纤中引入光栅结构来实现的。
光栅是一种具有周期性折射率变化的结构。
当光线穿过光栅时，会发生光的衍射现象，产生多个方向的散射光。
通过检测这些散射光的强度或频率，可以获得与外界物理量相关的信息。
在光纤光栅中，光纤的折射率会随着光栅的周期性变化而改变。
这种周期性变化可以通过多种方式来实现，例如使用光栅写入技术、光纤拉伸等。
变化的折射率将会对光的传播产生影响，使得传输的光线被限制在光纤的特定区域内。
3. 光纤光栅的应用3.1 光纤传感器光纤光栅可以用作光纤传感器来检测各种物理量，如压力、温度、应变等。
通过测量光纤光栅中的散射光的强度或频率变化，可以推断出被测量物理量的大小。
由于光纤光栅具有高灵敏度和快速响应的特点，因此在工业、医疗、航空等领域得到了广泛应用。
3.2 光纤通信光纤光栅也可以用于光纤通信系统中。
通过在光纤中引入光栅结构，可以实现滤波、增益控制、波长选取等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制和调控，提高光纤通信系统的性能和稳定性。
3.3 光纤激光器光纤光栅还可以用于光纤激光器的制作。
在光纤中引入光栅结构，可以形成一种反射镜，形成光纤激光腔。
通过调控光纤光栅的周期和折射率变化，可以调节激光器的输出功率和频率。
光纤激光器广泛应用于光通信、光谱分析等领域。
3.4 光纤传输系统光纤光栅也可以用于光纤传输系统中的信号调制和解调。
通过在传输光纤中引入光栅结构，可以实现波长选择、信号复用等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制，提高传输系统的带宽和传输距离。
3.5 光纤传感网络光纤光栅还可以用于构建光纤传感网络。
通过在光纤中布置多个光纤光栅传感器，可以实现对大范围区域的实时监测和测量。
光纤光栅传感器理论基础
光纤光栅传感器理论基础1光纤光栅的基础理论介绍 (1)1.1光纤光栅的发展 (1)1.2光纤光栅的分类 (2)1.3光纤光栅的制作 (5)2光纤布拉格光栅的结构 (6)3光纤布拉格光栅的传感机理 (7)3.1光纤布拉格光栅的温度传感模型 (8)3.2光纤布拉格光栅的应变传感模型 (9)3.3光纤光栅的交叉感染传感模型 (10)4光纤光栅的几种典型解调方法 (11)4.1非平衡M-Z干涉仪扫描法 (11)4.2可调谐F-P滤波法 (12)4.3 边缘滤波器法 (13)1光纤光栅的基础理论介绍1.1光纤光栅的发展在光纤中制作光栅新技术的出现，在二十世纪末带来的巨大的影响。
它给光纤通信技术以及光纤传感技术等相关领域带来了一次里程碑式的革命，使得人们可以制作大量基于光纤光栅的新型光有源∕无源器件和智能传感器。
光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating：FBG）。
1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次观察到掺锗光纤中光诱导产生光栅效应，并利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅——光纤布拉格光栅。
1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人运用准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的244nm紫外光作为光源，用双光束侧面全息相干法在掺锗石英光纤上研制出世界上第一根位于通信波段布拉格谐振波长的光纤光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。
1993年，Hill等人又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，降低了对紫外光源相干性的要求，重复性好，适于大规模生产，这使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。
同年，董亮等人还提出了在线成栅法，在光纤拉制过程中对光纤逐点写入形成光栅，免去了光纤光栅制作时剥去光纤涂敷层的工序，适于大规模制作高反射率、窄线宽的光纤光栅。
光纤通信系统-光栅
S = K K ( / 2)
*
2 2
2
Rmax = tanh ( K L) = tanh ( nL / lB )
设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为β0和β1，
如果满足布喇格相位匹配条件：
2 0 1 =
波中去。
（7.7）
其中Λ为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合到另一个
前向和后向两种模式间的耦合波方程为
dA+ dz = iKA exp( i z ) dA = iK * A+ exp( i z ) dz
A+(0)=1、A-(L)=0
解耦合方程可得光纤光栅的反射率为
A ( 0) K * Ksh2 ( SL ) R= = 2 2 A+ (0) S ch ( SL ) + ( / 2) 2 sh 2 ( SL )
线性啁啾光栅 （折射率沿光栅轴向周期性变化,有 较宽反射带构成宽带滤波器,用于色 散补偿）
Taper型光栅 （ 消除折射率突变,反射谱不存在 旁瓣构成各种滤波器、波长变换 器和OADM）
Moire型光栅 （有效抑制了旁瓣效应,存在多个 透射窗口构成滤波器、色散补偿 器和信道选择器）
2 n( z cosq ) = n0 + n 1 + cos( z cosq L0
逐点写入法
一种非相干写入技术
利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而
形成光栅，每写一个条纹，光栅移 动一定距离，需用精密机构控制光 纤运动位移。通过控制光纤的移动， 可以方便的控制光栅的周期。 一般用于制造长周期光栅
光纤光栅的类型
光纤光栅从本质上讲是 通过波导与光波的相互作用， 将在光纤中传输的特定频率 的光波，从原来前向传输的 限定在纤芯中的模式耦合到 前向或后向传输的限定在包 层或纤芯中的模式，从而得 到特定的透射和反射光谱特 性。 光纤光栅中，光场与光 波导之间的相互作用可用耦 合模理论来描述。
光钎通信器件光纤光栅原理及应用优秀课件
光纤通信器件
*
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。
*
光纤通信器件
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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。
P
光纤
光纤光栅
*Hale Waihona Puke 光纤通信器件*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 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，则波长漂移量为
*
光纤通信器件
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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 式中，ν是轴距MF作用的梁表面任一点的扭应变，可表示为 式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
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：
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光纤通信器件
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光纤光栅工作原理
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光纤通信器件
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均匀FBG的反射特性
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。
光纤光栅原理
光纤光栅原理光纤光栅是一种利用光纤和光栅结构相结合的光学器件，它可以实现对光信号的调制、解调和滤波等功能。
光纤光栅原理的研究和应用已经成为光通信、光传感等领域的热点之一。
本文将对光纤光栅的原理进行详细介绍，以便读者更好地理解和应用这一技术。
光纤光栅的原理主要涉及到光纤和光栅两个方面。
首先，我们来看光纤的作用。
光纤是一种能够传输光信号的细长光导纤维，它具有低损耗、大带宽、抗干扰能力强等优点。
光纤光栅利用光纤的这些特性，可以实现对光信号的长距离传输和精确控制。
其次，光栅是光学中的一种重要元件，它具有周期性的折射率变化结构，可以对光信号进行衍射和干涉，实现光波的频率选择和空间调制。
在光纤光栅中，光纤起到了光传输的作用，而光栅则起到了光信号的调制和解调作用。
光纤光栅的工作原理可以简单描述为，当光信号进入光纤光栅时，首先经过光纤的传输，然后进入光栅结构，在光栅的作用下，光信号会发生衍射和干涉现象，进而实现对光信号的调制和解调。
通过改变光栅的周期、折射率变化等参数，可以实现对光信号的频率选择和相位调制，从而实现对光信号的精确控制。
光纤光栅的原理虽然看似复杂，但其实质是基于光学原理和光纤特性的相互作用。
在光纤光栅中，光纤和光栅相互配合，共同完成对光信号的处理和控制。
光纤光栅的原理不仅可以应用于光通信领域，还可以应用于光传感、光谱分析等领域，具有广泛的应用前景。
总之，光纤光栅是一种重要的光学器件，其原理涉及光纤和光栅两个方面，通过光纤的传输和光栅的调制，可以实现对光信号的控制和处理。
光纤光栅的原理不仅具有理论意义，还具有重要的应用价值，对于推动光通信、光传感等领域的发展具有重要意义。
希望本文对读者对光纤光栅的原理有所帮助，也希望能够引起更多人对光纤光栅技术的关注和研究。
光纤光栅理论及应用
。其中当t=td，时，光纤中氢气的浓度达到其饱和值H的63%。 将T =300k,rd=62.5代入上式，tdiff约为7天。
低温载氢光纤光敏性
冷藏载氢光敏光纤
载氢光纤光敏解释及退火处理
根据色心模型的解释，高压载氢光纤在紫外光的照射下，H2和纤芯中 的Ge-O-Si缺陷发生反应，缺氧错缺陷中心中的电子被电离出来，接着又 被附近的具有完整Ge-O键四面体结构的Ge原子所俘获，产生了Ge(1)和 Ge(2)色心，同时伴随有Ge-OH和Si-OH等物质，这些都引起了纤芯折射 率的变化。但是这些被俘获的电子有一部分处于靠近导带的低能量势阱中 ，通过热激发这些电子就会返回导带，并重新构成缺氧锗缺陷中心，从而 导致纤芯折射率改变量的减小。另外，由于载过氢的光纤中存在游离的氢 分子，纤芯的折射率将会有所增加。 在光纤光栅制作完毕之后，光纤中的未经反应的氢分子会逐渐逃逸出 光纤，导致光纤折射率的减小，从而引起谐振峰波长的改变。为了保证光 纤光栅在实际应用时折射率的稳定，在光纤光栅制作完成后一般进行高温 退火。退火的作用有两方面：一方面可以清除残留在光纤中的未反应的氢 分子，这会导致纤芯和包层折射率回复为未氢载前的值；另一方面，退火 可以破坏光栅写入后纤芯中的一些不稳定的Ge-OH和Ge-H键，使纤芯的 折射率降低的幅度也不同，温度越高折射率降低越多。
反射镜
UV 光 分光镜
反射镜
柱状透镜 光源
θ
柱状透镜 光谱分析仪
是光纤就行吗？
利用紫外光刻写法需要用光敏光纤
高掺杂锗（Ge）光纤 低温载氢光纤 高温载氢光纤 混合掺杂光纤
掺杂光纤
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）
光纤光栅特性.docx
光纤光栅的特性1．光纤布喇格光栅的理论模型：假设光纤为理想的纤芯掺锗阶跃型光纤，并且折射率沿轴向均匀分布，包层为纯石英，此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生永久性变化，对包层的折射率没有影响。
利用目前的光纤光栅制作技术： 如全息相干法， 分波面相干法及相位模板复制法等。
生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。
纤芯中的折射率分布（如图1）所示。
n 1 (Z) 为纤芯的折射率，n m ax为光致折射率微扰的最大值，n 1 (0) 为纤芯原折射率，为折射率变化的周期（即栅距） ，L 为光栅的区长度。
若忽略光栅横截面上折射率分布的不均匀性，光栅区的折射率分布可表示为：n 1 (z) n 1 (0) n max cos(2Z )⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（1.1 ）显而易见， 其折射率沿纵向分布， 属于非正规光波导中的迅变光波导，在考虑模式耦合的时候， 只能使用矢量模耦合方程， 其耦合主要发生在基模的正向传输导模与反向传输导模之间。
2．单模光纤的耦合方程由于纤芯折射率非均匀分布,引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。
在弱导时, 忽略偏振效应 ,吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏,则非均匀波导中的场Φ ( x , y ,2 2 2 2z ) 满足标量波动方程( x, y, z)} (x, y, z) 0 （2.1）: { t sk 0 n2z其中：k 02 / ，是自由空间的光波长。
2t11 2{ r}(2.2)r r r 22r由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中,因此非均匀波导中的场可以表示为均匀波导束缚模式( x, y) 之和 :( x, y, z)A l ( z) l ( x, y){ a l ( z) exp( i l z) a l exp(i l z)} l ( x, y)(2.3)llA 1 (z) 表示与1 (x, y) 相 系的全部随 z 化的关系。
光纤光栅激光器基本理论
光纤光栅激光器基本理论光纤激光器的基本结构:利用两个反射镜在光纤内建立谐振腔，在两腔镜之间使用一段掺杂稀土元素的有源光纤(如掺饵光纤)，使系统在有泵浦光输入时提供产生激光所需的增益，如图3-1所示。
掺饵光纤用作提供增益的有源光纤时，泵浦光作用下掺饵光纤饵离子的电子在不同能级之间跃迁，释放出波长在1550nm附近的光子，形成带宽约为40nm的自发辐射光谱。
自发辐射光在两腔镜之间多次反射，其能量得到加强，当辐射光的能量超过谐振腔的损耗时，产生激光输出。
光纤光栅是理想的窄带反射元件，利用两个波长匹配的光纤光栅作为反射镜构成谐振腔的结构，就是光纤光栅激光器。
光纤光栅激光器中，光栅不仅是反射元件，而且其共振波长决定激光器的出射波长。
缩短谐振腔长度可以减少激光器输出的纵模数。
但是，短腔长的同时也使掺饵光纤变短，导致泵浦光的吸收减少，增益不足，激光器输出功率下降。
为使厘米级的短腔内具有较大的泵浦吸收来保证较高的增益，可以使用高Er掺杂光纤;另一方面，为降低腔内损耗，一对布拉格光栅被直接写在掺Er光纤上。
然而，高Er掺杂仍不足以在厘米级光纤上提供足够的泵浦吸收，使得激光器斜率效率不够高，最高输出光功率仅为-20dBm~10dBm之间。
所谓主振荡功率放大结构，就是在激光器的输出端加上一段掺饵光纤，相当于级联一级光纤放大器缺点：高Er掺杂光纤带来的一个副作用是，其固有的离子聚集效应不仅会降低掺饵光纤光栅激光器的量子效率，还会造成激光输出的自脉冲。
掺饵光纤的低泵浦吸收效率是影响短腔掺饵光纤光栅激光器性能的主要因素。
为了提高短腔激光器的腔内增益，可以采用Er/Yb共掺光纤，这种光纤中掺杂的孔和E:比率很高，约为30:1。
其中Yb离子在980nln附近有很宽的泵浦吸收带宽，可以吸收750~1100nm的泵浦光，而且Yb离子吸收980nm附近的泵浦光后，会迅速将能量转移给Er离子以实现1550nm区域的光进行放大，因而Er/Yb共掺光纤在980nm处对泵浦光的吸收能力比普通掺Er光纤要高三个数量级，如此低的掺杂浓度可以避免激光器的自脉冲效应。
光纤光栅的原理
光纤光栅的原理
光纤光栅是一种利用光纤中的光学相互作用产生的特殊结构。
它由一系列等间距的折射率变化组成，用于操控光波的传播和耦合。
光纤光栅的原理基于光的干涉效应和光纤的光栅效应。
在光纤中引入一定的折射率变化，可以导致光波的反射、折射和耦合等现象。
这种折射率变化可以通过各种方法实现，如热处理、紫外辐照、光刻等。
当光波传播过光纤光栅时，通过光纤与光栅之间的相互作用，光波与光栅之间产生干涉。
这种干涉效应可使得光波在光栅中发生反射和透射。
反射光波将返回原来的传播方向，而透射光波则继续向前传播。
光纤光栅的关键在于折射率的变化。
通过调整光栅中的折射率和折射率变化的情况，可以控制光波在光栅中的传播特性。
例如，光栅中的折射率变化可以使得某个特定波长的光波发生衍射，即只有这个特定波长的光波会被传播或反射，其余波长的光波则被抑制或衰减。
光纤光栅有着广泛的应用，包括光通信、光传感、光谱分析等领域。
它可以实现对光波的分析、调制、调制和过滤等操作，同时具有体积小、重量轻、灵活性强等优点。
因此，光纤光栅在光纤通信和光学传感等领域中有着重要的应用前景。
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20091202
8.光纤光栅器件
(1). 光纤光栅定义与系统特性 (2). 光纤光栅种类 (3).光纤光栅理论分析方法:耦合波理论\光线理论 (4).光纤光栅制作:光敏性 (5).光纤光栅的应用
（1）、光纤光栅定义与系统特性
•光纤光栅的定义 光纤光栅是一小段光纤，它的芯层折射率沿
可得到反射率和透射率的关系式为：
R(, L)
2
a1 (0) a1 (0)
C 2 sin 2 (QL)
2 k 2 cos2 QL
其中，Q 2
2 C 2
由R 的表达式可以求得反射谱的半高全宽度(FWHM) 为：
FWHM
B
[(
n 2n
)2
(
)
2
]
1 2
L
图2 反射率与光栅长度的关系
图3 反射率与光栅长度的关系
• 光纤光栅的光学特性
光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折 射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过 将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式 中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入 射基模既可被耦合到反向传输模也可被耦合到前向包层模中， 这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即 ：
图4 反射率与光栅长度的关系
（2）有效长度 Lc 与折射率n 扰动的关系
取反射率R＝0.9时，光栅长度为有效长度 Lc ，
可得有效长度 Lc与 n的关系。
图5光栅有效长度和折射率扰动的关系 可见在反射率一定的情况下，折射率扰动越大，光栅的长 度可以做的越短。
图6 光栅有效长度和不同的折射率扰动的关系
沿着光纤方向进行扫描，此时，由计算机控制的光圈便使光纤周期性的曝 光。在这里，光圈的改变是靠移动平台的位置来触发的。光栅的最大长度 由移动平台移动的总长度决定，这个限制可通过平移光纤来克服。实验表
明，制作出长为11mm，周期为500μm的LPFG，经测试，实验值与模拟值吻
合，从而说明了这个简易方法的准确性。见图12：
此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、 超结构光栅等。
根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型：
①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光 纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎 没有吸收或包层耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即 在较低温度（200℃左右）下光栅会变弱或消失。
分光镜
UV 光
光源
反射镜 柱状透镜
反射镜
柱状透镜
光谱分析仪
图6 布全息干涉法制作光纤光栅
（3） 分波前干涉法
利用此技术制作FBG的干涉装置可以用棱镜或 者洛埃镜。如图7示，使用棱镜干涉法制作FBG的示意 图。在这个装置中，UV光束在棱镜的输入面上通过折 射而横向展宽。展宽的光束一分为二，一半光束在棱 镜表面上发生全内反射，然后，与另一半光束在棱镜 的输出面上产生干涉。放在此装置之前的柱状透镜有 助于沿着纤芯所形成的干涉图样在一条直线上。
(3).光纤光栅理论分析方法:耦合波理论\光线理论
耦合波理论
耦合波理论是分析光纤光栅的最基本方法，耦合 波理论用于光纤光栅时，把光栅区域折射率的变化看作微 扰，它们的作用不改变原阶跃折射率光纤中各模式的分布， 只是引起模式间的相互作用和能量交换，改变各模式的幅 度。当光纤光栅具有均匀周期结构时，通过推导藕合模方 程可得到解析解，但对于非均匀光栅(如啁啾光栅、相移光 栅、取样光栅等)，利用耦合模方程的分析过程变得十分繁 琐，而传输矩阵分析方法由于具有清晰、快捷和精确的特 点，特别适宜于这类光纤光栅的分析。
K 1 2 2 /
若要将正向传播导波模式耦合到反向传播导波模式，从前面 给的相位匹配条件可得：
2 / 1 2 01 (01 ) 201
• 光纤光栅的系统特性 （1）反射率与光纤长度的关系 这里，令：C n
1 1
V2
2n /
，其中V为光栅的结构常数
1 1 为传播常数
向一致。此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波 分复用/解复用等领域有重要应用价值。
②啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁 啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。
③闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不 垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角 度，形成闪耀光栅。
特制锗掺杂光纤光 中单模氩进离子行激光，要求锗含量很光高，芯径很小，
因此，其实用性电 探 受到限制。
电 探
测
光纤光栅
测
器
器
1
吸收材料
2
图5 布拉格光纤光栅的制作
（2） 全息干涉法
全息干涉法又称外侧写入法，如图6示，用准 分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面 曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧 面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。可 见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可 以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造 方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制， 但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易制作 具有复杂截面的光纤光栅。
UV 光
柱状透镜
棱镜
宽带光源
光纤
干涉图样
光谱分析仪
图7 分波前干涉法制作光纤光栅
（4） 相位掩模法
相位掩模板（Phase Mask）是衍射光学元件，用以将入射 光束一分为二+1级和-1级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束 激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率 受到调制。相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可 以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有 抑制零级，增强一级衍射的功能。因此，对光源的相干性要求不高， 简化了光纤光栅的制造系统，其主要缺点是不同Bragg波长要求不 同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。该方法大大简化 了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅常用的一种方法。
宽带光源
刻有 V 形槽的光纤
光谱分析仪
H2 火焰
图11 熔融拉锥法制作长周期光纤光栅
（3）扫描法
这种方法延伸了点-点写入技术，而且不需要额外的费用就可写入任 意形式的LPFG。实验装置如图示，UV光束通过显微镜物镜照射到光纤上，
显微镜物镜的作用是使光束聚焦后尺寸小于30μm。微控移动平台使UV光束
光线理论
光线理论是我们之前所学到的几何光学常用分析方 法，是将光束看成一条条理想化的直的光线，然后综合运用 光的直线传播定理，光的独立传播定理，反射定理，折射定 理，光的全反射定理，菲涅尔定理等，进而分析光的反射谱， 光的透射谱。
运用光线理论也可以进行光纤光栅分析，运用该方法 首先要对光线进行假设，从而得到各个参数。
a 掺入光敏性杂质散处理。 d 剧火。
（1）内部写入法
内布部拉写格入光法纤又光称栅驻的波制法作。Hill早在1978年，用图5所示 的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。 将
波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗
纵向发生周期性的改变。下面是光纤光栅中最简单的一 种——均匀光栅，见图1：
图1 均匀光纤光栅
• 均匀光纤光栅的折射率分布
均匀光纤光栅（如图1）的折射率分布可假设为：
n(r, z) n2n1[1
f
(z)
0
1
f
(z)ncosz] r a
r a
z
0, z
L
0 z L
其中， 2 , 称为光栅周期
（3）谱线宽度
图7 线宽与折射率的关系
图8 线宽与光栅长度的关系
（4）光纤光栅反射光谱特性
图9 光栅反射光谱特性曲线
(2). 光纤光栅种类
• 光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可 分为：
①均匀周期光纤布拉格光栅：通常称为布拉格光栅，是最 早发展起来的一种光栅，也是应用最广的一种光栅。折射 率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴
掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探
测器1监测,而透射光则由光电探测器2接收。经过光纤
另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相
干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发
生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立
体折射率光栅。已测得其反射率可达90％以上，反射带
宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在
④长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普 通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到 包层中去，主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。
⑤相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间 分布不连续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续 连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗 口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构 造多通道滤波器件。
PM h
UV 光
Phase Mask
光纤 -1 级
0 级光束
+1 级
图8 相位掩膜法制作光纤光栅
2.长周期光纤光栅的制作 （1）振幅掩模法
PC 宽带光源
KrF 准分子激光器 AM
光纤 光谱仪
离 子
掩模板
光纤
图10 振幅掩模法制作长周期光纤光栅
（2） 熔融拉锥法
利用制作耦合器的熔融拉锥工艺来制作长周期光纤光栅。在用高功率激光、 电弧或火焰对光纤进行局部加热的同时，对光纤施加一定的应力，使得光 纤芯径发生周期性变化，从而形成光栅。 可用精密切割机在光纤表面上刻周期性的v型槽，v型槽的周期数和间距决 定所需滤波器的共振波长和带宽等。v型槽的深度及形状将影响光纤光栅的 折射率分布轮廓，从而决定光栅的效率。如图6示，把刻好周期性v型槽的 光纤置于光纤拉锥机上，光纤一端与光源连接，另一端连接光学光谱分析 仪（OSA）进行监测，用氢气火焰对光纤V型槽区域进行拉伸退火，由于受 熔融玻璃表面应力影响被刻v型槽一边光纤纤芯的不平衡等因素，而使得纤 芯产生周期性畸变，导致纤芯折射率的周期性变化。