光纤光栅原理及应用 2

k 2 ˆ 2
Tmax sin 2 kL
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光纤通信器件
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
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？
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. 纵向驻波写入来自百度文库术(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
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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： Rmax tanh2 kL
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。
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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
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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
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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（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
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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。
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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：
1 2 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
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。
择损耗特性。
m n01 nclm
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：
T
t
2
1
1
ˆ
k
2 2
sin 2
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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
➢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
（2）掺Tin（锡）
➢较B-Ge光纤的光敏性增加3倍
➢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
➢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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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。