光纤光栅 - 副本.doc

信息工程学院开放性实验实验报告实验名称_长周期光纤光栅仿真设计与写制_ 实验学期_2011_至_2012_学年 第_二_学期班级_ _2009级电子信息工程本科_学生姓名_ 林茂荣 _学 号_ 044103091015 _任课教师_李燕_实验成绩_光电子技术与现代光通信实验室课程开放性实验报告2012年09月12日实验题目长周期光纤光栅的仿真设计与写制一、实验目的和要求实验目的通过本实验的学习，使学生能够熟练利用仿真软件（matlab或optic grating）进行光纤光栅的仿真设计；掌握宽带光源、激光打印器的工作原理和使用方法，长周期光纤光栅的写入过程，训练学生发现问题解决问题的能力，充分发挥学生的创造性，为今后学生继续光通信方面的学习奠定了基础。实验要求1、模耦合理论与光纤光栅光谱数值模拟，理解长周期光纤光栅的仿真设计理论，熟练使用仿真软件。2、有关长周期光纤光栅用作EDFA增益平坦滤波器的设计方案多种多样，本课题采用高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅。一、 设备与环境计算机 仿真软件（optic grating）掺铒光纤 10m 光纤切割刀 1把单模光纤 若干 参杂光纤 若干 光纤熔接机 1台 热缩管 若干宽带光源 光谱仪 1台长周期光纤光栅 CO2激光打标机位移控制平台 二、 实验内容1、 光纤光栅（1） 光纤光栅基本概念：光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。（2） 光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。（3） 光纤光栅的分类：光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅)；二是透射光栅(也称为长周期光栅)。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅(chirp光栅)。（4） 长周期光纤光栅（LPFG）理论是在光纤布拉格光栅理论的基础上发展起来，并经历了一个逐步发展的过程，与布拉格光栅不同的是，LPFG的模式耦合属于同向传输的纤芯基膜和各阶包层膜之间的耦合。即在长周期光纤光栅的耦合区，模式之间的耦合导致纤芯基膜的功率逐渐转换到包层膜中，属于透射性光纤光栅。目前已经形成了比较完善的分析长周期光纤光栅传输特性的耦合模，并用此理论分析研究了长周期光纤光栅的导模、包层膜、和辐射膜之间的模式耦合及传输特性。得到了长周期光纤光栅的谐振波长、损耗峰幅值、带宽、偶合数、传播常数等参数的具体表达式及其光栅周期。周期数、有效折射率的关系。2、 仿真（1） 首先建立新的对话框，有无中选择： 分别是单纤维，光纤耦合器，单的波导，波导耦合器，其他的波导五种。 （2） 图二单纤维简介对话框，在里面可以设置指数剖面,光敏剖面,在网格点的数目,中央的波长。不过一般是保持默认的。 （3） 图三为设置光栅的定义对话框，通过它可以改变光栅形状、周期、倾斜度等参数。 （4）参数设定如图所示仿真结果3、 长周期光纤光栅及写入过程长周期光纤光栅具有制作简单、成本低、插入损耗小、无后向反射、与偏振无关等优点。长周期光栅的这些特性参数可以通过选用不同周期的振幅模板、控制曝光量和光栅长度来改变。首先利用单模光纤以及光谱仪测量光源特性，存储在光谱仪的通道A中。在测量光栅特性时，将A通道固定，扫描C通道。然后，把打标机的后面空气开关打开，启动电脑进入软件。在界面空白处画光栅，打开软件界面中的变换，调节光栅，用一根截断的光纤先空打一遍，Q=1，Q释放时间：55微秒。写光栅时可以调节Q释放时间、有效矢量步长。Q释放时间越长激光器的能量越大，写出的光栅越明显效果越好。同样的有效矢量步长越长，写出的光栅越明显效果越好。最后观察峰值并存储数据和图形。在写长周期光纤光栅时往往需要调节激光打标机底座的位置、高度，来找到合适的激光聚焦点，这样才能写出完整的长周期光纤光栅。但是由于学校激光打标底座的限制，导致找不到激光的聚焦点，所以自己写长周期光纤光栅时遇到了一些困难，只能用学校现有的长周期光纤光栅，然后做适当的操作比如加应力等，使其能够勉强能形成一个与EDFA增益谱倒像的损耗特性，使EDFA增益谱中的高增益部分有较大的损耗，进而完成这次设计。三、 实验方案1、理论上利用仿真软件（matlab或optic grating）进行光纤光栅的仿真设计；实验上利用高频CO2脉冲激光进行光纤光栅的写制。2、光纤跳线两端的光模块的收发波长必须一致，也就是说光纤的两端必须是相同波长的光模块，简单的区分方法是光模块的颜色要一致。一般的情况下，短波光模块使用多模光纤（橙色的光纤），长波光模块使用单模光纤（黄色光纤），以保证数据传输的准确性。3、相互连接的光纤之间用法兰盘固定其连接端口，且光纤端口类型必须完全相同，否则无法连接在一起。4、写出长周期光纤光栅并与EDFA级联观察平坦度5、在实验之前，应详细查阅相关文献，并详细阅读相关仪器的使用说明，严格按照说明进行使用和操作，注意实验安全。四、 实验步骤描述实验过程（步骤）以及安全注意事项等。1、 搭建一个激光器，并通过光谱仪测量无衰减时的信号功率，记录光谱图2、 将一根光纤连接到宽带光源和光谱分析仪3、 打开宽带光源开关4、 光纤不放入激光器，先用CO2激光器进行第一次激光空写入，对激光器进行滤光5、 在激光器下放入一张纸条，进行第二次激光写入，目的是确定激光扫描位置6、 将光纤准确放入激光扫描位置，然后写入光栅7、 改变参数，进行光谱分析五、 实验结果及分析 用CO2激光器写入的周期为450m, 长度为318cm的长周期光纤光栅的 透射谱图图1实验所得的长周期光纤光栅的透射谱 对比二者，发现第三个损耗的大小和谐振波长所处的位置吻合的非常好。第二个峰仿真出来的峰值损耗值比实验值略小，谐振波长位置比实验值略大。第一个峰和第四个峰的峰值损耗和谐振波长位置与实验值相比都有一定差异。对于第四个峰的峰值损耗远比实验值大的原因，是由于光谱仪本身的限制，使之无法测到传输率的最低点而造成的。六、 回答思考题