光纤通信系统522光栅课件

1、光纤光栅,（,Fiber Bragg grating,）,?,光敏性与光纤光栅,?,分类,?,制作方法,?,应用,?,光纤光栅是利用石英光纤的,紫外光敏特性,将,光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导,器件。,?,发展：,1978,年,Hill,发现光敏特性并成功制作,FBG,1989,年,Meltz,提出的横向写入制造方法,1993,年,Hill,等人提出的相位掩膜制造法,光纤光栅器件逐步走向实用化,光敏特性,?,光纤的折射率在紫外光照射下，随光强,发生变化的特性。,?,光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，,可保持永久性不变。,?,利用紫外光就可以将一些特定的光波导,结构写入光纤中，形成光纤

2、型光波导器,件。,?,光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全,研究清楚,?,较为普遍的观点：由于诱导光（紫外光）,的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产,生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，,从而改变了光纤的吸收、散射等光学特性，,出现折射率的变化；另外，在光照射过程,中，光纤材料结构释放诱导应力以及构形,的畸变等也导致了折射率的变化。,?,这种光折变效应主要发生在,近紫外波段,?,最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中，,后来研究发现，具有光敏特性的光纤种,类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都,掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。,有时根据需要为了加大折射率的变化程,度，就会选用高掺杂的光纤。,?,

3、折射率的,永久性,改变,?,与掺杂锗的,浓度,基本上成正比关系，与,所用的紫外光源类型及照射到材料上的,能量密度,有关,?,对光纤材料进行高压低温,H,2,扩散，可以,极大地提高光纤材料的光敏性；,?,B/Ge,双掺杂材料具有较高的光敏性；,各种光纤材料光敏特性,光纤纤芯掺杂类型,最大光致折射率,掺,Ge,光纤,10,-3,10,-2,普通通信光纤,10,-3,B/Ge,光纤,10,-3,10,-2,掺,P,光纤,10,-3,硫化物光纤,10,-4,（可见光）,光纤光栅的制作,?,基于光纤的光敏特性，可以利用紫外,光将特定的波导结构写入到光纤中,?,根据波导结构构造相应的,光场分布,?,制作方

4、法：,纵向写入法,（早期）,双光束干涉法,横向写入法,相位掩膜法,（主要）,逐点写入法,?,L,=,l,0,/(2,sin,q,),?,缺陷是对光源的相干性要求较高，对制,造环境要求极严，重复性差,双光束干涉法,L,l,0,l,0,q,相位掩膜法,?,产生的光纤光栅周期为掩膜光栅周,期的一半，与入射光无关，因此对,光源的相干性要求不高，并且稳定、,易于准直，重复性好，可以简化光,纤光栅的制作系统。,?,缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通,常只能制造一种光栅。,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

5、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,光纤光栅模型,（,Fiber,grating,）,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。,光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类：,?,短周期光纤光栅,(FBG,，也叫反射或布喇格光栅,),短周期光纤光栅,Fiber,Bragg,grating,m,为衍

6、射级数,光栅周期一般为零点,几个,m,耦合发生在正,向与反向传输的模式之,间，它的一个重要特性,是将某一频段内的光反,射回去,?,长周期光纤光栅,(LPG,，也叫传输光栅,),长周期光纤光栅,Long,period,grating,光栅周期在,100m,以上,耦合发生在同向传,输的模式之间，它的特性,是将导波中某频段的光耦,合到包层中损耗掉而让其,他频段的光通过,均匀光纤光栅,?,最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光,栅，其折射率可以表示为,),2,cos(,),(,L,?,=,z,n,n,z,n,eff,?,?,?,前向和后向两种模式间的耦合波方程为,A,+,(0)=1,、,A,-,(,L,)

7、=0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,=,?,?,=,?,?,?,?,?,),exp(,),exp(,z,i,A,iK,dz,dA,z,i,iKA,dz,dA,?,?,?,解耦合方程可得光纤光栅的反射率为,),(,),2,/,(,),(,),(,),0,(,),0,(,2,2,2,2,2,2,SL,sh,SL,ch,S,SL,Ksh,K,A,A,R,?,?,?,=,=,?,?,?,2,),2,/,(,?,?,?,=,?,K,K,S,),/,(,tanh,),(,tanh,2,2,m,ax,B,nL,L,K,R,l,?,?,=,=,设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为,0,和,1,，,

8、如果满足,布喇格相位匹配,其中,为光栅周期，,则一个波的能量可以耦合到另一个,波中去。,在反射型滤波器中，我们假设传播常数为,0,的光波从左,向右传播，如果满足条件：,?,=,?,?,?,?,2,1,0,（,7.7,）,?,=,=,?,?,?,?,?,?,2,2,),(,0,0,0,（,7.8,）,则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相,同波长的反射光中去。,设,0,=2,n,eff,/,0,，其中,0,为输入光的波长，,n,eff,为波导或光纤,的有效折射率。也就是说，如果,0,=2n,eff,，光波将发生反射，,这个波长,0,就称作,布喇格波长,。,随着入射光波的波长偏离,布喇

9、格波长,，其反射率就会降低,如果具有几个波长的光同时传输到,光纤布喇格光栅,上，则,只有波长等于,布喇格波长,的光才反射，而其它的光全部透射。,图,7.15(a),中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的,光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为,变迹光栅,(Apodized,Grating),的光栅，它与渐变折射率光纤有点,类似，其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小，变迹光栅的功率,反射谱如图,7.15(b),所示。,注意,:,变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。,图,7.15,(a),均匀折射率情形；,(b),变迹折射率情形,0,2,4,2,4,40,30,20,10,0,

10、(a),(b),l,/,l,/,0,2,4,2,4,40,30,20,10,0,反,射,功,率,谱,/,d,B,反,射,功,率,谱,/,d,B,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,）,Blazed,型光栅,（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,7,，通过复合,Blazed,光纤光,栅还可实现残余泵浦光反

11、射等。,）,?,?,?,?,?,?,L,?,?,?,=,),cos,2,cos(,1,),cos,(,0,0,q,?,q,z,n,n,z,n,光纤光栅的应用,?,滤波器,?,色散补偿,?,EDFA,的增益平坦,?,分插复用器,?,光纤激光器,?,光纤光栅传感器,滤波器,1.5545,l,B,1.5555,0,0.5,1,波长（,m,m,）,反,射,率,光纤激光器,波长分插复用器,(OADM),?,上下话路复用器，实现在其他波长信道信号不,变的前提下，在波分复用网络的节点上直接提,取或添加一个或几个波长信道的信号，避免将,所有波长信号全部分解开来进而再复接在一起。,色散补偿,?,在线性啁啾光栅中

12、，光栅间距不等，不同频,率的光的反射位置不同，短的波长,l,s,在近端,反射，长的波长,l,l,在远端反射，从而有不同,的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来,使用就可以改变色散的符号。,长波长,l,l,短波长,l,s,L,光栅周期增大,初始脉冲,光纤,色散展,宽脉冲,压缩脉冲,啁啾光纤光栅,光发射机,环形器,EDFA,的增益平坦,?,EDFA,的增益平坦化，就是把其,1532nm,的增,益峰吸收或损耗掉一部分，使其和后面平坦的,增益曲线部分连合，成为一段宽的平坦谱线,.,这,段平坦谱线越宽越好,.,?,利用长周期光纤光栅来进行增益平坦。通过选,择适当的光栅周期，使得长周期光栅将一定波,长的光耦合至包层而迅速损耗掉，而且不存在,反射，较好的用于,EDFA,的增益平坦。,.,光纤光栅传感器,通过拉伸和压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变,光纤光栅的周期和有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射,波长的目的。反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关,系，根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、,加速度等多种传感器。,土木工程,：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监,控