光纤通信系统522光栅ppt课件

1、光纤光栅光纤光栅Fiber Bragg Fiber Bragg gratinggratingn光敏性与光纤光栅光敏性与光纤光栅n分类分类n制造方法制造方法n运用运用n光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导构造直接做在光纤上构成的光纤波导光波导构造直接做在光纤上构成的光纤波导器件。器件。n开展：开展：n19781978年年HillHill发现光敏特性并胜利制造发现光敏特性并胜利制造FBGFBGn19891989年年MeltzMeltz提出的横向写入制造方法提出的横向写入制造方法n19931993年年HillHill等人提出的相位掩膜制造法等人提出的相位

2、掩膜制造法n光纤光栅器件逐渐走向适用化光纤光栅器件逐渐走向适用化 光敏特性光敏特性n光纤的折射率在紫外光照射下，随光强光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化的特性。发生变化的特性。n光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，可坚持永久性不变。可坚持永久性不变。n利用紫外光就可以将一些特定的光波导利用紫外光就可以将一些特定的光波导构造写入光纤中，构成光纤型光波导器构造写入光纤中，构成光纤型光波导器件。件。n光纤光敏特性的动力学机理如今尚未完全光纤光敏特性的动力学机理如今尚未完全研讨清楚研讨清楚n较为普遍的观念：由于诱导光紫外光较为普遍的观念：由于诱导光紫外光的作

3、用，光纤中原子的某些键被破坏，产的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产生的自在电子进入光纤资料的色心圈套中，生的自在电子进入光纤资料的色心圈套中，从而改动了光纤的吸收、散射等光学特性，从而改动了光纤的吸收、散射等光学特性，出现折射率的变化；另外，在光照射过程出现折射率的变化；另外，在光照射过程中，光纤资料构造释放诱导应力以及构形中，光纤资料构造释放诱导应力以及构形的畸变等也导致了折射率的变化。的畸变等也导致了折射率的变化。n这种光折变效应主要发生在近紫外波段这种光折变效应主要发生在近紫外波段 n最初光致折射率变化出如今掺锗光纤中，最初光致折射率变化出如今掺锗光纤中，后来研讨发现，具有光敏特性的光

4、纤种后来研讨发现，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。掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有时根据需求为了加大折射率的变化程有时根据需求为了加大折射率的变化程度，就会选用高掺杂的光纤。度，就会选用高掺杂的光纤。 n折射率的永久性改动折射率的永久性改动n与掺杂锗的浓度根本上成正比关系，与与掺杂锗的浓度根本上成正比关系，与所用的紫外光源类型及照射到资料上的所用的紫外光源类型及照射到资料上的能量密度有关能量密度有关n对光纤资料进展高压低温对光纤资料进展高压低温H2H2分散，可以分散，可以极大地提高光纤资料的光敏性

5、；极大地提高光纤资料的光敏性；nB/GeB/Ge双掺杂资料具有较高的光敏性；双掺杂资料具有较高的光敏性；各种光纤资料光敏特性各种光纤资料光敏特性光纤纤芯掺杂类型光纤纤芯掺杂类型 最大光致折射率最大光致折射率 掺掺GeGe光纤光纤1010-3-31010-2-2普通通信光纤普通通信光纤1010-3-3B/GeB/Ge光纤光纤1010-3-31010-2-2掺掺P P光纤光纤 1010-3-3硫化物光纤硫化物光纤 1010-4-4（可见光）（可见光）光纤光栅的制造光纤光栅的制造 n基于光纤的光敏特性，可以利用紫外基于光纤的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波导构造写入到光纤中光将特定的波导构造写入到

6、光纤中n根据波导构造构造相应的光场分布根据波导构造构造相应的光场分布n制造方法：制造方法：n 纵向写入法纵向写入法 早期早期n 双光束干涉法双光束干涉法 n 横向写入法横向写入法 相位掩膜法相位掩膜法 主主要要n 逐点写入法逐点写入法nL=l0/(2sinq)L=l0/(2sinq)n缺陷是对光源的相关性要求较高，对制缺陷是对光源的相关性要求较高，对制造环境要求极严，反复性差造环境要求极严，反复性差 双光束干涉法双光束干涉法L Ll l0 0l l0 0q q相位掩膜法相位掩膜法n产生的光纤光栅周期为掩膜光栅周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，因此对期的一半，与入射光无关，

7、因此对光源的相关性要求不高，并且稳定、光源的相关性要求不高，并且稳定、易于准直，反复性好，可以简化光易于准直，反复性好，可以简化光纤光栅的制造系统。纤光栅的制造系统。 n缺陷是掩膜制造复杂，每种掩膜通缺陷是掩膜制造复杂，每种掩膜通常只能制造一种光栅。常只能制造一种光栅。 逐点写入法逐点写入法n一种非相关写入技术一种非相关写入技术n利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而构成光栅，每写一个条纹，光栅挪构成光栅，每写一个条纹，光栅挪动一定间隔，需用精细机构控制光动一定间隔，需用精细机构控制光纤运动位移。经过控制光纤的挪动，纤运动位移。经过控制光纤的挪动，可以方便的控制光栅的周期

8、。可以方便的控制光栅的周期。n普通用于制造长周期光栅普通用于制造长周期光栅 光纤光栅的类型光纤光栅的类型 光纤光栅模型光纤光栅模型（Fiber grating） 光纤光栅从本质上讲是光纤光栅从本质上讲是经过波导与光波的相互作用，经过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输的的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的方式耦合到限定在纤芯中的方式耦合到前向或后向传输的限定在包前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的方式，从而得层或纤芯中的方式，从而得到特定的透射和反射光谱特到特定的透射和反射光谱特性。性。 光纤光栅中，光场与光光纤光栅中，光场与光波导之间

9、的相互作用可用耦波导之间的相互作用可用耦合模实际来描画。合模实际来描画。 光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类：光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类：短周期光纤光栅短周期光纤光栅 (FBG，也叫反射或布喇格光栅，也叫反射或布喇格光栅) 短周期光纤光栅短周期光纤光栅Fiber Bragg gratingm m为衍射级数为衍射级数 光栅周期普通为零点几个光栅周期普通为零点几个m, 耦耦合发生在正向与反向传输的方式之间，合发生在正向与反向传输的方式之间，它的一个重要特性是将某一频段内的它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去光反射回去 n长周期光纤光栅长周期光纤光栅(LPG，也叫传

10、输光栅，也叫传输光栅) 长周期光纤光栅长周期光纤光栅Long period grating 光栅周期在光栅周期在 100m以上以上, 耦合发生在同向传耦合发生在同向传输的方式之间，它的特输的方式之间，它的特性是将导波中某频段的性是将导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉光耦合到包层中损耗掉而让其他频段的光经过而让其他频段的光经过 均匀光纤光栅均匀光纤光栅 n最简单的具有正弦构造的滤波型光纤光最简单的具有正弦构造的滤波型光纤光栅，其折射率可以表示为栅，其折射率可以表示为 )2cos()(L=znnzneffn前向和后向两种方式间的耦合波方程为前向和后向两种方式间的耦合波方程为nA+(0)=1A+(0

11、)=1、A-(L)=0 A-(L)=0 =)exp()exp(ziAiKdzdAziiKAdzdAn解耦合方程可得光纤光栅的反射率为解耦合方程可得光纤光栅的反射率为 )()2/()()()0()0(222222SLshSLchSSLKshKAAR=2)2/(=KKS)/(tanh)(tanh22maxBnLLKRl= 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，假设满足布喇格相位匹配条件： 其中为光栅周期， 那么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，假设满足条件：=2107.7=22)(0007.8 那么这个光波的能量可以耦合到沿

12、它的反方向传播的具有一样波长的反射光中去。 设0=2neff/0，其中0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，假设0=2neff，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格波长，其反射率就会降低 假设具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上，那么只需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，为了消除不需求的旁瓣，新研制胜利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

13、射谱如图7.15(b)所示。 留意: 变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。 图7.15布喇格光栅的反射谱 (a) 均匀折射率情形； (b) 变迹折射率情形 线性啁啾光栅线性啁啾光栅折射率沿光栅轴向周期性变化折射率沿光栅轴向周期性变化,有有较宽反射带构成宽带滤波器较宽反射带构成宽带滤波器,用于色用于色散补偿散补偿 Taper型光栅型光栅 消除折射率突变消除折射率突变,反射谱不存在反射谱不存在旁瓣构成各种滤波器、波长变换旁瓣构成各种滤波器、波长变换器和器和OADMMoire型光栅型光栅有效抑制了旁瓣效应有效抑制了旁瓣效应,存在多个存在多个透射窗口构成滤波器、色散补偿透射窗口构成滤波器、色散补偿

14、器和信道选择器器和信道选择器Blazed型光栅型光栅可对一定带宽范围内的光功率进展可对一定带宽范围内的光功率进展衰减，从而可实现光放大器的增益平衰减，从而可实现光放大器的增益平坦化坦化7，经过复合，经过复合Blazed光纤光光纤光栅还可实现剩余泵浦光反射等。栅还可实现剩余泵浦光反射等。 L=)cos2cos(1)cos(00qqznnzn光纤光栅的运用光纤光栅的运用 n滤波器滤波器 n色散补偿色散补偿 nEDFAEDFA的增益平坦的增益平坦n分插复用器分插复用器 n光纤激光器光纤激光器 n光纤光栅传感器光纤光栅传感器滤波器滤波器1.5545lB1.555500.51波长mm反射率光纤激光器光纤

15、激光器波长分插复用器波长分插复用器(OADM) (OADM) n上下话路复用器，实如今其他波长信道信号不上下话路复用器，实如今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，防止将取或添加一个或几个波长信道的信号，防止将一切波长信号全部分解开来进而再复接在一同。一切波长信号全部分解开来进而再复接在一同。 色散补偿色散补偿n在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频率的光的反射位置不同，短的波长率的光的反射位置不同，短的波长lsls在近端在近端反射，长的波长反射，长的波长llll

16、在远端反射，从而有不同在远端反射，从而有不同的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来运用就可以改动色散的符号。运用就可以改动色散的符号。长波长长波长l l 短波长短波长lsL光栅周期增大光栅周期增大初始脉冲初始脉冲光纤光纤色散展色散展宽脉冲宽脉冲紧缩脉冲紧缩脉冲啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅光发射机光发射机环形器环形器EDFA的增益平坦的增益平坦nEDFA的增益平坦化，就是把其的增益平坦化，就是把其1532nm的增的增益峰吸收或损耗掉一部分，使其和后面平坦的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增益曲线部分连合，成为一段宽的

17、平坦谱线.这段平坦谱线越宽越好这段平坦谱线越宽越好. n利用长周期光纤光栅来进展增益平坦。经过选利用长周期光纤光栅来进展增益平坦。经过选择适当的光栅周期，使得长周期光栅将一定波择适当的光栅周期，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，较好的用于反射，较好的用于EDFA的增益平坦。的增益平坦。 n.光纤光栅传感器光纤光栅传感器 经过拉伸和紧缩光纤光栅，或者改动温度可以到达改动光纤光栅的周期和有效折射率从而到达改动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，可将光纤光栅制形成应变、温度、压力、加速度等多种传感器。土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢构造等的安康平安监土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢构造等的安康平安监 控控航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等目的的监航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等目的的监 测测船舶航运业：如船舶的损伤评价及早期报警船舶航运业：如船舶的损伤评价及早期报