光纤通信系统光栅

1、光纤通信系统光栅第1页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一光敏性与光纤光栅分类制作方法应用第2页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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FBG1989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 第3页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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

2、些特定的光波导结构写入光纤中，形成光纤型光波导器件。第4页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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 第5页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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

3、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。 第6页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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H2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；第7页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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10-310-2普通通信光纤10-3B/Ge光纤10-310-2掺P光纤 10-3硫化物光纤 10-4（可见光）第8页，共

4、37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一光纤光栅的制作 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） 逐点写入法第9页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一L=l0/(2sinq)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Ll0l0q第10页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一相位掩膜法第11页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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

5、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。 第12页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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 第13页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一光纤光栅的类型 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

6、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。 第14页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一 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 gratingm为衍射级数 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 第15页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一第16页，共37页，2022年，

7、5月20日，5点0分，星期一长周期光纤光栅(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 第17页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一第18页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一均匀光纤光栅 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 第19页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一前向和后向两种模式间的耦合波方程为A+(0)=1、A-(L)=0 第20页，共37页，2022年，5

8、月20日，5点0分，星期一解耦合方程可得光纤光栅的反射率为 第21页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配条件： 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：（7.7）（7.8）第22页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一 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=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，如果0=2neff，光波将

9、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 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。第23页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一 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。 第24页，共37页，

10、2022年，5月20日，5点0分，星期一 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 第25页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一线性啁啾光栅（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射等。 ）第2

11、6页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一光纤光栅的应用 滤波器 色散补偿 EDFA的增益平坦分插复用器 光纤激光器 光纤光栅传感器第27页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一滤波器1.5545lB1.555500.51波长（mm）反射率第28页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一光纤激光器第29页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一波长分插复用器(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。 第30页，

12、共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一色散补偿在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频率的光的反射位置不同，短的波长ls在近端反射，长的波长ll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lsL光栅周期增大第31页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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第32页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一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.

13、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。 .第33页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一第34页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一光纤光栅传感器 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。第35页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一应变第36页，共37页，2022年，5月20日，5点0分，星期一土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监 控航天工业：如飞机