光纤光栅理论演示文稿

光纤光栅理论演示文稿当前1页，总共41页。8.光纤光栅器件(1).光纤光栅定义与系统特性

(2).光纤光栅种类

(3).光纤光栅理论分析方法:耦合波理论\光线理论

(4).光纤光栅制作:光敏性

(5).光纤光栅的应用

当前2页，总共41页。（1）、光纤光栅定义与系统特性

光纤光栅是一小段光纤，它的芯层折射率沿纵向发生周期性的改变。下面是光纤光栅中最简单的一种——均匀光栅，见图1：光纤光栅的定义图1均匀光纤光栅当前3页，总共41页。均匀光纤光栅的折射率分布均匀光纤光栅（如图1）的折射率分布可假设为：当前4页，总共41页。光纤光栅的光学特性

光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可被耦合到反向传输模也可被耦合到前向包层模中，这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即：若要将正向传播导波模式耦合到反向传播导波模式，从前面给的相位匹配条件可得：当前5页，总共41页。光纤光栅的系统特性

（1）反射率与光纤长度的关系，其中V为光栅的结构常数

为传播常数

这里，令：当前6页，总共41页。可得到反射率和透射率的关系式为：其中，由R的表达式可以求得反射谱的半高全宽度(FWHM)为：当前7页，总共41页。图2反射率与光栅长度的关系当前8页，总共41页。图3反射率与光栅长度的关系当前9页，总共41页。图4反射率与光栅长度的关系当前10页，总共41页。（2）有效长度与折射率扰动的关系

取反射率R＝0.9时，光栅长度为有效长度可得有效长度与的关系。，图5光栅有效长度和折射率扰动的关系可见在反射率一定的情况下，折射率扰动越大，光栅的长度可以做的越短。

当前11页，总共41页。图6光栅有效长度和不同的折射率扰动的关系当前12页，总共41页。（3）谱线宽度

当前13页，总共41页。图8线宽与光栅长度的关系图7线宽与折射率的关系当前14页，总共41页。（4）光纤光栅反射光谱特性

当前15页，总共41页。图9光栅反射光谱特性曲线当前16页，总共41页。(2).光纤光栅种类光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：

①均匀周期光纤布拉格光栅：通常称为布拉格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是应用最广的一种光栅。折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波②啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。分复用/解复用等领域有重要应用价值。当前17页，总共41页。③闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。④长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。⑤相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构造多通道滤波器件。

此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。当前18页，总共41页。根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型：

①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度（200℃左右）下光栅会变弱或消失。②ⅡA型光栅：成栅于高掺锗（15％mol）光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。成栅机理于Ⅰ型不同。其写入过程为：曝光开始不久，纤芯中形成Ⅰ型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成ⅡA型光栅，其温度稳定性优于Ⅰ型光栅，直到500℃附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。当前19页，总共41页。③Ⅱ型光栅：由单个高能量光脉冲（大于0.5J/cm2）曝光形成。其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合到包层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。有极高的温度稳定性，在800℃下放置24小时无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失。当前20页，总共41页。(3).光纤光栅理论分析方法:耦合波理论\光线理论

耦合波理论是分析光纤光栅的最基本方法，耦合波理论用于光纤光栅时，把光栅区域折射率的变化看作微扰，它们的作用不改变原阶跃折射率光纤中各模式的分布，只是引起模式间的相互作用和能量交换，改变各模式的幅度。当光纤光栅具有均匀周期结构时，通过推导藕合模方程可得到解析解，但对于非均匀光栅(如啁啾光栅、相移光栅、取样光栅等)，利用耦合模方程的分析过程变得十分繁琐，而传输矩阵分析方法由于具有清晰、快捷和精确的特点，特别适宜于这类光纤光栅的分析。耦合波理论当前21页，总共41页。光线理论

光线理论是我们之前所学到的几何光学常用分析方法，是将光束看成一条条理想化的直的光线，然后综合运用光的直线传播定理，光的独立传播定理，反射定理，折射定理，光的全反射定理，菲涅尔定理等，进而分析光的反射谱，光的透射谱。运用光线理论也可以进行光纤光栅分析，运用该方法首先要对光线进行假设，从而得到各个参数。当前22页，总共41页。

光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性(这种现象也称为光致折射率变化效应，简称光折变效应。光纤的光敏性是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。（4）、光纤光栅制作

光纤的光敏性

光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为（10的负4次方）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，光纤增敏方法主要有以下几种：

a掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。

b多种掺杂（主要是B／Ge共接）。

c高压低温氢气扩散处理。

d剧火。

当前23页，总共41页。（1）内部写入法内部写入法又称驻波法。Hill早在1978年，用图5所示的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。将波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器1监测,而透射光则由光电探测器2接收。经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。已测得其反射率可达90％以上，反射带宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，因此，其实用性受到限制。布拉格光纤光栅的制作图5布拉格光纤光栅的制作当前24页，总共41页。

全息干涉法又称外侧写入法，如图6示，用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。可见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。（2）全息干涉法当前25页，总共41页。图6布全息干涉法制作光纤光栅当前26页，总共41页。

利用此技术制作FBG的干涉装置可以用棱镜或者洛埃镜。如图7示，使用棱镜干涉法制作FBG的示意图。在这个装置中，UV光束在棱镜的输入面上通过折射而横向展宽。展宽的光束一分为二，一半光束在棱镜表面上发生全内反射，然后，与另一半光束在棱镜的输出面上产生干涉。放在此装置之前的柱状透镜有助于沿着纤芯所形成的干涉图样在一条直线上。（3）分波前干涉法当前27页，总共41页。图7分波前干涉法制作光纤光栅当前28页，总共41页。

相位掩模板（PhaseMask）是衍射光学元件，用以将入射光束一分为二+1级和-1级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率受到调制。相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级衍射的功能。因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统，其主要缺点是不同Bragg波长要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅常用的一种方法。（4）相位掩模法当前29页，总共41页。图8相位掩膜法制作光纤光栅当前30页，总共41页。（1）振幅掩模法2.长周期光纤光栅的制作

图10振幅掩模法制作长周期光纤光栅当前31页，总共41页。利用制作耦合器的熔融拉锥工艺来制作长周期光纤光栅。在用高功率激光、电弧或火焰对光纤进行局部加热的同时，对光纤施加一定的应力，使得光纤芯径发生周期性变化，从而形成光栅。可用精密切割机在光纤表面上刻周期性的v型槽，v型槽的周期数和间距决定所需滤波器的共振波长和带宽等。v型槽的深度及形状将影响光纤光栅的折射率分布轮廓，从而决定光栅的效率。如图6示，把刻好周期性v型槽的光纤置于光纤拉锥机上，光纤一端与光源连接，另一端连接光学光谱分析仪（OSA）进行监测，用氢气火焰对光纤V型槽区域进行拉伸退火，由于受熔融玻璃表面应力影响被刻v型槽一边光纤纤芯的不平衡等因素，而使得纤芯产生周期性畸变，导致纤芯折射率的周期性变化。（2）熔融拉锥法图11熔融拉锥法制作长周期光纤光栅当前32页，总共41页。

这种方法延伸了点-点写入技术，而且不需要额外的费用就可写入任意形式的LPFG。实验装置如图示，UV光束通过显微镜物镜照射到光纤上，显微镜物镜的作用是使光束聚焦后尺寸小于30μm。微控移动平台使UV光束沿着光纤方向进行扫描，此时，由计算机控制的光圈便使光纤周期性的曝光。在这里，光圈的改变是靠移动平台的位置来触发的。光栅的最大长度由移动平台移动的总长度决定，这个限制可通过平移光纤来克服。实验表明，制作出长为11mm，周期为500μm的LPFG，经测试，实验值与模拟值吻合，从而说明了这个简易方法的准确性。见图12：（3）扫描法当前33页，总共41页。图12扫描法制作长周期光纤光栅当前34页，总共41页。图13深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测系统

(5).光纤光栅的应用目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一（1993年），16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不可能的。当前35页，总共41页。它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布拉格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测；同时能进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数的实时在线、分布式检测。1.

襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；2.

宝钢一炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；3.

巴东长江大桥双塔光纤光栅和应力施工监测系统长期智能健康监测系统；4.

海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；5.

贵阳冷饭盒大桥光纤光栅预应力施工监控系统及长期智能健康系统。当前36页，总共41页。光纤光栅在光纤通信领域的应用基于光纤光栅的独特性能，它的应用已经渗透到光纤通信的各个环节，成为下一代高速光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一，使全光通信网的实现成为可能，光纤光栅在光纤通信领域中的应用主要有:(1)光纤激光器光纤光栅的窄带反射特性和全兼容于光纤的优点使其特别适合于制作光纤激光器。利用光纤光栅作为光纤激光器的腔镜，可以实现模式选择和窄带反馈的单频激光器。这类激光器的兼容性、输出稳定性和光谱纯度比半导体激光器好，而且具有较高的光输出功率、较低的相对强度噪声、极窄的线宽和较宽的调谐范围.在光纤激光器中，利用取样光纤光栅作为反馈谐振腔可以实现多波长输出，这种多波长激光器是密集波分复用系统中理想的标准通道光源。当前37页，总共41页。光纤光栅在光纤通信领域的应用(2)光纤滤波器

光纤滤波器是光纤通信系统中的关键器件。均匀光纤布喇格光栅实质上是一个波长选择器，反射率几乎可达100%，用光纤布喇格光栅做滤波器，可以对光纤透射频谱中的任一波长进行窄带滤出，利用布喇格光纤光栅的光谱特性可以构成窄带带阻、宽带带阻、宽带带通等不同滤波器;由于光纤光栅的谐振波长对外界环境比较敏感，因此可作出多种可调谐滤波器，常用的调谐技术包括轴向拉伸、轴向压缩、弯曲、扭曲、横向负载、温度调谐和磁调谐等.而相移光纤光栅在光栅反射谱的相应位置打开一个透射窗口，可用作窄带带通滤波器。此外，取样光栅是梳状滤波器，啁啾光纤光栅可做