第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读

第5讲:光纤布拉格光栅(FBG)

--基础与应用李恩邦FBG的发现与发展光纤布拉格光栅（简称FBG）是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件(如右图所示)。1978年，加拿大Hill等人使用如左图所示的实验装置将488nm的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉格光栅。光电子技术精品课程FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为λB=2neffΛ，其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。FBG原理与特性设光纤纤芯折射率为由耦合模理论得到光栅的反射光谱为最大反射率为反射谱带宽为光电子技术精品课程光纤的光敏特性掺杂光纤光敏性机理掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂形成色心标准光纤：GeOx其它掺杂物质：Erbium（铒）,Europium（铕）,Cerium（铈）影响光纤光敏性的因素掺杂种类与掺杂浓度预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前拉纤速度影响光纤光敏性光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关增加光纤光敏性的方法低温载氢处理压力：20—750atm(典型150atm)，温度：20—75℃，时间：数十小时至数天形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH有效增加标准单模光纤的光敏性标准单模光纤损耗增大光敏性变化大退火及老化处理高温载氢处理在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温至600℃短时间（10秒）内增加光纤的光敏性火焰热处理氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃持续20分钟光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10-3高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题混合掺杂掺Boron（硼）降低折射率，可提高Ge掺杂浓度光纤的光敏性增加3倍30min@400℃退火可使折射率变化减半1500nm窗口付加损耗～0.1dB/m双折射效应掺Tin（锡）较B-Ge光纤的光敏性增加3倍热稳定性优于B-Ge光纤掺N2（氮气）SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加倍折射率变化～2.8×10-3光电子技术精品课程光纤光栅分类Ⅰ类光栅掺杂浓度较低的光纤内形成较低UV曝光量局部缺陷引起折射率变化折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0温度稳定性较差（300℃）可使脉冲或连续激光，前者更有效ⅡA（Ⅲ）类光栅掺杂浓度较高（eg

＞25mol%GeO2)的光纤内形成较高UV曝光量（＞500J/cm2)，结构重构引起折射率变化折射率变化⊿n＜0温度稳定性较好（500℃）可使脉冲或连续激光Ⅱ类光栅极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度物理破坏引起折射率变化折射率变化⊿n可达10-2温度稳定性好（800℃）只能使用脉冲激光光电子技术精品课程光致折射率变化的特性光致折射率变化的各向异性光纤光栅双折射～10-6侧向写入制成的光纤光栅双折射要大2个数量级双折射与UV激光的偏振方向有关：P方向小，S方向大，可相差10倍双折射与UV激光的波长有关：193nm较240nmUV激光产生更大的双折射光致折射率变化的阈值特性(右上图)折射率变化的温度稳定性(右下图)光致折射率变化使光纤处于一种亚稳态在一定温度下，折射率变化变小甚至完