光纤光学8-光纤光栅

1、3.2 光纤光栅Fiber Grating,光纤光栅的基本概念 光纤光栅的基本原理 光纤光栅的基本特征 光纤光栅的应用,1978年由加拿大通讯研究中心(CRC, Canadian Research Centre )的K.O. Hill.率先报道了光纤的光敏特性，制造了第一支光纤光栅。 1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发展。 1993年 K.O. Hill提出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大批量制造成为可能。,光纤光栅的历史,一、 光纤光栅的基本概念,1.光纤光栅 光纤光栅是一种折射率沿光纤纵向周期变

2、化的波导。当光通过这样的波导时将产生相位的周期性变化。 由衍射理论有 令,通过光栅的同相弱反射光相干加强。反射光波长位于1.5m附近的光纤光栅，其周期为=0.5m,二、光纤光栅的形成机理,光敏光纤刻栅 载氢增敏技术 光纤材料的还原性处理 多种掺杂 预加应力增敏技术,1、光敏光纤刻栅,光纤的光敏特性是指光纤的折射率在某些波长的光的照射下，发生永久变化的特性。,石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个Si原子通过形成共价键与四个氧原子相连。,石英的基本结构,提出了多种模型，没有一种可以解释所有的实验结果。 一般认为 掺杂光纤的光敏性与光纤中的氧空位缺陷有关。Ge具有两种氧化态Ge2+和Ge4+因此

3、具有GeO和GeO2两种缺陷。 GeO缺陷对应于光纤在242nm和325nm的吸收， GeO2缺陷对应于193nm的吸收。GeO缺陷对242nm的光产生了强烈的吸收，引起GeO电离，引起光纤的折射率发生变化。 在1.3m1.6m的波长范围内，折射率变化的典型值约为10-4 ，对于高锗掺杂浓度的光纤，这个值可大于0.001。,色心模型 D.P.Hand认为在紫外光的照射下掺锗石英光纤材料中缺氧锗缺陷将发生电离，所释放的电子陷落在附近位置上形成新的缺陷中心。这种色心缺陷粒子数的变化将永久地改变光纤的紫外吸收谱，从而引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，其改变的具体数值如下式：KramersKroni

4、g关系：,色心模型认为，在紫外光照射下电子在不同位置上的重新分布是掺锗石英光纤折射率改变的主要原因。,密致模型 玻璃的光敏性与玻璃中缺陷有关，在紫外光照射下光纤材料中的局部应力和密度将发生变化。掺锗石英玻璃的折射率与其密度呈线性关系，因此这种应力和密度的变化被认为是光纤材料中光致折射率的一种可能的机制密致模型。 玻璃的折射率变化不仅仅与玻璃吸收系数有关，还与体积有关（光致密化和光致热膨胀效应）。,2、载氢增敏技术,1993年 AT &T Bell实验室的P. J. Lemaire掺锗光纤的载氢增敏技术。 掺锗3光纤被放入气压为2.0-76MPa，温度为2075的氢气中，形成载氢光纤。 载氢光纤

5、在紫外光照射时将引起氢气和掺锗石英光纤之间产生化学反应，H2分子在Si-O-Ge区发生变化，形成与折射率有关的Ge-OH,Si-OH,Ge-H,Si-H等化学键和缺氧锗缺陷中心，从而产生光致折射率变化，光敏性可提高12个数量级，折射率变化提高两个数量级。 特别说明，由于光纤中存在未反应的氢,载氢光纤形成的折射率变化是持久的,室温条件下放置2个星期下降11。,通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的光纤段进行“焰刷”处理。把拉制好的标准通信锗光纤段放在1700的氢氧焰下灼烧，使光纤在240nm处的吸收增加，可获得大于10-3的折射率变化，光纤材料的光敏性提高了一个数量级。缺点就是高温灼绕破坏了光

6、纤，有长期稳定性的问题。,3、光纤材料的还原性处理,对光纤预制棒进行高温氢气处理，使芯区的缺氧锗缺陷浓度增加，可将光纤材料的光敏性提高23倍。缺点就是氢气与GeO2反应生成的OH-离子将在1.4m处产生一个很强的吸收带。,4、多种掺杂,在锗硅光纤材料中，掺入B、Sn或Al等元素可提高光纤材料的光敏性，其中以B/Ge双掺杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以采用MCVD技术生产。 （1）避免了危险性的氢气敏化处理。 （2）可避免载氢增敏引起的羟基吸收损耗；这一损耗在长度较大的Chirp光纤光栅中是十分严重 （3）提高了光栅的制作效率。,5

7、、预加应力增敏技术,在写入光栅的过程中，对掺锗光纤施加适当应力，将会提高光纤的光敏性。在同样的曝光条件下写入Bragg光栅时，施加应力的光纤将会得到高达18dB的反射深度，而未加应力的光纤的反射深度仅为7dB，因此利用这种方法将会明显缩短光纤光栅的写入时间。,光纤光栅的生命周期和稳定性,光纤光栅在环境（如温度、应变、外部光源的照射等)影响下，会逐渐退化。光纤光栅的长期稳定性是通信和传感器的关键。 无论光纤在紫外照射之前是否经过处理，即使是室温，光栅也会随时间而产生热退化。 光栅光栅在应用中最经常遇到的退化因素是擦除温度。 光纤光栅的温度稳定性主要由光纤光敏性的物理属性，即光栅写入的三种类型，即

8、I型、IIA型和III型。,光纤光栅的分类：I型、IIA型和II型 类光栅：温度稳定性较差（300）、脉冲或连续 较低掺杂浓度、较低UV曝光量、局部缺陷引起折射率变化、折射率变化n 10-510-3,A类光栅：温度稳定性较好（500）、脉冲或连续掺杂浓度较高（eg 25mol% GeO2)、 较高UV曝光量（ 500J/cm2)，、结构重构引起折射率变化、折射率变化n0 类光栅：温度稳定性好（800）、脉冲激光 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(融化石英基质，物理性损伤）、折射率变化n可达10-2,三、光纤光栅的制作技术,内部写入法 干涉写入法 逐点写入法,1、内部

9、写入法,光纤中沿相反方向传播的两列相干光波可表示为 两列波相干叠加后形成跓波 跓波干涉条纹的强度可写为,2、全息相干法,将工作在紫外区的同一束激光分成一定夹角的两束光，在一段光纤的裸露纤芯区形成干涉。干涉条纹产生折射率型光栅。 布拉格波长：,优点：通过调节就可以实现周期大范围内的改变。 缺点：需要紫外激光具有高的时间和空间上的相干性。,3、逐点写入法,逐点写入法是利用聚焦光束沿光纤逐点曝光，使光纤纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅的方法。关键在于光纤与写入光斑的相对位置。,优点：对相干性没有严格要求，光栅参数易于调整。 缺点：曝光时间长，光栅间距的误差较大，光栅周期不能太小，适合写长周期

10、光栅。,4、 相位掩膜技术,相位掩模是采用电子束平板印刷术或全息曝光蚀刻于硅基片表面的一维周期性透射相位光栅，其实质是一种特殊设计的光学衍射元件。,相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只考虑0级和1级衍射波，在正入射情况下1衍射波的强度相等。衍射角满足光栅,斜入射,斜入射情况下的分布为 0级和1级干涉条纹的周期为 而1级衍射波产生的干涉周期为 当sini+w/pm1时，可以消除正一级衍射光。,正入射,在正入射的情况下，齿高满足 的情况下，抑制了零级衍射条纹，则一级衍射可表示为： 则两列波叠加形成的条纹是 干涉条纹的周期为,干涉条纹照射到光敏光纤上制作出周期与干涉条纹周期相同的Bragg光纤光栅。

11、 优点：对光源相干性要求低，而且光栅的周期与光源的波长无关，对光路稳定性要求低，易于批量生产。 缺点：是成本相对较高，并且一般而言同一块相位掩模板制作的光纤光栅周期相同。,四、光纤光栅特性,1. 耦合模方程 有两种方法用来研究光栅是如何影响光波在光纤中传播的。 一种方法是通常用于描述半导体中电子运动的布洛赫理论； 另一种方法是耦合模理论。 耦合模理论分别处理光纤光栅内向前和向后传播的光，光栅提供向前和向后传播的光的耦合。,在光纤光栅中，既要考虑折射率的非线性变化，也要考虑折射率的周期性变化。因此考虑到非线性和周期性后，光纤光栅内的 折射率写为： n 为光栅折射率调制深度； 表征光栅沿光纤长度方

12、向上折射率的周期性变化； 布拉格波数； 布拉格波长； 与布拉格光栅周期关系 表征非线性折射率变化，由于其值很小，我们暂不考虑。,根据耦合模理论，应包括向前和向后传播的光，因而光纤中的光场是正向传播的模式和反向传播的模式的线性叠加，各个模式的系数是随着传输距离的变换发生变化的。 式中，上标“+”表示沿z轴正方向传播的模式，“-”表示沿z轴负方向传播的模式， 为电场的传播常数， 和 为电场的叠加系数。,和 是理想波导模式，它们满足理想波导方程，提取它的横向分量，,实际波导中的光波场应满足波动方程,利用缓变条件：,和折射率变化导致的极化强度变化：,从而：,利用时间微分：,可得：,由折射的分布可知：,

13、利用模式的正交性，公式两边乘以 ， 再积分得：,令：,得到光纤正反向传输光的耦合方程：,对于单模Bragg光栅，光纤中至存在一个模式，m=q=l=1 且 从而可得：,令：,可得：,表示自耦合系数,表示波长失谐量,对于均匀Bragg光纤光栅 为常数，,对于单模Brag反射光栅，,在给定了确定的场强条件和边界条件后，,2. 光栅的光谱特性,反射系数 由反射系数可得到反射率,光纤光栅刻栅发射率与反射贷款与光纤光栅刻栅长度的关系。,光纤光栅刻栅发射率与反射带宽与光纤光栅折射率变化的关系。,事实上，随着光栅长度的增加，光栅禁带的形状将更加趋于矩形，且位于禁带内的光波频率都能得到近乎100的高反射。但是随

14、着值的变大，光栅禁带两边的弱反射峰也将被放大。这些弱反射峰将严重影响光栅在实际应用中的效果。,禁带内高反射率的实现条件 当 时 ， 当 或更大时，在禁带内光栅的反射率将 接近100。 因此，利用 和 的条件，可以 估算禁带内高反射率的实现条件。 对于用于通信波长的普通光纤布拉格光栅，折射率调制深度 ，光栅周期 。因此 要满足的条件，L应超过5mm。这个长度的光栅在光栅制作中是很容易满足的。因此在实际应用中，光纤光栅可以作为高反射镜。,禁带宽度 给定一个反射率，我们可以估算出满足此反射率的禁带宽度。 对于普通的用于通信的光纤布拉格光栅： 有效折射率 折射率调制深度 光栅周期 对应的光栅布拉格波长

15、,若定义反射率大于95%的波长范围为光栅的禁带宽度，当光栅长度取等于或大于7.5mm时，禁带宽度大小为0.20nm左右。随着光栅长度的增加，禁带的宽度增加。但是禁带宽度不能无限制的增加，而是趋近于一个极限宽度,4.5 布拉格光纤光栅的应用,滤波器,光纤激光器,泵浦源,谐振腔,隔离器,输出,Bragg光栅,窄带DBR光纤激光光源,可调谐单频光纤激光器,光分插复用器 光纤传感器,下话路,上话路,4.6 长周期光纤光栅,1. 基本概念 长周期光纤光栅是光纤光栅中的一种,它的周期 通常在几百微米范围内,它能够把光纤中传输的特 定波长光的导波模能量耦合到包层模中,导致一定 带宽的传输损耗,实现带阻滤波的

16、效果。 因为长周期光栅几乎没有反射波,所以在通信系 统中常常用它实现掺铒光纤放大器的增益平坦.,2. 长周期光纤光栅（LPG）中的模式耦合 多模光纤 纤芯内导模与正向传播的其它纤芯导模耦合 单模光纤 纤芯内导模与光纤包层模耦合。 单模光纤中LPG 某些特定波长的基模和包层模之间的耦合。对应谐振波长所耦合的总的包层模能量到达 光纤后变成泄漏模而损耗，形成长周期光纤光 栅的透射谱.,设光纤中入射模为： 被耦合的其它模式为： Z=L处的长周期光纤光栅透射率为：,相位匹配条件: m0 , 得 最大透过率：,3. 长周期光纤光栅的制作,扫描曝光法制作的长周期光栅在不同曝光时间的光谱,4. 长周期光纤光栅

17、制作条件对光栅光谱的影响,LPFG 的谱特性 谐振波长 峰值损耗率 带宽 谐振波长： 光栅周期决定了光栅谐振峰的波长； 在一定的波长区间内，光栅周期也决定了光栅中耦合模的个数.,带宽 长周期光纤光栅的光谱半宽（3dB带宽） 长周期光纤光栅的长度影响光栅光谱的半宽和被耦合的包层模透射强度。,理论计算的不同长度时长周期光纤光栅透射谱,实验测试的不同 长度的光栅透射谱,光栅传感器： 平坦掺铒光纤放大器中的增益谱,5. 长周期光纤光栅的应用,4.7 相移布拉格光纤光栅,当 ， 时,1. 单段相移光纤光栅反射谱,不同耦合强度下光纤光栅反射谱,2. 多段相移光纤光栅反射谱,透射峰的数目与相移段的数目相同。 随着相移段的增多，透射峰的线宽增加，透射峰间的隔离度下降。