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1、2/12/20232/12/2023 HUST 2012第六章光纤无源及有源器件2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012五、光纤光栅1 1、简介、简介（1）衍射体光栅与光纤光栅衍射体光栅通过在平板上刻制不同的衍射条纹实现对不同波长的光进行滤波。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012光纤光栅：通过对纤芯折射率的调制形成光栅；光栅形成区域改变光纤中的模式；形成光栅的强弱与折射率的调制成正比。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012（2）如何实现纤芯的折射率调制？在石英光纤中引入缺陷：增强光吸收；
2、通过掺杂改变折射率；稠化石英，增加密度：直接来增加n值；通过紫外光照射光敏光纤，改变n值。紫外光照射紫外光照射在石英光纤中引入缺陷在石英光纤中引入缺陷增加折射率增加折射率氢载标准单模光纤氢载标准单模光纤增加增加OH的吸收的吸收增加缺陷增加缺陷2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012（3）光纤光栅的发展历程1978年加拿大通信研究中心K.O.Hill等人，一次偶然的实验。利用紫外光对高掺杂锗光纤照射，发现激光吸收会导致光纤纤芯内折射率的变化。K.O.Hill et al.,Appl.Phys.Lett.,32,p.647,1978.2/12/20232/12/2
3、0232/12/2023 HUST 20121989年Meltz利用紫外光横向全息法制作了第一根光纤光栅；所用的紫外光波长为257nm。G.Meltz et al.,Optics Lett.,14,p.823,1989.2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122 2、分类、分类光栅周期是否均匀：均匀光纤光栅；非均匀光纤光栅。光栅平面是否与纤轴相垂直：普通光纤光栅；闪耀光纤光栅。光栅周期的长短：Bragg光纤光栅；长周期光纤光栅。折射率变化特性：均匀光纤光栅；变迹（Apodized）光纤光栅按工作特性：反射光纤光栅；透射光纤光栅2/12/20232/12/202
4、32/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012 500 nm(布喇格光栅布喇格光栅)200 m(长周期光栅长周期光栅)125 m8 m1 mm to 1500 mm单模光纤单模光纤纤芯纤芯包层包层折射率比纤芯高的区域折射率比纤芯高的区域 2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20123 3、光纤光栅的工作原理、光纤光栅的工作原理光纤的模式耦合理论：相向传输的导模间的耦合 Bragg反射光纤光栅。导模与包层模之间的耦合 长周期光
5、纤光栅。由光栅衍射公式：较小时，形成反射光栅：较大时，形成透射光栅，即长周期光纤光栅。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012Bragg反射光纤光栅2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012长周期光纤光栅透射光纤光栅2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(1)Bragg反射光纤光栅传输特性折射率沿z轴的变化：纤芯折射率；：纤芯折射率变化最大值；：折射率调制幅度：光纤光栅的周期。光纤光栅中的模式耦合方程：对Bragg波长该
6、式为0；其他波长该式不为0。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012耦合系数：令：得到：求解方程，得到：2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012其中，上述计算结果可表示为矩阵形式：令：得到Bragg光纤光栅的反射谱：2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012Bragg光纤光栅的特性参数中心波长：由光栅周期、传输模式决定。反射率大小：由光栅长度、耦合系数决定。反射带宽：由耦合系数决定，一般为0.3nm。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012Bragg光纤光栅的传
7、输特性的改变：拓宽传输带宽：采用啁啾光纤光栅（光栅周期沿z轴改变）。消除旁瓣：采用变迹光纤光栅（折射率的调制沿z轴改变）。非Bragg光纤光栅的传输特性的计算：非均匀周期光栅非均匀周期光栅划分为小间隔的均匀光栅划分为小间隔的均匀光栅均匀光栅已知均匀光栅已知的传输矩阵的传输矩阵总的传输矩阵：反射系数：2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(2)光纤光栅的种类单信道的均匀光栅Coupling ConstantReflection Coefficient2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012单信道的变迹光纤光栅2/12/2023
8、2/12/20232/12/2023 HUST 2012取样光纤光栅2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012啁啾光纤光栅啁啾使光栅的周期沿着长度发生变化，因此在不同的位置，相应波长也不同。改变光栅周期或改变光栅的平均折射率大小。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012变迹啁啾光栅在整个反射带内波段都有 100%反射2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012闪耀光纤光栅闪耀 FBGs：与光纤的纤轴成一定角度所刻制成的光栅，被选择的波长的光被反射至纤芯外。可用来均衡EDFA 对光的响应。2/12/2
9、0232/12/20232/12/2023 HUST 2012形成多个极窄的透射峰形成多个极窄的透射峰2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012长周期光纤光栅（LPG）多数的FBGs 是一阶光栅，光栅的周期同中心反射波长相当。长周期光纤光栅的周期谐振波长的数百或数千倍。长周期光纤光栅耦合向前传输的导模进入包层因此，耦合的光波将被损耗掉。长周期光纤光栅 具有与闪耀光栅相同的效果-谐振波长被反射出光纤。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，其光学特性是由前向传输的导模和光栅中包层模之间的耦合所决
10、定的。R导模；S包层模的幅度导摸耦合到包层模的能量：2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012长周期光纤光栅的透射谱：长周期光纤光栅的透射谱中的陷波波长由相位匹配条件所决定：2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012实际制作的长周期光纤光栅透射谱：长周期光纤光栅透射谱的可调谐性：改变包层外介质的折射率、改变包层的直径。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012光纤光栅的工作稳定性由可知：凡是外界因素造成光栅周期、传输模式的变化，都将使光纤光栅的传输特性发生变化。光纤光栅所环境温度、外界应力的变化较为
11、敏感。正是由于光纤光栅的这种敏感特性，被广泛应用于光纤传感技术领域。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012将光纤暴露在紫外光进行刻制而实现的。用244 nm 的紫外光可永久地改变纤芯地折射率。折射率地变化是很微小的，0.0001的变化已足够来实现光栅。4、光纤光栅的制备2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012使光栅的响应更敏感增加锗（germanium）的掺杂硼（Boron）与铝（Aluminium）的共掺杂可增加光纤的光敏性。氢载2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012相干技术相干技术2/
12、12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012相位掩膜技术相位掩膜技术2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20125、光纤光栅的应用稳定激光器波长 色散补偿 WDM 系统中的波长选择滤波器光纤传感技术 2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012色散补偿应用 Chirped Bragg gratingllonglshort2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012OADM 应用Identical FBGs at l l4l l1,l l2,l l3,l l4,l l5l l4 DDl l4 AAReported CharacteristicsChannel passband:0.1-0.5 nm Channel spacing:0.7-1.6 nm Channel isolation:20-30 dB Insertion loss 15 dBl l1,l l2,l l3,l l4,l l52/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012OADM 应用2/12/2023