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1、光纤通信系统光栅第1页，本讲稿共37页n光敏性与光纤光栅光敏性与光纤光栅n分类分类n制作方法制作方法n应用应用第2页，本讲稿共37页n光纤光栅是利用石英光纤的光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性紫外光敏特性将将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。器件。n发展：发展：1978年年Hill发现光敏特性并成功制作发现光敏特性并成功制作FBG1989年年Meltz提出的横向写入制造方法提出的横向写入制造方法1993年年Hill等人提出的相位掩膜制造法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光纤光栅器件逐步走向实用化 第3页，本讲稿共37页光敏特性
2、光敏特性n光纤的折射率在紫外光照射下，随光强光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化的特性。发生变化的特性。n光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，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。可保持永久性不变。n利用紫外光就可以将一些特定的光波导利用紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光纤中，形成光纤型光波导器结构写入光纤中，形成光纤型光波导器件。件。第4页，本讲稿共37页n光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全研究清楚研究清楚n较为普遍的观点：由于诱导光（紫外光）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，产的作用，光纤
3、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，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，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。的畸变等也导致了折射率的变化。n这种光折变效应主要发生在这种光折变效应主要发生在近紫外波段近紫外波段 第5页，本讲稿共37页n最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中，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后来研究发现，具有
4、光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。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。度，就会选用高掺杂的光纤。第6页，本讲稿共37页n折射率的折射率的永久性永久性改变改变n与与掺掺杂杂锗锗的的浓浓度度基基本本上上成成正正比比关关系系，与与所所用用的的紫紫外外光光源源类类型型及及照照射射到到材材料料上上的的能量密度能量密度有关有关n对对光光纤纤材材料料进进行行高高压压低低温温H H2 2扩扩散散，可可以以极大地提高光纤材料的光敏性；
5、极大地提高光纤材料的光敏性；nB/GeB/Ge双掺杂材料具有较高的光敏性；双掺杂材料具有较高的光敏性；第7页，本讲稿共37页各种光纤材料光敏特性各种光纤材料光敏特性光纤纤芯掺杂类型光纤纤芯掺杂类型 最大光致折射率最大光致折射率 掺掺GeGe光纤光纤1010-3-31010-2-2普通通信光纤普通通信光纤1010-3-3B/GeB/Ge光纤光纤1010-3-31010-2-2掺掺P P光纤光纤 1010-3-3硫化物光纤硫化物光纤 1010-4-4（可见光）（可见光）第8页，本讲稿共37页光纤光栅的制作光纤光栅的制作 n基于光纤的光敏特性，可以利用紫外基于光纤的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波
6、导结构写入到光纤中光将特定的波导结构写入到光纤中n根据波导结构构造相应的根据波导结构构造相应的光场分布光场分布n制作方法：制作方法：纵向写入法纵向写入法（早期）（早期）双光束干涉法双光束干涉法 横向写入法横向写入法 相位掩膜法相位掩膜法（主要）（主要）逐点写入法逐点写入法第9页，本讲稿共37页nL L=l l0 0/(2/(2sinq q)n缺陷是对光源的相干性要求较高，对制缺陷是对光源的相干性要求较高，对制造环境要求极严，重复性差造环境要求极严，重复性差 双光束干涉法双光束干涉法L Ll l0 0l l0 0q q第10页，本讲稿共37页相位掩膜法相位掩膜法第11页，本讲稿共37页n产生的光
7、纤光栅周期为掩膜光栅周期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，因此对光源的一半，与入射光无关，因此对光源的相干性要求不高，并且稳定、易于的相干性要求不高，并且稳定、易于准直，重复性好，可以简化光纤光栅准直，重复性好，可以简化光纤光栅的制作系统。的制作系统。n缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通常只缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通常只能制造一种光栅。能制造一种光栅。第12页，本讲稿共37页逐点写入法逐点写入法n一种非相干写入技术一种非相干写入技术n利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而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，光栅移形成光栅，每写一个条纹，光栅移动一定距离，需用精密机
8、构控制光动一定距离，需用精密机构控制光纤运动位移。通过控制光纤的移动，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。可以方便的控制光栅的周期。n一般用于制造长周期光栅一般用于制造长周期光栅 第13页，本讲稿共37页光纤光栅的类型光纤光栅的类型 光光纤纤光光栅栅模型模型（Fiber grating）光纤光栅从本质上讲是通过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，从纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的原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模式耦合到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的
9、模式，从而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。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之间的相互作用可用耦合模理论来描述。来描述。第14页，本讲稿共37页 光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类：光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类：n短周期光纤光栅短周期光纤光栅(FBG，也叫反射或布喇格光栅，也叫反射或布喇格光栅)短周期光短周期光纤纤光光栅栅Fiber Bragg gratingm m为为衍射衍射级级数数 光栅周期一般为零点光栅周期一般为零点几个几个m,耦合发生在正向耦合发生在正向与反向传输
10、的模式之间，与反向传输的模式之间，它的一个重要特性是将某它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去一频段内的光反射回去 第15页，本讲稿共37页第16页，本讲稿共37页n长周期光纤光栅长周期光纤光栅(LPG，也叫传输光栅，也叫传输光栅)长长周期光周期光纤纤光光栅栅Long period grating 光栅周期在光栅周期在 100m以以上上,耦合发生在同向传输的耦合发生在同向传输的模式之间，它的特性是将模式之间，它的特性是将导波中某频段的光耦合到导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉而让其他频包层中损耗掉而让其他频段的光通过段的光通过 第17页，本讲稿共37页第18页，本讲稿共37页均匀光纤光栅均
11、匀光纤光栅 n最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光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栅，其折射率可以表示为 第19页，本讲稿共37页n前向和后向两种模式间的耦合波方程为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，本讲稿共37页n解耦合方程可得光纤光栅的反射率为解耦合方程可得光纤光栅的反射率为 第21页，本讲稿共37页 设设两两列列波波沿沿着着同同一一方方向向传传播播，其其传传播播常常数数分分别别为为0和和1，如如果果满足满足布喇格相位匹配布喇格相位匹配布喇格相位匹配布喇格相位匹配条件：条件：其其中中为为光光栅栅周周期期，则则一一个个波波的的能
12、能量量可可以以耦耦合合到到另另一一个个波波中中去。去。在在反反射射型型滤滤波波器器中中，我我们们假假设设传传播播常常数数为为0的的光光波波从从左左向向右右传播，如果满足条件：传播，如果满足条件：（7.7）（7.8）第22页，本讲稿共37页 则则这这个个光光波波的的能能量量可可以以耦耦合合到到沿沿它它的的反反方方向向传传播播的的具具有有相相同同波波长长的反射光中去。的反射光中去。设设0=2neff/0，其其中中0为为输输入入光光的的波波长长，neff为为波波导导或或光光纤纤的的有有效效折折射射率率。也也就就是是说说，如如果果0=2neff，光光波波将将发发生生反反射射，这这个个波波长长0就就称作
13、称作布喇格波长布喇格波长布喇格波长布喇格波长。随着入射光波的波长偏离随着入射光波的波长偏离布喇格波长布喇格波长布喇格波长布喇格波长，其反射率就会降低，其反射率就会降低 如如果果具具有有几几个个波波长长的的光光同同时时传传输输到到光光光光纤纤纤纤布布布布喇喇喇喇格格格格光光光光栅栅栅栅上上，则则只只有有波波长长等于等于布喇格波长布喇格波长布喇格波长布喇格波长的光才反射，而其它的光全部透射。的光才反射，而其它的光全部透射。第23页，本讲稿共37页 图图7.15(a)中中的的功功率率反反射射谱谱是是针针对对折折射射率率均均匀匀周周期期性性变变化化的的光光栅栅而而言言的的，为为了了消消除除不不需需要要
14、的的旁旁瓣瓣，新新研研制制成成功功了了一一种种称称为为变变迹迹光光栅栅(Apodized Grating)的的光光栅栅，它它与与渐渐变变折折射射率率光光纤纤有有点点类类似似，其其折折射射率率沿沿光光栅栅纤纤芯芯到到边边沿沿逐逐渐渐减减小小，变变迹迹光光栅栅的的功功率率反反射射谱谱如如图图7.15(b)所所示。示。注意注意:变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。第24页，本讲稿共37页 图图7.15布喇格光栅的反射谱布喇格光栅的反射谱 (a)均匀折射率情形；均匀折射率情形；(b)变迹折射率情形变迹折射率情形 第25页，本讲稿共37页线性啁啾光栅线性啁啾光
15、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26页，本讲稿共37页光纤光栅的应用光纤光栅的应用 n滤波器滤波器 n色散补偿色散补偿 nEDFA的增益平坦的增益平坦n分插复用器分插复用器 n光纤激光器光纤激光器 n光纤光栅传感器
16、光纤光栅传感器第27页，本讲稿共37页滤波器滤波器1.5545lB1.555500.51波长（mm）反射率第28页，本讲稿共37页光纤激光器光纤激光器第29页，本讲稿共37页波长分插复用器波长分插复用器(OADM)n上下话路复用器，实现在其他波长信道信号不上下话路复用器，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。所有波长信号全部分解开来进而再复接在一起。第30页，本讲稿共37页色散补偿色散补偿n在线性啁啾光栅中，
17、光栅间距不等，不同频在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频率的光的反射位置不同，短的波长率的光的反射位置不同，短的波长l ls在近端在近端反射，长的波长反射，长的波长l ll在远端反射，从而有不同的在远端反射，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。用就可以改变色散的符号。长波长长波长l l l 短波长短波长l lsL光栅周期增大光栅周期增大第31页，本讲稿共37页初始脉冲初始脉冲光纤光纤色散展色散展宽脉冲宽脉冲压缩脉冲压缩脉冲啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅光发射机光发射机环形器环形器第32页，本讲稿共37页EDFA的增益平坦的
18、增益平坦nEDFA的的增增益益平平坦坦化化，就就是是把把其其1532nm的的增增益益峰峰吸吸收收或或损损耗耗掉掉一一部部分分，使使其其和和后后面面平平坦坦的的增增益益曲曲线线部部分分连连合合，成成为为一一段段宽宽的的平平坦坦谱谱线线.这这段段平平坦坦谱线越宽越好谱线越宽越好.n利利用用长长周周期期光光纤纤光光栅栅来来进进行行增增益益平平坦坦。通通过过选选择择适适当当的的光光栅栅周周期期，使使得得长长周周期期光光栅栅将将一一定定波波长长的的光光耦耦合合至至包包层层而而迅迅速速损损耗耗掉掉，而而且且不不存存在在反反射射，较好的用于较好的用于EDFA的增益平坦。的增益平坦。.第33页，本讲稿共37页
19、第34页，本讲稿共37页光纤光栅传感器光纤光栅传感器 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。制作成应变、温度、压力、加速度等多种传感器。第35页，本讲稿共37页应变第36页，本讲稿共37页土木工程土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监 控航天工业航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的监 测船舶航运业船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警电力工业电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响，所以 特别适合于电力系统中的温度监控石油化学工业石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油田 中的温度、液位等的监控核业中的应用：核业中的应用：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等 光纤光栅还可以应用于水听器、机器人手臂传感、安全识别系统等第37页，本讲稿共37页