光纤通信系统 5.2.2光栅 PPT.ppt

* * 光纤光栅（Fiber Bragg grating） 光敏性与光纤光栅 分类 制作方法 应用 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。 发展： 1978年Hill发现光敏特性并成功制作FBG 1989年Meltz提出的横向写入制造方法 1993年Hill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 光敏特性 光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化的特性。 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。 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件。 光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全研究清楚 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，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的畸变等也导致了折射率的变化。 这种光折变效应主要发生在近紫外波段 各种光纤材料光敏特性 光纤纤芯掺杂类型 最大光致折射率 掺Ge光纤 10-3~10-2 普通通信光纤 ~10-3 B/Ge光纤 10-3~10-2 掺P光纤 10-3 硫化物光纤 10-4（可见光） 光纤光栅的制作 基于光纤的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中 根据波导结构构造相应的光场分布 制作方法： 纵向写入法 （早期） 双光束干涉法 横向写入法 相位掩膜法 （主要） 逐点写入法… L=l0/(2sinq) 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 双光束干涉法 L l0 l0 q 相位掩膜法 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，可以简化光纤光栅的制作系统。 缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通常只能制造一种光栅。 逐点写入法 一种非相干写入技术 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，可以方便的控制光栅的周期。 一般用于制造长周期光栅 光纤光栅的类型 光纤光栅模型 （Fiber grating） 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模式耦合到前向或后向传输的限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。 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来描述。 光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类： 短周期光纤光栅 (FBG，也叫反射或布喇格光栅) 短周期光纤光栅 Fiber Bragg grating m为衍射级数 光栅周期一般为零点几个μm, 耦合发生在正向与反向传输的模式之间，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去 长周期光纤光栅(LPG，也叫传输光栅) 长周期光纤光栅 Long period grating 光栅周期在 100μm以上, 耦合发生在同向传输的模式之间，它的特性是将导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉而让其他频段的光通过 均匀光纤光栅 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 前向和后向两种模式间的耦合波方程为 A+(0)=1、A-(L)=0 解耦合方程可得光纤光栅的反射率为 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为β0和β1，如果满足布喇格相位匹配条件： 其中Λ为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。 在反射型滤波器中，我们假设传播常数为β0的光波从左向右传播，如果满足条件： （7.7） （7.8） 则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。 设β0=2πneff/λ0，其中λ0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果λ0=2neffΛ，光波将发生反射，这个波长λ0就称作布喇格波长。 随着入射光波的波长偏离布喇格波长，其反射率就会降低 如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上，则只有波长等于布喇格波长的光才反射，而其它的光全部透射。 图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为变迹光栅(Apodized Grating)的光栅，它与渐变折射率光纤有点类似