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[工学]光纤通信系统 522光栅
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 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。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。 折射率的永久性改变 与掺杂锗的浓度基本上成正比关系,与所用的紫外光源类型及照射到材料上的能量密度有关 对光纤材料进行高压低温H2扩散,可以极大地提高光纤材料的光敏性; B/Ge双掺杂材料具有较高的光敏性; 各种光纤材料光敏特性 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… 双光束干涉法 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 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) 长周期光纤光栅(LPG,也叫传输光栅) 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 解耦合方程可得光纤光栅的反射率为 光纤光栅的应用 滤波器 色散补偿 EDFA的增益平坦 分插复用器 光纤激光器 光纤光栅传感器 光纤激光器 波长分插复用器(OADM) 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。 EDFA的增益平坦 EDFA的增益平坦化,就是把其1532nm的增益峰吸收或损耗掉一部分,使其和后面平坦的增益曲线部分连合,成为一段宽的平坦谱线.这段平坦谱线越宽越好. 利用长周期光纤光栅来进行增益平坦。通过选择适当的光栅周期,使得长周期光栅将一定波长的光耦合至包层而迅速损耗掉,而且不存在反射,较好的用于EDFA的增益平坦。 . 光纤光栅传感器 色散补偿 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ls在近端反射,长的波长ll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用就可以改变色散的符号。 长波长l l 短波长ls L 光栅周期增大 初始脉冲 光纤 色散展宽脉冲 压缩脉冲 啁啾光纤光栅 光发射机 环形器 * * 10-4(可见光) 硫化物光纤 10-3 掺P光纤 10-3~10-2 B/Ge光纤 ~10-3 普通通信光纤 10-3~10-2 掺Ge光纤 最大光致折射率 光纤纤芯掺杂类型 L l0 l0 q 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。 短周期光纤光栅 Fiber Bragg grating m
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