[工学]第3章 光纤器件.ppt

3.1光源 3.2光-检测器 3.3光 无 源 器 件 3.4 光 纤光栅 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。根据特定的光栅结构，光纤光栅可以作成滤波器、反射器、色散补偿器等。利用光纤光栅可以制成满足各种光纤通信要求的有源和无源器件。由于光纤光栅器件易于与光纤连接，对偏振不敏感（适应光纤中光偏振态的随机变化），因此，在光纤通信中与其它光波导器件相比有着明显的优势。 光纤中的光敏特性于1978年由Hill等人首次发现并成功用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，1989年Meltz提出的横向写入制造方法及Hill等人于1993年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，使得光纤光栅的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤光栅器件在光纤通信及光纤传感领域有着广泛的应用，被认为是继掺饵光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一重大突破。本节首先介绍光纤光栅器件的形成机理、制造方法及工作原理，然后探讨光纤光栅器件的应用。 3.4.1 光纤的光敏特性 光纤光栅是根据光纤的光敏特性制成的。所谓光纤的光敏特性是指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，可保持永久性不变等特点，因此，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，较为普遍的观点是，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，出现了折射率的变化；另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放诱导应力以及结构、形状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。 3.4.2 光纤光栅的制作 基于光纤光栅的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中，形成满足各种应用要求的光纤光栅器件。光纤光栅中波导结构的特征尺寸一般在亚微米级，也有在几十到几百微米的。对于亚微米级的光栅结构，一般只能用干涉的方法形成，对几十到几百微米的长周期结构，实现方法多些。Hill等最初研究光纤光栅时采用的是纵向写入法，即将激光从光纤端面耦合进光纤，经过另一端面反射镜反射，入射光与反射光相干形成驻波，由于光纤材料的光敏性，其折射率就会发生相应的周期性变化， ? 形成光纤光栅。这种方法制作的光纤光栅的中心反射波长与写入波长相同，由于可用光源极少，限制了它的应用，目前一般不再采用。目前普遍采用的光纤光栅的制作方法是横向写入法，即光从光纤侧面照射来改变折射率分布，这种方法增加了光栅写入的自由度，可以制作不同周期、不同长度、不同位置及不同形状的光栅。光纤光栅的制作方法主要有双光束干涉法、相位掩模法和逐点写入法等。 1.双光束干涉法 如图3.38所示，光纤放置于两相干光束的干涉场中，干涉条纹与光纤垂直，光纤中就会产生光栅周期与干涉条纹周期相同的均匀光纤光栅，为Λ=λ0/(2sinθ)，其中λ0为紫外光波长，θ为紫外光入射角。可见，改变光束的入射角θ就可以得到不同周期的光栅即灵活调节中心反射波长。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。 3.逐点写入法 这是一种非相干写入技术。它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，可以方便地控制光栅的周期。这种方法一般用于制造长周期光栅。 3.4.3 光纤光栅工作原理及特性 光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构两类，分别称为均匀、非均匀光纤光栅。在亚微米级实现周期结构比较容易，但要实现非周期结构则有很大的局限性，非周期结构一般由周期结构经某种方式演变而来。周期结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期结构制造困难，其特性容易满足各种要求。光纤光栅从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅。 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。 1.均匀光纤光栅 最简单的具有正