光纤光栅的制作与应用

《光纤光栅的制作与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤光栅的制作与应用（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、目录摘要1引言21.光纤光栅制作方法21.1光纤光栅的特点21.2光纤光栅的分类41.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性41.2.2根据光纤光栅的成栅机理51.3光栅光纤的制备61.4成栅的紫外光源71.5成栅方法81.5.1短周期光纤光栅的制作81.5.2长周期光纤光栅的制作102光纤光栅的应用112.1光纤光栅在光纤通信系统中的应用132.1.1有源器件132.1.2无源器件132.2可见光纤光栅的应用132.2.1 光源142.2.2光纤放大器152.2.3色散补偿器152.2.4光分插复用器（OADM ） 162.2.5光终端复接器（OTM ） 172.2.6波长交换183发展前景

2、展望19参考文献21VUHAN VOCiriONAI (011(6( OF SOFFRAK AND HGIHIIRING摘 要： 近年来，各种新的光纤光栅写入方法成出不穷，各种 新型光纤光栅及其应用领域不断涌现，而且光纤光栅的制作技术与其 应用领域有着密切的联系。本文主要综述了光纤光栅的制作技术及其 一些特种光栅制作方法的最新进展。为了介绍各种光光纤光栅制作方法的应用领域，本文首先介绍了 光纤光栅的光学特性，光敏光纤的制备方法和所需光源等知识。对于 光纤的制作技术，分别说明了短周期光纤光栅（FBG），长周期光纤 光栅（LFPG）的各种写入方法，啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅以其独 到的优势而备受关

3、注，因此，本文也对他们的特殊写入方法进行了阐 述。并比较了各自的优缺点。日前，光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、 可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。光 纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端 复接器（OTM）、光交叉连接（OXC）等关键部件提供解决方案。本文 介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特 点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的 典型应用，并对其发展前景作出了展望。关键词：光纤光栅成栅机理光纤无源器件全光通信分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性 能和特点，从光纤传

4、感技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结 构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、 滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各种 方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用 中所面临的主要技术难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感 器在进一步实用化中需要解决的难题及其未来的发展趋势。1.光纤光栅制作方法1.1光纤光栅的特点光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极 化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附 加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特 性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，

5、易于形成规模生产，成本低， 因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的.这 使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器 件。1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中米用驻波写入法制成第 一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领 域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光 敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商 用化程度。应用成果日益增多，使得光纤光栅成为日前最有发展前途、 最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。现在一般采用高强度紫外光源通过Phase Mask所形成的干涉条 纹对光纤进行侧面横

6、向曝光以在该光纤芯中产生折射率从而调制或 相位光栅，如图1-1所示。图1-1光纤光栅传感系统的基本原理图当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时，将导致光栅周期A 和有效纤芯折射率neff产生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂 移B，通过监测Bragg波长B的变化情况，即可获得测点上光纤光 栅的应变和周围温度的变化状况。光纤光栅波长漂移B与应变和温 度变化的关系如下： =人B （1 - Px）Ab + （以人+以门）函 _X S Ab+人 S AT B tB T其中，第一项代表光纤的应变效应，第二项表示温度对光纤的影 响。在波长人B=1550 nm，典型的应变敏感系数为s = 0.8x 1

7、0-6Re -1；温 度敏感系数为St= 6.0 x 10 -6 C-1。所以，光纤光栅Bragg波长的变化与 应变或环境温度的变化呈线性变化关系，通过检测光纤光栅Bragg波 长，就可以测得应变或环境温度。在工程应用中一般采用合适应用的 方法，用环氧树脂胶进行封装，外加保护封装进行保护，从而形成光 纤光栅光纤传感器。由于光纤光栅（FBG）只能对某个波长进行反射，反射波长的 变化需要通过光纤光栅解调仪来测量，一般需要对多个光纤光栅传感 器进行测量，也就是说要进行波分复用，将多个光纤光栅（FBG）的 串接、每个光纤光栅（86）对于一个中心波长，在保证测量的动 态范围内，各个光纤光栅（FBG）的波

8、长之间不重叠，这样通过光纤 光栅解调仪（FBG Interrogator）实现对不同光纤光栅传感器的反射波 长的测量，从而转化成压力或应变的数据。1.2光纤光栅的分类根据不同法分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别。1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为: 均匀周期光纤布喇格光栅：通常称为布喇格光栅，是最早发展 起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。折射率调制深度和 栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。此类光栅在光纤 激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。 啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁

9、啾光栅， 主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时， 造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。 长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不 同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用 于EDFA的增益平坦和光纤传感。 相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连 续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性 光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选 择度。可以用来构造多通道滤波器件。此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、

10、超 结构光栅等。1.2.2根据光纤光栅的成栅机理根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：I型、IIA型和II型。 I型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上， 其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层 耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度（200C左右） 下光栅会变弱或消失。 IIA型光栅：成栅于高掺锗（15%mol）光敏光纤或硼锗共掺光 敏光纤上，曝光时间较长。成栅机理于1型不同。其写入过程为：曝 光开始不久，纤芯中形成I型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被 部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成IIA型光栅，其 温度稳定性优于1型光栅，直到

11、500C附近才能观察到光栅的擦除效 应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。 I型光栅：由单个高能量光脉冲（大于0.5J/cm2 ）曝光形成。 其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合 到包层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石 英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。有极高的温度稳定性，在800C 下放置24小时无明显变化，在1000C环境中放置4小时后大部分光 栅才消失。1.3光栅光纤的制备采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上 不同程度的写人光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤 时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化

12、，如这种折射 率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中 的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平 等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为10 4数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性 日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1）掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。2）多种掺杂（主要是B/Ge共接）。3）高压低温氢气扩散处理。4）剧火。1.4成栅的紫外光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错 吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外 光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条

13、纹，所以成栅光源的 空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线 宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO 激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤 光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和244nm两种有效的写 入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并 实现光纤光栅在线制作。如图1-2所示。振幅掩模板图1-2紫外光透过振幅掩模板制作光栅示意图1.5成栅方法光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件 苛刻，成品率低，使用受到限制，日前主要的成栅有下列几种。1.5.1短周期光纤光栅的制作短周期光纤光栅

14、（FBG，也叫反射或布喇格光栅）:光栅周期一般为 零点几个微米，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，如图1-3所示。图1-3短周期光纤光栅（m为衍射级数）2）内部写入法：内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基 模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反 射镜的反射，使光纤中的人射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯 材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉 周期一样的立体折射率光栅，它起到了 Bragg反射器的作用。已测得 其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使 用的，由于实验要求在

15、特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯 径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤 光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被 采用。示。用准分子激光干涉的方法，Melt等人首次制作了横向侧面 曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成 干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由A =kuv /（2sin0 ）给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹 角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率 的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法 采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动 或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，目前这 种方法使用不多。b）光纤光栅的单脉冲写入：由于准分子激光具有很高的单脉冲 能量，聚焦后每次脉冲可达8226Jcm 2近年来又发展了用单个激光 脉冲在光纤上形成高反射率光栅。英国南安普敦大学的Archambanlt 等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有 关。由于光栅成栅时间短，因此环境因素对成栅的影响降到了最低限 度。此外，此法可以在光纤技制过程中实现，接着进行涂覆，从而避 免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。这种成 栅方法对光源的要求不高，特别适用于