光纤布拉格光栅

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1、光纤光栅的发展历史 在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性， 通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周 期性变化， 从而形成光纤光栅。 光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。 通 过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高掺锗量高，纤芯细。 其次， 该光纤的周期取决于氩离子激的光波长， 且反射波的波长范围很窄， 因此其实用性受 到限制。1988年， Meltz 等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅 的全息法制作光光栅技术

2、。 与驻波法相比， 全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间 的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅， 推动了光纤光栅制作技术的发展。 全息法对光源的 相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。1993 年， Hill 等使用相位掩膜法来制作光栅， 即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射 条纹曝光氢载光纤。 由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无 关，所以对光源的相干性的要求大大降低。 该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低， 对 周围环境也要求较低， 这使得光栅的批量生产成为可能， 极大地推动了光纤光栅在通信领域 的应用。自 1978 年首个

3、光纤光栅问世以来， 光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展， 这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅， 比如啁啾光纤光栅， 高斯变迹光栅升余弦变迹光栅， 相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。 1995 年，光纤光栅实现了商品化。 1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。光栅光纤的应用光想光上具有体积小，熔接损耗小， 与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电 绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中， 光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可 以用于全光波长路由和光交换

4、等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。光纤光栅用作 激光器 。光栅具有窄带滤波的功能， 这可以使其实现稳定的高功率的线性 腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、 调谐范围大、 线宽窄、输出功 率高和相对强度噪声低等优点。光纤光栅用作 干涉仪 。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用， 可以构成干涉仪。 其 中比较常见的有法布利波罗干涉仪、 萨格纳克干涉仪、 马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。 法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。光栅光纤用作 放大器 。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上， 但掺饵光纤放大器具 有增益不平坦性， 这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，

5、 影响了信息的传输质量。 可以 使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。 把光栅写入掺饵光纤中， 可以使增 益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。光栅光纤用于 色散补偿 。在阻带附近， 普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个 数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm-1耦合系数为50cm-1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大， 也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需

6、要更复杂的设计，同时还 须要增加一个光环行器或耦合器， 这会增加系统的插入损耗。 如果增加普通光栅的写入长度 或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。光纤光栅用 作滤波器 。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过 90%，选取适当的参数甚至可以接近100%，而在阻带边缘反射率会急剧减小。这样的频率相关性决定了光纤光栅的 滤波特性。将普通光栅放入干涉仪结构或使用莫尔光栅均可构造滤波器。通过将光栅级联可以获得更高的反射率。光纤光栅用作 波分复用器。光纤通信中的波分复用 /解复用对器件要求较高，一般要求 在通信频带内的滤波带宽窄、体积小及回波损耗小等，而布拉格光纤光栅正好满足这些条件。

7、在信道间隔为25GHz时密集波分复用也能够很好的实现。光纤光栅还能够提高波分复用系 统的性能，在基于分插复用( Optical Add and Drop Multiplexing ，OADM)的波分复用系统中 加入光栅可以减小串扰的影响。有源光纤光栅耦合器传输及开关特性研究光纤光栅的分类现根据光纤光栅的常用名特征来对光纤光栅进行分类。一种光纤光栅的名字通常需要包括其耦合方向、折射率函数分布特点和光纤种类，才可以直接明确的看出其简要光谱特性。1按耦合方向分类根据光纤光栅的耦合方向，可将光纤光栅分为FBG和LPFG这两种类型的光纤光栅因其耦合方向不同，因而具有截然不同的耦合机理及分析方法，并决定了

8、光纤光栅最基本的光谱特性。由于这两种光纤光栅的周期有着明显差别，因而也有人称这种分类方法为根据光栅周期的长短分类。1.1光纤Bragg光栅FBG的耦合机理是纤芯基膜向反向传输的纤芯基膜，包层模或辐射膜耦合，是个反射型的光纤光栅。FBG栅格周期一般为几百 nm,谐振峰带宽为 0.5nm左右。这类光纤光栅是最 早发展起来的，写制方法以及成栅机理都已经很成熟稳定，目前在实际的应用方面最为广泛。1.2长周期光纤光栅LPFG的耦合机理是纤芯基膜向同向传输的包层模或辐射膜耦合，是个消耗型光纤光栅。LPFG栅格周期一般为几百卩 m。与FBG相比，LPFG的谐振峰带宽要大得多，约为几十nm。2按折射率函数分布

9、特征分类光纤光栅是对光纤中传导膜有效折射率进行周期性空间调制的器件，其折射率分布可表示为：2? = ?1 + ?2os(丽？? ?)其中，z为沿光纤轴向的坐标，？?是一个光栅周期内空间平均“de”折射率改变，A是光栅周期， 是折射率改变的条纹可见度，一般取1, ?表示光纤光栅的啁啾。根据光栅的折射率函数的分布特点来进行分类命名，典型的有以下几种：2.1均匀光纤光栅均匀光纤光栅的折射率函数为一理想的正弦或余弦函数。如图。其栅格周期川？?，折射率调制函数？?細和相位函数？?均为常数，是最早出现也是应用最普遍的光纤光栅。2.2倾斜光纤光栅倾斜光纤光栅(Titled fiber grating ,TF

10、G )也称为闪耀光线光栅的折射率沿光纤轴向的分 布为：2?他？ = ?初?(?1 + ?2os (?Cos ?)其中B为光栅条纹与光纤轴的夹角。图为一个夹角为1。的TFG的折射率分布图，可以看出它的折射率函数分布为一个倾斜的余弦函数。TFG光谱的特点是：存在很多向前传输的纤芯基膜与高阶辐射模耦合形成的谐振峰，并且光栅条纹倾斜有效的降低了光栅条纹的可见度，因此布拉格反射峰会减小。对于倾斜角度很小的TFBG在紧靠Bragg谐振峰的短波长方向还有一个由纤芯导模与低阶包层模 耦合形成的幻影模。由于存在的包层模式的耦合，因此TFBG可用于各类折射率和浓度的传感器，并且它具有比 LPFG更好的温度稳定性。

11、2.3啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅(Chirped Fiber grating)的折射率调制深度 ？?为一个常数，而光栅 周期是一个与z有关的函数？?。图为一个线性啁啾光纤光栅的折射率沿光纤轴向分布的示 意图。常见的？?有一阶函数、分段函数等等。对于线性函数，？?为?=-代啁啾光纤光栅的光谱特点是与均匀光纤光栅相比，它极大地增加了谐振峰的带宽。如啁啾FBG带宽可达几十nm ,因而可应用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。2.4相移光纤光栅相移光纤光栅(Phase-shifted fiber grating ,PSFG)的相位函数？?为一个类8函数，也就 是沿着光纤轴向上某一点或多点存在突变，除了相位

12、突变区域外光栅周期及折射率调制深度均为常数。图为一个单冗相移PSFG的折射率分布示意图。相移光纤光栅的光谱特点是：在光栅光谱的谐振峰中打开若干个投射窗口。因此被广泛的应用于可调谐光器件以及多参量传感方面，在光通信及光谱分析等领域具有很高的应用价值。2.5取样光纤光栅取样光纤光栅(Sampled fiber grating ,SFG)可视为均匀光纤光栅的振幅或折射率调制深 度被特殊函数(如方波函数、 sine函数等)调制的结果，而每个单元的光栅折射率调制深度 和周期均为常数。方波调制的取样光纤光栅的折射率分布可表示为：2?n其中，a是每一段均匀光纤光栅的长度，p为取样周期，L为光栅总长度，如图。

13、取样光纤光栅的光谱主要特点是：具有很多带宽相同的谐振峰。因而在多通道滤波，波分复用通信系统中的色散补偿方面具有潜在的应用价值。2.6Tapered光纤光栅Tapered光纤光栅可视为 FBG的折射率调制深度被特定的函数(如正弦或余弦函数的平 方)调制的结果，而栅格周期不变。其折射率分布函数为：n(z) = ?+ 2?1 + ?2os (二)其中F为调制函数，它可以为正弦、余弦和高斯函数。图为一个余弦函数调制的 Tapered 光纤光栅折射率沿光纤轴向的分布示意图。根据实际需要，可以通过改变调制函数 F及有关结构参数来控制其谐振峰的形状。常见的有高斯分布型及正弦调制型，可用于群色散的补偿或多波长

14、激光器的输出。2.7Moire光纤光栅Moire光纤光栅即莫尔光纤光栅，其平均折射率调制深度和栅格周期沿光纤轴向均为非 线性变化。其折射率沿光纤轴向分布表达式为：n(z) = ? + ? + ?n( ) eos( )AaAb如图，是一种具有慢变包络的快变余弦函数，其中為是快变包络周期，是慢变包络周期。Moire光纤光栅大多采用二次曝光法制作，若第一次曝光的频率为Ai，第二次曝光的频率为筠，那么形成的莫尔光栅的包络周期为：2 A A?2 Ai AA -A - A根据上式，我们可以通过设计曝光的周期得到实际需要的光谱。Moire光纤光栅的光谱类似于 n相移光纤光栅，其慢包络的零点位置相当于引入了一

15、个n相移。均匀的或啁啾的 Moire光纤光栅的光纤参量对光谱的影响不相同。均匀莫尔光栅的慢包络零点位置决定了投射窗口的透射率，但增加慢包络零点只增加光谱透射峰的带宽，而透射峰数量不变。对于啁啾莫尔光栅，增加慢包络的零点，透射窗口也会增加，并且慢包络零 点位置变化，透射峰的透射率和位置都会变化。2.8切趾光纤光栅切趾光纤光栅（Apodized fiber grating ,AFG ）的折射率调制深度从光栅中心向光栅两端逐 渐递减，在光栅边缘降为零。其折射率沿光纤轴向分布的表达式为：2?刃？初?刃?？（1 + ?2os 二？? ? ?刃）其中，？?？为切趾函数，常见的有高斯函数、余弦函数等。图为一高斯型切趾光纤光栅的折射率分布示意图。切趾光纤光栅光谱的主要特点是：光谱的旁瓣被抑制。由于这个特点使其具有更高的波长选择性，避免了在多波长系统中的串扰。3按光纤种类分类除按光纤的耦合方向，其折射率分布特点分类外，还有重要的一项就是按光纤的种类分 类来说明光纤光栅的特