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1、JIA NG S U U NIVE RS ITY光纤Bragg光栅（FBG）设计学院名称：机械工程学院专业班级：光信息学生姓名：学生学号：指导教师：陈明阳目录一、光栅定义和发展历程 21.1、光栅的定义 21.2、光纤Bragg光栅的发现与发展 2二、光纤Bragg光栅特点及工作原理32.1光纤Bragg光栅的特点 32.2光纤Bragg光栅的工作原理 4三、光纤Bragg光栅的制作方法43.1光敏光纤的制备4四、光纤Bragg光栅在光纤激光器里的应用 54.1光纤激光器简介54.2在光纤激光器里的工作原理64.3光纤Bragg光栅的设计要求 74.3.1设计的基本参数要求84.3.2设计的基
2、本步骤 9五、设计结论及应用前景 155.1结论及计算结果 155.2应用前景 16参考文献17附程序18、光栅定义和发展历程11、光栅的定义自从19世纪末Henry Rowland发明衍射光栅刻划机和凹面光栅 分光装置以来，光栅分光仪器就已成为光谱分析领域的主角。光栅是 光谱分析研究中的重要色散元件，其作用与棱镜相似，但在许多方面 光栅的性能更好，并且使用方便。在许多光谱仪器中，光栅成本仅占 总成本的很小部分,但衍射光栅的质量却从根本上决定了整个系统所 能达到的光谱性能。衍射光栅是能对入射光波的振幅和相位或者二者之一进行空间 周期性调制的一种光学元件。通常讲的衍射光栅都是基于夫琅禾费多 缝衍
3、射效应进行工作的。12、光纤Bragg光栅的发现与发展光纤布拉格光栅（简称FBG）是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件，如图1所/示O图1 FBG的基本结构1978年，加拿大Hill等人使用如图2所示的实验装置将488nm 的氩离子激光注入到掺锗光纤中,首次观察到入射光与反射光在光纤 纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性 调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉 格光栅。二、光纤Bragg光栅特点及工作原理2.1光纤Bragg光栅的特点光纤Bragg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
4、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，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Bragg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。FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的 纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合,而使前向传输的纤芯 模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反 射波长即布拉格波长为入=2n A，其中，A为光栅周期，n为纤芯Beffeff等效折射率。2.2光纤B
5、ragg光栅的工作原理光纤Bragg光栅轴向折射率周期性变化将引起不同光波模式之 间的耦合，可以将特定波长的正向传输模的功率部分或者全部转移到 反向传输模，从而改变入射光的光谱。如图所示，其基本光学特性表 现为一个反射式的光学滤波器，只有Bragg波长附近的光能够被反 射。从而利用FBG的波长选择性可用作光纤激光器的腔镜，实现模式 选择和窄带反馈的单频激光器。Core Refractive Index图2光纤布拉格光栅的工作原理三、光纤Bragg光栅的制作方法3.1光敏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 不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤
6、 时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，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几种:掺入光敏性杂质，如： 锗、锡等、多种掺杂（主要是B/Ge共掺）、高压低温氢气扩散处理、 剧火。4.1光纤激光器简介利用光纤Bragg光栅的波长选择性可用作光纤激光器的腔镜，实 现模式选择和窄带反馈的单频光纤激光器。与半导体激光器相比，光 纤激光
7、器具有波长连续可调，调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相 对噪声低等优点，适应DWDW系统使用工作波长可固定和调谐的低噪 声激光器阵列的要求。基于光纤Bragg光栅的光纤激光器不仅成为高速大容量秘籍波 分复用（DWDM）光纤通信系统的理想信号载体，而且成为光纤光栅传感 系统中理想的传感检测光源。光纤激光器以其卓越的性价比，以及抗 电磁干扰能力强、转换效率高、线宽窄、输出光束质量好、可靠性高 等优点，在光纤通信、激光加工、激光医疗、激光雷达、结构测距、 光纤传感等方面日益广泛的应用。1111稀七掺杂光纤1111鼻激光输出 光纤光栅图3基于FBG的光纤激光器的基本结构42在光纤激光器里的工作原理在光
8、纤激光器中，光纤光纤光栅通常用来作为反射腔镜,产生窄 带光谱输出，它可以使激光器紧凑、简单。与一般的标准具相比，光 纤法布里-珀罗标准具有更好的窄带选模特性，可用来对光纤激光器 选纵模。由于作为增益介质的掺杂光纤长度通常为数米,腔模间隔小，而 光纤光栅的3db反射带宽为O.lnm左右，得到的激光输出一般为多纵 模，要想得到单纵模输出，需要采用相应地选模方法。法布坠珀罗 标准具是激光器中常用的选纵模方法，光纤光栅标准利于实现激光的 全光纤化，且光纤光栅标准具的输出谱线数目由标准具的腔长和光纤 光栅的反射带宽共同决定,选模特性优于普通的法布里珀罗标准具。 如图所示，输出激光线宽小于光纤光栅标准具的
9、纵模间隔，实现激光 器的单纵模运转。利用光纤光栅的掺铒光纤制作的光纤激光器，如图所示，在铒纤 两端分别接入一支高反射率的窄带光纤Bragg光栅(FBG)和一支低反 射率的宽带啁啾光纤光栅，其中光纤Bragg光栅的反射波长在啁啾光 纤光栅的带宽范围内。这两支光栅形成谐振腔，掺铒光纤在980nm泵 浦光激励下产生的激发辐射光在谐振腔内震荡。由于高反射率的光纤 Bragg光栅带宽很窄，在构成谐振腔反射面的同时也起到选频的作用, 即从反射率较低的啁啾光纤光栅一侧出射的激光频率与光纤Bragg 光栅的反射频率相同。当用应力调谐等方法改变光纤Bragg光栅的波 长位置时，光纤激光器出射光波长也会随之改变。
10、其中，剩余980nm 谱光利用光滤波器滤除。采用上述的结构能够制作可调谐的光纤激光 臾T器o在光纤激光器中，光纤光栅标准利于实现激光的全光纤化，所以 激光器的谐振腔采用基于光纤Bragg光栅的谐振腔可输出激光线宽 小于光纤光栅标准具的纵模间隔,且光纤光栅标准具的输出谱线数目 由标准具的腔长和光纤光栅的反射带宽共同决定，当光纤光栅标准具 的腔长越短，其输出谱线间距越大，光纤光栅的反射带宽越窄，标准 具所能容纳的模式数目越少，从而实现激光器的单纵模运转43光纤Bragg光栅的设计4.3.1设计的基本参数要求设计参数如下：包层折射率为1.45，纤芯折射率为1.46，纤芯直径 为d=7p m，中心波长
11、A =1.52p m,带宽B=3.7nm,反射率R=0.94。 要求参数有：光纤周期八，光栅长度L,调制深度n,实际带宽B 及中心波长反射率为R和反射谱图。对于光纤Bragg光栅，其反射谱基本特性如下：最大反射率峰值波长：九maxneff由式（3）可知，反射率最大的波长，即中心波长是随折射率调制深度 增加而向长波方向移动,这与光纤光栅写入实验中观察到的现象是 致的。由于An n ，所以波长偏离量很小，在光纤光栅应用时maxeff经常可以忽略。由相位匹配情况的反射率可看出，当失谐（相位不匹 配）时，反射率下降。若定义光纤Bragg光栅的反射带宽a九为九两边的第一个零0max反射波长之间的带宽，则
12、可得：尢0 尢max|1/ 、2I A nB-neff丿在弱光栅（光致折射率变化很小）中,，因此,AX0 T九B = 2，其中N= LA表示光栅栅格的总数，所以弱光栅的 入n L Nmaxeff带宽主要决定于其长度，长度越大，带宽越窄。而在强光栅中，An b/，因此，1 一旦，所以，在强maxLXnmaxeff光栅的限制中，光不能透过光栅的全长，因此，其带宽独立于光上的长度，但却比例与相对折射率的变化。4.3.2设计的基本步骤1 定义波导和光栅，如下:歹 GratingMOD Layout GeneratorLayout Properties:Layout Type:Separation:Gr
13、ating Properties:Modulation Type:Modulation Depth:Grating Period:Grating Length:Waveguide Properties:Single Waveguide |Output Prefix: |braggl|OKCancel图42 自动排布生成的光纤Bragg光栅3 求解光栅的周期A先设定中心波长A =1.52p mSet Analysis ParametersBragg Condition阳 Fix Center WavelengthFix Period图6可得到八=0.52213902,如下：Grating Spe
14、ctral F?esponse(A=0.522132902)1.0 -0.9 -0.8 -(nN)心方_ or0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 -1.514 1.516 1.518 1.520 1.522 1.524 1.526Wave e 图 7：-IJ4不同折射率调制深度人n下的反射特性当 n =0.002时其反射谱线，如下：Grating Spectral Response(A=0.5221531928)0.8了 6 5 4 3.2 a a a a a a (co)4o世飞二飞飞飞图8,2 程22 程2二526Wavelength (pm)若将调制深度改为： n = 1 x io -3，贝则光纤Bragg光栅的反射谱线为:Grating Spectral Response0.40.01463214634146361463814640x104Wavelength ()jn)小结：从图8、图9中看出，光栅的反射率与折射率调制 n及光 栅长度L成正比， n越大，L越长，则反射率越高，反之，反射率越 低；而反色谱的蒲宽也随着An增大而增大，但随着光栅长度的增大 而减小。由此可见，光栅调制深度不同，将不仅影响光纤Bragg光栅 的反射
