光纤Bragg光栅(FBG)设计.pdf

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JIANGSUUNIVERSITY
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...................................2
、光栅的定义...........................................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.........................3
....................................3
................................4
三、光纤Bragg光栅的制作方法.............................4
.........................................4
四、光纤Bragg光栅在光纤激光器里的应用...................5
.........................................5
................................6
................................7
...................................8
......................................9
五、设计结论及应用前景..................................15
........................................15
.............................................16
参考文献................................................17
附程序..................................................18
:.
一、光栅定义和发展历程
、光栅的定义
自从19世纪末HenryRowland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
缝衍射效应进行工作的。
、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。
图1FBG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

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λ=2nΛ,其中,Λ为光栅周期,n为纤芯
Beffeff
等效折射率。:.

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。
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

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
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。
四、光纤Bragg光栅在光纤激光器里的应用

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。:.
图3基于FBG的光纤激光器的基本结构

在光纤激光器中,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
,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。法布里-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。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
器。
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


设计参数如下:,,纤芯直径
为d=7μm,中心波长λ=,带宽B=,反射率R=。
要求参数有:光纤周期Λ,光栅长度L,调制深度Δn,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::.
n
1.
最大反射率峰值波长:(3)
maxnB
eff
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一
致的。由于n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为两边的第一个零
0max
反射波长之间的带宽,则可得:
22
n
0B(4)
nn
maxeffeff

在弱光栅(光致折射率变化很小)中,nB,因此,
maxL
2
0B,其中N=L表示光栅栅格的总数,所以弱光栅的
nLN
maxeff
带宽主要决定于其长度,长度越大,带宽越窄。
n

而在强光栅中,n,因此,0,所以,在强
B
maxLn
maxeff
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。

,如下::.
图4

图5:.

先设定中心波长λ=
图6
可得到Λ=,如下:
图7
n下的反射特性
当n=,如下::.
图8
若将调制深度改为:n1103,则光纤Bragg光栅的反射谱线为:
图9:.
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n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
的反射率,还会影响线宽,大小以及峰值波长的位置。

在不同的光栅长度L下,光纤Bragg光栅F-P腔将呈现出新的反
射特性,图中参数为包层折射率n,纤芯折射率,纤芯直径d,n
clad
都一样,只有光栅长度L在变化:如图所示,
L=,如图:
图10:.
L=1mm时,如图:
图11

:.
图12
求得:L=400μm,Δn=
,如下:
图13光纤Bragg的反射谱:.
五、设计结论及应用前景

总结: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n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光栅的反射率,还会影响
线宽,大小以及峰值波长的位置。光纤光栅的长度L的增大,并且反
射谱宽度变窄,反射率更高更平坦,反射谱边缘越来越陡峭。同时可
看出光纤光栅反射率越大,谐振谱线宽度越窄。
计算结果:光纤Bragg的设计要求基本参数为:包层折射率为
,,纤芯直径为d=7μm,中心波长λ=
m,带宽B=,中心波长反射率R=。
利用RSoft软件计算得到的结果为:光纤周期Λ=,
光栅长度L=400μm,调制深度Δn=,实际带宽B=,
中心波长反射率为R=,中心波长λ=,反射谱图如图
13所示。
采用光纤Bragg光栅的光纤激光器结构简单,能量转换效率高,
而且行波腔结构消除了空间烧孔效应的影响,随着泵浦功率的增加,
输出特性也不会发生改变。这使得光纤激光器能满足不同应用要求的
需要。:.

全光通信的研究还处于起步阶段,许多技术难点需要克服。虽然
光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点,但是对光纤光栅技术
和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光
栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。
光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值
的无源光器件之一,利用它可组成多种新型光电子器件,由于这些器
件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。对光
纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节,从光
纤激光器、波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色
散补偿,到全光网络上下路、波长路由、光交换等,光纤光栅的应用
将推动高速光通信的发展,将在未来的高速全光通信系统中扮演重要
的角色。
:.
参考文献
【1】郭玉彬,[M].北京:科学出版
社,2008.
【2】黄楚云,[J].黄石理工
学院学报,2008(04)
【3】丁镭,徐雁军,-P腔光纤激光器[J].光子学报,
1999(10)
【4】冯显桂,西南交通大学,级联光纤光栅的特性及应用研究,2009
【5】李惠萍,王庆亚,[J].光电子激光,
2001,12(1)
【6】李川,、技术及应用[M].北京:科学出
版社,2005
:.
附程序
Length=400
ModDelta=
N0=background_index
Period=
alpha=0
background_index=
delta=
dimension=3
eim=0
free_space_wavelength=
grating_fixlambda=1
grating_scan_option=3
height=7
k0=(2*pi)/free_space_wavelength
mode_length=default
monitor_step_size=Period/4
profile_type=PROF_STEPINDEX
sim_tool=ST_GRATINGMOD
slice_step_size=Period/4
step_size=Period/4
structure=STRUCT_FIBER
width=7
user_taper1
type=UF_GRATING
gr_profile_type=0
gr_apodization_type=APOD_UNIFORM
gr_chirp_type=CHIRP_LINEAR
gr_phase=0
gr_period=Period
gr_apodization_coef=0
gr_chirp_coef=0
enduser_taper
segment1
color=12
index_taper=TAPER_USER_1
=0
=0
=0relbeginsegment1
=Lengthrelbeginsegment1
=delta+ModDelta
endsegment