光纖Bragg光柵設(shè)計(jì).doc

1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 光纖Bragg光柵（FBG）設(shè)計(jì)學(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 光信息 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 陳明陽(yáng) 目錄一、光柵定義和發(fā)展歷程2 1。1、光柵的定義2 1。2、光纖Bragg光柵的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展2二、光纖Bragg光柵特點(diǎn)及工作原理3 2.1 光纖Bragg光柵的特點(diǎn)3 2。2 光纖Bragg光柵的工作原理4三、光纖Bragg光柵的制作方法4 3。1 光敏光纖的制備4四、光纖Bragg光柵在光纖激光器里的應(yīng)用5 4。1 光纖激光器簡(jiǎn)介5 4。2 在光纖激光器里的工作原理6 4。3 光纖Bragg光柵的設(shè)計(jì)要

2、求7 4.3。1 設(shè)計(jì)的基本參數(shù)要求8 4.3。2 設(shè)計(jì)的基本步驟9五、設(shè)計(jì)結(jié)論及應(yīng)用前景15 5.1 結(jié)論及計(jì)算結(jié)果15 5。2 應(yīng)用前景16參考文獻(xiàn)17附程序18一、光柵定義和發(fā)展歷程1.1、光柵的定義自從19世紀(jì)末Henry Rowland發(fā)明衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)和凹面光柵分光裝置以來(lái)，光柵分光儀器就已成為光譜分析領(lǐng)域的主角.光柵是光譜分析研究中的重要色散元件，其作用與棱鏡相似，但在許多方面光柵的性能更好，并且使用方便.在許多光譜儀器中,光柵成本僅占總成本的很小部分,但衍射光柵的質(zhì)量卻從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的光譜性能。衍射光柵是能對(duì)入射光波的振幅和相位或者二者之一進(jìn)行空間周期性調(diào)制的一

3、種光學(xué)元件。通常講的衍射光柵都是基于夫瑯禾費(fèi)多縫衍射效應(yīng)進(jìn)行工作的。1。2、光纖Bragg光柵的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展光纖布拉格光柵（簡(jiǎn)稱FBG)是在單模光纖的纖芯內(nèi)通過(guò)某種方式對(duì)其折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制而形成的一種全光纖器件，如圖1所示。圖1 FBG的基本結(jié)構(gòu)1978年，加拿大Hill 等人使用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置將488nm的氬離子激光注入到摻鍺光纖中，首次觀察到入射光與反射光在光纖纖芯內(nèi)形成的干涉條紋場(chǎng)而導(dǎo)致的纖芯折射率沿光纖軸向的周期性調(diào)制，從而發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏特性，并制成了世界上第一個(gè)光纖布拉格光柵。二、光纖Bragg光柵特點(diǎn)及工作原理2.1 光纖Bragg光柵的特點(diǎn)光纖Bragg光柵具有體積小

4、、波長(zhǎng)選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn),成本低,因此它具有良好的實(shí)用性,其優(yōu)越性是其他許多器件無(wú)法替代的。這使得光纖Bragg光柵以及基于光纖光柵的器件成為全光網(wǎng)中理想的關(guān)鍵器件。FBG是在光纖纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，通過(guò)光柵前向傳輸?shù)睦w芯模式與后向傳輸?shù)睦w芯模式之間發(fā)生耦合，而使前向傳輸?shù)睦w芯模式的能量傳遞給后向傳輸?shù)睦w芯模式,形成對(duì)入射波的反射。其反射波長(zhǎng)即布拉格波長(zhǎng)為B=2neff,其中，為光柵周期，neff為纖芯等效

5、折射率。2。2 光纖Bragg光柵的工作原理光纖Bragg光柵軸向折射率周期性變化將引起不同光波模式之間的耦合,可以將特定波長(zhǎng)的正向傳輸模的功率部分或者全部轉(zhuǎn)移到反向傳輸模,從而改變?nèi)肷涔獾墓庾V.如圖所示,其基本光學(xué)特性表現(xiàn)為一個(gè)反射式的光學(xué)濾波器，只有Bragg波長(zhǎng)附近的光能夠被反射.從而利用FBG的波長(zhǎng)選擇性可用作光纖激光器的腔鏡，實(shí)現(xiàn)模式選擇和窄帶反饋的單頻激光器。圖2 光纖布拉格光柵的工作原理三、光纖Bragg光柵的制作方法3.1 光敏光纖的制備采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，可以在幾乎所有種類的光纖上不同程度的寫(xiě)入光柵。所謂光纖中的光折變是指激光通過(guò)光敏光纖時(shí),光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空

6、間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，如這種折射率變化呈現(xiàn)周期性分布，并被保存下來(lái)，就成為光纖光柵。 光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關(guān),如照射波長(zhǎng)、光纖類型、摻雜水平等。如果不進(jìn)行其它處理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為（10-4)數(shù)量級(jí)便已經(jīng)飽和,為了滿足高速通信的需要,提高光纖光敏性日益重要,目前光纖增敏方法主要有幾種:摻入光敏性雜質(zhì)，如：鍺、錫等、多種摻雜(主要是BGe共摻）、高壓低溫氫氣擴(kuò)散處理、劇火。四、光纖Bragg光柵在光纖激光器里的應(yīng)用4。1 光纖激光器簡(jiǎn)介利用光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)選擇性可用作光纖激光器的腔鏡，實(shí)現(xiàn)模式選擇和窄帶反饋的單頻光纖激光器.與半導(dǎo)體激光器相比,光纖激光器具

7、有波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，調(diào)諧范圍大、線寬窄、輸出功率高和相對(duì)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)DWDW系統(tǒng)使用工作波長(zhǎng)可固定和調(diào)諧的低噪聲激光器陣列的要求?；诠饫wBragg光柵的光纖激光器不僅成為高速大容量秘籍波分復(fù)用(DWDM)光纖通信系統(tǒng)的理想信號(hào)載體，而且成為光纖光柵傳感系統(tǒng)中理想的傳感檢測(cè)光源.光纖激光器以其卓越的性價(jià)比，以及抗電磁干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率高、線寬窄、輸出光束質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、激光加工、激光醫(yī)療、激光雷達(dá)、結(jié)構(gòu)測(cè)距、光纖傳感等方面日益廣泛的應(yīng)用。圖3 基于FBG的光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)4.2 在光纖激光器里的工作原理在光纖激光器中，光纖光纖光柵通常用來(lái)作為反射腔鏡，產(chǎn)生窄帶光譜輸

8、出，它可以使激光器緊湊、簡(jiǎn)單。與一般的標(biāo)準(zhǔn)具相比,光纖法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具有更好的窄帶選模特性,可用來(lái)對(duì)光纖激光器選縱模。由于作為增益介質(zhì)的摻雜光纖長(zhǎng)度通常為數(shù)米，腔模間隔小,而光纖光柵的3db反射帶寬為0。1nm左右，得到的激光輸出一般為多縱模,要想得到單縱模輸出，需要采用相應(yīng)地選模方法。法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具是激光器中常用的選縱模方法，光纖光柵標(biāo)準(zhǔn)利于實(shí)現(xiàn)激光的全光纖化，且光纖光柵標(biāo)準(zhǔn)具的輸出譜線數(shù)目由標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)和光纖光柵的反射帶寬共同決定，選模特性優(yōu)于普通的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。如圖所示，輸出激光線寬小于光纖光柵標(biāo)準(zhǔn)具的縱模間隔，實(shí)現(xiàn)激光器的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。利用光纖光柵的摻鉺光纖制作的光纖激光器，如

9、圖所示，在鉺纖兩端分別接入一支高反射率的窄帶光纖Bragg光柵(FBG)和一支低反射率的寬帶啁啾光纖光柵,其中光纖Bragg光柵的反射波長(zhǎng)在啁啾光纖光柵的帶寬范圍內(nèi)。這兩支光柵形成諧振腔，摻鉺光纖在980nm泵浦光激勵(lì)下產(chǎn)生的激發(fā)輻射光在諧振腔內(nèi)震蕩。由于高反射率的光纖Bragg光柵帶寬很窄，在構(gòu)成諧振腔反射面的同時(shí)也起到選頻的作用，即從反射率較低的啁啾光纖光柵一側(cè)出射的激光頻率與光纖Bragg光柵的反射頻率相同。當(dāng)用應(yīng)力調(diào)諧等方法改變光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)位置時(shí),光纖激光器出射光波長(zhǎng)也會(huì)隨之改變.其中,剩余980nm譜光利用光濾波器濾除。采用上述的結(jié)構(gòu)能夠制作可調(diào)諧的光纖激光器。 在光纖激

10、光器中，光纖光柵標(biāo)準(zhǔn)利于實(shí)現(xiàn)激光的全光纖化，所以激光器的諧振腔采用基于光纖Bragg光柵的諧振腔可輸出激光線寬小于光纖光柵標(biāo)準(zhǔn)具的縱模間隔,且光纖光柵標(biāo)準(zhǔn)具的輸出譜線數(shù)目由標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)和光纖光柵的反射帶寬共同決定，當(dāng)光纖光柵標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)越短,其輸出譜線間距越大，光纖光柵的反射帶寬越窄，標(biāo)準(zhǔn)具所能容納的模式數(shù)目越少，從而實(shí)現(xiàn)激光器的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)4.3 光纖Bragg光柵的設(shè)計(jì)4。3。1 設(shè)計(jì)的基本參數(shù)要求設(shè)計(jì)參數(shù)如下:包層折射率為1。45，纖芯折射率為1.46,纖芯直徑為d=7m，中心波長(zhǎng)=1。52m,帶寬B=3.7nm，反射率R=0.94。要求參數(shù)有:光纖周期，光柵長(zhǎng)度L，調(diào)制深度n,實(shí)際帶寬B

11、及中心波長(zhǎng)反射率為R和反射譜圖。對(duì)于光纖Bragg光柵,其反射譜基本特性如下：最大反射率峰值波長(zhǎng): (3）由式(3)可知，反射率最大的波長(zhǎng),即中心波長(zhǎng)是隨折射率調(diào)制深度增加而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這與光纖光柵寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是一致的.由于，所以波長(zhǎng)偏離量很小，在光纖光柵應(yīng)用時(shí)經(jīng)常可以忽略。由相位匹配情況的反射率可看出，當(dāng)失諧（相位不匹配)時(shí)，反射率下降。若定義光纖Bragg光柵的反射帶寬為兩邊的第一個(gè)零反射波長(zhǎng)之間的帶寬,則可得： (4）在弱光柵(光致折射率變化很小）中， ，因此,，其中N=表示光柵柵格的總數(shù)，所以弱光柵的帶寬主要決定于其長(zhǎng)度，長(zhǎng)度越大，帶寬越窄。而在強(qiáng)光柵中,因此,，所以,在

12、強(qiáng)光柵的限制中，光不能透過(guò)光柵的全長(zhǎng)，因此,其帶寬獨(dú)立于光上的長(zhǎng)度，但卻比例與相對(duì)折射率的變化。4.3.2 設(shè)計(jì)的基本步驟1定義波導(dǎo)和光柵,如下：圖42自動(dòng)排布生成的光纖Bragg光柵圖53求解光柵的周期先設(shè)定中心波長(zhǎng)=1。52m圖6可得到=0.52213902，如下：圖74不同折射率調(diào)制深度下的反射特性當(dāng)=0。002時(shí)其反射譜線，如下：圖8若將調(diào)制深度改為：,則光纖Bragg光柵的反射譜線為：圖9小結(jié)：從圖8、圖9中看出，光柵的反射率與折射率調(diào)制及光柵長(zhǎng)度L成正比，越大，L越長(zhǎng)，則反射率越高,反之，反射率越低;而反色譜的蒲寬也隨著增大而增大，但隨著光柵長(zhǎng)度的增大而減小。由此可見(jiàn)，光柵調(diào)制深度

13、不同,將不僅影響光纖Bragg光柵的反射率，還會(huì)影響線寬，大小以及峰值波長(zhǎng)的位置。5光柵長(zhǎng)度L對(duì)其反射特性的影響在不同的光柵長(zhǎng)度L下,光纖Bragg光柵F-P腔將呈現(xiàn)出新的反射特性，圖中參數(shù)為包層折射率nclad ，纖芯折射率，纖芯直徑d,都一樣,只有光柵長(zhǎng)度L在變化：如圖所示，L=0.5mm時(shí)，如圖：圖10L=1mm時(shí),如圖：圖116。設(shè)置求解光柵長(zhǎng)度L和調(diào)制深度n圖12求得：L=400m，n=0。00317。求解光柵帶寬和反射譜峰值，如下:圖13 光纖Bragg的反射譜五、設(shè)計(jì)結(jié)論及應(yīng)用前景5.1 設(shè)計(jì)結(jié)論總結(jié)：光柵的反射率與折射率調(diào)制及光柵長(zhǎng)度L成正比，越大，L越長(zhǎng)，則反射率越高，反之，

14、反射率越低；而反色譜的蒲寬也隨著增大而增大，但隨著光柵長(zhǎng)度的增大而減小.由此可見(jiàn),光柵調(diào)制深度不同，將不僅影響光纖Bragg光柵的反射率，還會(huì)影響線寬，大小以及峰值波長(zhǎng)的位置。光纖光柵的長(zhǎng)度L的增大,并且反射譜寬度變窄，反射率更高更平坦，反射譜邊緣越來(lái)越陡峭。同時(shí)可看出光纖光柵反射率越大，諧振譜線寬度越窄。計(jì)算結(jié)果:光纖Bragg的設(shè)計(jì)要求基本參數(shù)為:包層折射率為1。45，纖芯折射率為1。46,纖芯直徑為d=7m，中心波長(zhǎng)=1.52m,帶寬B=3.7nm，中心波長(zhǎng)反射率R=0.94.利用RSoft軟件計(jì)算得到的結(jié)果為：光纖周期=0.52213902，光柵長(zhǎng)度L=400m，調(diào)制深度n=0.003

15、1，實(shí)際帶寬B=3。66381nm，中心波長(zhǎng)反射率為R=0。9421,中心波長(zhǎng)=1.52m，反射譜圖如圖13所示。采用光纖Bragg光柵的光纖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能量轉(zhuǎn)換效率高，而且行波腔結(jié)構(gòu)消除了空間燒孔效應(yīng)的影響，隨著泵浦功率的增加，輸出特性也不會(huì)發(fā)生改變。這使得光纖激光器能滿足不同應(yīng)用要求的需要。5。2 應(yīng)用前景全光通信的研究還處于起步階段，許多技術(shù)難點(diǎn)需要克服.雖然光纖光柵不能解決全光通信中所有的技術(shù)難點(diǎn)，但是對(duì)光纖光柵技術(shù)和器件的研究可以解決全光通信系統(tǒng)中許多關(guān)鍵技術(shù)。因此對(duì)光纖光柵的研究可以促進(jìn)全光通信網(wǎng)的早日實(shí)現(xiàn). 光纖光柵是將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實(shí)用價(jià)值的無(wú)源光器件之

16、一，利用它可組成多種新型光電子器件，由于這些器件的優(yōu)良性能使人們更加充分地利用光纖通信系統(tǒng)的帶寬資源。對(duì)光纖光柵的研究和開(kāi)發(fā)正逐步深入到光纖通信系統(tǒng)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從光纖激光器、波分復(fù)用系統(tǒng)的合波/分波、光纖放大器的增益平坦、色散補(bǔ)償，到全光網(wǎng)絡(luò)上下路、波長(zhǎng)路由、光交換等，光纖光柵的應(yīng)用將推動(dòng)高速光通信的發(fā)展，將在未來(lái)的高速全光通信系統(tǒng)中扮演重要的角色。參考文獻(xiàn)【1】 郭玉彬，霍佳雨主編.光纖激光器及其應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社，2008?！?】 黃楚云，楊濤。光纖激光器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J。黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（04)【3】 丁鐳，徐雁軍，袁樹(shù)忠?；贔-P腔光纖激光器J.光子學(xué)報(bào)，19

17、99(10)【4】 馮顯桂，西南交通大學(xué)，級(jí)聯(lián)光纖光柵的特性及應(yīng)用研究,2009【5】 李惠萍，王慶亞，秦莉。光纖光柵特性分析J.光電子激光，2001，12（1)【6】 李川，張以謨等.光纖光柵原理、技術(shù)及應(yīng)用M。北京：科學(xué)出版社，2005附程序Length = 400ModDelta = 0。0031N0 = background_indexPeriod = 0。8alpha = 0background_index = 1。45delta = 0.01dimension = 3eim = 0free_space_wavelength = 1.52grating_fixlambda = 1gr

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