演示文稿光纖光學光纖光柵

演示文稿光纖光學光纖光柵目前一頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點光纖光學光纖光柵目前二頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點3.2光纖光柵

FiberGrating光纖光柵的基本概念光纖光柵的基本原理光纖光柵的基本特征光纖光柵的應用目前三頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點1978年由加拿大通訊研究中心(CRC,CanadianResearchCentre)的K.O.Hill.率先報道了光纖的光敏特性，制造了第一支光纖光柵。1989年G.Melts報道了從光纖的側(cè)面用激光的干涉曝光制作了光纖光柵，使光纖光柵得到迅速發(fā)展。1993年K.O.Hill提出的相位掩模制造法使光纖光柵的制造技術得到重大發(fā)展，使光纖光柵的大批量制造成為可能。光纖光柵的歷史目前四頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點一、

光纖光柵的基本概念1.光纖光柵光纖光柵是一種折射率沿光纖縱向周期變化的波導。當光通過這樣的波導時將產(chǎn)生相位的周期性變化。由衍射理論有

令通過光柵的同相弱反射光相干加強。反射光波長位于1.5μm附近的光纖光柵，其周期為Λ=0.5μm目前五頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點二、光纖光柵的形成機理光敏光纖刻柵載氫增敏技術光纖材料的還原性處理多種摻雜預加應力增敏技術目前六頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點1、光敏光纖刻柵光纖的光敏特性是指光纖的折射率在某些波長的光的照射下，發(fā)生永久變化的特性。石英材料的分子結(jié)構(gòu)通常為四面體結(jié)構(gòu)，每個Si原子通過形成共價鍵與四個氧原子相連。石英的基本結(jié)構(gòu)目前七頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

提出了多種模型，沒有一種可以解釋所有的實驗結(jié)果。

一般認為摻雜光纖的光敏性與光纖中的氧空位缺陷有關。Ge具有兩種氧化態(tài)Ge2+和Ge4+因此具有GeO和GeO2兩種缺陷。GeO缺陷對應于光纖在242nm和325nm的吸收，GeO2缺陷對應于193nm的吸收。GeO缺陷對242nm的光產(chǎn)生了強烈的吸收，引起GeO電離，引起光纖的折射率發(fā)生變化。在1.3μm～1.6μm的波長范圍內(nèi)，折射率變化的典型值約為10-4，對于高鍺摻雜濃度的光纖，這個值可大于0.001。目前八頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點色心模型認為在紫外光的照射下?lián)芥N石英光纖材料中缺氧鍺缺陷將發(fā)生電離，所釋放的電子陷落在附近位置上形成新的缺陷中心。這種色心缺陷粒子數(shù)的變化將永久地改變光纖的紫外吸收譜，從而引起摻鍺石英玻璃中引起折射率的改變，其改變的具體數(shù)值如下式：Kramers－Kronig關系：

色心模型認為，在紫外光照射下電子在不同位置上的重新分布是摻鍺石英光纖折射率改變的主要原因。目前九頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點密致模型玻璃的光敏性與玻璃中缺陷有關，在紫外光照射下光纖材料中的局部應力和密度將發(fā)生變化。摻鍺石英玻璃的折射率與其密度呈線性關系，因此這種應力和密度的變化被認為是光纖材料中光致折射率的一種可能的機制－密致模型。

玻璃的折射率變化不僅僅與玻璃吸收系數(shù)有關，還與體積有關（光致密化和光致熱膨脹效應）。目前十頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點2、載氫增敏技術1993年AT&TBell實驗室的P.J.Lemaire摻鍺光纖的載氫增敏技術。

摻鍺3％光纖被放入氣壓為2.0-76MPa，溫度為20－75℃的氫氣中，形成載氫光纖。

載氫光纖在紫外光照射時將引起氫氣和摻鍺石英光纖之間產(chǎn)生化學反應，H2分子在Si-O-Ge區(qū)發(fā)生變化，形成與折射率有關的Ge-OH,Si-OH,Ge-H,Si-H等化學鍵和缺氧鍺缺陷中心，從而產(chǎn)生光致折射率變化，光敏性可提高1－2個數(shù)量級，折射率變化提高兩個數(shù)量級。特別說明，由于光纖中存在未反應的氫,載氫光纖形成的折射率變化是持久的,室溫條件下放置2個星期下降11％。目前十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點通過在光纖拉制中完成后用氫燈對所要曝光的光纖段進行“焰刷”處理。把拉制好的標準通信鍺光纖段放在～1700℃的氫氧焰下灼燒，使光纖在240nm處的吸收增加，可獲得大于10-3的折射率變化，光纖材料的光敏性提高了一個數(shù)量級。缺點就是高溫灼繞破壞了光纖，有長期穩(wěn)定性的問題。3、光纖材料的還原性處理對光纖預制棒進行高溫氫氣處理，使芯區(qū)的缺氧鍺缺陷濃度增加，可將光纖材料的光敏性提高2～3倍。缺點就是氫氣與GeO2反應生成的OH-離子將在1.4μm處產(chǎn)生一個很強的吸收帶。目前十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點4、多種摻雜在鍺硅光纖材料中，摻入B、Sn或Al等元素可提高光纖材料的光敏性，其中以B/Ge雙摻雜光纖材料的光敏性最強，其光敏性要比含鍺量相當?shù)膯螕芥N光纖材料要高出約一個數(shù)量級。這些光纖都可以采用MCVD技術生產(chǎn)。（1）避免了危險性的氫氣敏化處理。（2）可避免載氫增敏引起的羥基吸收損耗；這一損耗在長度較大的Chirp光纖光柵中是十分嚴重（3）提高了光柵的制作效率。目前十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點5、預加應力增敏技術

在寫入光柵的過程中，對摻鍺光纖施加適當應力，將會提高光纖的光敏性。在同樣的曝光條件下寫入Bragg光柵時，施加應力的光纖將會得到高達18dB的反射深度，而未加應力的光纖的反射深度僅為7dB，因此利用這種方法將會明顯縮短光纖光柵的寫入時間。目前十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點光纖光柵的生命周期和穩(wěn)定性光纖光柵在環(huán)境（如溫度、應變、外部光源的照射等)影響下，會逐漸退化。光纖光柵的長期穩(wěn)定性是通信和傳感器的關鍵。無論光纖在紫外照射之前是否經(jīng)過處理，即使是室溫，光柵也會隨時間而產(chǎn)生熱退化。光柵光柵在應用中最經(jīng)常遇到的退化因素是擦除溫度。光纖光柵的溫度穩(wěn)定性主要由光纖光敏性的物理屬性，即光柵寫入的三種類型，即I型、IIA型和III型。目前十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點光纖光柵的分類：I型、IIA型和II型Ⅰ類光柵：溫度穩(wěn)定性較差（300℃）、脈沖或連續(xù)

較低摻雜濃度、較低UV曝光量、局部缺陷引起折射率變化、折射率變化⊿n～10-5—10-3ⅡA類光柵：溫度穩(wěn)定性較好（500℃）、脈沖或連續(xù)摻雜濃度較高（eg＞25mol%GeO2)、較高UV曝光量（＞500J/cm2)，、結(jié)構(gòu)重構(gòu)引起折射率變化、折射率變化⊿n＜0Ⅱ類光柵：溫度穩(wěn)定性好（800℃）、脈沖激光極高UV曝光量，瞬間局部溫度達上千度、物理破壞引起折射率變化(融化石英基質(zhì)，物理性損傷）、折射率變化⊿n可達10-2目前十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點三、光纖光柵的制作技術內(nèi)部寫入法干涉寫入法逐點寫入法目前十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點1、內(nèi)部寫入法光纖中沿相反方向傳播的兩列相干光波可表示為

兩列波相干疊加后形成跓波跓波干涉條紋的強度可寫為

目前十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點2、全息相干法

將工作在紫外區(qū)的同一束激光分成一定夾角的兩束光，在一段光纖的裸露纖芯區(qū)形成干涉。干涉條紋產(chǎn)生折射率型光柵。布拉格波長：優(yōu)點：通過調(diào)節(jié)就可以實現(xiàn)周期大范圍內(nèi)的改變。缺點：需要紫外激光具有高的時間和空間上的相干性。目前十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點3、逐點寫入法逐點寫入法是利用聚焦光束沿光纖逐點曝光，使光纖纖芯的折射率形成周期性分布而制成光纖光柵的方法。關鍵在于光纖與寫入光斑的相對位置。優(yōu)點：對相干性沒有嚴格要求，光柵參數(shù)易于調(diào)整。缺點：曝光時間長，光柵間距的誤差較大，光柵周期不能太小，適合寫長周期光柵。目前二十頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點4、

相位掩膜技術相位掩模是采用電子束平板印刷術或全息曝光蝕刻于硅基片表面的一維周期性透射相位光柵，其實質(zhì)是一種特殊設計的光學衍射元件。相位掩模的高級衍射波強度較弱，通常只考慮0級和±1級衍射波，在正入射情況下±1衍射波的強度相等。衍射角滿足光柵目前二十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點斜入射斜入射情況下的分布為0級和±1級干涉條紋的周期為而±1級衍射波產(chǎn)生的干涉周期為當sinθi+λw/Λpm>1時，可以消除正一級衍射光。目前二十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點正入射在正入射的情況下，齒高滿足的情況下，抑制了零級衍射條紋，則一級衍射可表示為：則兩列波疊加形成的條紋是干涉條紋的周期為目前二十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點干涉條紋照射到光敏光纖上制作出周期與干涉條紋周期相同的Bragg光纖光柵。

優(yōu)點：對光源相干性要求低，而且光柵的周期與光源的波長無關，對光路穩(wěn)定性要求低，易于批量生產(chǎn)。

缺點：是成本相對較高，并且一般而言同一塊相位掩模板制作的光纖光柵周期相同。目前二十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點四、光纖光柵特性1.耦合模方程有兩種方法用來研究光柵是如何影響光波在光纖中傳播的。一種方法是通常用于描述半導體中電子運動的布洛赫理論；另一種方法是耦合模理論。耦合模理論分別處理光纖光柵內(nèi)向前和向后傳播的光，光柵提供向前和向后傳播的光的耦合。目前二十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

在光纖光柵中，既要考慮折射率的非線性變化，也要考慮折射率的周期性變化。因此考慮到非線性和周期性后，光纖光柵內(nèi)的折射率寫為：Δn

為光柵折射率調(diào)制深度；表征光柵沿光纖長度方向上折射率的周期性變化；

布拉格波數(shù)；

布拉格波長；與布拉格光柵周期關系表征非線性折射率變化，由于其值很小，我們暫不考慮。目前二十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點根據(jù)耦合模理論，應包括向前和向后傳播的光，因而光纖中的光場是正向傳播的模式和反向傳播的模式的線性疊加，各個模式的系數(shù)是隨著傳輸距離的變換發(fā)生變化的。

式中，上標“+”表示沿z軸正方向傳播的模式，“-”表示沿z軸負方向傳播的模式，為電場的傳播常數(shù)，和為電場的疊加系數(shù)。目前二十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

和是理想波導模式，它們滿足理想波導方程，提取它的橫向分量，實際波導中的光波場應滿足波動方程目前二十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

利用緩變條件：目前二十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

和折射率變化導致的極化強度變化：從而：利用時間微分：可得：目前三十頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

由折射的分布可知：利用模式的正交性，公式兩邊乘以，再積分得：目前三十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點目前三十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點目前三十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點令：目前三十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點得到光纖正反向傳輸光的耦合方程：對于單模Bragg光柵，光纖中至存在一個模式，m=q=l=1

且

從而可得：

目前三十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點令：可得：

表示自耦合系數(shù)表示波長失諧量目前三十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點對于均勻Bragg光纖光柵為常數(shù)，對于單模Brag反射光柵，

在給定了確定的場強條件和邊界條件后，目前三十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點2.光柵的光譜特性反射系數(shù)

由反射系數(shù)可得到反射率目前三十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

光纖光柵刻柵發(fā)射率與反射貸款與光纖光柵刻柵長度的關系。目前三十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點

光纖光柵刻柵發(fā)射率與反射帶寬與光纖光柵折射率變化的關系。目前四十頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點事實上，隨著光柵長度的增加，光柵禁帶的形狀將更加趨于矩形，且位于禁帶內(nèi)的光波頻率都能得到近乎100％的高反射。但是隨著值的變大，光柵禁帶兩邊的弱反射峰也將被放大。這些弱反射峰將嚴重影響光柵在實際應用中的效果。目前四十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點禁帶內(nèi)高反射率的實現(xiàn)條件當時， 當或更大時，在禁帶內(nèi)光柵的反射率將接近100％。因此，利用和的條件，可以估算禁帶內(nèi)高反射率的實現(xiàn)條件。對于用于通信波長的普通光纖布拉格光柵，折射率調(diào)制深度，光柵周期。因此要滿足的條件，L應超過5mm。這個長度的光柵在光柵制作中是很容易滿足的。因此在實際應用中，光纖光柵可以作為高反射鏡。目前四十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點禁帶寬度給定一個反射率，我們可以估算出滿足此反射率的禁帶寬度。對于普通的用于通信的光纖布拉格光柵：有效折射率折射率調(diào)制深度光柵周期對應的光柵布拉格波長目前四十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點若定義反射率大于95%的波長范圍為光柵的禁帶寬度，當光柵長度取等于或大于7.5mm時，禁帶寬度大小為0.20nm左右。隨著光柵長度的增加，禁帶的寬度增加。但是禁帶寬度不能無限制的增加，而是趨近于一個極限寬度目前四十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點4.5布拉格光纖光柵的應用濾波器

TFBG目前四十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點光纖激光器可調(diào)諧光源光纖光柵可調(diào)諧濾波器寬帶光源泵浦源諧振腔隔離器輸出Bragg光柵窄帶DBR光纖激光光源目前四十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點可調(diào)諧單頻光纖激光器隔離器鉺纖980nm泵浦源環(huán)形器可調(diào)諧濾波器輸出波分復用器耦合器目前四十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點光分插復用器光纖傳感器下話路上話路目前四十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點4.6長周期光纖光柵1.基本概念長周期光纖光柵是光纖光柵中的一種,它的周期通常在幾百微米范圍內(nèi),它能夠把光纖中傳輸?shù)奶囟úㄩL光的導波模能量耦合到包層模中,導致一定帶寬的傳輸損耗,實現(xiàn)帶阻濾波的效果。

因為長周期光柵幾乎沒有反射波,所以在通信系統(tǒng)中常常用它實現(xiàn)摻鉺光纖放大器的增益平坦.目前四十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點2.長周期光纖光柵（LPG）中的模式耦合多模光纖纖芯內(nèi)導模與正向傳播的其它纖芯導模耦合單模光纖纖芯內(nèi)導模與光纖包層模耦合。單模光纖中LPG某些特定波長的基模和包層模之間的耦合。對應諧振波長所耦合的總的包層模能量到達光纖后變成泄漏模而損耗，形成長周期光纖光柵的透射譜.目前五十頁\總數(shù)六十二頁\編于十六點設光纖中入射模為：被耦合的其它模式為：Z=L處的長周期光纖光柵透射率為：目前五十一頁\總數(shù)六