光纖通信系統(tǒng)光柵

光纖通信系統(tǒng)光柵第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光敏性與光纖光柵分類制作方法應(yīng)用第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖光柵是利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接做在光纖上形成的光纖波導(dǎo)器件。發(fā)展：

1978年Hill發(fā)現(xiàn)光敏特性并成功制作FBG 1989年Meltz提出的橫向?qū)懭胫圃旆椒?/p>

1993年Hill等人提出的相位掩膜制造法 光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没?/p>

第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光敏特性光纖的折射率在紫外光照射下，隨光強(qiáng)發(fā)生變化的特性。光纖的這種光致折射率變化具有穩(wěn)定性，可保持永久性不變。利用紫外光就可以將一些特定的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入光纖中，形成光纖型光波導(dǎo)器件。第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖光敏特性的動力學(xué)機(jī)理現(xiàn)在尚未完全研究清楚較為普遍的觀點：由于誘導(dǎo)光（紫外光）的作用，光纖中原子的某些鍵被破壞，產(chǎn)生的自由電子進(jìn)入光纖材料的色心陷阱中，從而改變了光纖的吸收、散射等光學(xué)特性，出現(xiàn)折射率的變化；另外，在光照射過程中，光纖材料結(jié)構(gòu)釋放誘導(dǎo)應(yīng)力以及構(gòu)形的畸變等也導(dǎo)致了折射率的變化。這種光折變效應(yīng)主要發(fā)生在近紫外波段

第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日最初光致折射率變化出現(xiàn)在摻鍺光纖中，后來研究發(fā)現(xiàn)，具有光敏特性的光纖種類很多，有些是摻磷或硼，并不一定都摻雜，只是摻雜光纖的光敏特性更明顯。有時根據(jù)需要為了加大折射率的變化程度，就會選用高摻雜的光纖。

第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日折射率的永久性改變與摻雜鍺的濃度基本上成正比關(guān)系，與所用的紫外光源類型及照射到材料上的能量密度有關(guān)對光纖材料進(jìn)行高壓低溫H2擴(kuò)散，可以極大地提高光纖材料的光敏性；B/Ge雙摻雜材料具有較高的光敏性；第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日各種光纖材料光敏特性光纖纖芯摻雜類型

最大光致折射率

摻Ge光纖10-3~10-2普通通信光纖~10-3B/Ge光纖10-3~10-2摻P光纖10-3硫化物光纖10-4（可見光）第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖光柵的制作

基于光纖的光敏特性，可以利用紫外光將特定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入到光纖中根據(jù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)造相應(yīng)的光場分布制作方法： 縱向?qū)懭敕?/p>

（早期） 雙光束干涉法

橫向?qū)懭敕ㄏ辔谎谀しǎㄖ饕? 逐點寫入法…第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日L=l0/(2sinq)缺陷是對光源的相干性要求較高，對制造環(huán)境要求極嚴(yán)，重復(fù)性差

雙光束干涉法Ll0l0q第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日相位掩膜法第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日產(chǎn)生的光纖光柵周期為掩膜光柵周期的一半，與入射光無關(guān)，因此對光源的相干性要求不高，并且穩(wěn)定、易于準(zhǔn)直，重復(fù)性好，可以簡化光纖光柵的制作系統(tǒng)。

缺點是掩膜制作復(fù)雜，每種掩膜通常只能制造一種光柵。

第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日逐點寫入法一種非相干寫入技術(shù)利用聚焦光束在光纖上逐點曝光而形成光柵，每寫一個條紋，光柵移動一定距離，需用精密機(jī)構(gòu)控制光纖運動位移。通過控制光纖的移動，可以方便的控制光柵的周期。一般用于制造長周期光柵

第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖光柵的類型

光纖光柵模型（Fibergrating）光纖光柵從本質(zhì)上講是通過波導(dǎo)與光波的相互作用，將在光纖中傳輸?shù)奶囟l率的光波，從原來前向傳輸?shù)南薅ㄔ诶w芯中的模式耦合到前向或后向傳輸?shù)南薅ㄔ诎鼘踊蚶w芯中的模式，從而得到特定的透射和反射光譜特性。光纖光柵中，光場與光波導(dǎo)之間的相互作用可用耦合模理論來描述。

第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖光柵按折射率變化周期的長短大體可分為兩類：短周期光纖光柵(FBG，也叫反射或布喇格光柵)

短周期光纖光柵FiberBragggratingm為衍射級數(shù)

光柵周期一般為零點幾個μm,耦合發(fā)生在正向與反向傳輸?shù)哪Ｊ街g，它的一個重要特性是將某一頻段內(nèi)的光反射回去

第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日長周期光纖光柵(LPG，也叫傳輸光柵)

長周期光纖光柵Longperiodgrating光柵周期在100μm以上,耦合發(fā)生在同向傳輸?shù)哪Ｊ街g，它的特性是將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到包層中損耗掉而讓其他頻段的光通過第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日均勻光纖光柵

最簡單的具有正弦結(jié)構(gòu)的濾波型光纖光柵，其折射率可以表示為

第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日前向和后向兩種模式間的耦合波方程為A+(0)=1、A-(L)=0

第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日解耦合方程可得光纖光柵的反射率為

第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個波的能量可以耦合到另一個波中去。在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：（7.7）（7.8）第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中去。設(shè)β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個波長λ0就稱作布喇格波長。隨著入射光波的波長偏離布喇格波長，其反射率就會降低如果具有幾個波長的光同時傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長等于布喇格波長的光才反射，而其它的光全部透射。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對折射率均勻周期性變化的光柵而言的，為了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一種稱為變跡光柵(ApodizedGrating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點類似，其折射率沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小，變跡光柵的功率反射譜如圖7.15(b)所示。

注意:變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價的。第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

圖7.15布喇格光柵的反射譜(a)均勻折射率情形；(b)變跡折射率情形第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日線性啁啾光柵（折射率沿光柵軸向周期性變化,有較寬反射帶構(gòu)成寬帶濾波器,用于色散補(bǔ)償）

Taper型光柵（消除折射率突變,反射譜不存在旁瓣構(gòu)成各種濾波器、波長變換器和OADM）Moire型光柵（有效抑制了旁瓣效應(yīng),存在多個透射窗口構(gòu)成濾波器、色散補(bǔ)償器和信道選擇器）Blazed型光柵（可對一定帶寬范圍內(nèi)的光功率進(jìn)行衰減，從而可實現(xiàn)光放大器的增益平坦化［7］，通過復(fù)合Blazed光纖光柵還可實現(xiàn)殘余泵浦光反射等。）第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖光柵的應(yīng)用

濾波器

色散補(bǔ)償

EDFA的增益平坦分插復(fù)用器

光纖激光器

光纖光柵傳感器第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日濾波器1.5545lB1.555500.51波長（mm）反射率第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖激光器第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日波長分插復(fù)用器(OADM)

上下話路復(fù)用器，實現(xiàn)在其他波長信道信號不變的前提下，在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上直接提取或添加一個或幾個波長信道的信號，避免將所有波長信號全部分解開來進(jìn)而再復(fù)接在一起。

第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日色散補(bǔ)償在線性啁啾光柵中，光柵間距不等，不同頻率的光的反射位置不同，短的波長ls在近端反射，長的波長ll在遠(yuǎn)端反射，從而有不同的時延，即出現(xiàn)色散。將光柵濾波器反過來使用就可以改變色散的符號。長波長ll

短波長lsL光柵周期增大第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日初始脈沖光纖色散展寬脈沖壓縮脈沖啁啾光纖光柵光發(fā)射機(jī)環(huán)形器第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日EDFA的增益平坦EDFA的增益平坦化，就是把其1532nm的增益峰吸收或損耗掉一部分，使其和后面平坦的增益曲線部分連合，成為一段寬的平坦譜線.這段平坦譜線越寬越好.

利用長周期光纖光柵來進(jìn)行增益平坦。通過選擇適當(dāng)?shù)墓鈻胖芷冢沟瞄L周期光柵將一定波長的光耦合至包層而迅速損耗掉，而且不存在反射，較好的用于EDFA的增益平坦。

.第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日光纖光柵傳感器

通過拉伸和壓縮光纖光柵，或者改變溫度可以達(dá)到改變光纖光柵的周期和有效折射率從而達(dá)到改變光纖光柵的反射波長的目的。反射波長和應(yīng)變、溫度、壓力物理量成線性關(guān)系，根據(jù)這些特性，可將光纖光柵制作成應(yīng)變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。

第三十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)變第三十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日土木工程：如橋梁、大壩、岸堤、大型鋼結(jié)構(gòu)等的健康安全監(jiān)控

航天工業(yè)：如飛機(jī)上壓力、溫度、振動、燃料液位等指標(biāo)的監(jiān)測船舶航運業(yè)：如船舶的損傷評