第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读.ppt

光电子技术光电子技术精品课程精品课程电子科学与技术电子科学与技术电子科学与技术电子科学与技术精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第第第第5 5 5 5讲讲讲讲:光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅(FBG)(FBG)(FBG)(FBG)-基础与应用基础与应用基础与应用基础与应用李恩邦李恩邦李恩邦李恩邦FBGFBGFBGFBG的发现与发展的发现与发展的发现与发展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(如右图所示)。1978年，加拿大Hill 等人使用如左图所示的实验装置将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。光电子技术精品课程光电子技术精品课程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B=2neff，其中，为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。FBGFBGFBGFBG原理与特性原理与特性原理与特性原理与特性设光纤纤芯折射率为由耦合模理论得到光栅的反射光谱为最大反射率为反射谱带宽为光电子技术精品课程光电子技术精品课程光纤的光敏特性光纤的光敏特性光纤的光敏特性光纤的光敏特性v掺杂光纤光敏性机理掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂形成色心标准光纤：GeOx其它掺杂物质：Erbium（铒）,Europium（铕）,Cerium（铈）v影响光纤光敏性的因素掺杂种类与掺杂浓度预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前拉纤速度影响光纤光敏性光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关v增加光纤光敏性的方法低温载氢处理压力：20750atm(典型150atm)，温度：2075，时间：数十小时至数天形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH有效增加标准单模光纤的光敏性标准单模光纤损耗增大光敏性变化大退火及老化处理高温载氢处理在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温至600短时间（10秒）内增加光纤的光敏性火焰热处理氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700持续20分钟光纤的光敏性增加10倍，折射率变化10-3高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题v混合掺杂掺Boron（硼）降低折射率，可提高Ge掺杂浓度光纤的光敏性增加3倍30min 400退火可使折射率变化减半1500nm窗口付加损耗0.1dB/m双折射效应掺Tin（锡）较B-Ge光纤的光敏性增加3倍热稳定性优于B-Ge光纤掺N2（氮气）SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加倍折射率变化2.810-3光电子技术精品课程光电子技术精品课程光纤光栅分类v类光栅掺杂浓度较低的光纤内形成较低UV曝光量局部缺陷引起折射率变化折射率变化n10-510-30温度稳定性较差（300）可使脉冲或连续激光，前者更有效vA（）类光栅掺杂浓度较高（eg 25mol%GeO2)的光纤内形成较高UV曝光量（500J/cm2)，结构重构引起折射率变化折射率变化n0温度稳定性较好（500）可使脉冲或连续激光v类光栅极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度物理破坏引起折射率变化折射率变化n可达10-2温度稳定性好（800）只能使用脉冲激光光电子技术精品课程光电子技术精品课程光致折射率变化的特性光致折射率变化的特性v光致折射率变化的各向异性光纤光栅双折射10-6侧向写入制成的光纤光栅双折射要大2个数量级双折射与UV激光的偏振方向有关：P方向小，S方向大，可相差10倍双折射与UV激光的波长有关：193nm 较240nm UV激光产生更大的双折射v光致折射率变化的阈值特性(右上图)v折射率变化的温度稳定性(右下图)光致折射率变化使光纤处于一种亚稳态在一定温度下，折射率变化变小甚至完全消失光电子技术精品课程光电子技术精品课程FBG写入技术vFBG制作对UV激光器的要求输出波长及其稳定性空间及时间相干性输出功率或脉冲能量及重复率光斑质量偏振特性光束指向稳定性v用于FBG制作的UV激光器倍频氩离子激光器准分子激光器倍频铜蒸气激光器倍频可调谐染料激光器倍频可调谐OPO三倍频YAG激光器Alexandrite(紫翠玉)激光器vFBG写入技术分类内部写入法双光束干涉法掩模法模板+双光束干涉法逐点写入法其它写入法v双光束干涉法v掩模法UV beamPhase Mask光电子技术精品课程光电子技术精品课程FBGFBG在光通信中的应用在光通信中的应用v波分复用与解复用v波长锁定v光纤放大器增益平坦v色散补偿v上下路复用与解复用v光CDMAComponents and ModulesComponents and Modules in DWDM in DWDM NetworksNetworks Thin film filtersFibre gratingsWaveguidesDiffr.gratingsCirculatorsInterleaversMux/Demux modulesWDM Mux/DemuxIsolatorsTap couplersPump lasersGain equalizersAttenuatorsIntegrated amplifiersSOAsWDMAmplifiersOptical SwitchesCirculatorsCouplersAdd/drop modulesWDMSwitchingWDM TransmittersSource lasers(CW,DML)Lithium niobate optical assemblies and modulatorsWavelockersTx/Rx modules光电子技术精品课程光电子技术精品课程