光纖Bragg光柵設(shè)計.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)計學(xué)院名稱： 機械工程學(xué)院 專業(yè)班級： 光信息 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 陳明陽 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光柵特點及工作原理3 2.1 光纖Bragg光柵的特點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)計要

2、求7 4.3。1 設(shè)計的基本參數(shù)要求8 4.3。2 設(shè)計的基本步驟9五、設(shè)計結(jié)論及應(yīng)用前景15 5.1 結(jié)論及計算結(jié)果15 5。2 應(yīng)用前景16參考文獻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)明衍射光柵刻劃機和凹面光柵分光裝置以來，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系統(tǒng)所能達到的光譜性能。衍射光柵是能對入射光波的振幅和相位或者二者之一進行空間周期性調(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多縫衍射效應(yīng)進行工作的。1。2、光纖Bragg光柵的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展光纖布拉格光柵（簡稱FBG)是在單模光纖的纖芯內(nèi)通過某種方式對其折射率產(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所示的實驗裝置將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光纖布拉格光柵。二、光纖Bragg光柵特點及工作原理2.1 光纖Bragg光柵的特點光纖Bragg光柵具有體積小

4、、波長選擇性好、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、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用性,其優(yōu)越性是其他許多器件無法替代的。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,形成對入射波的反射。其反射波長即布拉格波長為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)為一個反射式的光學(xué)濾波器，只有Bragg波長附近的光能夠被反射.從而利用FBG的波長選擇性可用作光纖激光器的腔鏡，實現(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入光柵。所謂光纖中的光折變是指激光通過光敏光纖時,光纖的折射率將隨光強的空

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，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、光纖類型、摻雜水平等。如果不進行其它處理，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 光纖激光器簡介利用光纖Bragg光柵的波長選擇性可用作光纖激光器的腔鏡，實現(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、有波長連續(xù)可調(diào)，調(diào)諧范圍大、線寬窄、輸出功率高和相對噪聲低等優(yōu)點，適應(yīng)DWDW系統(tǒng)使用工作波長可固定和調(diào)諧的低噪聲激光器陣列的要求。基于光纖Bragg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)的理想信號載體，而且成為光纖光柵傳感系統(tǒng)中理想的傳感檢測光源.光纖激光器以其卓越的性價比，以及抗電磁干擾能力強、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，在光纖通信、激光加工、激光醫(yī)療、激光雷達、結(jié)構(gòu)測距、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,可用來對光纖激光器選縱模。由于作為增益介質(zhì)的摻雜光纖長度通常為數(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，實現(xiàn)激光器的單縱模運轉(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光柵的波長位置時,光纖激光器出射光波長也會隨之改變.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，從而實現(xiàn)激光器的單縱模運轉(zhuǎn)4.3 光纖Bragg光柵的設(shè)計4。3。1 設(shè)計的基本參數(shù)要求設(shè)計參數(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=1。52m,帶寬B=3.7nm，反射率R=0.94。要求參數(shù)有:光纖周期，光柵長度L，調(diào)制深度n,實際帶寬B

11、及中心波長反射率為R和反射譜圖。對于光纖Bragg光柵,其反射譜基本特性如下：最大反射率峰值波長: (3）由式(3)可知，反射率最大的波長,即中心波長是隨折射率調(diào)制深度增加而向長波方向移動，這與光纖光柵寫入實驗中觀察到的現(xiàn)象是一致的.由于，所以波長偏離量很小，在光纖光柵應(yīng)用時經(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，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零反射波長之間的帶寬,則可得： (4）在弱光柵(光致折射率變化很?。┲校?，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度，長度越大，帶寬越窄。而在強光柵中,因此,，所以,在

12、強光柵的限制中，光不能透過光柵的全長，因此,其帶寬獨立于光上的長度，但卻比例與相對折射率的變化。4.3.2 設(shè)計的基本步驟1定義波導(dǎo)和光柵,如下：圖42自動排布生成的光纖Bragg光柵圖53求解光柵的周期先設(shè)定中心波長=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)制及光柵長度L成正比，越大，L越長，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，但隨著光柵長度的增大而減小。由此可見，光柵調(diào)制深度

13、不同,將不僅影響光纖Bragg光柵的反射率，還會影響線寬，大小以及峰值波長的位置。5光柵長度L對其反射特性的影響在不同的光柵長度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,只有光柵長度L在變化：如圖所示，L=0.5mm時，如圖：圖10L=1mm時,如圖：圖116。設(shè)置求解光柵長度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)計結(jié)論及應(yīng)用前景5.1 設(shè)計結(jié)論總結(jié)：光柵的反射率與折射率調(diào)制及光柵長度L成正比，越大，L越長，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，但隨著光柵長度的增大而減小.由此可見,光柵調(diào)制深度不同，將不僅影響光纖Bragg光柵的反射率，還會影響線寬，大小以及峰值波長的位置。光纖光柵的長度L的增大,并且反射譜寬度變窄，反射率更高更平坦，反射譜邊緣越來越陡峭。同時可看出光纖光柵反射率越大，諧振譜線寬度越窄。計算結(jié)果:光纖Bragg的設(shè)計要求基本參數(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=1.52m,帶寬B=3.7nm，中心波長反射率R=0.94.利用RSoft軟件計算得到的結(jié)果為：光纖周期=0.52213902，光柵長度L=400m，調(diào)制深度n=0.003

15、1，實際帶寬B=3。66381nm，中心波長反射率為R=0。9421,中心波長=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，但是對光纖光柵技術(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)。因此對光纖光柵的研究可以促進全光通信網(wǎng)的早日實現(xiàn). 光纖光柵是將來很長一段時間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實用價值的無源光器件之

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。對光纖光柵的研究和開發(fā)正逐步深入到光纖通信系統(tǒng)的每一個細節(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、色散補償，到全光網(wǎng)絡(luò)上下路、波長路由、光交換等，光纖光柵的應(yīng)用將推動高速光通信的發(fā)展，將在未來的高速全光通信系統(tǒng)中扮演重要的角色。參考文獻【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J。黃石理工學(xué)院學(xué)報，2008（04)【3】 丁鐳，徐雁軍，袁樹忠?；贔-P腔光纖激光器J.光子學(xué)報，19

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