光纖光柵分析實(shí)用教案

1、光纖光柵(gungshn)定義 光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性調(diào)制的一種光纖無源器件。其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。 光纖光柵折射率沿其軸向分布可表示為 式中為n0光纖纖芯折射率， 為光纖纖芯折射率變化幅值(也稱為(chn wi)折變量)，為折射率變化的條紋可見度，為光柵折射率變化的周期。 zzznnn2cos10 zn第1頁/共17頁第一頁，共18頁。光纖光柵(gungshn)分類1、按周期(zhuq)分類：Bragg光柵：折射率變化的周期(zhuq)一般為 量級(jí)；長(zhǎng)周期(zhuq)光柵：折射率變化的周期(zhuq)一般為 量級(jí)。2、按周期(zh

2、uq)均勻性分類： 均勻光纖光柵：纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期(zhuq)均沿光纖軸向保持不變的光纖光柵； 非均勻光纖光柵：纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期(zhuq)沿光纖軸向變化的光纖光柵，如啁啾光纖光柵、相移光纖光柵和切趾光纖光柵等。m110m210第2頁/共17頁第二頁，共18頁。光纖光柵的工作(gngzu)原理 Bragg光柵 按照耦合模理論，在光纖光柵中兩個(gè)(lin )傳輸模要發(fā)生耦合，必須滿足下列相位匹配條件 正向傳輸導(dǎo)模耦合到反向傳輸導(dǎo)模，形成窄帶反射，峰值反射波長(zhǎng)（Bragg波長(zhǎng)）和反射率為effBn2LR2maxtanh221第3頁/共17頁第三頁，共18頁。

3、反射光反射光 輸入寬光譜輸入寬光譜 透射光透射光 纖芯纖芯 Bragg 光柵光柵 第4頁/共17頁第四頁，共18頁。 長(zhǎng)周期光柵 在Bragg光纖光柵中，前向傳輸?shù)哪Ｅc后向傳輸?shù)哪Ｏ囫詈?，因此，在這種情況下，值較大，因此就要求光柵周期較小。在長(zhǎng)周期光纖光柵中，前向傳輸?shù)哪Ｅc前向傳輸?shù)牡趎階包層模相耦合，值較小，因此光柵周期較大。 正向傳輸導(dǎo)模耦合到正向傳輸包層模，形成窄帶反射，推導(dǎo)得峰值透射波長(zhǎng)為 在一個(gè)給定的頻率(pnl)時(shí)的正向?qū)？神詈系蕉嚯A包層模中。因此，典型的長(zhǎng)周期光纖光柵具有一系列的分立吸收帶，每一個(gè)吸收帶對(duì)應(yīng)于導(dǎo)模到一個(gè)包層模的耦合。 nclconnn第5頁/共17頁第五頁，共1

4、8頁。 長(zhǎng)周期光纖光柵結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜第6頁/共17頁第六頁，共18頁。光纖光柵(gungshn)的制作 光敏光纖的制備 光纖中的折射率改變量與照射波長(zhǎng)、光纖類型、摻雜濃度、光纖溫度、曝光功率及曝光時(shí)間等有關(guān)。如果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。 為了滿足高速通信傳感的需要，提高光纖光敏性日益重要。目前光纖增敏方法(fngf)主要有： (1)摻雜 (2)刷火 (3)載氫 第7頁/共17頁第七頁，共18頁。相位掩模法 相位掩模板（Phase Mask）是衍射光學(xué)元件，是一個(gè)在石英襯底上刻制的相位光柵，它可以用全息曝光或電子束蝕刻結(jié)合反應(yīng)(fnyng)離子

5、束蝕刻技術(shù)制作。它具有抑制零級(jí)，增強(qiáng)一級(jí)衍射的功能。用以將入射光束分為+1級(jí)和-1級(jí)衍射光束，它們的光功率電平相等，兩束激光相干涉并形成明暗相間條紋，在相應(yīng)的光強(qiáng)作用下纖芯折射率受到調(diào)制。 Bragg光柵寫入周期為掩模周期PM一半的。這種成柵方法不依賴于入射光波長(zhǎng)，只與相位掩模的周期有關(guān)。因此，對(duì)光源的相干性要求不高，簡(jiǎn)化了光纖光柵的制造系統(tǒng)。主要缺點(diǎn)是不同Bragg波長(zhǎng)要求不同的相位掩模板，并且，掩模板的價(jià)錢較貴。 U V光光 P M h P h ase M ask 光光 纖纖 0級(jí)級(jí) 光光 束束 -1級(jí)級(jí) + 1級(jí)級(jí) 均勻周期(zhuq)光纖光柵制作第8頁/共17頁第八頁，共18頁。長(zhǎng)周期

6、(zhuq)光纖光柵制作） UV曝光振幅掩模法） 殘余應(yīng)力釋放(shfng)）掃描法第9頁/共17頁第九頁，共18頁。1） UV曝光振幅掩模法振幅掩摸板上刻好該圖案，通過光學(xué)系統(tǒng)，將之投射到光纖上，纖芯折射率發(fā)生相應(yīng)的變化。寫入后對(duì)其退火，以穩(wěn)定光學(xué)特性。因?yàn)殚L(zhǎng)周期光纖光柵的周期一般為幾百微米，掩模板的制作很方便，而且精確，容易得到保證，所以用這種方法(fngf)制作的光柵，其一致性和光譜特性比較好，而且對(duì)紫外光的相干性沒有要求。 KrF準(zhǔn)準(zhǔn) 分分 子子 激激 光光 器器 AM 寬寬 帶帶 光光 源源 光光 譜譜 儀儀 光光 纖纖 PC 振幅掩模法制作(zhzu)LPFG的實(shí)驗(yàn)裝置第10頁/共

7、17頁第十頁，共18頁。） 殘余應(yīng)力釋放當(dāng)纖芯是純二氧化硅、包層內(nèi)摻氟的光纖被拉伸時(shí)，由于光彈效應(yīng)在高粘度的芯徑區(qū)引入了殘余應(yīng)力，折射率會(huì)降低。用火焰、電弧或高功率激光退火時(shí)，可以很容易地將芯徑內(nèi)殘余的應(yīng)力釋放掉，纖芯的折射率又可以恢復(fù)到原來的水平。 如果對(duì)有殘余應(yīng)力的光纖進(jìn)行逐點(diǎn)周期性退火，就可以在纖芯內(nèi)形成周期性折射率變化，從而形成光柵。 此方法比較簡(jiǎn)單，而且(r qi)這種長(zhǎng)周期光纖光柵具有較好的溫度特性，特別是高溫穩(wěn)定性較好，可以用來做高溫下的溫度傳感器。第11頁/共17頁第十一頁，共18頁。 利用聚焦CO2激光器 采用10.6m聚焦CO2激光脈沖對(duì)光纖逐點(diǎn)曝光?？梢允构饫w在制造過程中

8、生了很高的殘余應(yīng)力釋放出來，形成LPFG。這種方法不需要光纖的物理變形，通過CO2激光光束一致(yzh)的、均衡的照射，偏振依賴可以被抑制掉。 應(yīng)力釋放區(qū)應(yīng)力釋放區(qū) 沒有被加熱區(qū)沒有被加熱區(qū) CO2激光器光束激光器光束 柱狀透鏡柱狀透鏡 光纖光纖 采用(ciyng)CO2激光器制作LPFG的示意圖第12頁/共17頁第十二頁，共18頁。）掃描法 這種方法延伸了點(diǎn)-點(diǎn)寫入技術(shù)，而且不需要額外的費(fèi)用就可寫入任意形式的LPFG。UV光束通過顯微鏡物鏡(wjng)照射到光纖上，顯微物鏡(wjng)的作用是使光束聚焦后尺寸小于30m。微控移動(dòng)平臺(tái)使UV光束沿著光纖方向進(jìn)行掃描，使光纖周期性的曝光。光柵的最

9、大長(zhǎng)度由移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的總長(zhǎng)度決定，這個(gè)限制可通過平移光纖來克服。 UV光光束束 計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控控制制 的的光光圈圈 望望遠(yuǎn)遠(yuǎn)鏡鏡 移移動(dòng)動(dòng)平平臺(tái)臺(tái) 顯顯微微鏡鏡物物鏡鏡 光光纖纖 應(yīng)應(yīng)變變儀儀 電電動(dòng)動(dòng)光光纖纖 拉拉伸伸器器 第13頁/共17頁第十三頁，共18頁。光纖光柵(gungshn)應(yīng)用光纖激光器；可調(diào)諧(tioxi)半導(dǎo)體激光器；色散補(bǔ)償器光纖放大器光纖濾波器；波分復(fù)用/解復(fù)用器光纖傳感器第14頁/共17頁第十四頁，共18頁。光纖光柵(gungshn)傳感器的優(yōu)點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)：光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏引起的干擾，例如，光源強(qiáng)度的起伏、光纖微彎效應(yīng)引起的隨機(jī)起伏、耦

10、合損耗等都不可能影響傳感信號(hào)的波長(zhǎng)特性，因而光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。2、光纖光柵傳感器是自參考的，在對(duì)光纖光柵進(jìn)行定標(biāo)后可以絕對(duì)測(cè)量。3、傳感探頭結(jié)構(gòu)(jigu)簡(jiǎn)單、尺寸小，適合于各種場(chǎng)合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)(jigu)。4、便于構(gòu)成各種形式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行大面積的多點(diǎn)測(cè)量。5、測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。6、光柵的寫入工藝已較成熟，便于商品化。第15頁/共17頁第十五頁，共18頁。光纖光柵(gungshn)傳感器應(yīng)用航空航天艦船土木工程（橋梁、隧道、地下工程等）石化工業(yè)（鉆井、儲(chǔ)運(yùn)(ch yn)）電力工業(yè)核工業(yè)醫(yī)學(xué)其他應(yīng)用第16頁/共17頁第十六頁，共18頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第17頁/共17頁第十七頁，共18頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)光纖光柵定義。其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。在一個(gè)給定的頻率時(shí)的正向?qū)？神詈系?/p>