光纖光柵光譜特性研究報告

1、夕女貫7大子SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY課程設計題目：光纖光柵光譜特性研究所屬課程：應用光學學院：理學院專業(yè)：光電信息科學與工程學生姓名：盧遠學號：指導教師：享B立萍2015年6月光纖光柵光譜特性研究摘要光纖光柵是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調制而形成的衍射光柵，是一種無源濾波器件。由于光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點，并且其諧振波長對溫度、應變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感，因此在光纖通信和傳感領域得到了廣泛的應用。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖

2、芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，具作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射，其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。隨著信息業(yè)務量快速增長，語音、數據和圖像等業(yè)務綜合在一起傳輸，從而對通信帶寬容量提出了更高要求。全光通信是解決“電子瓶頸最根本的途徑，全光網通信可以極大地提高節(jié)點的吞吐容量，適應未來高速寬帶通信的要求?；诠饫w的光敏特性制作成的光纖光柵已成為光通信系統(tǒng)和光纖傳感器中的關鍵器件。它有許多突出的優(yōu)點，優(yōu)良的性質，這使得它成為目前研究的熱點。本文主要論述了光纖光柵的根

3、本原理及其制作的方法，利用耦合理論分析光纖光柵光譜特性。本文中討論了現在光纖光柵在各個領域的利用，并且探討了光纖光柵現狀的利用和未來的開展方向。本文利用matlab仿真，畫出不同光柵的光譜圖，觀察各種參數的變化對光柵光譜特性的影響，并分析光纖光柵光譜圖。關鍵詞:光纖光柵耦合模理論；光譜特性目錄摘要I第1章緒論1光纖光柵的根本概念1光纖光柵的現狀與應用1光纖光柵的現狀1光纖光柵的應用2光纖光柵的近期研究進展4研究光纖光柵的光譜特性的目的5第2章光纖光柵理論分析7光纖光柵的光譜特性及其數值模擬8均勻光纖光柵8線性明啾光纖光柵9第3章結果與討論12均勻光纖光柵12線性明啾光纖光柵18結論19第1章緒

4、論光纖光柵的根本概念光纖光柵是用光纖材料光敏特性而制作的。光敏性，就是指當材料被外部光照射時，進而引起該材料物理或化學特性的暫時或永久性變化的特性。當特定波長光輻射摻錯光纖時，這個光纖的一些物理特性就發(fā)生了永久性的改變，比方折射率、吸收譜、內應力密度等。在外部光源照射時，光纖的折射率也隨光強的空間分布發(fā)生相對應的變化，變化的大小與光強成線性關系并可以保存下來，從而形成光纖光柵。光纖光柵的折射率沿光纖的軸方向并呈現周期性的分布，是典型的折射率型衍射光柵。根據衍射理論，以角1入射的光將以角2衍射，且滿足布拉格衍射方程1o光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內錯離子相互作用引起的折射率

5、永久性變化），在纖芯內形成空間相位光柵，具作用的實質是在纖芯內形成（利用空間相位光柵的布拉格散射的波長特性）一個窄帶的（投射或反射）濾光器或反射鏡。光纖光柵的現狀與應用光纖光柵的現狀自從1978年KOHill等人首先在摻錯光纖中采用駐波寫入法制成世界第一個光纖光柵后。因為光纖光柵所具有許多獨特的優(yōu)點，所以在光纖通信、光纖傳感等領域均有廣泛的應用前景。伴隨著光纖光柵制造技術地不斷完善，光柵應用成果的日益增多，而使得光纖光柵變成為目前最有前途、最具有代表性的光纖無源器件。光纖光柵成為近幾年開展迅速的光纖無源器件之一，光柵的問世被認為是繼摻餌光纖放大器之后光纖通信領域又一個具有里程碑意義的革新。光纖

6、光柵不僅僅在光纖通信領域有著廣泛的應用，并且在光纖傳感領域也有非常大的應用。就目前來說，光纖光柵已經在濾波器、激光器、波分復用器、放大器、色散補償器、波長轉換器、光纖傳感器等許多方面展示出非常重要的應用前景?；诠饫w光柵的局部器件已經實現了商品化的生產與應用。盡管如此，光纖光柵仍然留給人們大量尚待研究探索的工作。比方，在光敏性方面，人類需要進一步提醒光纖光柵光敏性的內在原理，制造出更加穩(wěn)定可靠的光纖光柵；在應用方面，光纖光柵還有許多潛在應用價值未被發(fā)現，并且許多已有的應用方案還待進一步成熟與優(yōu)化。光纖光柵的應用(1)傳感器方面的應用35光纖傳感器是利用將待測事物的物理參數的變化轉化為信號光在波

7、長、強度或相位上的變化，從而對待測事物的物理參數進展監(jiān)控的器件。光纖傳感器有著眾多種類，并且都具有抗磁、抗腐蝕、體積小、重量輕、易于集成、分辨率高、精度高等許多特點。和傳統(tǒng)的強度調制型或相位調制型光纖傳感器相比較，波長調制型的光纖光柵傳感器具有許多獨特的優(yōu)點，比方，抗干擾能力強，測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等多種因素的影響；傳感頭構造簡單、尺寸小，方便埋入復合材料構造和大型建筑物內部，并且也便于傳感器的集成；使用波分復用技術可制成光纖傳感網絡，然后進展大面積的多點測量與監(jiān)控。(2敷光器方面的應用光纖光柵的光纖激光器在光纖通信系統(tǒng)中是有著非常大前途的光源，這種光源的優(yōu)

8、點主要表達在：稀土摻雜光纖激光器利用光纖光柵能十分準確確實定波長，并且本錢低；用作增益介質的稀土摻雜光纖生產工藝比較成熟，摻雜過程較簡單，光纖損耗小，而且插入損耗低；有著較高的功率密度，光纖構造具有很高的面積體積比，并且散熱效果好；與現在標準通信光纖的兼容性好，可以采用多種光纖元件，減少了對塊狀光學元件的需求和光路機械調諧的不便，大大的簡化了光纖光柵激光器的設計及制作。寬帶是現代光纖通信的主要開展趨勢之一，而光纖光柵激光器可以通過摻雜了不同的稀土離子，在的寬帶范圍內實現激光輸出，波長容易選擇并且可調諧。近年來，因為光纖的制造工藝進步，紫外光光纖光柵寫入技術等的日益成熟和各類激光器，特別是半導體

9、激光器技術的近期開展，光纖光柵激光器和的研究工作進展非?？臁，F在已研制出多種光纖光柵激光器，主要可分為單波長光纖光柵激光器和多波長光纖光柵激光器。(3)色散補償方面的應用伴隨著光纖通信系統(tǒng)速率的提高，色散已經成為影響通信質量的直接原因，因此采用色散補償技術顯得十分重要。在光通信中通常采用色散位移光纖(DSF)或者色散補償光纖(DCF)對光纖通信中的色散進展補償。近幾年來有用光纖光柵作為色散補償器件。目前，通信系統(tǒng)中主要利用的光纖光柵有明啾光纖光柵，長周期光纖光柵，均勻周期光纖光柵，取樣光纖光柵和切趾明啾光纖光柵，不同類型的光纖光柵可以補償不同的色散。無論用什么方法，其根本原理都是相似的，都是在

10、通信系統(tǒng)中插入具有負色散系數的光纖光柵，平衡系統(tǒng)中積累的正色散，或者用脈沖壓縮的方法將被展寬的脈沖壓窄等。(4曾益控制和增益平坦方面的應用在光通信系統(tǒng)中，光器件微小的偏振敏感所產生的積累效應都會引起信號的偏振漂移，從而造成信號光功率的波動，由于EDFA通常都工作在飽和狀態(tài)，信道數增加或減少時，會使其增益會相應降低或增大，進而導致光纖的非線性效應增大，所以EDFA的增益控制在光通信網絡中十分重要。目前我們常用光纖光柵進展增益控制，其原理就是利用光纖光柵反射EDFA的ASE光或者雙光柵諧振光作為增益的控制光，從而實現信號的增益均衡。EDFA幾乎是WDM系統(tǒng)中理想光的放大器，由于其增益與波長有關，導

11、致EDFA增益譜的不平坦，因此必需采用增益平坦技術。目前比較廣泛采用的是利用長周期光纖光柵進展增益平坦，其原理是將不同的長周期光纖光柵組合，使其光譜特性設計成與增益譜相反的波形，最終獲得很好的增益平坦度。光纖光柵的近期研究進展從1978年Hill及其同事在摻錯光纖中制造出全息光柵以后，光纖光柵的研究就引起了人們非常大的興趣。1989年，美國聯合技術研究中心G.Meltz等人最終實現了光纖Bragg光柵的UV激光側面的寫入技術，使光纖光柵的制作技術出現了突破性的進展。隨著光纖光柵制造技術不斷的完善，其應用的成果日益增多，無論是光通信領域，還是光纖傳感領域，都會由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性的改

12、變。隨著現在良好市場前景的驅動下，全世界各個研究機構和公司都大力研究光纖光柵，就單獨光纖光柵而言，目前已經有了十家公司推出其相關的商業(yè)產品，不包括含有光纖光柵的其它產品?？傊?，現在的光纖光柵領域己進入成熟和實際應用的階段，研究熱點已經主要集中在光纖布拉格光柵6的封裝及溫度補償技術、明啾光纖光柵在色散補償中的應用、長周期光纖光柵在摻餌光纖放大器增益均衡中的應用、新型光纖光柵濾波器的設計等各方面。研究光纖光柵的光譜特性的目的伴隨社會經濟的開展和現代化程度的提高，以光纖通信和光纖傳感技術為代表的信息技術和傳感技術在人們的生活中展示出越來越重要的作用。光纖傳感技術是在光纖光學和光纖通信技術開展的根底上

13、形成的新興技術。最開場的光纖傳輸損耗非常大，在儀器儀表行業(yè)中，光纖最早只用于短距離的光傳輸和圖像傳輸7。1966年7月，英國標準電信研究所的英國籍華人科學家高餛（K.C.Kao）分析了玻璃光纖損耗大的主要原因，并且預言只要能夠設法降低玻璃中的雜質就能降低光纖傳輸中的損耗。從此以后大量針對降低光纖損耗的研究成果被提出，到1979年光纖波段的損耗已經降低。光纖以其低損耗和大帶寬等優(yōu)勢廣泛應開場用于長距離通信。低損耗光纖出現后不久，就已經出現了光纖傳感器。因為光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質，且當光波在光纖中傳輸時，它的特征參量振幅、相位、偏振態(tài)、波長等會因外界因素如溫度、壓力、應變、磁場、電場、位移

14、等值接或間接的發(fā)生變化，從而可將光纖作為傳感元件探測物理量。光纖傳感技術就是利用光纖對某些物理量敏感的特性，將外界物理量轉換成可以直接測量的信號的技術。光纖傳感以其靈敏度高、本錢低、體積小、能埋入工程構造等諸多優(yōu)點而在航天、航海、石油化工、電力傳輸、核工業(yè)、醫(yī)療、科學研究等眾多領域受到越來越密切的關注并得到廣泛應用。而在光纖應用中，光纖光柵的應用越來越廣泛。近些年來，光纖光柵制作技術引起了人們的很大興趣。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性而在光纖芯層內形成的一維周期性構造，其工作原理是在滿足相位匹配條件的共振波長處模式間發(fā)生共振禍合，從而實現波長的選擇。光纖光柵傳感器是在光纖光柵的根底上開展起來的

15、一種波長調制型光學傳感器。它不但繼承了普通光纖傳感器的許多優(yōu)點：如不受電磁干擾、靈敏度高、響應速度快、動態(tài)范圍寬、重量輕、構造緊湊、使用靈活、本錢低、抗腐蝕、耐高溫等;同時，光纖光柵傳感器還有一些明顯優(yōu)于普通光纖傳感器的特點：如波長編碼、便于復用、可構成光纖傳感網絡等。以光纖光柵為代表的新型光纖傳感技術的迅速開展，使得光纖型傳感探測技術得到了新的開展空間，因而引起全世界研究人員的高度重視。所以，由于光纖光柵的各個行業(yè)所具有的優(yōu)越性，就形成了現在各個國家、企業(yè)去研究光纖光柵的光譜特性，充分了解各個特性，以便創(chuàng)造出效率更高，穩(wěn)定性更強、能耗率更低的光纖光柵的各種器件，并因此促進各個領域的進一步開展

16、。第2章光纖光柵理論分析光是電磁波，所以它具有電磁波的通性。因此，光波在光纖中傳輸的一些根本性質都可以通過求解具有一定邊界條件的麥克斯韋方程組獲得。波動方程的求解可通過弱導近似簡化，所謂弱導近似就是認為光纖纖芯和包層折射率的差異不大，這樣可將纖芯導模近似為線偏振模，這樣的矢量波動方程可簡化為標量波動方程。絕大局部用于光通信的光纖都滿足弱導近似的條件，因而弱導近似是合理的。波動方程的解給出了光纖中導模和輻射模的根本的場分布。在未受干擾的情況下，這些模式之間彼此獨立傳輸，沒有耦合；當有擾動出現時，某些模式之間將會發(fā)生耦合,研究這一問題常用耦合模理論。耦合模理論8假定微擾存在時，光纖中的模式不會發(fā)生

17、變化，也就是說仍然是未受擾時的模式，這樣，當微擾存在時的光場仍然可以展開為無微擾情況下光纖中各模式的疊加，這一假定通常稱為微擾近似。另外，用耦合模理論分析光纖光柵時，通常還要做同步近似，即認為只有一樣步的兩個模式間才會發(fā)生有實際效果的耦合作用，從而忽略其它所有非同步模式的影響。對于均勻，弦周期性、折射率調制幅度為常數的光纖光柵，求解其耦合模方程就能夠得到解析解。對于復雜的光纖光柵可采用分段均勻和傳輸矩陣法來分析，也可用數值求解耦合模方程的方法來分析。2.1光纖光柵的光譜特性及其數值模擬根據光纖光柵周期T的不同，可以將光纖光柵分為短周期和長周期光纖光柵兩類:短周期光纖光柵又稱為光纖布拉格光柵(F

18、iberBraggGratingFBG)其光柵周期T約為0.5叩;長周期光纖光柵(LongPeriodicFiberGrating,LPFG)的周期T較大，一般約為100500叩9。其中在短周期光纖光柵中有包括均勻光柵、線性明啾光柵LinearlyChirpedFiberGrating,LCFG)、錐形光柵和采樣光纖光柵等。由于均勻光柵、LCFG,錐形光柵和LPFG應用最廣，本文中只討論在單模光纖中這四種光纖光柵的光譜特性。2.1.1均勻光纖光柵在均勻光纖光柵中，模式耦合發(fā)生沿正向和反向傳輸的導模之間，并且滿足如下的耦合方程：dA(z)dzdB(z)dziB(z)exp(2i()z)0zLiA

19、(z)exp(2i()z)2.1式中A(z)和B(z價別為正向和負向傳播的光波振幅，。為橫向耦合系數，B為布拉格失配量，且o2neff/T。什為纖芯的有效折射率，入為光波在空氣中的波長，T為光纖光柵的周期，L為光纖光柵長度。在單模光纖光柵中，有:式中n為光纖光柵的折射率調節(jié)度。通過微分方程組可得10:izisinhSLzScoshSLzizeizz0eBLeieScoshSLisinhSLsinhSL2.3司isinhSLzScoshSLzSisinhSziScoshSzScoshSLisinhSLizBzAoesinhSLzScoshSLisinSLiLeiLSsinhSLzBLesinhS

20、zsinhSLScoshSLisinSL一2.3b式中參數S滿足關系式：S2=G-田。將邊界條件，即A(0)=1和B(L)=0。代入可得光纖光柵的反射率和透射率分別為：2sinh2SL2sinh2SLS2cosh2SLS22sinh2SLS2cosh2SL2.1.2線性喟啾光纖光柵對于偏離均勻周期或者均勻折射率的光纖光柵的研究已經有了多種方法1114,但由于此時光纖光柵的耦合方程不再是一個常系數線性微分方程，如果直接進展求解是非常困難的，必須采用數值解法才能求得。而采用特征矩陣15的方法那么可以有效地防止直接求解的困難，在均勻光纖光柵的根底上就可以很容易地得到光纖光柵的光譜圖。根據公式微分方程

21、組得到的纖芯中光波振幅的解和邊界條件,經過簡單的換算就可以得到如下的矩陣表達式:1112aL2.5式中aL二ALexpiI，b02122b0二B0并且其中的矩陣元素分別等于iS exp i Lsinh SL iScosh SL261221 exp i2 Lsinh SLsinh SL iS cosh SL2.7式2.5中的a00分別用(L)和bL來表示，就可以得到如下的矩陣表示式，即:11122.82122式中,sinh SL1222iScosh SL exp i L iS12sinh SL21 -iSexp i L2.9從公式2.8的光纖光柵看作是m段長度分別1i,12,m。的光纖光柵疊加而

22、成，只要分段的可以看出：光纖光柵左端和右端的光波振幅可以分別用矩陣a(0)b(0)T和a(L)b(L)T表示，并且兩者可以通過一個特征矩陣濺系起來。因此對于偏離均勻周期或者均勻折射率的光纖光柵，可以將折射率調制度或周期非均勻數目m足夠大，就可以認為其中的每一小段光纖光柵的折射率調制度和周期都是均勻的，其反射譜的特性都可以用一個特征矩陣表示出來，那么整個光纖光柵2.10的特征矩陣就可表示為：H=m磯1相應的光柵反射譜的反射率就可以表示為2.11式中:a0,aLmmi.12.12b0,bL對于線性明啾光纖光柵(LinearlyChirpedFiberGrating,LCFG)其周期函數可以表示為:

23、TzToT|z/L0zL其中，T為光纖光柵周期的最大偏差量。采用上述特征矩陣的方法，可以將光纖光柵分為m段(例如，m=100),認為每一段的周期一樣，利用公式2.82.11就可以很容易地求出其反射光譜分布。LCFG的重要用途就是利用不同波長在光纖光柵中的時延特性進展色散補償曄18,其時延可由下式計算19,即：22.132c其中，p為不同波長的時延值，入為傳輸波長，為光波傳輸的相位。第3章結果與討論3.1均勻光纖光柵從公式(2.2)(2.4時以看出：對于均勻光纖光柵，其反射譜的特性由纖芯的折射率調制度n和光纖光柵長度L決定。當口大小一定時，光纖光柵的反射譜隨光纖光柵長度的改變而變化的情況如下列圖

24、。由圖可知，當光纖光柵長度L減小時，其峰值反射率逐漸減小。圖2.1(a)(b),(c)和d的中反射譜的FWHM值分別為：0.074,0.081,0.097,0.158nm,其伯:逐漸增大，反射譜逐漸展寬L=20mmAn=5*1010 1.54981.54991.54991.551.551.55011.55011.55021.5502-6-59876 5 4 3 2 16sss 6sssci wy-WMtceTeRX 10WavelengthaWavelength-6yLGtceteRX10b1.551.55Wavelength1.55011.55011.55021.55021.54981.54

25、991.5499WEktcere-6X10cL=5mm&=5*10-yLGtceteR0 1.54981.54991.54991.551.551.55011.55011.55021.5502Wavelength-6X 1010.90.80.70.60.50.40.30.20.1d圖2.1An大小一定時，光纖光柵的反射譜隨光纖光柵長度L的改變而變化的情況當L大小一定時，光纖光柵的反射譜隨折射率調制度n的改變而變化的情況如圖2.2所示。同樣，當n減小時，其峰值反射率逐漸減小。圖2.2(a),(b),(和(d)的中反射譜的FWHM值分另J為：0.224,0.124,0.094,0.074nm逐漸減小

26、,反射譜逐漸變窄。yLGtceteRWEktcere10.90.80.70.60.50.40.30.20.1L=20mmM=2*10-41.54981.54991.54991.551.551.55011.55011.55021.5502Wavelength-6X 10aL=20mmAn=1*1010.90.80.70.60.50.40.30.20.1-41.54981.54991.54991.551.551.55011.55011.55021.5502-6X 10Wavelengthb0.9L=20mmM=7*10-5,87,6,5/ o o o o ov-tutceteR0.30.20.10

27、 1.54981.54991.54991.551.551.55011.55011.55021.5502Wavelength-6X 10cL=20mmAn=5*1010.90.80.70.60.50.40.30.20.151.54981.54991.54991.551.551.55011.55011.55021.5502-6X 10Wavelengthd3.2線性喟啾光纖光柵A等于0.2時其相應的反射譜如下列圖。從圖2.3a可以看出：相對于均勻光纖光柵，LCFG的反射譜的寬度明顯增加，反射率與一樣參數的均勻光纖光柵顯著下降，而且在反射譜寬度內存在明顯的振蕩現象。同時，對于LCFG而言，由于不同波

28、長的光波在光纖光柵的不同位置處發(fā)生反射，而且其光纖光柵的周期沿長度方向變化是線性的，因此在LCFG帶寬范圍內其時延值隨波長的變化幾乎是線性增加的。圖2.3線性明啾光纖光柵的光譜響應,L=10mmn=110-4結論在藕合模理論的根底上，利用傳輸矩陣法，數值仿真出線性明啾光纖光柵的反射譜和時延特性曲線，仿真結果與實驗結果完全吻合。同時我們給出求解問題算法的完整仿真程序代碼。這對深入了解線性明啾光纖光柵的光學特性是大有幫助的。相對于均勻光纖光柵，LCFG的反射譜的寬度明顯增加，反射率與一樣參數的均勻光纖光柵顯著下降，而且在反射譜寬度內存在明顯的振蕩現象。同時，對于LCFG而言，由于不同波長的光波在光

29、纖光柵的不同位置處發(fā)生反射，而且其光纖光柵的周期沿長度方向變化是線性的，因此在LCFG帶寬范圍內其時延值隨波長的變化幾乎是線性增加的。參考文獻王惠文，光纖傳感技術與應用M,:國防一1:業(yè)出版社，2001:1廖延彪，光纖光學M,:清華大學出版社，2000:197198W.W.Morey,G.Meltz,W.H.Glenn,FiberopticBragggratingsensorsA,ProceedingSPIEC,1989,1169:98-107A.D.Kersey,T.A.Berkoff,Multiplexedfibergratingstrain-sensorsystemwithaFabry-

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