光纖布拉格光柵(FBG).ppt

1、第5講:光纖布拉格光柵(FBG)-基礎(chǔ)與應(yīng)用,李恩邦,光電子技術(shù)精品課程,FBG的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展,光纖布拉格光柵（簡(jiǎn)稱FBG）是在單模光纖的纖芯內(nèi)通過(guò)某種方式對(duì)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 (如右圖所示)。,1978年，加拿大Hill 等人使用如左圖所示的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(gè)光纖布拉格光柵。,光電子技術(shù)精品課程,FBG是在光纖纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，通過(guò)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

2、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(duì)入射波的反射。其反射波長(zhǎng)即布拉格波長(zhǎng)為B=2neff，其中，為光柵周期，neff為纖芯等效折射率。,FBG原理與特性,設(shè)光纖纖芯折射率為,由耦合模理論得到光柵的反射光譜為,最大反射率為,反射譜帶寬為,光電子技術(shù)精品課程,光纖的光敏特性,摻雜光纖光敏性機(jī)理 摻雜物質(zhì)與SiO2混合時(shí)形成的結(jié)構(gòu)缺陷 外界光場(chǎng)作用下通過(guò)單光子或雙光子吸收過(guò)程使錯(cuò)位鍵破裂形成色心 標(biāo)準(zhǔn)光纖：GeOx 其它摻雜物質(zhì)：Erbium（鉺）, Europium（銪）, Cerium（鈰） 影響光纖光敏性的因素 摻雜種類與摻雜濃度 預(yù)制棒：縮棒后光敏性高于縮棒前 拉纖速度

3、影響光纖光敏性 光纖光敏性與曝光時(shí)所施加的應(yīng)力有關(guān) 增加光纖光敏性的方法 低溫載氫處理 壓力：20750atm(典型150atm)，溫度：2075，時(shí)間：數(shù)十小時(shí)至數(shù)天 形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH 有效增加標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的光敏性 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖損耗增大 光敏性變化大 退火及老化處理 高溫載氫處理 在含氫1mol%環(huán)境下，使用CO2激光將光纖加溫至600 短時(shí)間（10秒）內(nèi)增加光纖的光敏性,火焰熱處理 氫氣火焰+少量氧氣將光纖加熱至1700 持續(xù)20分鐘 光纖的光敏性增加10倍，折射率變化10-3 高溫對(duì)光纖造成損傷，引起可靠性等方面問(wèn)題 混合摻雜 摻Boron（硼） 降低折射率

4、，可提高Ge摻雜濃度 光纖的光敏性增加3倍 30min 400退火可使折射率變化減半 1500nm窗口付加損耗0.1dB/m 雙折射效應(yīng) 摻Tin（錫） 較B-Ge光纖的光敏性增加3倍 熱穩(wěn)定性優(yōu)于B-Ge光纖 摻N2（氮?dú)猓?SPCVD過(guò)程中，加入0.1%氮?dú)饪墒构饷粜约颖?折射率變化2.810-3,光電子技術(shù)精品課程,光纖光柵分類,類光柵 摻雜濃度較低的光纖內(nèi)形成 較低UV曝光量 局部缺陷引起折射率變化 折射率變化n10-510-30 溫度穩(wěn)定性較差（300） 可使脈沖或連續(xù)激光，前者更有效 A（）類光柵 摻雜濃度較高（eg 25mol% GeO2)的光纖內(nèi)形成 較高UV曝光量（ 500J

5、/cm2)， 結(jié)構(gòu)重構(gòu)引起折射率變化 折射率變化n0 溫度穩(wěn)定性較好（500） 可使脈沖或連續(xù)激光 類光柵 極高UV曝光量，瞬間局部溫度達(dá)上千度 物理破壞引起折射率變化 折射率變化n可達(dá)10-2 溫度穩(wěn)定性好（800） 只能使用脈沖激光,光電子技術(shù)精品課程,光致折射率變化的特性,光致折射率變化的各向異性 光纖光柵雙折射10-6 側(cè)向?qū)懭胫瞥傻墓饫w光柵雙折射要大2個(gè)數(shù)量級(jí) 雙折射與UV激光的偏振方向有關(guān)：P方向小，S方向大，可相差10倍 雙折射與UV激光的波長(zhǎng)有關(guān)：193nm 較240nm UV激光產(chǎn)生更大的雙折射 光致折射率變化的閾值特性(右上圖) 折射率變化的溫度穩(wěn)定性(右下圖) 光致折射率變化使光纖處于一種亞穩(wěn)態(tài) 在一定溫度下，折射率變化變小甚至完全消失,光電子技術(shù)精品課程,FBG寫(xiě)入技術(shù),FBG制作對(duì)UV激光器的要求 輸出波長(zhǎng)及其穩(wěn)定性 空間及時(shí)間相干性 輸出功率或脈沖能量及重復(fù)率 光斑質(zhì)量 偏振特性 光束指向穩(wěn)定性 用于FBG制作的UV激光器 倍頻氬離子激光器 準(zhǔn)分子激光器 倍頻銅蒸氣激光器 倍頻可調(diào)諧染料激光器 倍頻可調(diào)諧OPO 三倍頻YAG激光器 Alexandrite(紫翠玉)激光器 FBG寫(xiě)入技術(shù)分類 內(nèi)部寫(xiě)入法 雙光束干涉法 掩模法 模板+雙光束干涉法