光纤光栅光谱特性研究

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1、SHANDONG课程设计题目：光纤光栅光谱特性研究所属课程：应用光学学 院： 理学院 专 业： 光电信息科学与工程 学生姓名： 卢远 学 号： 指引教师： 郭立萍 年 6 月光纤光栅光谱特性研究摘要光纤光栅是一种通过一定措施使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等长处，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。光纤光栅是运用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的措施将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，

2、从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一种窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光通过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其他的波长透过光纤光栅继续传播。随着信息业务量迅速增长，语音、数据和图像等业务综合在一起传播， 从而对通 信带宽容量提出了更高规定。全光通信是解决“电子瓶颈”最主线的途径，全光网通信可 以极大地提高节点的吞吐容量，适应将来高速宽带通信的规定。基于光纤的光敏特性制作成的光纤光栅已成为光通信系统和光纤传感器中的核心器件。它有许多突出的长处， 优良的性质，这使得它成为目前研究的热点。本文重要论述了光纤光栅的基本原理及其 制作的措施，运用

3、耦合理论分析光纤光栅光谱特性。本文中讨论了目前光纤光栅在各个 领域的运用，并且探讨了光纤光栅现状的运用和将来的发展方向。本文运用matlab仿真，画出不同光栅的光谱图，观测多种参数的变化对光栅光谱特性的影响，并分析光纤光栅光谱图。核心词:光纤光栅;耦合模理论;光谱特性目录摘要I第1章 绪论11.1 光纤光栅的基本概念11.2 光纤光栅的现状与应用11.2.1光纤光栅的现状11.2.2光纤光栅的应用21.3光纤光栅的近期研究进展31.4研究光纤光栅的光谱特性的目的4第2章 光纤光栅理论分析62.1 光纤光栅的光谱特性及其数值模拟62.1.1 均匀光纤光栅72.1.2 线性啁啾光纤光栅8第3章 成

4、果与讨论113.1 均匀光纤光栅113.2线性啁啾光纤光栅16结论17 第1章 绪论1.1 光纤光栅的基本概念光纤光栅是用光纤材料光敏特性而制作的。光敏性, 就是指当材料被外部光照射时, 进而引起该材料物理或化学特性的临时或永久性变化的特性。当特定波长光辐射掺锗光纤时, 这个光纤的某些物理特性就发生了永久性的变化,例如折射率、吸取谱、内应力密度等。在外部光源照射时,光纤的折射率也随光强的空间分布发生相相应的变化,变化的大小与光强成线性关系并可以保存下来,从而形成光纤光栅。光纤光栅的折射率沿光纤的轴方向并呈现周期性的分布, 是典型的折射率型衍射光栅。根据衍射理论,以角1入射的光将以角2 衍射,

5、且满足布拉格衍射方程1。光纤光栅是运用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子互相作用引起的折射率永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成(运用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性)一种窄带的(投射或反射)滤光器或反射镜。1.2 光纤光栅的现状与应用1.2.1光纤光栅的现状自从1978年KO Hill 等人一方面在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界第一种光纤光 栅后。由于光纤光栅所具有许多独特的长处，因此在光纤通信、光纤传感等领域均有广泛的应用前景。随着着光纤光栅制造技术地不断完善，光栅应用成果的日益增多，而使得光纤光栅变成为目前最有前程、最具有代表性的光纤无源器件。

6、光纤光栅成为近几年 发展迅速的光纤无源器件之一，光栅的问世被觉得是继掺铒光纤放大器2之后光纤通信领域又一种具有里程碑意义的革新。光纤光栅不仅仅在光纤通信领域有着广泛的应用，并且在光纤传感领域也有非常大的应用。就目前来说，光纤光栅已经在滤波器、激光器、波分复用器、放大器、色散补偿器、波长转换器、光纤传感器等许多方面展示出非常重 要的应用前景。基于光纤光栅的部分器件已经实现了商品化的生产与应用。尽管如此，光纤光栅仍然留给人们大量尚待研究摸索的工作。例如，在光敏性方面，人类需要进一 步揭示光纤光栅光敏性的内在原理，制造出更加稳定可靠的光纤光栅;在应用方面，光纤光栅尚有许多潜在应用价值未被发现，并且许

7、多已有的应用方案还待进一步成熟与优化。 1.2.2光纤光栅的应用(1) 传感器方面的应用35 光纤传感器是运用将待测事物的物理参数的变化转化为信号光在波长、强度或相位 上的变化，从而看待测事物的物理参数进行监控的器件。光纤传感器有着众多种类，并且都具有抗磁、抗腐蚀、体积小、重量轻、易于集成、辨别率高、精度高等许多特点。和老式的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比较，波长调制型的光纤光栅传感器具有许多独特的长处，例如，抗干扰能力强，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等多种因素的影响;传感头构造简朴、尺寸小，以便埋入复合材料 构造和大型建筑物内部，并且也便于传感器的集成;使用

8、波分复用技术可制成光纤传感网络，然后进行大面积的多点测量与监控。(2)激光器方面的应用 光纤光栅的光纤激光器在光纤通信系统中是有着非常大前程的光源，这种光源的优 点重要体目前:稀土掺杂光纤激光器运用光纤光栅能十分精确的拟定波长，并且成本低; 用作增益介质的稀土掺杂光纤生产工艺比较成熟，掺杂过程较简朴，光纤损耗小，并且插入损耗低;有着较高的功率密度，光纤构造具有很高的面积体积比，并且散热效果好; 与目前原则通信光纤的兼容性好，可以采用多种光纤元件，减少了对块状光学元件的需 求和光路机械调谐的不便，大大的简化了光纤光栅激光器的设计及制作。宽带是现代光纤通信的重要发展趋势之一，而光纤光栅激光器可以通

9、过掺杂了不同的稀土离子，在的宽带范畴内实现激光输出，波长容易选择并且可调谐。近年来，由于光纤的制造工艺进步，紫外光光纤光栅写入技术等的日益成熟和各类激光器，特别是半导体激光器技术的近期发展，光纤光栅激光器和的研究工作进展非常快。目前已研制出多种光纤光栅激光 器，重要可分为单波长光纤光栅激光器和多波长光纤光栅激光器。(3) 色散补偿方面的应用 随着着光纤通信系统速率的提高，色散已经成为影响通信质量的直接因素，因此采 用色散补偿技术显得十分重要。在光通信中一般采用色散位移光纤(DSF)或者色散补 偿光纤(DCF)对光纤通信中的色散进行补偿。近几年来有用光纤光栅作为色散补偿器件。目前，通信系统中重要

10、运用的光纤光栅有啁啾光纤光栅，长周期光纤光栅，均匀周 期光纤光栅，取样光纤光栅和切趾啁啾光纤光栅，不同类型的光纤光栅可以补偿不同的 色散。无论用什么措施，其基本原理都是相似的，都是在通信系统中插入具有负色散系数的光纤光栅，平衡系统中积累的正色散，或者用脉冲压缩的措施将被展宽的脉冲压窄等。 (4)增益控制和增益平坦方面的应用 在光通信系统中，光器件微小的偏振敏感所产生的积累效应都会引起信号的偏振漂 移，从而导致信号光功率的波动，由于EDFA一般都工作在饱和状态，信道数增长或减少时，会使其增益会相应减少或增大，进而导致光纤的非线性效应增大，因此EDFA 的 增益控制在光通信网络中十分重要。目前我们

11、常用光纤光栅进行增益控制，其原理就是 运用光纤光栅反射EDFA的ASE光或者双光栅谐振光作为增益的控制光，从而实现信号的增益均衡。 EDFA 几乎是WDM系统中抱负光的放大器，由于其增益与波长有关，导致EDFA 增益谱的不平坦，因此必需采用增益平坦技术。目前比较广泛采用的是运用长周期光纤光栅进行增益平坦，其原理是将不同的长周期光纤光栅组合，使其光谱特性设计成与增益谱相反的波形，最后获得较好的增益平坦度。1.3光纤光栅的近期研究进展从 1978 年 Hill 及其同事在掺锗光纤中制造出全息光栅后来，光纤光栅的研究就引 起了人们非常大的爱好。1989 年，美国联合技术研究中心G.Meltz 等人最

12、后实现了光纤 Bragg 光栅的UV 激光侧面的写入技术，使光纤光栅的制作技术浮现了突破性的进展。 随着光纤光栅制造技术不断的完善，其应用的成果日益增多，无论是光通信领域，还是光纤传感领域，都会由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化。随着目前良好市场前 景的驱动下，全世界各个研究机构和公司都大力研究光纤光栅，就单独光纤光栅而言，目前已有了十家公司推出其有关的商业产品，不涉及具有光纤光栅的其他产品。总之，目前的光纤光栅领域己进入成熟和实际应用的阶段，研究热点已经重要集中在光纤布拉格光栅6的封装及温度补偿技术、啁啾光纤光栅在色散补偿中的应用、长周期光纤光栅在掺饵光纤放大器增益均衡中的应用、新型光纤

13、光栅滤波器的设计等各方面。1.4研究光纤光栅的光谱特性的目的随着社会经济的发展和现代化限度的提高，以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在人们的生活中展示出越来越重要的作用。光纤传感技术是在光纤光 学和光纤通信技术发展的基本上形成的新兴技术。最开始的光纤传播损耗非常大，在仪器仪表行业中，光纤最早只用于短距离的光传播和图像传播7。1966 年7 月，英国原则电信研究所的英国籍华人科学家高馄(K.C.Kao)分析了玻璃光纤损耗大的重要因素，并且预言只要可以设法减少玻璃中的杂质就能减少光纤传播中的损耗。从此后来大量针对减少 光纤损耗的研究成果被提出，到1979 年光纤波段的损耗已经减少。

14、光纤以其低损耗和 大带宽等优势广泛应开始用于长距离通信。低损耗光纤浮现后不久，就已经浮现了光纤 传感器。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质，且当光波在光纤中传播时，它的特性参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、压力、应变、磁场、电场、位 移等值接或间接的发生变化，从而可将光纤作为传感元件探测物理量。光纤传感技术就 是运用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。光纤传感以其敏捷度高、成本低、体积小、能埋入工程构造等诸多长处而在航天、 航海、石油化工、电力传播、核工业、医疗、科学研究等众多领域受到越来越密切的关注并得到广泛应用。而在光纤应用中，光纤光栅的

15、应用越来越广泛。近些年来，光纤光栅制作技术引起了人们的很大爱好。光纤光栅是运用光纤材料的光敏性而在光纤芯层内形成的一维周期性构造，其工作原理是在满足相位匹配条件的共振波长处模式间发生共振祸合，从而实现波长的选择。光纤光栅传感器是在光纤光栅的基本上发展起来的一种波长调制型光学传感器。它不仅继承了一般光纤传感器的许多长处:如不受电磁干扰、敏捷度高、响应速度快、动态范畴宽、重量轻、构造紧凑、使用灵活、成本低、抗腐蚀、耐高温等;同步，光纤光栅传感器尚有某些明显优于一般光纤传感器的特点:如波长编码、便于复用、可构成光纤传感网络等。以光纤光栅为代表的新型光纤传感技术的迅速发展，使得光纤型传感探测技术得到了

16、新的发展空间，因而引起 全世界研究人员的高度注重。因此，由于光纤光栅的各个行业所具有的优越性，就形成了目前各个国家、公司去研究光纤光栅的光谱特性，充足理解各个特性，以便发明出效率更高，稳定性更强、能耗率更低的光纤光栅的多种器件，并因此增进各个领域的进一步发展。第2章 光纤光栅理论分析光是电磁波，因此它具有电磁波的通性。因此，光波在光纤中传播的某些基本性质都可以通过求解具有一定边界条件的麦克斯韦方程组获得。波动方程的求解可通过弱导近似简化，所谓弱导近似就是觉得光纤纤芯和包层折射率的差别不大，这样可将纤芯导 模近似为线偏振模，这样的矢量波动方程可简化为标量波动方程。绝大部分用于光通信的光纤都满足弱

17、导近似的条件，因而弱导近似是合理的。波动方程的解给出了光纤中导 模和辐射模的基本的场分布。在未受干扰的状况下，这些模式之间彼此独立传播，没有耦合;当有扰动浮现时，某些模式之间将会发生耦合，研究这一问题常用耦合模理论。耦合模理论8假定微扰存在时，光纤中的模式不会发生变化，也就是说仍然是未受扰时的模式，这样，当微扰存在时的光场仍然可以展开为无微扰状况下光纤中各模式的叠加，这一假定一般称为微扰近似。此外，用耦合模理论分析光纤光栅时，一般还要做同步近似，即觉得只有相似步的两个模式间才会发生有实际效果的耦合伙用，从而忽视其他所有非 同步模式的影响。对于均匀，弦周期性、折射率调制幅度为常数的光纤光栅，求解

18、其耦合模方程就可以得到解析解。对于复杂的光纤光栅可采用分段均匀和传播矩阵法来分析，也可用数值求解耦合模方程的措施来分析。2.1 光纤光栅的光谱特性及其数值模拟根据光纤光栅周期T的不同，可以将光纤光栅分为短周期和长周期光纤光栅两类:短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating FBG )，其光栅周期T约为0.5m;长周期光纤光栅(Long Periodic Fiber Grating ，LPFG)的周期T较大，一般约为100500m9。其中在短周期光纤光栅中有涉及均匀光栅、线性啁啾光栅（Linearly Chirped Fiber Grating ， LCFG )、

19、锥形光栅和采样光纤光栅等。由于均匀光栅、LCFG,锥形光栅和LPFG应用最广，本文中只讨论在单模光纤中这四种光纤光栅的光谱特性。2.1.1 均匀光纤光栅在均匀光纤光栅中，模式耦合发生沿正向和反向传播的导模之间，并且满足如下的耦合方程: （2.1）式中A(z)和B(z)分别为正向和负向传播的光波振幅，为横向耦合系数，为布拉格失配量，且。为纤芯的有效折射率，为光波在空气中的波长，T为光纤光栅的周期，L为光纤光栅长度。在单模光纤光栅中，有： （2.2）式中n为光纤光栅的折射率调节度。通过微分方程组可得10：（2.3a） （2.3b）式中参数S满足关系式:S2=2-2。将边界条件，即A(0)=1和B(

20、L)=0。代入可得光纤光栅的反射率和透射率分别为: （2.4）2.1.2 线性啁啾光纤光栅对于偏离均匀周期或者均匀折射率的光纤光栅的研究已有了多种措施1114，但由于此时光纤光栅的耦合方程不再是一种常系数线性微分方程，如果直接进行求解是非常困难的，必须采用数值解法才干求得。而采用特性矩阵15的措施则可以有效地避免直接求解的困难，在均匀光纤光栅的基本上就可以很容易地得到光纤光栅的光谱图。根据公式微分方程组得到的纤芯中光波振幅的解和边界条件，通过简朴的换算就可以得到如下的矩阵体现式： （2.5） 式中a（L）=A（L）exp（iL），b（0）=B（0），并且其中的矩阵元素分别等于 （2.6） （2

21、.7）式（2.5）中的a（0）和b（0）分别用a(L)和b（L）来表达，就可以得到如下的矩阵表达式，即： （2.8）式中， （2.9）从公式（2.8）可以看出：光纤光栅左端和右端的光波振幅可以分别用矩阵a(0) b(0)T和a(L) b(L)T表达，并且两者可以通过一种特性矩阵溅系起来。因此对于偏离均匀周期或者均匀折射率的光纤光栅，可以将折射率调制度或周期非均匀的光纤光栅看作是m段长度分别l1,l2，.lm。的光纤光栅叠加而成，只要分段的数目m足够大，就可以觉得其中的每一小段光纤光栅的折射率调制度和周期都是均匀的，其反射谱的特性都可以用一种特性矩阵表达出来，那么整个光纤光栅的特性矩阵就可表达为

22、：L=m21 （2.10）相应的光栅反射谱的反射率就可以表达为 （2.11）式中： （2.12）对于线性啁啾光纤光栅(Linearly Chirped Fiber Grating, LCFG )，其周期函数可以表达为: 其中，T为光纤光栅周期的最大偏差量。采用上述特性矩阵的措施，可以将光纤光栅分为m段(例如，m=100 )，觉得每一段的周期相似，运用公式（2.8）（2.11）就可以很容易地求出其反射光谱分布。LCFG的重要用途就是运用不同波长在光纤光栅中的时延特性进行色散补偿1618，其时延可由下式计算19，即: （2.13）其中，为不同波长的时延值，为传播波长，为光波传播的相位。第3章 成果

23、与讨论3.1 均匀光纤光栅从公式(2.2)(2.4)可以看出：对于均匀光纤光栅，其反射谱的特性由纤芯的折射率调制度n和光纤光栅长度L决定。当n大小一定期，光纤光栅的反射谱随光纤光栅长度的变化而变化的状况如图所示。由图可知，当光纤光栅长度L减小时，其峰值反射率逐渐减小。图2.1(a)，(b)，(c)和（d）的中反射谱的FWHM值分别为：0.074, 0.081, 0.097, 0.158nm，其值逐渐增大，反射谱逐渐展宽。 （a）（b）（c）（d）图2.1 n大小一定期，光纤光栅的反射谱随光纤光栅长度L的变化而变化的状况当L大小一定期，光纤光栅的反射谱随折射率调制度n的变化而变化的状况如图2.2

24、所示。同样，当n减小时，其峰值反射率逐渐减小。图2.2(a), (b), (c)和(d)的中反射谱的FWHM值分别为：0.224, 0.124, 0.094, 0.074nm，逐渐减小，反射谱逐渐变窄。（a）（b）（c）（d）3.2线性啁啾光纤光栅当等于0.2时其相应的反射谱如图所示。从图2.3（a）可以看出:相对于均匀光纤光栅，LCFG的反射谱的宽度明显增长，反射率与相似参数的均匀光纤光栅明显下降，并且在反射谱宽度内存在明显的振荡现象。同步，对于LCFG而言，由于不同波长的光波在光纤光栅的不同位置处发生反射，并且其光纤光栅的周期沿长度方向变化是线性的，因此在LCFG带宽范畴内其时延值随波长的

25、变化几乎是线性增长的。 图2.3线性啁啾光纤光栅的光谱响应，L=10mm =1 10-4结论在藕合模理论的基本上，运用传播矩阵法，数值仿真出线性啁啾光纤光栅的反射谱和时延特性曲线，仿真成果与实验成果完全吻合。同步我们给出求解问题算法的完整仿真程序代码。这对进一步理解线性啁啾光纤光栅的光学特性是大有协助的。相对于均匀光纤光栅，LCFG的反射谱的宽度明显增长，反射率与相似参数的均匀光纤光栅明显下降，并且在反射谱宽度内存在明显的振荡现象。同步，对于LCFG而言，由于不同波长的光波在光纤光栅的不同位置处发生反射，并且其光纤光栅的周期沿长度方向变化是线性的，因此在LCFG带宽范畴内其时延值随波长的变化几

26、乎是线性增长的。参照文献1.王惠文，光纤传感技术与应用M，北京:国防一1:业出版社，: 12.廖延彪，光纤光学M，北京:清华大学出版社，: 19 71983. W. W. Morey, G. Meltz, W. H. Glenn, Fiber optic Bragg grating sensors A, Proceeding SPIEC, 1989,1169:98-1074. A. D. Kersey, T. A. Berkoff, Multiplexed fiber grating strain-sensor system with a Fabry-Perot wavelength filt

27、er J, Optics Letters, 1993, 18(16): 137013725. G. A. Ball, W. W. Morey, P. K. Cheo, Fiber Laser source/analyzer for Bragg grating sensor array interrogation J, Journal of Lightwave Technology, 1994,2(4): 7007036. D. Jackson, A. B. Lobo, L. Ribeiro, J. L. Reekie, Archambault, Simple multiplexing sche

28、me for a fiber grating sensor network J, Optics Letters, 1993, 18(14): 119211937. M. Song, B. Lee, S. B. Lee, S. S. Choi, Interferometric temperature-insensitivity strain measurement with different-diameter fiber Bragg gratings .I, Optics Letters, 1997, 22(11): 7907928. M. A. Davies, A. D. Kersey, A

29、pplication of a fiber Fourier transform spectrometer to the detection of wavelength-encoded signal from Bragg grating sensors J, Journal of Lightwave Technology, 1995，13(7): .R. Isabelle, Fiber Bragg gratings for optical telecommunications J, Comptes Rendus Physique, , 4(1): 41 499.R. Isabelle, Fibe

30、r Bragg gratings for optical telecommunications J, Comptes Rendus Physique, ,4(1): 41 4910. Myo Myint Ohn, Fiber Bragg-intra grating measurement and control and their application to sensing and telecommunications J, Applied Image, Inc, 1993:434511. K. O. Hill, Aperiodic distributed-parameter wavegui

31、de for integrated optics J, Applied Optics, 1974,13(8): 1853185612. D.Kennisch, Nonuniform sinusoidally modulated dielectric gratings J, Journal of Optical Society of America, 1969, 59(11): 1409141413. L. A. Weller-Brophy, D. G. Hall, Analysis of waveguide gratings: application of Rouards method J,

32、Journal of Optical Society of America, 1985, 2(6): 86387114. Makoto Yamada, Kyohei Sakuda, Analysis of almost-periodic distributed feedback slab waveguide via a fundamental matric approach J,Applied Optics,987, 26(6): 3474347815. S. Huang, M. LeBlanc, M. M. Ohh, R. M. Measures, Bragg intragrating st

33、ructure sensing J, Applied Optics, 1995, 34(22): 5003500916. Sergio Barcelos, Michael N. Zervas, Richard I. Laming, Characteristics of chirped fiber gratings for dispersion compensation J, Optical Fiber Technology, 1996, 2(2): 21321517. K. Nakkeeran, Y. H. C. Kwan, P K. A. Wai, Method to find the st

34、ationary solution parameters of chirped fiber grating compensated dispersion-managed fiber systems J, Optics Communications, 215(4-6): 31532118. Sunil. K. Khijwania, Chee S. Goh, Sze Y. Set, K. Kikuchi, A novel tunable dispersion slope compensator based on nonlinearly thermally chirped fiber Bragg grating J, Optics Communications, , 227(1-3): 10711319 .Raman Kashyap, Design of step-chirped fibre Bragg gratings J, Optics Communications, 1997, 136(5-6): 461469致 谢衷心感谢郭立萍导师对本人的精心指引。她的言传身教将使我终身受益。导师广博的学识和严谨的治学态度将使我受益终身。