光纤Bragg光栅设计

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1、JIA NG S U U NIVE RS ITY光纤Bragg光栅（FBG）设计学院名称：机械工程学院专业班级： 光信息学生姓名：学生学号：指导教师：陈明阳目录一、光栅定义和发展历程 21.1、光栅的定义 21.2、光纤Bragg光栅的发现与发展 2二、光纤Bragg光栅特点及工作原理32.1光纤Bragg光栅的特点 32.2光纤Bragg光栅的工作原理 4三、光纤Bragg光栅的制作方法43.1光敏光纤的制备4四、光纤Bragg光栅在光纤激光器里的应用 54.1光纤激光器简介54.2在光纤激光器里的工作原理64.3光纤Bragg光栅的设计要求 74.3.1设计的基本参数要求84.3.2设计的

2、基本步骤 9五、设计结论及应用前景 155.1结论及计算结果 155.2应用前景 16参考文献17附程序18、光栅定义和发展历程11、光栅的定义自从19世纪末Henry Rowland发明衍射光栅刻划机和凹面光栅 分光装置以来，光栅分光仪器就已成为光谱分析领域的主角。光栅是 光谱分析研究中的重要色散元件，其作用与棱镜相似，但在许多方面 光栅的性能更好，并且使用方便。在许多光谱仪器中，光栅成本仅占 总成本的很小部分，但衍射光栅的质量却从根本上决定了整个系统所 能达到的光谱性能。衍射光栅是能对入射光波的振幅和相位或者二者之一进行空间 周期性调制的一种光学元件。通常讲的衍射光栅都是基于夫琅禾费多 缝

3、衍射效应进行工作的。1.2、光纤Bragg光栅的发现与发展光纤布拉格光栅（简称FBG）是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件，如图1所 /示O图1 FBG的基本结构1978年，加拿大Hill等人使用如图2所示的实验装置将488nm 的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤 纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性 调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉 格光栅。二、光纤Bragg光栅特点及工作原理2.1光纤Bragg光栅的特点光纤Bragg光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影 响、极

4、化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围 大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一 体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成 本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代 的。这使得光纤Bragg光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理 想的关键器件。FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的 纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯 模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反 射波长即布拉格波长为入广2气置八，其中，A为光栅周期，nff为纤芯 等效折射率。2.2光纤Br

5、agg光栅的工作原理光纤Bragg光栅轴向折射率周期性变化将引起不同光波模式之 间的耦合，可以将特定波长的正向传输模的功率部分或者全部转移到 反向传输模，从而改变入射光的光谱。如图所示，其基本光学特性表 现为一个反射式的光学滤波器，只有Bragg波长附近的光能够被反 射。从而利用FBG的波长选择性可用作光纤激光器的腔镜，实现模式 选择和窄带反馈的单频激光器。Core Refractive Index图2光纤布拉格光栅的工作原理三、光纤Bragg光栅的制作方法3.1光敏光纤的制备采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上 不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤

6、时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射 率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中 的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平 等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为 （10-4）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光 敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有几种:掺入光敏性杂质，如： 锗、锡等、多种掺杂（主要是B/Ge共掺）、高压低温氢气扩散处理、 剧火。四、光纤Bragg光栅在光纤激光器里的应用41光纤激光器简介利用光纤Bragg光栅的波长选择性可用作光纤激光器的腔镜，实 现模式选择和窄带反馈的单频光纤

7、激光器。与半导体激光器相比，光 纤激光器具有波长连续可调，调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相 对噪声低等优点，适应DWDW系统使用工作波长可固定和调谐的低噪 声激光器阵列的要求。基于光纤Bragg光栅的光纤激光器不仅成为高速大容量秘籍波 分复用（DWDM）光纤通信系统的理想信号载体，而且成为光纤光栅传感 系统中理想的传感检测光源。光纤激光器以其卓越的性价比，以及抗 电磁干扰能力强、转换效率高、线宽窄、输出光束质量好、可靠性高 等优点，在光纤通信、激光加工、激光医疗、激光雷达、结构测距、 光纤传感等方面日益广泛的应用。yq隔离器泉浦一ri-1111稀七掺杂光纤1111 *激光输出 光纤光栅图3基

8、于FBG的光纤激光器的基本结构42在光纤激光器里的工作原理在光纤激光器中，光纤光纤光栅通常用来作为反射腔镜，产生窄 带光谱输出，它可以使激光器紧凑、简单。与一般的标准具相比，光 纤法布里-珀罗标准具有更好的窄带选模特性，可用来对光纤激光器 选纵模。由于作为增益介质的掺杂光纤长度通常为数米，腔模间隔小，而 光纤光栅的3db反射带宽为0.1nm左右，得到的激光输出一般为多纵 模，要想得到单纵模输出，需要采用相应地选模方法。法布业珀罗 标准具是激光器中常用的选纵模方法，光纤光栅标准利于实现激光的 全光纤化，且光纤光栅标准具的输出谱线数目由标准具的腔长和光纤 光栅的反射带宽共同决定，选模特性优于普通的

9、法布业珀罗标准具。 如图所示，输出激光线宽小于光纤光栅标准具的纵模间隔，实现激光 器的单纵模运转。利用光纤光栅的掺铒光纤制作的光纤激光器，如图所示，在铒纤 两端分别接入一支高反射率的窄带光纤Bragg光栅(FBG)和一支低反 射率的宽带啁啾光纤光栅，其中光纤Bragg光栅的反射波长在啁啾光 纤光栅的带宽范围内。这两支光栅形成谐振腔，掺铒光纤在980nm泵浦光激励下产生的激发辐射光在谐振腔内震荡。由于高反射率的光纤Bragg光栅带宽很窄，在构成谐振腔反射面的同时也起到选频的作用， 即从反射率较低的啁啾光纤光栅一侧出射的激光频率与光纤Bragg 光栅的反射频率相同。当用应力调谐等方法改变光纤Bra

10、gg光栅的波 长位置时，光纤激光器出射光波长也会随之改变。其中，剩余980nm 谱光利用光滤波器滤除。采用上述的结构能够制作可调谐的光纤激光 器。在光纤激光器中，光纤光栅标准利于实现激光的全光纤化，所以 激光器的谐振腔采用基于光纤Bragg光栅的谐振腔可输出激光线宽 小于光纤光栅标准具的纵模间隔，且光纤光栅标准具的输出谱线数目 由标准具的腔长和光纤光栅的反射带宽共同决定，当光纤光栅标准具 的腔长越短，其输出谱线间距越大，光纤光栅的反射带宽越窄，标准 具所能容纳的模式数目越少，从而实现激光器的单纵模运转4.3光纤Bragg光栅的设计4.3.1设计的基本参数要求设计参数如下：包层折射率为1.45，

11、纤芯折射率为1.46，纤芯直径 为d=7p m，中心波长A =1.52p m，带宽B=3.7nm，反射率R=0.94。要求参数有：光纤周期八，光栅长度L，调制深度 n，实际带宽B 及中心波长反射率为R和反射谱图。对于光纤Bragg光栅，其反射谱基本特性如下：最大反射率峰值波长：人maxneff由式(3)可知，反射率最大的波长，即中心波长是随折射率调制深度 增加而向长波方向移动，这与光纤光栅写入实验中观察到的现象是 致的。由于Anmax nf，所以波长偏离量很小，在光纤光栅应用时 经常可以忽略。由相位匹配情况的反射率可看出，当失谐(相位不匹 配)时，反射率下降。若定义光纤Bragg光栅的反射带宽

12、%为人max两边的第一个零 反射波长之间的带宽，则可得：A1 0Xmax、2(4)，因此，X+ fn在弱光栅(光致折射率变化很小)中，IeffJ:0 - XBl =:，其中N二L/A表示光栅栅格的总数，所以弱光栅的maxeff带宽主要决定于其长度，长度越大，带宽越窄。而在强光栅中，a n X B，因此max L光栅的限制中，光不能透过光栅的全长，少-区，所以，在强neff其带宽独立于光上的Xmax因此，长度，但却比例与相对折射率的变化。4.3.2设计的基本步骤1 .定义波导和光栅，如下:2自动排布生成的光纤Bragg光栅3 .求解光栅的周期A先设定中心波长A =1.52口 mSet Analy

13、sis ParametersBragg Condition& Fix Center WavelengthFix Period图6可得到八=0.52213902,如下：Grating Spectral F?esponse(A=0.522132902)1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 -1.514 1.516 1.518 1.520 1.522 1.524 1.526 此图7华)4.不同折射率调制深度n下的反射特性当An =0.002时其反射谱线，如下：Grating Spectral Response(A=0.522153

14、1928)Grating Spectral Response(n.E)苞-度0.43.2Jo.o.o.(n.E)oModw-甩-6.设置求解光栅长度L和调制深度AnLength=400AModDelta NOPeriod alpha background-indes delta dimension eimf ree_space_wave1ength grat ing_f islambda grat ing_scan_opt ion heightkO m riH i=1lt 十 HIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIzl - j 3 11 o gj o i o o tr o

15、Ii p心&1-+ *cno4coijoli tlr- ji (Jik二 ii|3一 i-ji+ ij=V(n.E) 0)苞-彩Name :Expression:| Length|400图12求得：L=400p m, n=0.00317.求解光栅带宽和反射谱峰值，如下：Postprocessing: Power Spectrum of Reflection1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 -1.514 1.516 1.518 1.520 1.522 1.524 1.526Wavelength (pm)图13光纤Bragg

16、的反射谱五、设计结论及应用前景51设计结论总结：光栅的反射率与折射率调制及光栅长度L成正比，或 越大，L越长，则反射率越高，反之，反射率越低；而反色谱的蒲宽 也随着增大而增大，但随着光栅长度的增大而减小。由此可见， 光栅调制深度不同，将不仅影响光纤Bragg光栅的反射率，还会影响 线宽，大小以及峰值波长的位置。光纤光栅的长度的增大，并且反 射谱宽度变窄，反射率更高更平坦，反射谱边缘越来越陡峭。同时可 看出光纤光栅反射率越大，谐振谱线宽度越窄。计算结果：光纤Bragg的设计要求基本参数为：包层折射率为 1.45,纤芯折射率为1.46，纤芯直径为d=7p m,中心波长A =1.52p m，带宽B=

17、3.7nm,中心波长反射率R=0.94。利用RSoft软件计算得到的结果为：光纤周期 =0.52213902， 光栅长度L=400p m，调制深函 n=0.0031，实际带宽B=3.66381nm, 中心波长反射率为R=0.9421，中心波长A =1.52|j m，反射谱图如图 13所示。采用光纤Bragg光栅的光纤激光器结构简单，能量转换效率高， 而且行波腔结构消除了空间烧孔效应的影响，随着泵浦功率的增加， 输出特性也不会发生改变。这使得光纤激光器能满足不同应用要求的 需要。5.2应用前景全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。虽然 光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是

18、对光纤光栅技术 和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光 栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值 的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器 件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源对光 纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从光 纤激光器、波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色 散补偿，到全光网络上下路、波长路由、光交换等，光纤光栅的应用 将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要 的角色。参考文献【1】郭玉彬，霍佳雨主编.光纤激光器及其应

19、用M.北京：科学出版 社，2008.【2】黄楚云，杨涛.光纤激光器的研究现状及发展趋势J.黄石理工 学院学报，2008(04)【3】丁镭，徐雁军，袁树忠基于F-P腔光纤激光器J.光子学报， 1999(10)【4】冯显桂，西南交通大学，级联光纤光栅的特性及应用研究，2009【5】李惠萍，王庆亚，秦莉.光纤光栅特性分析J.光电子激光，2001,12(1)【6】李川，张以谟等.光纤光栅原理、技术及应用M.北京：科学出 版社，2005附程序Length = 400ModDelta = 0.0031N0 = background_indexPeriod = 0.8alpha = 0background_

20、index = 1.45delta = 0.01dimension = 3eim = 0free_space_wavelength = 1.52 grating_fixlambda = 1 grating_scan_option = 3 height = 7k0 = (2*pi)/free_space_wavelength mode_length = default monitor_step_size = Period/4 profile_type = PROF_STEPINDEX sim_tool = ST_GRATINGMOD slice_step_size = Period/4 step

21、_size = Period/4structure = STRUCT_FIBER width = 7user_taper 1type = UF_GRATING gr_profile_type = 0 gr_apodization_type = APOD_UNIFORM gr_chirp_type = CHIRP_LINEAR gr_phase = 0gr_period = Period gr_apodization_coef = 0 gr_chirp_coef = 0end user_tapersegment 1color = 12index_taper = TAPER_USER_1begin.x = 0begin.z = 0end.x = 0 rel begin segment 1end.z = Length rel begin segment 1 end.delta = delta+ModDeltaend segment