光纤Brag光栅FBG设计.docx

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光纤Brag光栅FBG设计

JIANGSUUNIVERSITY

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

一、光栅定义和发展历程2

1.1、光栅的定义2

1.2、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3

2.1光纤Bragg光栅的特点3

2.2光纤Bragg光栅的工作原理4

三、光纤Bragg光栅的制作方法4

3.1光敏光纤的制备4

四、光纤Bragg光栅在光纤激光器里的应用5

4.1光纤激光器简介5

4.2在光纤激光器里的工作原理6

4.3光纤Bragg光栅的设计要求7

4.3.1设计的基本参数要求8

4.3.2设计的基本步骤9

五、设计结论及应用前景15

5.1结论及计算结果15

5.2应用前景16

参考文献17

附程序18

一、光栅定义和发展历程

1.1、光栅的定义

自从19世纪末HenryRowland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。

图1FBG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λB=2neffΛ，其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。

2.2光纤Bragg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。

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

4.1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。

图3基于FBG的光纤激光器的基本结构

4.2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。

法布里-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法布里-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Bragg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，纤芯折射率为1.46，纤芯直径为d=7μm，中心波长λ=1.52μm，带宽B=3.7nm，反射率R=0.94。

要求参数有：

光纤周期Λ，光栅长度L，调制深度Δn，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：

（3）

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一致的。

由于

，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

为

两边的第一个零反射波长之间的带宽，则可得：

（4）

在弱光栅（光致折射率变化很小）中，

，因此，

，其中N=

表示光栅栅格的总数，所以弱光栅的带宽主要决定于其长度，长度越大，带宽越窄。

而在强光栅中，

，因此，

，所以，在强光栅的限制中，光不能透过光栅的全长，因此，其带宽独立于光上的长度，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：

图4

2．自动排布生成的光纤Bragg光栅

图5

3．求解光栅的周期Λ

先设定中心波长λ=1.52μm

图6

可得到Λ=0.52213902，如下：

图7

4．不同折射率调制深度

下的反射特性

当

=0.002时其反射谱线，如下：

图8

若将调制深度改为：

，则光纤Bragg光栅的反射谱线为：

图9

小结：

从图8、图9中看出，光栅的反射率与折射率调制

及光栅长度L成正比，

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。

5．光栅长度L对其反射特性的影响

在不同的光栅长度L下，光纤Bragg光栅F-P腔将呈现出新的反射特性，图中参数为包层折射率nclad,纤芯折射率，纤芯直径d,

都一样，只有光栅长度L在变化：

如图所示，

L=0.5mm时，如图：

图10

L=1mm时，如图：

图11

6.设置求解光栅长度L和调制深度Δn

图12

求得：

L=400μm，Δn=0.0031

7.求解光栅带宽和反射谱峰值，如下：

图13光纤Bragg的反射谱

五、设计结论及应用前景

5.1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，

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L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=7μm，中心波长λ=1.52μm，带宽B=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Λ=0.52213902，

光栅长度L=400μm，调制深度Δn=0.0031，实际带宽B=3.66381nm，中心波长反射率为R=0.9421，中心波长λ=1.52μm，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=400

ModDelta=0.0031

N0=background_index

Period=0.8

alpha=0

background_index=1.45

delta=0.01

dimension=3

eim=0

free_space_wavelength=1.52

grating_fixlambda=1

grating_scan_option=3

height=7

k0=（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_size=Period/4

structure=STRUCT_FIBER

width=7

user_taper1

type=UF_GRATING

gr_profile_type=0

gr_apodization_type=APOD_UNIFORM

gr_chirp_type=CHIRP_LINEAR

gr_phase=0

gr_period=Period

gr_apodization_coef=0

gr_chirp_coef=0

enduser_taper

segment1

color=12

index_taper=TAPER_USER_1

begin.x=0

begin.z=0

end.x=0relbeginsegment1

end.z=Lengthrelbeginsegment1

end.delta=delta+ModDelta

endsegment