光纤bragg光栅fbg设计学士学位论文.docx

1、光纤bragg光栅fbg设计学士学位论文 光纤Bragg光栅（FBG）设计毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设

2、计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（

3、复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它目录一、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

4、 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Henry Rowland发

5、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1 FBG的基本结

6、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

7、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B=2neff，其中，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

8、，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

9、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BGe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

10、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

11、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

12、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

13、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=7m，中心波长=1.52m，带宽B=3.7nm，反射率R=0.94。要求参数有：光纤周期，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： (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

14、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42自动排布生成的光纤Bragg光栅图53求解光栅的周期先设定中心波长=1.52m图6可得到=0.52

15、213902，如下：图74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

16、有光栅长度L在变化：如图所示，L=0.5mm时，如图：图10L=1mm时，如图：图116.设置求解光栅长度L和调制深度n图12求得：L=400m，n=0.00317.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

17、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=7m，中心波长=1.52m，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=0.52213902，光栅长度L=400m，调制深度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=1.52m，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

18、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

19、、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Le

20、ngth = 400ModDelta = 0.0031N0 = background_indexPeriod = 0.8alpha = 0background_index = 1.45delta = 0.01dimension = 3eim = 0free_space_wavelength = 1.52grating_fixlambda = 1grating_scan_option = 3height = 7k0 = (2*pi)/free_space_wavelengthmode_length = defaultmonitor_step_size = Period/4profile_type

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