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（簡稱FBG）是在單模光纖的纖芯內(nèi)通過某種方式對其折射率產(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驗裝置將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)形成的干涉條紋場而導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，形成對入射波的反射。其反射波長即布拉格波長為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,摻雜光纖光敏性機理 摻雜物質(zhì)與SiO2混合時形成的結(jié)構(gòu)缺陷 外界光場作用下通過單光子或雙光子吸收過程使錯位鍵破裂形成色心 標準光纖：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所施加的應力有關(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，時間：數(shù)十小時至數(shù)天 形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH 有效增加標準單模光纖的光敏性 標準單模光纖損耗增大 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 高溫對光纖造成損傷，引起可靠性等方面問題 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 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（氮氣） SPCVD過程中，加入0.1%氮氣可使光敏性加倍 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，瞬間局部溫度達上千度 物理破壞引起折射率變化 折射率變化n可達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個數(shù)量級 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寫入技術(shù),FBG制作對UV激光器的要求 輸出波長及其穩(wěn)定性 空間及時間相干性 輸出功率或脈沖能量及重復率 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寫入技術(shù)分類 內(nèi)部寫入法 雙光束干涉法 掩模法 模板+雙光束干涉法