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何为光纤光栅?

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发表时间:2021-07-29 10:00

   光纤光栅是一种通过一定方法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、能埋入智能材料等优点,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,因此在制作光纤激光器、光纤通信和传感领域得到了广泛的应用

   光纤光栅主要的制作方法是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法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,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个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射,其余的波长透过光纤光栅继续传输。

简介

   1993年hill等人提出了相位掩模技术,它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的±1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光,使纤芯折射率产生周期性变化,从而写入光栅。此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活,便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖,使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤,它还大大提高了光致折变量(由10^-5最大提高到了10^-20),这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互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(利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性)一个窄带的(投射或反射)滤光器或反射镜。

特点

   光纤光栅具有体积小、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。

   1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅,经过三十多年来的发展,在制作光纤激光器、光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善,光纤光敏性逐渐提高;各种特种光栅相继问世,光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多,使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

主要分类:

随着光纤光栅应用范围的日益扩大,光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式,可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅,如均匀光纤Bragg光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅,如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。

均匀光纤光栅

均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射,反射带宽窄。在传感器领域,均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域,均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。

均匀长周期光纤光栅

均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级,它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域,长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域,长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器、增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。

切趾光纤光栅

对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅,其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰,一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器,这些侧峰的存在是一个不良的因素,它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模,人们提出了一种行之有效的办法一切趾所谓切趾,就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅,它反射谱中的边模明显降低。

相移光纤光栅

相移光纤光栅是由多段m(M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。

取样光纤光栅

取样光纤光栅也称超结构光纤光栅,它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外,取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是,取样光纤光栅构成的分插器件

可同时分或插多路信道间隔相同的信号。

啁啾光纤光栅

所谓啁啾光纤光栅,是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在啁啾光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以啁啾光纤光栅的特点是反射谱宽,在反射带宽内具有渐变的群时延,群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以,可以利用啁啾光纤光栅作为色散补偿器。

大啁啾光纤光栅

对于啁啾率大于0.5nm/cm的啁啾光纤光栅,称之为大啁啾光纤光栅。利用大啁啾光纤光栅进行色散补偿(脉冲展宽/压缩)是超快激光器领域的核心关键技术之一,已经成为大啁啾光纤光栅的重要应用方向。除此之外,大啁啾光纤光栅还可用于多波长光源的稳定合成、短光纤激光的整形、以及制作稳定连续波和可调锁模外腔半导体激光器。光纤光栅传感解调技术中,也需要用到具有特殊反射波形的大啁啾光纤光栅。

运用范围

纤光栅在光纤通信系统中的应用 光纤光栅作为一种新型光器件,主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能,应用广泛,可构成的有源和无源光纤器件分别是:

有源器件:光纤激光器(光栅窄带反射器用于DFB等结构,波长可调谐等);半导体激光器(光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源);EDFA光纤放大器(光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射);Ramam光纤放大器(布喇格光栅谐振腔);

无源器件:滤波器(窄带、宽带及带阻;反射式和透射式);WDM波分复用器(波导光栅阵列、光栅/滤波组合);OADM上下路分插复用器(光栅选路);色散补偿器(线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿,抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿);波长变换器 OTDM延时器 OCDMA编码器 光纤光栅编码器。

传感器中

光纤光栅自问世以来,已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点,所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感,所以主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此,传感器灵敏度高,抗干扰能力强,对光源能量和稳定性要求低,适合作精密、精确测量。 光纤光栅传感器现已占以光纤为主的材料的44.2 %。光纤光栅传感器已被用于各个方面,例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、地球技术、铁路、油或气库的监测。传感器的一个发展方向就是多点、分布式传感器,它们主要是利用WDM, TDM, SDM, CDMA的组合。

滤波器中

光纤滤波器是光纤通信中的一个重要的无源器件,光纤光栅的出现真正实现了全光纤型滤波器。光纤光栅滤波器成本低、与光纤兼容、易于集成等优点是光纤通信系统中理想的器件。随着光纤光栅制作技术的成熟和各种波长调节手段的丰富,可以实现从1520~1560nm全波段单通道和多通道的宽带、高反射率的带阻滤波器和窄带、低损耗的带通滤波器,另外应用于增益平坦的光纤光栅滤波器得到了人们的广泛的关注.除此之外光纤光栅还用于sdh系统的色散补偿以及wdm系统的分插复用。

色散补偿

光纤光栅色散补偿

光纤光栅色散补偿

对于普通单模G.652光纤,在1550nm处色散值为正,光脉冲在其中传输时,短波长的光(“兰光”)较长波长的光(“红光”)传播得快.这样经过一定距离得传输后,脉冲就被展宽了,形成光纤材料的色散.若使光栅周期大的一端在前,使长波长的光在光栅前端反射,而短波长的光在光栅末端反射,因此短波长的光比长波长的光多走了2L距离(L为光栅长度),这样便在长、短波长光之间产生了时延差,从而形成了光栅的色散。 当光脉冲通过光栅后,短波长的光的时延比长波长的光的时延长,正好起到了色散均衡作用,从而实现了色散补偿。

光纤激光器中

光纤激光器由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成,增益光纤为产生光子的增益介质;抽运光的作用是作为外部能量使增益介质达到粒子数反转,也就是泵浦源;光学谐振腔由两个反射镜组成,作用是使光子得到反馈并在工作介质中得到放大,在光纤激光器中,构成反射镜的谐振腔一般由一对光纤光栅组成(一只高反光栅,一只低反光栅,中心波长匹配)。泵浦源的抽运光进入增益光纤后被吸收,进而使增益介质中能级粒子数发生反转,当谐振腔内的增益高于损耗时在2只光纤光栅之间便会形成激光振荡,产生激光信号输出。

无锡易卿辰光电科技,可提供各类定制光纤光栅。



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