➢热稳定性优于B-Ge光纤
11
13.04.2020 光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
（3）掺N2（氮气） ➢SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加倍 ➢折射率变化～2.8×10-3
13.04.2020
12
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
三、光纤光栅的波长调谐技术
光纤光栅的波长调谐是指对制作好的光纤光栅 进行操作，通过不同物理效应改变光纤光栅的光栅 常数（栅距Λ）及光栅位置的折射率分布，使其反 射（或透射）波长产生一定的漂移量，以达到调谐 光纤光栅反射（或透射）波长的目的。
知识点回顾
光纤光栅：
用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光 纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间 分布，形成光栅结构，并且能精确控制谐振波长。
1. 纵向驻波写入技术(内部写入技术)
2. 横向全息写入技术 3. 相位掩模写入技术 4. 逐点曝光写入技术 5. 振幅掩模写入技术
13.04.2020
长周期光纤光栅的工作原理
当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位
匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，
很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，
并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，
基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选
择损耗特性。
mn01nclm
Λ为光栅周期，n01为纤芯模式 折射率，n(m)为m阶包层模式 的折射率。
1. 电磁调谐
将光纤光栅固定在磁致伸缩棒上，连同该磁致 伸缩棒置于均匀磁场中，磁致伸缩棒将磁力转化为 应力作用于光栅上，从而完成光纤光栅波长的连续 均匀调谐。103mT的磁场产生1.1nm的漂移量。
13.04.2020
13
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
如何产生光纤光栅波长的非均匀调谐，即调谐 后为啁啾光纤光栅？
当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相 应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另 外一端透射出来。
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称 为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中 心波长（布拉格波长）表达式：
B 2n
13.04.2020
3
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
13.04.2020
13.04.2020
15
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
3. 机械调谐法 机械调谐法是基于折射率与应力的依赖关系。
各种纵向应力（使光纤光栅轴向拉伸或压缩）、横 向应力（使光纤光栅侧向弯曲）、扭转应力（使光 纤光栅产生形变）都可以实现光纤光栅的波长调谐。 基于机械方法实现调谐的不同途径，可以分为以下 几种： （1）轴向应力机械调谐 a. 梯度应变调谐
1. 掺杂光纤光敏性机理
➢掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 ➢外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂 形成色心
➢标准光纤：GeO2 ➢其它掺杂：Erbium（铒）, Europium（铕）, Cerium（铈） 2. 影响光纤光敏性的因素
➢掺杂种类与掺杂浓度
➢预制棒
➢拉纤速度影响光纤光敏性
➢光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
13.04.2020
8
光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
3. 增加光纤光敏性的方法
（1）低温载氢处理 ➢压力：20~750atm(典型150atm)，温度：20~75℃， 时间：数十小时至数天 ➢形成Ge-H，Si-H，Ge-OH，Si-OH ➢有效增加标准单模光纤的光敏性 ➢标准单模光纤损耗增大 ➢光敏性变化大 ➢退火及老化处理
13.04.2020
10
光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
4. 混合掺杂
（1）掺Boron（硼）
➢降低折射率，可提高Ge掺杂浓度
➢光纤的光敏性增加3倍
➢30min@400℃退火可使折射率变化减半
➢1500nm窗口付加损耗～0.1dB/m
➢双折射效应
（2）掺Tin（锡）
➢较B-Ge光纤的光敏性增加3倍
4
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
均匀FBG的反射特性
峰值反射率： Rma xtan 2khL
反射带宽：
neff
neff
B
由以上两式可知，光栅互耦合系数k（正比于折 射率调制深度）与长度乘积kL越大，则峰值反射率 越高；折射率调制深度越大，则反射带宽越宽。
13.04.2020
5
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
13.04.2020
9
光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
（2）高温载氢处理
➢在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温 至600℃ ➢短时间（10秒）内增加光纤的光敏性 （3）火焰热处理 ➢氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃ ➢持续20分钟 ➢光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10-3 ➢高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题
1
光纤通信器件
第四章 光纤光栅原理及应用
一、光纤光栅的工作原理
入 射 光
包 层
透 射 光
反 射 光
Λ
纤 芯
光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：
12 2
β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的
周期，在写入光栅的过程中确定下来。
13.04.2020
2
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理
13.04.2020
14
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
2. 热调谐法 热调谐法是基于折射率与温度的依赖关系，实
验证明：光纤布拉格光栅波长的温度灵敏度为0.011 nm/oC（或者0.015nm/oC ）。热调谐的方法可以使 光纤光栅波长的调谐量达到30nm，但是调谐温度不 易控制，容易受应力的交叉影响，而且热传递速度 缓慢决定调谐过程缓慢，以至于适用价值不是很大。
磁致伸缩棒置于非均匀磁场中，则磁致伸缩棒 表面不同位置产生的应力大小也不同，使得光纤光 栅上不同位置的栅格间距（光栅常数Λ）被拉伸或挤 压的程度也有区别，折射率变化程度也不一致，使 得原本均匀周期的光纤光栅变为非均匀周期的啁啾 光纤光栅。磁场梯度为23mT/cm时，带宽为0.92nm 的光纤光栅被调谐成1.63nm的啁啾光纤光栅。
13.04.2020
6ห้องสมุดไป่ตู้
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
长周期光纤光栅的光谱特点
包层
纤芯
基模至包层模的转换谱（ ˆ 是自耦系数，k是互耦系数）：
峰值转换率：
7
Tt2 1ˆ2si2n k2ˆ2 1k2
Tma xsi2 nkL
13.04.2020 光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
二、掺杂光纤的光敏性