最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
(
n 2 n0
)
2
(
1 N
)2
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光纤的光敏特性

❖ 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：GeOx ▪ 其它掺杂物质：Erbium（铒）, Europium
▪ 倍频氩离子激光器 ▪ 准分子激光器 ▪ 倍频铜蒸气激光器 ▪ 倍频可调谐染料激光器 ▪ 倍频可调谐OPO ▪ 三倍频YAG激光器 ▪ Alexandrite(紫翠玉)激光器
❖ FBG写入技术分类
▪ 内部写入法 ▪ 双光束干涉法 ▪ 掩模法 ▪ 模板+双光束干涉法 ▪ 逐点写入法 ▪ 其它写入法
FBG写入技术
（铕）, Cerium（铈）
❖ 影响光纤光敏性的因素
▪ 掺杂种类与掺杂浓度 ▪ 预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前 ▪ 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
❖ 增加光纤光敏性的方法 ▪ 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
❖ ⅡA（Ⅲ）类光栅
▪ 掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)的光纤内形成 ▪ 较高UV曝光量（ ＞ 500J/cm2)， ▪ 结构重构引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n＜0 ▪ 温度稳定性较好（500℃） ▪ 可使脉冲或连续激光
❖ Ⅱ类光栅
▪ 极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 ▪ 物理破坏引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n可达10-2 ▪ 温度稳定性好（800℃） ▪ 只能使用脉冲激光
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光致折射率变化的特性
❖ 光致折射率变化的各向异性
▪ 光纤光栅双折射～10-6 ▪ 侧向写入制成的光纤光栅双折射要
大2个数量级 ▪ 双折射与UV激光的偏振方向有关：P
方向小，S方向大，可相差10倍 ▪ 双折射与UV激光的波长有关：193nm
较240nm UV激光产生更大的双折射
❖ 光致折射率变化的阈值特性(右上图)
设光纤纤芯折射率为 n(z) n0 n cos(2z / )
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为
R(l,
)
k
2
2 sinh 2 (sl) sinh 2 (sl) s2 cosh
2
(sl)
k k / k 2n0 /
s2 2 k 2 M p 1V 2
n
M
p
V (2a / )(nc2o nc2l )1/ 2
• 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
▪ 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
▪ 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
• Source lasers (CW, DML)
• Lithium niobate optical assemblies and modulators
• Wavelockers • Tx/Rx
modules
WDM Mux/Demux
WDM Amplifiers
WDM
Switching
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux
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FBG原理与特性
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。
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第5讲:光纤布拉格光栅(FBG) --基础与应用
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
李恩邦
FBG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 (如右图 所示)。
1978年，加拿大Hill 等人使用如左图 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。
❖ 双光束干涉法
❖ 掩模法
UV beam Phase Mask
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❖ 波分复用与解 复用
❖ 波长锁定 ❖ 光纤放大器增
益平坦
❖ 色散补偿 ❖ 上下路复用与
解复用
❖ 光CDMA
FBG在光通信中的应用
Components and Modules in DWDM Networks
WDM Transmitters
• 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
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光纤光栅分类
❖ Ⅰ类光栅
▪ 掺杂浓度较低的光纤内形成 ▪ 较低UV曝光量 ▪ 局部缺陷引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0
▪ 温度稳定性较差（300℃） ▪ 可使脉冲或连续激光，前者更有效
❖ 折射率变化的温度稳定性(右下图)
▪ 光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态
▪ 在一定温度下，折射率变化变小甚 至完全消失
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❖ FBG制作对UV激光器的要求
▪ 输出波长及其稳定性 ▪ 空间及时间相干性 ▪ 输出功率或脉冲能量及重复率 ▪ 光斑质量 ▪ 偏振特性 ▪ 光束指向稳定性
❖ 用于FBG制作的UV激光器
题
❖ 混合掺杂 ▪ 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
▪ 掺Tin（锡）
• 较B-Ge光纤的光敏性增加3倍 • 热稳定性优于B-Ge光纤
▪ 掺N2（氮气）