WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
光电子技术 精品课程
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。
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为
k sinh ( sl ) s cosh k k / k 2 n 0 /
2 2 2
R (l , )
sinh
2
2
( sl )
2
( sl )
s k
2 2
2
M
p
1V
2

n
M
p
V ( 2 a / )( n co n cl )
• • • • 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
影响光纤光敏性的因素

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 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）
• 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
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
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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 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 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
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
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写入技术
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
2 2
1/ 2
最大反射率为 反射谱带宽为
R ( l , ) tanh ( l )
2
1 B s ( 2nn ) ( N ) 2
0
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 （铕）, Cerium（铈） 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 火焰热处理
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 • 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

掺Tin（锡）
ⅡA（Ⅲ）类光栅
Ⅱ类光栅
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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
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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。 设光纤纤芯折射率为 n ( z ) n 0 n cos( 2 z / )
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双光束干涉法
用于FBG制作的UV激光器


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
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写入技术分类
掩模法
UV beam Phase Mask
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FBG在光通信中的应用
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
Components and Modules in DWDM Networks
WDM Amplifiers
WDM
Switching
• Optical Switches • Circulator s • Couplers • Add/drop modules
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated amplifiers • SOAs