光纖光柵理論演示文稿目前一頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點8.光纖光柵器件(1).光纖光柵定義與系統(tǒng)特性

(2).光纖光柵種類

(3).光纖光柵理論分析方法:耦合波理論\光線理論

(4).光纖光柵制作:光敏性

(5).光纖光柵的應用

目前二頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點（1）、光纖光柵定義與系統(tǒng)特性

光纖光柵是一小段光纖，它的芯層折射率沿縱向發(fā)生周期性的改變。下面是光纖光柵中最簡單的一種——均勻光柵，見圖1：光纖光柵的定義圖1均勻光纖光柵目前三頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點均勻光纖光柵的折射率分布均勻光纖光柵（如圖1）的折射率分布可假設為：目前四頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點光纖光柵的光學特性

光纖光柵是一種參數(shù)周期性變化的波導，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個光纖模式的功率部分或完全地轉(zhuǎn)移到另一個光纖模式中去來改變?nèi)肷涔獾念l譜。在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模既可被耦合到反向傳輸模也可被耦合到前向包層模中，這依賴于由光柵及不同傳輸常數(shù)決定的相位條件，即：若要將正向傳播導波模式耦合到反向傳播導波模式，從前面給的相位匹配條件可得：目前五頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點光纖光柵的系統(tǒng)特性

（1）反射率與光纖長度的關系，其中V為光柵的結(jié)構(gòu)常數(shù)

為傳播常數(shù)

這里，令：目前六頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點可得到反射率和透射率的關系式為：其中，由R的表達式可以求得反射譜的半高全寬度(FWHM)為：目前七頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖2反射率與光柵長度的關系目前八頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖3反射率與光柵長度的關系目前九頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖4反射率與光柵長度的關系目前十頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點（2）有效長度與折射率擾動的關系

取反射率R＝0.9時，光柵長度為有效長度可得有效長度與的關系。，圖5光柵有效長度和折射率擾動的關系可見在反射率一定的情況下，折射率擾動越大，光柵的長度可以做的越短。

目前十一頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖6光柵有效長度和不同的折射率擾動的關系目前十二頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點（3）譜線寬度

目前十三頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖8線寬與光柵長度的關系圖7線寬與折射率的關系目前十四頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點（4）光纖光柵反射光譜特性

目前十五頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖9光柵反射光譜特性曲線目前十六頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點(2).光纖光柵種類光纖光柵按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性可分為：

①均勻周期光纖布拉格光柵：通常稱為布拉格光柵，是最早發(fā)展起來的一種光柵，也是應用最廣的一種光柵。折射率調(diào)制深度和柵格周期均為常數(shù)，光柵波矢方向跟光纖軸向一致。此類光柵在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波②啁啾光柵：柵格間距不等的光柵。有線性啁啾和分段啁啾光柵，主要用來做色散補償和光纖放大器的增益平坦。分復用/解復用等領域有重要應用價值。目前十七頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點③閃耀光柵：當光柵制作時，紫外側(cè)寫光束與光纖軸不垂直時，造成其折射率的空間分布與光纖軸有一個小角度，形成閃耀光柵。④長周期光柵：柵格周期遠大于一般的光纖光柵，與普通光柵不同，它不是將某個波長的光反射，而是耦合到包層中去，主要用于EDFA的增益平坦和光纖傳感。⑤相移光柵：在普通光柵的某些點上，光柵折射率空間分布不連續(xù)而得到的。它可以看作是兩個光柵的不連續(xù)連接。它能夠在周期性光柵光譜阻帶內(nèi)打開一個透射窗口，使得光柵對某一波長有更高的選擇度。可以用來構(gòu)造多通道濾波器件。

此外還有Tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、Tophat光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等。目前十八頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點根據(jù)光纖光柵的成柵機理來分可分為三種：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型：

①Ⅰ型光柵：即最常見的光柵，可成柵在任何類型的光敏光纖上，其主要特點是其導波模的反射譜跟透射譜互補，幾乎沒有吸收或包層耦合損耗；另一特點是容易被“擦除”，即在較低溫度（200℃左右）下光柵會變?nèi)趸蛳?。②ⅡA型光柵：成柵于高摻鍺（15％mol）光敏光纖或硼鍺共摻光敏光纖上，曝光時間較長。成柵機理于Ⅰ型不同。其寫入過程為：曝光開始不久，纖芯中形成Ⅰ型光柵，隨著曝光時間的增加，此光柵被部分或者完全擦除，然后再產(chǎn)生第二個光柵，即形成ⅡA型光柵，其溫度穩(wěn)定性優(yōu)于Ⅰ型光柵，直到500℃附近才能觀察到光柵的擦除效應，更適合于在高溫下使用，如高溫傳感等。目前十九頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點③Ⅱ型光柵：由單個高能量光脈沖（大于0.5J/cm2）曝光形成。其透射譜只能使波長大于Bragg波長的光透射，波長小的部分被耦合到包層中損耗掉。成柵機理可理解為能量非均勻的激光脈沖被纖芯石英強烈放大造成纖芯物理損傷的結(jié)果。有極高的溫度穩(wěn)定性，在800℃下放置24小時無明顯變化，在1000℃環(huán)境中放置4小時后大部分光柵才消失。目前二十頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點(3).光纖光柵理論分析方法:耦合波理論\光線理論

耦合波理論是分析光纖光柵的最基本方法，耦合波理論用于光纖光柵時，把光柵區(qū)域折射率的變化看作微擾，它們的作用不改變原階躍折射率光纖中各模式的分布，只是引起模式間的相互作用和能量交換，改變各模式的幅度。當光纖光柵具有均勻周期結(jié)構(gòu)時，通過推導藕合模方程可得到解析解，但對于非均勻光柵(如啁啾光柵、相移光柵、取樣光柵等)，利用耦合模方程的分析過程變得十分繁瑣，而傳輸矩陣分析方法由于具有清晰、快捷和精確的特點，特別適宜于這類光纖光柵的分析。耦合波理論目前二十一頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點光線理論

光線理論是我們之前所學到的幾何光學常用分析方法，是將光束看成一條條理想化的直的光線，然后綜合運用光的直線傳播定理，光的獨立傳播定理，反射定理，折射定理，光的全反射定理，菲涅爾定理等，進而分析光的反射譜，光的透射譜。運用光線理論也可以進行光纖光柵分析，運用該方法首先要對光線進行假設，從而得到各個參數(shù)。目前二十二頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點

光纖的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化的特性(這種現(xiàn)象也稱為光致折射率變化效應，簡稱光折變效應。光纖的光敏性是光纖光柵周期性折射率變化的根本原因。（4）、光纖光柵制作

光纖的光敏性

光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關，如照射波長、光纖類型、摻雜水平等。如果不進行其它處理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為（10的負4次方）數(shù)量級便已經(jīng)飽和，為了滿足高速通信的需要，提高光纖光敏性日益重要，光纖增敏方法主要有以下幾種：

a摻入光敏性雜質(zhì)，如：鍺、錫、棚等。

b多種摻雜（主要是B／Ge共接）。

c高壓低溫氫氣擴散處理。

d劇火。

目前二十三頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點（1）內(nèi)部寫入法內(nèi)部寫入法又稱駐波法。Hill早在1978年，用圖5所示的實驗裝置制作了歷史上第一個布拉格光纖光柵。將波長488nm的單模氬離子激光從一個端面耦合輸入到鍺摻雜光纖中。從光纖中返回的光經(jīng)過分光器，由光電探測器1監(jiān)測,而透射光則由光電探測器2接收。經(jīng)過光纖另一端面反射鏡的反射，使光纖中的入射和反射激光相干涉形成駐波。由于纖芯材料具有光敏性，其折射率發(fā)生相應的周期性變化，于是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵。已測得其反射率可達90％以上，反射帶寬小于200MHz。此方法是早期使用的。由于實驗要求在特制鍺摻雜光纖中進行，要求鍺含量很高，芯徑很小，因此，其實用性受到限制。布拉格光纖光柵的制作圖5布拉格光纖光柵的制作目前二十四頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點

全息干涉法又稱外側(cè)寫入法，如圖6示，用準分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了橫向側(cè)面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在摻鍺光纖的側(cè)面相互干涉，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵?？梢?，通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數(shù)，獲得所需的光纖光柵。這種光柵制造方法采用多脈沖重復曝光技術，光柵性質(zhì)可以精確控制，但是容易受機械震動和溫度漂移的影響，并且不易制作具有復雜截面的光纖光柵。（2）全息干涉法目前二十五頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖6布全息干涉法制作光纖光柵目前二十六頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點

利用此技術制作FBG的干涉裝置可以用棱鏡或者洛埃鏡。如圖7示，使用棱鏡干涉法制作FBG的示意圖。在這個裝置中，UV光束在棱鏡的輸入面上通過折射而橫向展寬。展寬的光束一分為二，一半光束在棱鏡表面上發(fā)生全內(nèi)反射，然后，與另一半光束在棱鏡的輸出面上產(chǎn)生干涉。放在此裝置之前的柱狀透鏡有助于沿著纖芯所形成的干涉圖樣在一條直線上。（3）分波前干涉法目前二十七頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖7分波前干涉法制作光纖光柵目前二十八頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點

相位掩模板（PhaseMask）是衍射光學元件，用以將入射光束一分為二+1級和-1級衍射光束，它們的光功率電平相等，兩束激光相干涉并形成明暗相間條紋，在相應的光強作用下纖芯折射率受到調(diào)制。相位掩模板是一個在石英襯底上刻制的相位光柵，它可以用全息曝光或電子束蝕刻結(jié)合反應離子束蝕刻技術制作。它具有抑制零級，增強一級衍射的功能。因此，對光源的相干性要求不高，簡化了光纖光柵的制造系統(tǒng)，其主要缺點是不同Bragg波長要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的價錢較貴。該方法大大簡化了光纖光柵的制作過程，是目前寫入光柵常用的一種方法。（4）相位掩模法目前二十九頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖8相位掩膜法制作光纖光柵目前三十頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點（1）振幅掩模法2.長周期光纖光柵的制作

圖10振幅掩模法制作長周期光纖光柵目前三十一頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點利用制作耦合器的熔融拉錐工藝來制作長周期光纖光柵。在用高功率激光、電弧或火焰對光纖進行局部加熱的同時，對光纖施加一定的應力，使得光纖芯徑發(fā)生周期性變化，從而形成光柵?？捎镁芮懈顧C在光纖表面上刻周期性的v型槽，v型槽的周期數(shù)和間距決定所需濾波器的共振波長和帶寬等。v型槽的深度及形狀將影響光纖光柵的折射率分布輪廓，從而決定光柵的效率。如圖6示，把刻好周期性v型槽的光纖置于光纖拉錐機上，光纖一端與光源連接，另一端連接光學光譜分析儀（OSA）進行監(jiān)測，用氫氣火焰對光纖V型槽區(qū)域進行拉伸退火，由于受熔融玻璃表面應力影響被刻v型槽一邊光纖纖芯的不平衡等因素，而使得纖芯產(chǎn)生周期性畸變，導致纖芯折射率的周期性變化。（2）熔融拉錐法圖11熔融拉錐法制作長周期光纖光柵目前三十二頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點

這種方法延伸了點-點寫入技術，而且不需要額外的費用就可寫入任意形式的LPFG。實驗裝置如圖示，UV光束通過顯微鏡物鏡照射到光纖上，顯微鏡物鏡的作用是使光束聚焦后尺寸小于30μm。微控移動平臺使UV光束沿著光纖方向進行掃描，此時，由計算機控制的光圈便使光纖周期性的曝光。在這里，光圈的改變是靠移動平臺的位置來觸發(fā)的。光柵的最大長度由移動平臺移動的總長度決定，這個限制可通過平移光纖來克服。實驗表明，制作出長為11mm，周期為500μm的LPFG，經(jīng)測試，實驗值與模擬值吻合，從而說明了這個簡易方法的準確性。見圖12：（3）掃描法目前三十三頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖12掃描法制作長周期光纖光柵目前三十四頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點圖13深圳市民中心大廈光纖光柵智能健康監(jiān)測系統(tǒng)

(5).光纖光柵的應用目前，應用光纖光柵傳感器最多的領域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。加拿大卡爾加里附近的BeddingtonTrail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一（1993年），16個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上，對橋梁結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)測，這在以前被認為是不可能的。目前三十五頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點它可實現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應用要求刻寫多個不同布拉格波長的光柵，在光纖一端實現(xiàn)所有光柵信號的檢測；同時能進一步集合成分布傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，可廣泛應用于對工程結(jié)構(gòu)的應力、應變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實時在線、分布式檢測。1.

襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應力監(jiān)測系統(tǒng)；2.

寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應力分布測量系統(tǒng)；3.

巴東長江大橋雙塔光纖光柵和應力施工監(jiān)測系統(tǒng)長期智能健康監(jiān)測系統(tǒng)；4.

?？谑兰o大橋光纖光柵長期健康監(jiān)測系統(tǒng)；5.

貴陽冷飯盒大橋光纖光柵預應力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長期智能健康系統(tǒng)。目前三十六頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點光纖光柵在光纖通信領域的應用基于光纖光柵的獨特性能，它的應用已經(jīng)滲透到光纖通信的各個環(huán)節(jié)，成為下一代高速光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的關鍵器件之一，使全光通信網(wǎng)的實現(xiàn)成為可能，光纖光柵在光纖通信領域中的應用主要有:(1)光纖激光器光纖光柵的窄帶反射特性和全兼容于光纖的優(yōu)點使其特別適合于制作光纖激光器。利用光纖光柵作為光纖激光器的腔鏡，可以實現(xiàn)模式選擇和窄帶反饋的單頻激光器。這類激光器的兼容性、輸出穩(wěn)定性和光譜純度比半導體激光器好，而且具有較高的光輸出功率、較低的相對強度噪聲、極窄的線寬和較寬的調(diào)諧范圍.在光纖激光器中，利用取樣光纖光柵作為反饋諧振腔可以實現(xiàn)多波長輸出，這種多波長激光器是密集波分復用系統(tǒng)中理想的標準通道光源。目前三十七頁\總數(shù)四十一頁\編于十二點光纖光柵在光纖通信領域的應用(2)光纖濾波器

光纖濾波器是光纖通信系統(tǒng)中的關鍵器件。均勻光纖布喇格光柵實質(zhì)上是一個波長選擇器，反射率幾乎可達100%，用光纖布喇格光柵做濾波器，可以對光纖透射頻譜中的任一波長進行窄帶濾出，利用布喇格光纖光柵的光譜特性可以構(gòu)成窄帶帶阻、寬帶帶阻、寬帶帶通等不同濾波器;由于光纖光柵的諧振波長對外界環(huán)境比較敏感，因此可作出多種可調(diào)諧濾波器，常用的調(diào)諧技術包括軸向拉伸、軸向壓縮、彎曲、扭曲、橫向負載、溫度調(diào)諧和磁調(diào)諧等.而相移光纖光柵在光柵反射譜的相應位置打開一個透射窗口，可用作窄帶帶通濾波器。此外，取樣光柵是梳狀濾波器，啁啾光纖光柵可做