光钎通信器件第四章光纤光栅原理及应用
光纤光栅原理及应用
光纤光栅原理及应用光纤光栅是一种通过在光纤中引入周期性折射率变化的装置，利用折射率变化来调制和处理光信号。
光纤光栅的工作原理基于布拉格光栅的原理，它可以实现光的反射、衍射和干涉，具有许多重要的应用。
光纤光栅的工作原理可以分为两种类型：折射率周期变化型和几何尺寸周期变化型。
在折射率周期变化型中，光纤的折射率会周期性地改变，形成一定的折射率分布。
而在几何尺寸周期变化型中，光纤的尺寸周期性改变，例如通过在光纤表面制造微细结构。
光纤光栅的应用十分广泛。
以下是一些光纤光栅的常见应用：1.光纤通信系统中的滤波器：光纤光栅可以用作滤波器来选择性地过滤光纤通信信号，去除噪声和干扰，从而提高信号质量和传输效率。
2.光纤传感器：由于光纤光栅对于外界环境的敏感性，它可以用作各种类型的传感器，例如温度传感器、应变传感器和压力传感器等。
当外界环境发生变化时，光纤光栅会产生相应的光强、频率或相位变化，从而测量环境的变化量。
3.激光器输出功率控制：光纤光栅可以通过调整光纤中的折射率改变激光器的输出功率。
通过改变光纤光栅的特性，可以有效地控制激光器的输出光强，实现激光器的功率稳定控制。
4.光纤光栅传输线惯性测量：光纤光栅可以用作惯性传感器，测量力、加速度或角度的变化。
通过测量光纤光栅的变化，可以获得与物体的动态运动相关的信息。
5.光纤光栅激光器：光纤光栅可以用作可调谐激光器，通过改变光纤光栅的特性，可以实现激光器输出波长的调谐。
这对于光通信系统、光谱分析和光学成像等领域非常重要。
以上只是光纤光栅的一些常见应用，随着技术的不断发展，光纤光栅的应用领域还在不断扩展。
光纤光栅具有体积小、重量轻、高稳定性和高灵敏度等优点，因此在光学传感、通信和激光器等领域具有广泛应用前景。
光纤光栅的工作原理和应用
光纤光栅的工作原理和应用1. 光纤光栅的简介光纤光栅是一种应用于光纤传感领域的重要器件，它利用光纤中特殊结构的光栅来实现对光信号的调制和传感。
光纤光栅通过改变光纤中的折射率或光栅的周期来实现对光信号的调制，从而实现光纤传感的功能。
光纤光栅具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在许多领域有着广泛的应用。
2. 光纤光栅的工作原理光纤光栅的工作原理基于光栅的衍射效应和光纤中的模式耦合效应。
2.1 光栅的衍射效应光纤光栅中的光栅是由周期性变化的折射率组成的。
当光信号经过光栅时，会发生衍射现象。
根据光栅的周期，光信号将按照一定的规律分散成多个衍射光束。
通过控制光栅的周期，可以实现对光信号的调制。
2.2 光纤中的模式耦合效应在光纤中，光信号可以以不同的模式传播，例如基模和高阶模。
当光信号经过光栅时，不同模式的光信号会发生模式耦合现象。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对不同模式光信号的调制和耦合。
3. 光纤光栅的应用光纤光栅在光纤传感、光通信和光子器件等领域有着广泛的应用。
3.1 光纤传感光纤光栅作为一种重要的传感器器件，可以实现对温度、压力、应变等物理量的测量。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制，从而实现对物理量的传感。
光纤光栅传感器具有高灵敏度、远程测量和抗干扰能力强等优点，在工程领域有着广泛的应用。
3.2 光通信光纤光栅在光通信领域有着重要的应用。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制和耦合。
利用光纤光栅可以实现光信号的分波、波长选择、增益均衡等功能，从而提高光通信系统的性能和可靠性。
3.3 光子器件光纤光栅作为一种重要的光子器件，可以实现对光信号的调制和控制。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制和滤波功能。
光纤光栅滤波器、光纤光栅耦合器等器件在光子器件领域有着广泛的应用。
4. 总结光纤光栅作为一种重要的光纤传感器器件，具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在光纤传感、光通信和光子器件等领域有着广泛的应用。
光栅的结构及工作原理
光栅的结构及工作原理引言概述：光栅是一种常用的光学元件，广泛应用于光谱仪、激光器、光纤通信等领域。
本文将详细介绍光栅的结构及工作原理，匡助读者更好地理解光栅的工作原理和应用。
一、光栅的结构1.1 光栅的基本构成光栅通常由一系列平行的凹槽或者凸起组成，这些凹槽或者凸起被称为光栅线。
光栅线可以是等距罗列的，也可以是不等距罗列的。
光栅线的宽度和间距决定了光栅的性能。
1.2 光栅的材料光栅的材料通常是光学玻璃、光学晶体或者金属等。
不同的材料具有不同的光学性质，选择合适的材料可以满足不同的应用需求。
1.3 光栅的制作工艺光栅的制作工艺通常包括光刻、蚀刻、电子束暴光等步骤。
这些工艺可以精确地控制光栅线的宽度和间距，从而实现对光栅性能的调控。
二、光栅的工作原理2.1 光栅的衍射效应当入射光照射到光栅上时，光栅会对光进行衍射。
根据光栅的结构和入射光的波长，不同的衍射效应会发生，如零级衍射、一级衍射、高级衍射等。
2.2 光栅的光谱分析由于不同波长的光在光栅上发生不同级别的衍射，因此光栅可以用于光谱分析。
通过测量不同级别衍射的光强，可以确定入射光的波长和光强分布，从而实现光谱分析。
2.3 光栅的波前调制光栅还可以用于波前调制，即通过改变光栅的相位来调节入射光的相位。
这种调制方式可以用于光学信息处理、光学成像等领域。
三、光栅的应用3.1 光谱仪光栅是光谱仪中常用的光学元件，通过光栅的衍射效应，可以将入射光分散成不同波长的光谱，实现对物质成份的分析。
3.2 激光器光栅在激光器中可以用作输出耦合镜，通过调节光栅的衍射效应，可以控制激光的输出方向和波长，实现激光的调谐和模式选择。
3.3 光纤通信光栅在光纤通信中可以用作光纤光栅耦合器，通过光栅的衍射效应，可以将光耦合到光纤中，实现光信号的传输和调制。
四、总结光栅是一种重要的光学元件，具有广泛的应用前景。
本文详细介绍了光栅的结构及工作原理，以及在光谱仪、激光器和光纤通信等领域的应用。
光纤光栅技术与应用PPT课件
纤 芯 包 层 涂敷层 护 套
尺寸规格：单模光纤内径：9µm 外径：125µm
多模光纤内可径编辑：课件5PP0T µm
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光纤结构
光纤光栅技术与应用
两种常用光纤的可编辑结课件构PPT及其折射率分布 11
对中卡头Three-jaw chuck
配
Modified Chemical Vapor Deposition
可编辑课件PPT
33
啁啾光栅
光纤光栅技术与应用
色散产生原理示意图
波长色散的起因有两个：1）折射率随波长呈非线
性变化，色散系数与折射率的二阶导数成正比，称为
材料色散；2）传播常数与波长呈非线性关系，色散系
ห้องสมุดไป่ตู้数与传播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。
14国外光纤技术収展情冴光纤技术収展概冴光纤光栅技术不应用?20丐纪60年代中期所研制的最好的光纤损耗在400db以上?1966年英国标准电信研究所高锟及hockham仍理论上预言光纤损耗可降至20dbkm以下?日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dbkm?1970年康宁公司corning采用粉末法先后获得了损耗低于20dbkm和4dbkm的低损耗石英光纤?1974年贝尔实验室bell采用改迚的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品
菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2
n1
θ1
n2
θ2
n1
θ1
n2
θ2
n1<n2
n1>n2
结论：若要实现全反射，则必须有
n >n 1 2 可编辑课件PPT
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光纤基本理论
φ
光纤光栅技术与应用
n2 n1
光纤通信系统-光栅
.
光纤光栅传感器
通过拉伸和压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变 光纤光栅的周期和有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射 波长的目的。反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关 系，根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、 加速度等多种传感器。
土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监 控 航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的监 测 船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警 电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响，所以 特别适合于电力系统中的温度监控 石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油田 中的温度、液位等的监控 核业中的应用：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等 光纤光栅还可以应用于水听器、机器人手臂传感、安全识 别系统等
0 1.5545
lB
1.5555
波长（mm）
光纤激光器
波长分插复用器(OADM)
上下话路复用器，实现在其他波长信道信号不 变的前提下，在波分复用网络的节点上直接提 取或添加一个或几个波长信道的信号，避免将 所有波长信号全部分解开来进而再复接在一起。
色散补偿
在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频 率的光的反射位置不同，短的波长ls在近端 反射，长的波长ll在远端反射，从而有不同 的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来 使用就可以改变色散的符号。
逐点写入法
一种非相干写入技术
利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而
形成光栅，每写一个条纹，光栅移 动一定距离，需用精密机构控制光 纤运动位移。通过控制光纤的移动， 可以方便的控制光栅的周期。 一般用于制造长周期光栅
光纤光栅的类型
光纤光栅从本质上讲是 通过波导与光波的相互作用， 将在光纤中传输的特定频率 的光波，从原来前向传输的 限定在纤芯中的模式耦合到 前向或后向传输的限定在包 层或纤芯中的模式，从而得 到特定的透射和反射光谱特 性。 光纤光栅中，光场与光 波导之间的相互作用可用耦 合模理论来描述。
光栅的结构及工作原理
光栅的结构及工作原理引言概述：光栅是一种重要的光学元件，广泛应用于光谱学、光学成像、光学通信等领域。
本文将详细介绍光栅的结构和工作原理，以帮助读者更好地理解光栅的原理和应用。
一、光栅的结构1.1 光栅的基本构成光栅由一系列平行等间距的凹槽或凸起组成，通常被制造在透明介质或金属薄膜上。
光栅的基本构成包括栅线、栅面和基底。
栅线是光栅的凹槽或凸起，栅面是栅线所在的表面，基底是光栅的支撑结构。
1.2 光栅的类型根据光栅的结构形式，光栅可分为光栅衍射光栅、光栅反射光栅和光栅透射光栅三种类型。
光栅衍射光栅是最常见的一种，其栅线垂直于光的传播方向；光栅反射光栅是栅线平行于光的传播方向；光栅透射光栅是栅线与光的传播方向夹角小于90度。
1.3 光栅的参数光栅的参数包括栅常（d）、刻槽间距、刻槽宽度等。
栅常是指栅线之间的间距，通常以纳米为单位。
刻槽间距和刻槽宽度直接影响着光栅的衍射效果和光谱色散能力。
二、光栅的工作原理2.1 光栅的衍射现象当平行入射的光线照射到光栅上时，光线会被光栅的栅线所衍射。
衍射现象是由光栅栅线的周期性结构引起的，栅线的间距决定了衍射的角度和强度。
2.2 光栅的光谱分解能力光栅的光谱分解能力是指光栅将入射光分解成不同波长的光线的能力。
光栅的光谱分解能力与栅常密切相关，栅常越小，光栅的光谱分解能力越高。
2.3 光栅的应用光栅在光谱学、光学成像、光学通信等领域有着广泛的应用。
在光谱学中，光栅可以用于光谱分析和波长测量；在光学成像中，光栅可以用于光学显微镜和光学望远镜的设计；在光学通信中，光栅可以用于光纤通信系统中的波分复用和光谱均衡。
三、光栅的制造方法3.1 光刻技术光刻技术是制造光栅的常用方法之一。
通过光刻技术，可以将光栅的图案转移到光刻胶或光刻膜上，然后通过化学腐蚀或物理刻蚀的方法，将图案转移到光栅的基底上。
3.2 干涉曝光技术干涉曝光技术是制造光栅的另一种常用方法。
通过干涉曝光技术，可以利用干涉现象将光栅的图案转移到光敏材料上，然后通过化学处理，将图案转移到光栅的基底上。
光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用
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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。
光纤光栅的的主要制作方法：
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
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。
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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？
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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
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
15.02.2021
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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。
光纤光栅
可应用在WDM的各个环节
发射机 复用 色散斜率补偿器 光纤激光器 波长复用
光放 光信号监控 有源泵浦控制 泵浦反射器 增益平坦滤波器 动态增益均衡器 动态增益控制 分布式拉曼泵浦
……
光放 动态色散补偿 PMD监控及补偿 解复用 固定分插 可调分插 接收机
色散补偿中的应用
波长色散的起因有两个：
FBG光纤光栅的应用
输入谱 I I
传输谱
反射谱 I
应变引起 波长移动
典型应用就是滤波，还可利用应变实现可调谐滤波； 还可以利用其敏感度制备光纤传感器；
FBG光纤光栅传感器
光纤光栅是将通信用的光 纤的一部分利用掺锗光纤非 线性吸收效应的紫外全息曝 光法而制成的一种称为Bragg
Grating的纤芯折射率周期性
光纤光栅在光纤传感中的应用
反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系： 土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全 监控； 航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的 监测； 船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警； 电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响，所 以特别适合于电力系统中的温度监控； 石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油 田中的温度、液位等的监控； 遥测核磁共振机中实地温度，可进行心脏有效率的测量等； 核工业：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等；
相位掩模法
光栅周期与相位掩模板 周期有如下关系：
p d
2 g pm
h
s
2(n pm 1)
h
-1 相位掩模写入光纤光栅
n pm
+1
啁啾光纤光栅写入方法
啁啾光纤光栅的写入，可以采用啁啾相 位掩模板，中心波长和啁啾量任意设计， 但制作困难，价格昂贵；
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➢热稳定性优于B-Ge光纤
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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
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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。
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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
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
13.04.2020
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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
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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
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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
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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。
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
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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：
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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。
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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
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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。
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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