光纤光栅的制作与应用

目录

摘要 (1)

引言 (2)

1.光纤光栅制作方法 (2)

1.1光纤光栅的特点 (2)

1.2光纤光栅的分类 (4)

1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性 (4)

1.2.2根据光纤光栅的成栅机理 (5)

1.3光栅光纤的制备 (6)

1.4成栅的紫外光源 (7)

1.5成栅方法 (8)

1.5.1短周期光纤光栅的制作 (8)

1.5.2长周期光纤光栅的制作 (10)

2光纤光栅的应用 (11)

2.1光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (13)

2.1.1有源器件 (13)

2.1.2无源器件 (13)

2.2可见光纤光栅的应用 (13)

2.2.1光源 (14)

2.2.2光纤放大器 (15)

2.2.3色散补偿器 (15)

2.2.4光分插复用器（OADM） (16)

2.2.5光终端复接器（OTM） (17)

2.2.6波长交换 (18)

3发展前景展望 (19)

参考文献 (21)

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摘 要： 近年来，各种新的光纤光栅写入方法成出不穷，各种新型光纤光栅及其应用领域不断涌现，而且光纤光栅的制作技术与其应用领域有着密切的联系。本文主要综述了光纤光栅的制作技术及其一些特种光栅制作方法的最新进展。

为了介绍各种光光纤光栅制作方法的应用领域，本文首先介绍了光纤光栅的光学特性，光敏光纤的制备方法和所需光源等知识。对于光纤的制作技术，分别说明了短周期光纤光栅（FBG ），长周期光纤光栅（LFPG ）的各种写入方法，啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅以其独到的优势而备受关注，因此，本文也对他们的特殊写入方法进行了阐述。并比较了各自的优缺点。

目前，光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器（OTM ）、光交叉连接（OXC ）等关键部件提供解决方案。本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用，并对其发展前景作出了展望。

关键词： 光纤光栅 成栅机理 光纤无源器件 全光通信

引言

分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未来的发展趋势。

1.光纤光栅制作方法

1.1光纤光栅的特点

光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的.这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。

1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

现在一般采用高强度紫外光源通过Phase Mask所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光以在该光纤芯中产生折射率从而调制或

相位光栅，如图1-1所示。

图1-1光纤光栅传感系统的基本原理图

当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff产生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移B ，通过监测Bragg波长B 的变化情况，即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化状况。光纤光栅波长漂移B与应变和温度变化的关系如下：

])()1[(T p B B ∆++∆-=∆Ληααελλl

=T S S T B t B ∆+∆λελ

其中，第一项代表光纤的应变效应，第二项表示温度对光纤的影响。在波长B λ=1550 nm ，典型的应变敏感系数为16108.0--⨯=μεt S ;温度敏感系数为16100.6--⨯=C S T 。所以，光纤光栅Bragg 波长的变化与应变或环境温度的变化呈线性变化关系，通过检测光纤光栅Bragg 波长，就可以测得应变或环境温度。在工程应用中一般采用合适应用的方法，用环氧树脂胶进行封装，外加保护封装进行保护，从而形成光纤光栅光纤传感器。

由于光纤光栅（FBG ）只能对某个波长进行反射， 反射波长的变化需要通过光纤光栅解调仪来测量，一般需要对多个光纤光栅传感器进行测量，也就是说要进行波分复用，将多个光纤光栅（FBG ）的串接、 每个光纤光栅（FBG ）对于一个中心波长，在保证测量的动态范围内，各个光纤光栅（FBG)的波长之间不重叠，这样通过光纤光栅解调仪（FBG Interrogator ）实现对不同光纤光栅传感器的反射波长的测量， 从而转化成压力或应变的数据。

1.2光纤光栅的分类

根据不同法分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别。

1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性

光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：

①均匀周期光纤布喇格光栅：通常称为布喇格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。

②啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。

③闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。

④长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。

⑤相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构造多通道滤波器件。

此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。

1.2.2根据光纤光栅的成栅机理

根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型。

①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层