光纤光栅光谱特性研究

光纤光栅光谱特性研究 I / 21 SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计

题目：光纤光栅光谱特性研究 所属课程：应用光学

学 院： 理学院 专 业： 光电信息科学与工程 学生姓名： 卢远

学 号： 指导教师： 郭立萍

2015 年 6 月 光纤光栅光谱特性研究 光纤光栅光谱特性研究

摘要 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。 随着信息业务量快速增长，语音、数据和图像等业务综合在一起传输， 从而对通 信带宽容量提出了更高要求。全光通信是解决“电子瓶颈”最根本的途径，全光网通信可 以极大地提高节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通信的要求。基于光纤的光敏特性制作成的光纤光栅已成为光通信系统和光纤传感器中的关键器件。它有许多突出的优点， 优良的性质，这使得它成为目前研究的热点。本文主要论述了光纤光栅的基本原理及其 制作的方法，利用耦合理论分析光纤光栅光谱特性。本文中讨论了现在光纤光栅在各个 领域的利用，并且探讨了光纤光栅现状的利用和未来的发展方向。本文利用matlab仿真，画出不同光栅的光谱图，观察各种参数的变化对光栅光谱特性的影响，并分析光纤光栅光谱图。

关键词:光纤光栅;耦合模理论;光谱特性 光纤光栅光谱特性研究

II / 21 目录

摘要 .............................................................. I 第1章 绪论 ....................................................... 1 1.1 光纤光栅的基本概念 ............................................ 1 1.2 光纤光栅的现状与应用 .......................................... 1 1.2.1光纤光栅的现状............................................. 1 1.2.2光纤光栅的应用............................................. 2 1.3光纤光栅的近期研究进展 ........................................ 3 1.4研究光纤光栅的光谱特性的目的 .................................. 4

第2章 光纤光栅理论分析 .......................................... 6 2.1 光纤光栅的光谱特性及其数值模拟 ................................ 6 2.1.1 均匀光纤光栅 .............................................. 7 2.1.2 线性啁啾光纤光栅 .......................................... 8

第3章 结果与讨论 ............................................... 11 3.1 均匀光纤光栅 ................................................. 11 3.2线性啁啾光纤光栅 ............................................. 16

结论 ............................................................. 17 光纤光栅光谱特性研究 第1章 绪论

1.1 光纤光栅的基本概念 光纤光栅是用光纤材料光敏特性而制作的。光敏性, 就是指当材料被外部光照射时, 进而引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的特性。当特定波长光辐射掺锗光纤时, 这个光纤的一些物理特性就发生了永久性的改变,比如折射率、吸收谱、内应力密度等。在外部光源照射时,光纤的折射率也随光强的空间分布发生相对应的变化,变化的大小与光强成线性关系并可以保留下来,从而形成光纤光栅。光纤光栅的折射率沿光纤的轴方向并呈现周期性的分布, 是典型的折射率型衍射光栅。根据衍射理论,以角1入射的光将以角2 衍射, 且满足布拉格衍射方程[1]。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成(利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性)一个窄带的(投射或反射)滤光器或反射镜。

1.2 光纤光栅的现状与应用

1.2.1光纤光栅的现状 自从1978年KO Hill 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界第一个光纤光 栅后。因为光纤光栅所具有许多独特的优点，所以在光纤通信、光纤传感等领域均有广泛的应用前景。伴随着光纤光栅制造技术地不断完善，光栅应用成果的日益增多，而使得光纤光栅变成为目前最有前途、最具有代表性的光纤无源器件。光纤光栅成为近几年 发展迅速的光纤无源器件之一，光栅的问世被认为是继掺铒光纤放大器[2]之后光纤通信领域又一个具有里程碑意义的革新。光纤光栅不仅仅在光纤通信领域有着广泛的应用，并且在光纤传感领域也有非常大的应用。就目前来说，光纤光栅已经在滤波器、激光器、波分复用器、放大器、光纤光栅光谱特性研究 2 / 21 色散补偿器、波长转换器、光纤传感器等许多方面展示出非常重 要的应用前景。基于光纤光栅的部分器件已经实现了商品化的生产与应用。尽管如此，光纤光栅仍然留给人们大量尚待研究探索的工作。比如，在光敏性方面，人类需要进一 步揭示光纤光栅光敏性的内在原理，制造出更加稳定可靠的光纤光栅;在应用方面，光纤光栅还有许多潜在应用价值未被发现，并且许多已有的应用方案还待进一步成熟与优化。

1.2.2光纤光栅的应用

(1) 传感器方面的应用[3~5] 光纤传感器是利用将待测事物的物理参数的变化转化为信号光在波长、强度或相位 上的变化，从而对待测事物的物理参数进行监控的器件。光纤传感器有着众多种类，并且都具有抗磁、抗腐蚀、体积小、重量轻、易于集成、分辨率高、精度高等许多特点。和传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比较，波长调制型的光纤光栅传感器具有许多独特的优点，比如，抗干扰能力强，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等多种因素的影响;传感头结构简单、尺寸小，方便埋入复合材料 结构和大型建筑物内部，并且也便于传感器的集成;使用波分复用技术可制成光纤传感网络，然后进行大面积的多点测量与监控。 (2)激光器方面的应用 光纤光栅的光纤激光器在光纤通信系统中是有着非常大前途的光源，这种光源的优 点主要体现在:稀土掺杂光纤激光器利用光纤光栅能十分准确的确定波长，并且成本低; 用作增益介质的稀土掺杂光纤生产工艺比较成熟，掺杂过程较简单，光纤损耗小，而且插入损耗低;有着较高的功率密度，光纤结构具有很高的面积体积比，并且散热效果好; 与现在标准通信光纤的兼容性好，可以采用多种光纤元件，减少了对块状光学元件的需 求和光路机械调谐的不便，大大的简化了光纤光栅激光器的设计及制作。宽带是现代光纤通信的主要发展趋势之一，而光纤光栅激光器可以通过掺杂了不同的稀土离子，在的宽带范围内实现激光输出，波长容易选择并且可调谐。近年来，因为光纤的制造工艺进步，紫外光光纤光纤光栅光谱特性研究 3 / 21 光栅写入技术等的日益成熟和各类激光器，特别是半导体激光器技术的近期发展，光纤光栅激光器和的研究工作进展非常快。现在已研制出多种光纤光栅激光 器，主要可分为单波长光纤光栅激光器和多波长光纤光栅激光器。 (3) 色散补偿方面的应用 伴随着光纤通信系统速率的提高，色散已经成为影响通信质量的直接原因，因此采 用色散补偿技术显得十分重要。在光通信中通常采用色散位移光纤(DSF)或者色散补 偿光纤(DCF)对光纤通信中的色散进行补偿。近几年来有用光纤光栅作为色散补偿器件。目前，通信系统中主要利用的光纤光栅有啁啾光纤光栅，长周期光纤光栅，均匀周 期光纤光栅，取样光纤光栅和切趾啁啾光纤光栅，不同类型的光纤光栅可以补偿不同的 色散。无论用什么方法，其基本原理都是相似的，都是在通信系统中插入具有负色散系数的光纤光栅，平衡系统中积累的正色散，或者用脉冲压缩的方法将被展宽的脉冲压窄等。 (4)增益控制和增益平坦方面的应用 在光通信系统中，光器件微小的偏振敏感所产生的积累效应都会引起信号的偏振漂 移，从而造成信号光功率的波动，由于EDFA通常都工作在饱和状态，信道数增加或减少时，会使其增益会相应降低或增大，进而导致光纤的非线性效应增大，所以EDFA 的 增益控制在光通信网络中十分重要。目前我们常用光纤光栅进行增益控制，其原理就是 利用光纤光栅反射EDFA的ASE光或者双光栅谐振光作为增益的控制光，从而实现信号的增益均衡。 EDFA 几乎是WDM系统中理想光的放大器，由于其增益与波长有关，导致EDFA 增益谱的不平坦，因此必需采用增益平坦技术。目前比较广泛采用的是利用长周期光纤光栅进行增益平坦，其原理是将不同的长周期光纤光栅组合，使其光谱特性设计成与增益谱相反的波形，最终获得很好的增益平坦度。

1.3光纤光栅的近期研究进展

从 1978 年 Hill 及其同事在掺锗光纤中制造出全息光栅以后，光纤光栅的研究就引 起了人们非常大的兴趣。1989 年，美国联合技术研究中心G.Meltz 等人最终实现了光纤 Bragg 光栅的UV 激光侧面的写入技术，使光纤光栅的制作