一、 光纤光栅的应用
随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据不同分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别，
（1）根据光栅周期的长短，可以把光纤光栅分为两个基本类型：布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)和长周期光纤光栅(Long-period Grating，LPG)。其中FBG典型周期为几百纳米，在纤芯中正向传输和反向传输的模式发生耦合，可以对特定波长的输入光产生反射；而LPG的典型周期为几十到几百微米，耦合发生在同向传输的纤芯导模和包层模之间，是一种透射型带阻滤波器。 （2）根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。 均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如：
汽车尾气抽排①光纤布拉格光栅（FBG）：折射率变化周期一般为10-1μm（即短周期光栅），它是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。光纤布拉格光栅的折射率呈固定的周期性调制分布，即调制深度
与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向相一致。当光经过光纤布拉格光栅时，对满足布拉格相位匹配条件的光产生很强的反射；对不满足布拉格条件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回来。这是一种性能优异的窄带反射滤波器，具有较高的反射率。
②闪耀光纤光栅（也称倾斜光纤光栅）：闪耀光纤光栅的折射率调制深度和折射率变化的周期均为常数，但波矢方向与光纤轴线方向不一致，有一定的夹角。光栅中不仅存在正向和反向传输的纤芯基模之间的耦合，而且还会将基模耦合至包层模中或辐射模中。
③长周期光纤光栅：折射率的变化周期一般为102μm，是一种透射型光栅，它能将一定波长范围内的入射光前向传播纤芯模耦合到包层并损耗掉。
非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向
变化的光纤光栅，如：
①啁啾光纤光栅（亦称chirped光纤光栅）：光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴变化的光栅。最常见的啁啾光纤光栅是线性啁啾光纤光栅，其纤芯折射率沿轴向呈线性单调变化。啁啾光栅实质上是多个不同周期的光栅组合，而不同周期的光栅对应于不同的反射波长，因此啁啾光栅具有较宽的带宽。另一方面，由于各个波长沿轴向在不同的位置被反射，引入了一定的光程差，因此各个波长的时延不同，具有一定的散。
②相移光纤光栅：它是在光栅的某些位置发生相位跃变，从而改变光谱的分布。相移的作用是在相应的反射谱中打开一个缺口即能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，相移的大小决定了缺口在反射谱中的位置，相移在光栅波导中出现的位置则决定了缺口的深度。
③切趾光纤光栅：使光栅折射率调制的开始和结束都有一个过渡过程，其折射率调制包络不是均匀的而是呈一定的函数形式，就会使光栅的光谱有很大改进，称为光栅的切趾，这样的光栅称为切趾光栅。
④取样光纤光栅（也称超结构光栅）：它是对均匀光纤布拉格光栅按一定的规律在空间上进行采样得到的，即由多段具有相同参数的光纤布拉格光栅以相同的间距级联而成。
⑤变迹光纤光栅：采用特定的函数形式对光纤布拉格光栅的折射率调制深度进行调制。
以下为折射率不同个中光纤光栅的调制深度示意图：
图2.1 按折射率分布的光纤光栅分类
（3）根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种:Ⅰ型、Ⅱ型和ⅡA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耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度(200℃左右)下光栅会变弱或消失。
②Ⅱ型光栅：由单个高能量光脉冲(大于0.5J/cm2)曝光形成。其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合到包层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。有极高的温度稳定性，在800℃下放置24小时无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失。
③ⅡA型光栅：成栅于高掺锗(15%mol)光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。成栅机理于Ⅰ型不同。其写入过程为：曝光开始不久，纤芯中形成Ⅰ型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成ⅡA型光栅，其温度稳定性优于Ⅰ型光栅，直到500℃附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。
1.1光纤光栅在光纤通信中的应用
1.1.1 光源中的应用
用光纤光栅制成的激光器能够准确地控制波长，具有波导式光纤结构、与标准光纤兼容等特点。目前已研制出的光纤光栅激光器主要分为单波长光纤光栅激光器和多波长光纤光栅激光器。 （1）单波长光纤激光器
led间隔柱
单波长光纤激光器一般有分布反射（DBR）光纤光栅激光器和分布反馈（DFB）光纤光栅激光器，后者具有低的相对强度噪声、高信噪比和高输出功率等特点。分布反射光纤光栅激光器是利用一段稀土掺杂光纤（如EDF）和一对布拉格波长相等的光纤光栅构成谐振腔，如图2.1所示为分布反射光纤激光器的示意图。
图2.2分布反射光纤激光器的示意图
电力线适配器分布反馈光纤光栅激光器利用直接在稀土掺杂的光纤（如EDF）上写入光栅，构成谐振腔，且有源区和反馈区同为一体的光纤激光器。图2.2为分布反馈光纤光栅激光器的原理示意图。
图2.3分布反馈光纤激光器的原理示意图
但因为布拉格波长区存在禁带，为了实现稳定的单频输出，可以采用啁啾光栅，或是在布拉格光栅中引入π/2相移。由于纤芯掺锗较少，光敏性差，所以制作较难。
（2）多波长光纤光栅激光器
H．L．Jin等人报道了通过调节串接的长周期光纤光栅的应力实现多波长可调谐的光纤激光器。图2.3是多波长可调谐光纤激光器的结构，10m长的掺铒光纤作为增益介质，串接的长周期光纤光栅作为波长选择器。为了实现多波长同时激射，把掺铒光纤放在液氮中(温度77K)，在低温环境下掺铒光纤的均匀展宽线宽大为降低，可以实现环形腔结构激光器的多波长输出。图中底部是一个用来调节串接的长周期光纤光栅应力的装置，通过改变施加在长周期光纤光栅上的拉力(箭头方向为拉力方向)，来调节其应力。
图2.4多波长可调谐光纤激光器结构
级联多个单频工作的分布反馈光纤光栅激光器，还可实现多波长输出如图2.4所示，图中的FBG1和FBG2具有不同的Bragg波长。这种结构的缺点是需要多段掺铒光纤，多对布拉格波长相同的光栅来构成谐振腔，使整个激光器尺寸较大。
层压钢板
图2.5多波长输出分布反馈光纤光栅激光器原理示意图（3）外腔半导体激光器中的应用
光纤光栅外腔激光器是利用光纤光栅的选频特性来实现半导体激光器的单
家庭视频电话
纵模工作，并稳定工作波长。由于其极窄的滤波特性，激光器工作波长将控制在光栅的布拉格反射峰带宽内。因此，可以通过调谐光纤光栅的布拉格波长来控制波长的激光输出。具体做法是把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射镜，即将一个半导体激光器的输出耦合到一根光纤光栅上就可以得到一种性能优异的光纤光栅外腔激光器。
1.1.2光纤放大器中的应用
（1）EDFA中的增益锁定
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将引起信号的偏振漂移，造成信号光功率的波动，由于EDFA通常工作在饱和状态，信道数增加或减少时其增益会相应下降或增大，导致光纤的非线性效应加大，因而EDFA 的增益控制在光网络中尤为重要。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控制光，实现信号的增益均衡。
①ASE光反射法
图2.5是L波段EDFA增益控制的一种结构，在两级放大系统中，利用传统的c波段FBG反射第二级EDFA部分放大的ASE光，该部分ASE光被重新注入第一级EDFA中，自动补偿了输入信号的总功率，实现了EDFA增益的控制。实验证明该结构能够很好地用于增益控制。
图2.6两级放大器的FBG增益控制系统
②F．P腔控制法
在掺铒光纤的两端插入光纤光栅构成F-P激光腔体，是形成增益控制并实现EDFA全光谱增益锁定的最为简洁而直接的方式，其基本结构如图2.6所示。两对光纤光栅形成谐振腔，得到双波长增益控制光。当输入信号光强较小时，双波长增益控制光较强；当输入信号光强较大时，双波长增益控制光将减弱；当输入FANPN
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议