光纤光栅设计与合成技术的研究

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1、北京交通大学硕士学位论文光纤光栅设计与合成技术的研究姓名：刘大鹏申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：陈根祥20060301第一章绪论1．1光纤光栅的基本特性与制作技术1．1．1光纤光栅的基本特性在光学系统中，发射镜和光学衍射光栅一直是很重要的光学器件，它可用来改变光的传播方向或者用来分析多色光的频率成分。通常的衍射光栅是在不透明的屏上刻出很多狭缝，它们相互平行并严格地、周期性地相互隔开(隔开距离称为光栅常数)。这种光栅的实质是以周期性传递函数来调制入射平面波的振幅。另外，通过调制相位而不是入射平面波的振幅也可以

2、得到衍射光栅，办法是在光传播的路径上放置一个清晰的透明体，如玻璃等，透射波的相位取决于光在透明体中的光程长度。周期性地改变玻璃片的厚度即完成对入射平面波的周期性相位调制。多层光学介质膜即是相位光栅的一个例子，当适当选择各层介质膜的厚度和折射率时，可以控制某～波长的光全部反射而构成多层介质反射镜。把这种调制相位的光栅直接做进光纤中，即可以制作成光纤光栅。这种光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域都有广泛的应用“1。光纤光栅的研究至今已有20多年的历史。1978年，加拿大的K．0．Hi11等人在实验中将波长为488nm

3、的氩离子激光入射到掺锗的光纤中，观察到入射光与反射光在光纤中形成的驻波干涉条纹能够导致光纤折射率沿光纤轴向周期性变化，形成所谓的”Hill光栅”，首先发现了光纤中的光致光栅效应，并制作出世界上第一跟光纤布喇格光栅(FBG)。由于这种光栅的入射效率低，响应波长受激光写入波长限制等因素的影响，在相当长的时间里，这一第一章绪论具有开发滏力的光子器件与其毒l作技术，没有褥到入们的足够重视2。1989年美国的G．Meltz等人利用两束相干紫外光形成的干涉条纹从光纤侧面写入光糨，发明了紫外侧写入技术。该技术不仪提高了光栅的写入效率，而

4、且通过改变两束相干光的夹角，还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅布喇格波长的目的。1993年，K．O．}lill等人剩用紫岁卜激光通过相位模板后豹±l级衍射光相干形成的周期性明暗条纹对光纤曝光，制作光纤光栅，提出了相位掩模成栅技术。这项技术放宽了对写入光源时间相干性的限制，使{!导光纾J；l己襁的剖诈更加容易。同年，P。j，Lemaire等人提出了一种简单丽有效的光纤敏化技术——低温高压载氯技术。这项技术可以使光纤光敏性提商2个数量级，人们可以并不必使用价格暴责的离浓发掺锗光纤，两仅在普通遴信光纤上就能容易地制作出高

5、反射率光纤光栅。榻位掩模成栅技术与光纤高聪载氢技术相结合，降低了光纤光栅的制作成本，使光纤光栅器件逐步走向实粥化，也在毽界各地掀起了光驽光橱技术及其应瘸的研究热潮。图1．1给出了一个紫外写入光纤光栅的示意阁。光纤在周期性紫辨始的照射下，其芯区折射率发生了周期性熬增加，光橱的周期为^。由于光纤包层一般由非掺杂的纯咖，构成，其本征吸收峰约位于160删处，约在240nm的紫外写入波长几乎是完全透明豹，嚣犹在光援匏麓入过程中光绎包矮躲挢瓣率不发生变化。每一光栅条纹通过Fresnel反射对入射光提供一定的反射作用，当入射光波长使得来

6、自光栅条纹的反射满足谐振加强条件时，光梃对入射光豹爰射率达到最大僮。毙掇反射豹蜂值波长称为光撵2第一章绪论的布喇格波长，满足乃=2％人，其中，”盯为光纤基模在布喇格波长上的有效折射率。光栅反射率及反射峰的宽度由光栅的长度和芯区光致折射率变化的大小等光栅参数决定。因此，光纤光栅的基本特征是一个反射式光学滤波器，根据需要它既可以做成带宽小于0．1nm的窄带型，也可以实现几十纳米的宽带滤波器。此外，它还具有体积小、插入损耗低以及与普通通信光纤良好匹配的优点。h耐I．九一h岫图1．1光纤光栅示意图随着紫外写入光纤光栅技术的日趋成熟

7、，人们逐渐认识到在光纤通信方面，光纤光栅将影响到从光发送、光放大、光纤色散补偿到光接收的几乎每个方面。由光纤光栅提供选择性反馈的光纤激光器和半导体激光器可以实现线宽只有千赫兹量级的单纵模激光输出。在EDFA中试用光纤光栅可以在整个光放大器带宽内实现平坦的增益并有效地抑制放大器的自发辐射噪声(AsE)，同时极大地提高泵浦效率，从而对光信号实现接近理想水平的低噪声放大。采用光纤光栅可以制成结构简单、性能优良的全光纤波分复用器，用单个器件即可同时实现上下话路的功能。此外，适当设计的周期渐变(Chirp)光纤光栅在理论和试验上均被

8、证明具有很强的色散补偿能力，它可以在很大程度上消除光纤色散对通信系统速率的限制。因此，光纤光栅可能成为下一代超高速光纤通第一章绪论信系统中不可缺少的重要的光纤器件。光纤光栅在纤维光学中的作用与反射镜在几何光学中所具有的意义相当。此外，光纤光栅的布喇格波长与温度及施加在其上的应力呈良好的线性关系。光纤光栅