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光纤布拉格光栅的原理特点

光纤布拉格光栅是有效的周期性或非周期性扰动折射率的光的纤维(参见图1)。通常,扰动在例如几毫米或几厘米的一定长度上是近似周期性的,并且周期为数百纳米的数量级,或者对于长周期的光纤光栅而言更长(见下文)。

折射率摄动会导致在狭窄的波长范围内反射光(沿着光纤传播),因此可以满足布拉格条件(→??布拉格镜):

光纤布拉格光栅的布拉格条件

其中Λ是光栅周期,λ是真空波长,n?eff是光纤中光的有效折射率。本质上,该条件意味着光栅的波数与入射波和反射波的(相对)波矢量的差相匹配。在这种情况下,与来自光栅不同部分的反射场贡献相对应的复振幅全部同相,因此它们可以相长地相加。这是一种相位匹配。甚至弱指数调制(幅度例如10?-4如果光栅足够长(例如几毫米),则足以实现近乎全反射。

不满足布拉格条件的其他波长的光几乎不受布拉格光栅的影响,除了一些在反射光谱中经常出现的旁瓣(但可以通过变迹来抑制,见下文)。

光纤光栅的反射带宽通常远低于1 nm,这取决于折射率调制的长度和强度。对于具有弱折射率调制的长光栅,可以获得例如对于单频?光纤激光器的构造或某些滤光器所希翼的最窄带宽值。短而坚固的光栅可以实现大带宽,但非周期性设计也可以实现大带宽(见下文)。

由于最大反射率的波长不仅取决于布拉格光栅的周期,而且还取决于温度和机械应变,因此布拉格光栅可用于温度应变?传感器。例如通过在两个平板之间挤压光纤光栅而产生的横向应力会引起双折射,从而引起与偏振有关的布拉格波长。

光学特性的物理建

大多数光纤布拉格光栅都用于单模光纤,在这种情况下,物理建模通常相对简单。原则上,可以使用与介电镜相同的形式,在最简单的版本中,假设矩形折射率调制并考虑到光场与折射率调制区域的有限重叠。但是,对于长光栅,索引调制的周期数可能变得相当大,从而增加了计算时间。因此,最好使用基于模式耦合的模型,导致一对带有耦合项的微分方程,其大小与折射率调制的局部强度有关。然后有效地假定耦合是平滑分布的,并且数值积分是用比光栅周期大得多的步长完成的。

这样的方法可以用于计算光的透射和反射的频率相关的复振幅。这些不仅显示反射功率和透射功率的分数,而且(通过数值微分)揭示色散。

如果涉及许多传播模式,数值模型将变得更加复杂。即使对于单模光纤,如果需要考虑双折射,则可能有必要考虑四种模式(而不仅仅是两个反向传播模式),如果可能发生与包层模式的耦合,则甚至需要考虑更多种模式。对于多模光纤,必须考虑多种芯模。在这种情况下,耦合系数不仅取决于折射率调制的幅度,而且取决于光栅的三维形状。而且,由于布拉格条件受不同传播常数的影响,因此最大反射的波长在不同模式之间可能不同。

FBG的反射光谱
图2:?5.4毫米长的FBG的反射光谱,具有不同的折射率对比,对应于暴露于UV光的时间不同。对于高折射率对比度观察到的反射率曲线的旁瓣可以通过切趾,即通过减小朝向光栅末端的折射率对比度来去除。使用AppRP Coating进行了计算。

也可以将数值束传播技术应用于光纤布拉格光栅的分析。当没有反射,而只有在基本上相同方向传播的模之间耦合时,尤其是这种情况-这是长周期布拉格光栅的典型情况(例如,渐变周期约为1 mm)。(对于涉及反向传播模式的情况,很难应用光束传播方法。)图3显示了一个长周期光纤布拉格光栅的示例,其中选择了极化周期,以便从基本模式进行有效耦合到LP?03模式是可能的。全数值技术的优点是不需要复杂的分析计算,并且可以避免通常涉及的简化分析模型(在实践中可能会或可能不会被证明是正确的)。

在光纤布拉格光栅中耦合到高阶模
图3:?光纤布拉格光栅内部的强度分布。红色和蓝色曲线分别显示了LP?03模式和LP?01模式下光功率的变化。该图来自对光纤设备中数字光束传播的案例研究。

特殊类型的光栅

切趾光栅

如果光栅中折射率调制的强度在一定长度上是恒定的,并且在该范围之外突然下降到零,则反射光谱会显示旁瓣,尤其是在峰值反射率很高的情况下(请参见图2)。这些旁瓣有时令人不安,例如在光纤布拉格光栅作为光学滤波器的某些应用中。使用切趾技术可以将它们大部分移除:折射率调制的强度沿光栅平滑地上下倾斜。当然,然后需要增加光栅的总长度以获得一定的峰值反射率。对于切趾光纤布拉格光栅中折射率调制的精确分布,在某些受限光栅长度和给定最大折射率调制强度的情况下,最佳旁瓣抑制和最大反射率之间需要权衡。

非周期性折射率调制光栅(倾斜光栅)

具有非周期性折射率调制的光纤光栅可以具有有趣的特性,例如不带旁瓣的反射率曲线,多个定制的反射带或特殊的色散特性。特别是对于色散补偿,使用了所谓的chi光纤光栅 ,其中布拉格波长随位置单调变化。例如有可能在短长度的光纤中实现非常大的群时延色散,足以补偿光纤通信系统中长距离传输光纤的色散。另一个应用是脉冲压缩,例如在脉冲放大器系统

啁啾光纤光栅也可用于应用程序作为分布式有趣的光纤传感器intragrating感测的,即,监测例如沿该装置的长度的温度。

长周期布拉格光栅

典型的FBG具有几百纳米的光栅周期,耦合芯中的反向传播波。第二种可能性是使用周期为数百微米(通常带有倾斜的光栅平面)的周期长的布拉格光栅(LPG)[?11,20?],其长度为几厘米。

这样的光栅可以将具有相同传播方向的模式耦合。例如,多模光纤的基本模式可以耦合到某个更高阶的模式,或者纤芯模式可以耦合到在相似方向传播的包层模式。在后一种情况下,耦合有效地引入了传播损耗,因为包层模式下的光通常会在光纤涂层中遭受很大的损耗。

甚至可以通过将短长度的光纤压在带有周期性凹槽的板上来制成长周期光栅。这种光栅是可逆的并且可能是可调谐的。

长周期光栅被用于引入仔细控制依赖于波长的损耗,例如,用于增益均衡掺铒光纤放大器的,但也可用于光纤传感器

聚合物纤维中的纤维光栅

也可以在聚合物光纤中写入FBG?。与二氧化硅纤维一样,通常使用紫外线,但物理机理有所不同。布拉格光栅在聚合物纤维中的一个优点是波长可调性更大:聚合物纤维可以被更强地拉伸,并且它们对温度变化的反应更强。

光纤布拉格光栅的制造

布拉格光纤光栅的制造通常涉及用紫外?激光(例如来自KrF或ArF?准分子激光或其他类型的紫外激光)照射芯材,这会引起一些结构变化,从而导致折射率的永久改变。芯玻璃的光敏性实际上很大程度上取决于化学成分和UV波长:石英玻璃(通常用于覆层)的光敏性非常弱,而锗硅酸盐玻璃则表现出强得多的效果,从而可以实现折射率对比度高达≈10?-3。通过向纤维中加载氢,可以进一步显着提高光敏性(氢化纤维)。(为此,将纤维在高压氢气氛中放置一段时间。)?磷酸盐玻璃通常被认为不适合用于FBG的制造,但是特殊的方法可以使这种玻璃成为可能。

第一个光纤布拉格光栅[1]是用沿光纤纤芯传播的可见激光束制造的,但是在1989年,G。Meltz等人证明了更通用的技术。,使用干涉法叠加来自光纤侧面的紫外线(横向?全息?技术)。紫外线之间的夹角决定了光纤纤芯中光图案的周期,从而决定了布拉格波长。两个紫外光束经常被暴露周期性相位掩模(光掩模)与单个UV光束(产生相位掩模技术),使用两个一阶衍射梁。非周期性相位掩模可用于获得更复杂的图案。另一种技术是逐点技术,其中使用较小的聚焦激光束逐点写入折射率增加的区域。这是一种适当的(且非常灵活)的技术,特别是对于长周期布拉格光栅(请参见上文)。

代替紫外光,还可以使用飞秒脉冲形式的红外光在各种眼镜中写入布拉格光栅。在那种情况下,双光子吸取发生在激光束的焦点附近,但是不在焦点之外的区域中发生。甚至有可能通过纤维的聚合物涂层写入此类光栅,因为当光束聚焦到纤维芯时,涂层中的强度要低得多。使用红外光的另一种完全不同的方法是通过用CO?2激光束辐照在光子晶体光纤中制造长周期FBG?。

根据书写条件,布拉格光栅的形成实际上涉及不同的物理机制,并且可以区分不同类型的光栅。I型光栅的写入强度适中,并且在整个磁芯上都显示索引光栅。II型光栅可以在很短的时间内以更高的强度写入,通常是受激准分子激光器发出的单个纳秒脉冲(单发损伤光栅)。可以在涂覆纤维之前将它们写在拉伸塔上,这样就避免了去除已经制造的涂层的过程,并获得了具有普通纤维完整机械强度的光栅。

rp光栅可以通过不同方式获得,例如通过点对点激光刻写,with相位掩模或在写入光栅后使光纤变细。

布拉格光纤光栅相当耐用,但是耐用程度(例如,可以擦除光栅的温度)在很大程度上取决于纤维材料和光栅制造的细节。光学性能在制造后的一段时间内可能会发生变化,直到达到最终值。为了更快地达到稳定状态,可以应用退火程序,这通常意味着将纤维在某些高温下保持几个小时。

光纤布拉格光栅的应用

FBG的电信应用通常涉及波长滤波,例如,用于在波分复用系统(分插复用器OADM)中组合或分离多个波长信道。可以使用长FBG(具有高达约一米的长度,请参见参考文献[31])或这种光栅的组合来实现极窄带滤波器。也有较短的具有可调中心波长的FBG,例如通过施加压电换能器的可变机械应变。利用这样的技术,可以实现可调谐的光学滤波器

FBG可用作光纤激光器(→??分布式布拉格反射器激光器,DBR光纤激光器)的端镜,然后通常将发射限制在非常窄的光谱范围内。甚至单频操作也可以实现,例如,通过使整个激光谐振器由FBG形成,并在中间相移(→??分布式反馈激光器)。在激光谐振器外部,FBG可以用作波长参考,例如用于稳定激光波长。该方法也可以应用于波长稳定的激光二极管

如果写入光束的偏振垂直于光纤轴,则在两个偏振方向上的布拉格波长之间可能会有很大的偏差(即双折射)。例如,这可用于制造摇摆过滤器

光纤传感器的另一个应用领域,例如应变温度

FBGs中有趣现象的范围因光学非线性的出现而进一步丰富,但这些现象尚未得到广泛利用

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