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*集成光电子国家重点实验室资助课题。
收稿日期:1998-07-13第19卷 第11期1999年11月光 学 学 报ACT A O PT ICA SIN IC A V o l.19,No.11N ov embe r,1999用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅*韦占雄 秦 莉 韦 欣 王庆亚 郑 伟 张玉书(吉林大学电子工程系,长春130023)摘 要 介绍了一种用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅的方法。
采用氢氟酸腐蚀布拉格光纤光栅,使光栅的横截面沿光栅轴向逐渐变小,然后对光栅施加1.50N 的拉力,在光栅轴向建立应变梯度,制作出长15mm 、峰值反射率达92%、反射半高宽为5nm 的啁啾光纤光栅。
关键词 布拉格光纤光栅, 腐蚀, 应变梯度, 啁啾光纤光栅。
1 引 言近年来,光纤光栅因其在光通信和传感技术领域有着广泛的应用前景而引起了人们极大的兴趣,光纤光栅的制作及其特性的研究成了有关研究人员普遍关注的热点。
自从Ouel-lette [1]在1987年提出用啁啾光纤光栅作为长距离光通信系统的色散补偿器件以来,人们对啁啾光纤光栅的制备、性能及应用作了一系列深入的研究和探讨。
除了用作色散补偿器件外,啁啾光纤光栅还可应用于波分复用系统[2]、掺铒光纤放大器[3]等多种光通信器件和温度、应力等传感器件[4]中。
因此,人们对啁啾光纤光栅的制备作了大量的研究工作,提出了多种方法,如非相似波前干涉法[5]、相位掩膜法[6]、二次曝光法[7]、锥形法[8]、光纤弯曲法[9]、光纤倾斜法[10],温度梯度法[11]等。
然而,非相似波前干涉法和光纤倾斜法均要求用于制作光纤光栅的激光光源有很好的相干性;二次曝光法、锥形法是以改变光栅的有效折射率为基础来制作啁啾光纤光栅,由于有效折射率的变化量有限,所以制作出的光栅的反射带宽受到了很大的限制;相位掩膜法需要购买价格昂贵的啁啾相位掩膜板;利用均匀周期相位掩膜板来制作啁啾光纤光栅的光纤弯曲法虽然可通过控制光纤弯曲的形状来调整光栅的带宽,但是这种方法与其它利用相位掩膜板制作光纤光栅的方法一样,制作出啁啾光纤光栅的反射波长受到所用相位掩膜板周期分布的限制。
1.啁啾系数对相移光栅反射谱的影响:线性啁啾系数可以展宽光栅反射谱，非线性啁啾系数会改变反射谱的对称性，使得传输窗口偏离反射谱的中心位置，同时不同啁啾系数和切趾函数的选取会对旁瓣的抑制产生不同的影响。
其他条件不变，增大光栅正线性啁啾系数，观察反射谱的变化。
随着正啁啾系数的增大，光栅的反射带宽和透射带宽均变大，反射峰峰值稍有下降，峰值透过率增大，传输窗口的位置向长波长方向移动，但仍然在反射谱的中心，反射谱关于传输窗口左右对称。
不同的啁啾系数对旁瓣的抑制效果也有所不同．随着正非线性啁啾系数的增大，光栅的反射带宽增大，反射谱出现不对称性变化，反射峰峰值反射率减小。
当非线性啁啾系数为O．5X10-2nm／cm2时，旁瓣的抑制较好：但进一步增大非线性啁啾系数，光栅反射谱的旁瓣干扰增。
啁啾系数的选择并非越大越好，而应选择合适的啁啾系数，在增大带宽的同时又能够对旁瓣有所抑制，尽量避免由于旁瓣引起的信道串扰。
2.切趾函数：曲线变得平滑，传输窗口处带宽展宽相移光栅的反射谱对称性较高斯函数好，但反射率明显下降与高斯函数相比，其光栅反射率更高，传输窗口透射率更高，旁瓣的抑制效果也较好反射率更高，旁瓣的抑制效果比前面三种切趾函数更好，因此在多通道滤波方面将更有优势3.布拉格光栅开关理论考虑非线性情况下泵浦光输入的耦合模方程为：通常情况下，泵浦功率远远大于信号光功率原理：无泵浦>禁带内>信号被反射>光栅处于关的状态有泵浦>有效折射率增大>布拉格波长红移>信号光也由原来的高反射变成高透射>光栅开下面讨论三种信号光波长情况下，泵浦光功率对光栅透射反射率的影响：第一种情况：当信号光波长在光栅禁带内时，要使位于禁带内的信号光从高反射变成高透射，即实现开关，需要较高的泵浦输入功率现象：1)禁带内小于光栅布拉格波长的信号光比大于光栅布拉格波长的信号光实现光开关时的泵浦功率要小得多2)旁瓣震荡严重原因：1)泵浦功率引起的非线性效应使得光栅的禁带向长波长方向偏移，这就使得波长大于布拉格波长的信号光实现光开关要移动的波长间隔变大，所需要的泵浦功率也随之增大。
光纤布喇格光栅切趾特性及自致啁啾效应研究的开题报告
标题：光纤布喇格光栅切趾特性及自致啁啾效应研究
研究背景和意义：
随着信息时代的发展，光通信已经成为了一种主流的通信方式。
其中，光纤布喇格光栅是一种非常重要的光学器件，可以用于多种光学应用领域，如光通信、光传感、光学信号处理等。
光纤布喇格光栅的切趾特性和自致啁啾效应是研究光纤布喇格光栅
的重要方面，对于进一步理解和应用光纤布喇格光栅具有重要意义。
研究内容和方法：
本研究的主要内容是光纤布喇格光栅切趾特性和自致啁啾效应的研究。
其中，切趾特性是指在一定的频率范围内，光纤布喇格光栅反射谱强度发生明显变化的特性；
自致啁啾效应是指在一定的条件下，光纤布喇格光栅反射谱峰宽度出现增宽的现象。
本研究将采用光纤布喇格光栅制备技术，结合理论计算和实验测试相结合的方法，深
入探索光纤布喇格光栅的切趾特性和自致啁啾效应，揭示其物理本质和相关机制。
预期结果和意义：
通过本研究的探索，将能够深入理解光纤布喇格光栅的切趾特性和自致啁啾效应，为光纤布喇格光栅在光通信、光传感、光学信号处理等领域的应用提供基础理论支撑
和技术指导。
同时，本研究还将为相关学科领域提供新的思路和方法，推动光学器件
研究的进一步发展。
啁啾体布拉格光栅作用(一)啁啾体布拉格光栅作用什么是布拉格光栅？•布拉格光栅是一种光学元件，利用光波的干涉原理，实现光的衍射和分束。
光栅的基本概念•光栅由许多均等间隔的透明或不透明条纹组成，这些条纹称为光栅条。
•光栅携带了光的信息，可以对光进行精确的分析和处理。
布拉格光栅的原理•布拉格光栅是一种光栅的特殊形式，利用回波衍射原理实现光的分束。
•当入射光波遇到光栅时，会发生衍射现象，光波被分成不同的波束。
布拉格光栅的结构•布拉格光栅通常由一系列平行的凹槽或凸起组成。
•光波在光栅上的衍射现象取决于光栅间距和入射光波的波长。
啁啾体布拉格光栅作用•啁啾体布拉格光栅是一种特殊的布拉格光栅结构。
•它利用啁啾体的形状变化，改变光栅的间距和入射光波的波长，进而实现光的调制和处理。
啁啾体布拉格光栅的应用•啁啾体布拉格光栅广泛应用于光通信、激光器、光谱分析等领域。
•它可以实现光的滤波、调制、增强等功能，对于光学设备的性能提升起到重要作用。
结语•啁啾体布拉格光栅作为一种创新的光学元件，为光学技术的发展开辟了新的可能性。
•在未来的发展中，我们可以期待它在更多领域的应用，并为光学技术的进步做出更大的贡献。
啁啾体布拉格光栅的制备•制备啁啾体布拉格光栅需要借助精密的光刻技术和雕刻工艺。
•首先，通过光刻技术在光敏材料上形成光栅的图案。
•然后，利用化学蚀刻或机械刮蚀等方法，在材料表面形成凹槽或凸起结构。
•最后，利用加工技术控制啁啾体的形状变化，调整光栅的间距和入射光波的波长。
啁啾体布拉格光栅的优势•啁啾体布拉格光栅相比传统光栅具有更大的调节范围和更高的光学性能。
•它能够灵活地调节光栅的结构参数，实现对不同波长光的精确处理。
啁啾体布拉格光栅的前景•随着光学技术的不断发展，对光波的精确控制和处理需求越来越高。
•啁啾体布拉格光栅作为新型光学元件，有着广阔的应用前景和市场需求。
总结•啁啾体布拉格光栅是一种特殊的光栅结构，利用啁啾体的形状变化实现光的调制和处理。
啁啾参数光纤光栅光纤光栅是一种基于光纤的传感器技术，它利用光纤中的光栅结构来实现对光信号的调制和传感。
光纤光栅具有很高的灵敏度和精确度，被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光纤光栅传感等领域。
光纤光栅的结构主要由一段光纤和一定间隔的光栅构成。
光栅是一种周期性的折射率变化结构，通过改变光纤中的折射率分布来实现对光信号的调制和传感。
光纤光栅的制备过程一般通过激光干涉或相位层析等技术实现。
光纤光栅的工作原理基于布拉格散射原理。
当入射光信号通过光纤光栅时，其中一部分光会被光栅散射出去，形成反射光。
反射光的波长与入射光的波长之间存在特定关系，这个关系由布拉格方程给出。
通过测量反射光的波长，可以获得与之对应的物理量信息。
光纤光栅的应用非常广泛。
在光纤通信领域，光纤光栅可以用来实现波长选择器、波长分复用器等功能，提高光纤通信系统的传输容量和性能。
在光纤传感领域，光纤光栅可以用来实现温度、压力、应变等物理量的测量，具有高灵敏度、高分辨率和抗电磁干扰等优点。
光纤光栅传感技术还可以应用于地质勘探、环境监测、生物医学等领域，为科学研究和工程应用提供重要支持。
光纤光栅的发展前景非常广阔。
随着光纤光栅制备技术的不断进步和光纤光栅传感技术的不断创新，光纤光栅的性能将进一步提高，应用领域将进一步扩展。
未来，光纤光栅有望在智能交通、智能制造、海洋监测等领域发挥更大的作用，为社会经济发展和科技创新做出更多贡献。
总结起来，光纤光栅是一种基于光纤的传感器技术，具有高灵敏度和精确度，在光纤通信、光纤传感和光纤光栅传感等领域有着广泛应用。
光纤光栅的制备和工作原理基于光栅结构和布拉格散射原理。
光纤光栅的应用范围广泛，可以用于光纤通信、光纤传感、地质勘探、环境监测、生物医学等领域。
随着技术的进步，光纤光栅的性能将进一步提高，应用领域也将不断扩展。
光纤光栅的发展前景十分广阔，将为社会经济发展和科技创新带来更多的机遇和挑战。
啁啾体布拉格光栅作用引言：布拉格光栅是一种重要的光学元件，它可以用来分析和操控光的性质。
啁啾体布拉格光栅作为一种特殊的布拉格光栅，具有独特的作用，可以在光场中引入啁啾效应。
本文将介绍啁啾体布拉格光栅的原理、应用和未来发展趋势。
一、啁啾体布拉格光栅原理啁啾体布拉格光栅是由一系列的周期性折射率调制单元组成的。
当入射光与布拉格光栅相互作用时，会发生衍射现象。
而啁啾体布拉格光栅的独特之处在于，其折射率调制单元的周期性不均匀，从而引入了频率调制的效果，使得光的波前相位发生变化。
二、啁啾体布拉格光栅的作用1. 频率调制：啁啾体布拉格光栅可以对光进行频率调制，即在光场中引入了频率的变化。
这种频率调制的效果可以用来产生激光的频率合成、频率转换和频率调制等应用。
2. 光学信号处理：啁啾体布拉格光栅可以用于光学信号的处理。
通过对入射光场进行频率调制，可以实现光信号的滤波、调制和解调等功能。
这在通信、光谱分析和光学传感等领域具有重要的应用价值。
3. 光学传感：啁啾体布拉格光栅还可以用于光学传感。
通过对入射光场的频率调制，可以实现对外界物理量的测量和监测。
例如，利用啁啾体布拉格光栅的频率调制特性，可以实现光纤传感器对温度、压力和应变等物理量的高灵敏度检测。
4. 光学显微镜：啁啾体布拉格光栅也可以应用于光学显微镜。
通过在显微镜中加入啁啾体布拉格光栅，可以实现对显微镜成像的改进和增强。
这在生物医学领域中对细胞和组织的成像具有重要意义。
三、啁啾体布拉格光栅的应用啁啾体布拉格光栅的应用十分广泛，以下列举了几个典型的应用领域：1. 光通信：啁啾体布拉格光栅可以用于光纤通信系统中的频率合成和调制。
通过对光信号进行频率调制，可以实现光信号的调制和解调，从而提高通信系统的传输容量和速率。
2. 光谱分析：啁啾体布拉格光栅可以用于光谱分析仪器中的频率调制和滤波。
通过对光信号进行频率调制，可以实现对光谱信号的滤波和分析，从而提高光谱分析的精度和灵敏度。
啁啾布拉格光纤光栅反射光谱啁啾布拉格光纤光栅反射光谱一、前言光纤光栅是一种利用光纤的特性进行测量或传感的装置。
而啁啾布拉格光纤光栅则是其中一种应用比较广泛的光纤光栅，其原理在于光纤光栅的周期结构会将入射光偏转成不同的角度，从而实现谱线的分离和测量。
在多种领域的应用中，啁啾布拉格光纤光栅反射光谱被广泛采用。
二、什么是啁啾布拉格光纤光栅反射光谱？啁啾布拉格光纤光栅反射光谱，顾名思义是利用光纤光栅的反射特性进行测量的一种方法。
利用光纤光栅制作一个小型化的光谱仪，可以获得有关样品不同反射波长强度的信息。
样品光经过啁啾布拉格光纤光栅反射之后，通过测量反射强度和对应的波长，可以了解样品的成分、质量和构成等信息。
三、啁啾布拉格光纤光栅反射光谱的优点1. 灵敏度高：啁啾布拉格光纤光栅反射光谱是一种高分辨率、高灵敏度的光学测量方法。
通过不同波长光的分离，可以衡量样品中的各种物质的含量，同时还能探测微小变化，这在化学、生物、医学等领域都有广泛应用。
2. 精度高：啁啾布拉格光纤光栅反射光谱是一种非常准确的光谱测量方法。
其波长精度可以达到亚埃级别，而且在波长重复性、波长稳定性等方面相对于其他光谱测量技术表现更为优异。
所以在制药、食品、化学等领域，啁啾布拉格光纤光栅反射光谱被广泛应用于检测、质量控制等方面。
3. 体积小：啁啾布拉格光纤光栅反射光谱的装置非常小型化，只要一根光纤就可以完成光学测量，能够灵活的适应实验环境，节省空间和成本。
四、啁啾布拉格光纤光栅反射光谱的应用1. 化学分析：啁啾布拉格光纤光栅反射光谱可以被广泛应用于各类物质的化学分析、质量检测等方面。
在环保、工业生产、大气污染等方面都有广泛的应用。
2. 药品制造：啁啾布拉格光纤光栅反射光谱的高精度和高灵敏度能够保证药品制造中的质量检测，保证药品的质量安全。
3. 生命科学：啁啾布拉格光纤光栅反射光谱在生命科学领域有着广泛应用。
例如，可以用于检测蛋白质和生物大分子的结构、样品的等差态等方面。
文章编号:1005-9490(2000)02-90-93
线性啁啾对布拉格光纤光栅反射谱的影响
①
何瑾琳,孙小菡,张明德,丁东
(东南大学电子工程系,南京,210096) 摘要:以耦合模理论为基础,采用分段均匀和传输矩阵法,得到分析啁啾非均匀光纤光栅光谱特性的教学物理模型,讨论了啁啾系数对高斯型切趾光栅和相移光栅滤波特性的影响。
关键词:光纤光栅,滤波,啁啾
中图分类法:TN 25 文献标识码:A
1 引 言
1987年O uellette [1]首次提出用带啁啾的光纤光栅对长距离光通信系统进行色散补偿,并在理论上预计其性能将十分优越。
此后,随着光栅制作工艺的发展,包括非相似波前干涉法、锥形法、温度梯度法等在内的各种啁啾光纤光栅制备方法[2]应运而生,促进了啁啾光纤光栅在色散补偿和脉冲压缩领域的广泛应用,研究重点一般也放在对色散谱的优化设计上。
但啁啾的加入同时也影响了光栅的反射谱,因此在设计光纤光栅滤波器时,啁啾也是一个重。
本文从啁啾布拉格光纤光栅滤波应用的角度出发,以耦合模理论为基础,采用分段均匀和传输矩阵法,得到分析啁啾非均匀光纤光栅光谱特性的数学物理模型,讨论了啁啾系数对高斯型切趾光栅和相移光栅滤波特性的影响。
2 理论分析
光敏光纤置于光强随空间变化的紫外光曝照中,将引起纤芯折射率的微扰∃n (x ,y ,z ),该微扰在光纤截面上是均匀的,沿光纤轴向(z 向)为正弦变化的量。
包层中折射率改变量为零。
因此可将其表示为:
∃n (x ,y ,z )=∃n (z )=∆n -co (z )1+v co s 2Πz +Υ(z ) r ≤a 0 r >a (1)其中:∆n -co (z )是芯层中折射率的平均变化量,v 是折射率的调制指数,+为光栅周期,Υ(z )是折射率变化的相位,通常用来描述光栅的啁啾量。
线性啁啾光栅相移Υ的一阶导数是z 的线性函数,如下式表示:
d Υd z =2C z L 2(2)
第23卷第2期2000年6月 电 子 器 件Jou rnal of E lectron D evices V o l .23,N o.2June .2000①来稿日期:1999-11-20
式中:C 为光栅的啁啾系数。
在单模布拉格光纤光栅中的耦合模方程如下[3]:
d R d z
=i Ρ∧R (z )+ikS (z )(3a )d S d z
=-i Ρ∧S (z )-ik 3 R (z )(3b )式中:Ρ∧=∆+Ρ-
12d Υd z ,∆=Β-Π+=2Πn eff (1Κ-1ΚD
),ΚD =2n eff +为光栅的设计波长。
在单模布拉格反射光栅中直流和交流耦合系数Ρ、ϑ满足如下关系式:Ρ=2ΠΚ∆n -
eff (4)
ϑ=ϑ3=
ΠΚ
∆n -eff (5)式(3)为分析布拉格光纤光栅特性的出发点。
一般采用分段均匀和传输矩阵法数值计算包括啁啾光栅在内的各种非均匀光纤光栅的光谱特性。
3 啁啾光纤光栅的滤波特性
3.1 非相移啁啾光栅
在折射率改变为高斯型切趾函数的布拉格光纤光栅中引入线性啁啾后,光栅反射谱如图1所示。
图中不同的曲线代表了啁啾系数取不同值的情况,光栅参数[FW HM ]=L =1
c m ,ϑ0L =2Π
,ΚD =1550nm ,n eff =1.45。
图1 不同啁啾系数下的光栅反射谱 图2 啁啾系数对光栅峰值反射率的影响
(实线:C =10,点划线:C =50,点线:C =90)
由图中三条曲线的变化趋势可以看出,随啁啾系数C 的增加,光栅的反射带宽显著增大,但同时峰值反射率也下降了。
图2反映了啁啾光栅的峰值反射率与啁啾系数C 的关系。
由图可见,随啁啾系数的增大,峰值反射率近似线性下降。
啁啾系数对带宽的影响如图3所示。
由图可见,啁啾光纤光栅反射谱的3dB 带宽一开始先随着啁啾系数C 的增加而增加,并在C 等于某一值C m ax 时(C =100附近)达到最大,然
19第2期 何瑾琳、孙小菡等:线性啁啾对布拉格光纤光栅反射谱的影响
后逐渐下降。
这一现象可以从图2中得到解释,啁啾光栅的峰值反射率随啁啾系数的增大呈下降趋势,在C =160时已经接近50%,因此带宽不可能随啁啾系数一直随增长下去。
可见,在啁啾系数作用下,引起了反射谱展宽和峰值反射率减小两种效应,反射谱的3dB 带宽是由两者共同决定的。
在C <C m ax 时,光谱展宽效应占主导作用,因此带宽增大;而C >C m ax 时,啁啾导致的光谱反射率下降更为严重,超过了谱展宽作用,因而致使带宽减小。
图3 啁啾系数对光栅反射谱带宽的影响 图4 啁啾系数不同时的相移啁啾光栅反射谱
(实线:C =50;划线:C =30;点划线;C =10;点线:C =0)
3.2 相移啁啾光栅
光栅中心插入一Π相移后,将在光栅反射谱的中心波长处产生一窄通带,相当于开了一透射窗口。
相移光栅光谱中的通带一般较窄,结合前面对啁啾光栅的特性分析,可以通过在光栅中引入啁啾的办法来加大相移光栅反射和透射带宽。
图4所示不同啁啾系数下的相移光栅光谱图。
相移量为Π,相移点在光栅中心,切趾函数为升余弦。
由图可见,随着啁啾系数的增大,光栅光谱中心处的通带带宽和两旁的反射带宽同时增大。
图5 啁啾系数对相移啁啾光栅的通带带宽的影响
图5所示为相移啁啾光栅的通
带带宽随啁啾系数C 的变化情况。
由图可知,开始时带宽随啁啾系数
增长的幅度不大,C >30后则近似
线性增长。
可见,在光栅中引入啁啾
可有效提高相移光栅的通带带宽。
4 结 论
本文从布拉格光纤光栅的耦合
模方程出发,采用分段均匀和传输
矩阵法数值计算了两类线性啁啾光
栅的反射谱。
讨论了啁啾系数对非
相移光栅反射带宽、峰值反射率以及相移光栅通带带宽的影响。
结果表明,通过适当选取啁2
9 电子器件 第23卷
啾系数可以提高光纤光栅带阻滤波器和带通滤波器的带宽,较之非啁啾光栅更适应宽带滤波的需要。
参考文献
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The I nf luence of L i near Ch irp on Ref lection Spectru m
of F iber Bragg Grati ngs
H E J in lin ,SUN X iao 2han ,ZH N A G M ing 2d e ,D IN G D ong
(D ep t .of E lectronic E ng ineering ,S ou theast U niversity ,P .R .Ch ina ,210096)
Abstract B ased on coup led 2m ode theo ry ,the theo retical m odel of linearly ch irped nonun ifo r m fiber B ragg gratings (FB G )have been set up by u sing p iece 2un ifo r m m ethod and tran sferring m atrix app roaach .
T he i m pact of ch irp p aram eter on reflecti on charateristics of Guassian apodized and phase 2sh ifted ch irp ed FB G have been discu ssed .Key words : fiber grating ,filter ,ch irp
EEACC : 4125,6140C
作者简历:
何瑾琳(1973211),1994年、1997年于东南大学电子工程系分别获得学士、硕士学位,现在该校电子工程系物理电子学与光电子学专业攻读博士学位。
主要研究方向为光纤光栅的理论与应用研究。
39第2期 何瑾琳、孙小菡等:线性啁啾对布拉格光纤光栅反射谱的影响 。
