光纤光栅发展前景.pdf

光纤光栅应用及展望  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： -1 ①光纤布拉格光栅（FBG ）：折射率变化周期一般为 10 μm （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。 2 ③长周期光纤光栅：折射率的变化周期一般为 10 μm ，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，具有一定的色散。 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。 2 ②Ⅱ型光栅: 由单个高能量光脉冲(大于 0.5J/cm )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