光纤光栅理论及应用

光纤光栅理论及应用孙伟民哈尔滨工程大学LimaElectronicsSingaporeLimitedWhatisFBG？„FiberBragggrating(FBG)是布拉格光纤光栅，是一种沿光纤轴向制作的周期性结构，相当于一种选定波长的反射镜。反射镜？Bragg光纤光栅的概念式中：neff——光纤的有效折射率λB——布拉格耦合（中心）波长Λ——光纤光栅栅格间距I输入宽光谱λBλ反射光谱Bλλ=2Λ1λ2λ3λ1λ3λBλλ−透射光谱Λ=effBn2λ与传统光学元件的比较„等效于激光器的多层介质膜反射镜13~17层MgF2(1.38)1.50ZnS(2.35)MgF2(1.38)ZnS(2.35)MgF2(1.38)光纤光栅的诞生„1978年，加拿大Hill等人使用如左图所示的实验装置将488nm的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉格光栅。„1989年，G.Meltz等人首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅，从此推动了光纤光栅的巨大发展。柱状透镜柱状透镜反射镜反射镜分光镜UV光光源光谱分析仪θ是光纤就行吗？„利用紫外光刻写法需要用光敏光纤„高掺杂锗（Ge）光纤„低温载氢光纤„高温载氢光纤„混合掺杂光纤掺杂光纤„掺杂光纤光敏性机理„掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷„外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂形成色心„标准光纤：GeOx„其它掺杂物质：Erbium（铒）,Europium（铕）,Cerium（铈）光纤光敏性光纤光敏性光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性(这种现象也称为光致折射率变化效应，简称光折变效应。光纤的光敏性是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。虽然光纤光敏性的发现距今已有二十多年了，但其产生的微观机理还不是很清楚。目前人们一般采用两种模型，即色心模型和应力松弛模型。色心模型认为掺锗光纤中缺氧中心(GODC)吸收紫外光电离，释放电子，电子陷于临近位置，形成新的色心，导致了吸收谱的变化，折射率变化可以通过Kramers-Kroning关系来完成;应力松弛模型认为，缺陷的电离不仅导致了吸收谱变，还使光纤材料的密度和应力分布发生变化，引起折射率的变化，这在点点写入长周期光栅时更为明显。通过提高光纤的掺杂浓度，可以提高光敏性。影响光纤光敏性的因素„掺杂种类与掺杂浓度„预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前„拉纤速度影响光纤光敏性„光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关增加光纤光敏性的方法（1）„低温载氢处理„压力：20—750atm(典型150atm)，温度：20—75℃，时间：数十小时至数天„形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH„有效增加标准单模光纤的光敏性„标准单模光纤损耗增大„光敏性变化大„退火及老化处理增加光纤光敏性的方法（2）„高温载氢处理„在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温至600℃„短时间（10秒）内增加光纤的光敏性„火焰热处理„氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃„持续20分钟„光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10-3„高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题载氢技术载氢技术作为一种光纤增敏技术是由lemaire等人在1993年提出的，其优点是成本低廉，制备简单，并且能大幅度提高光纤光敏性，通过氢载处理的普通光纤的纤芯折射率变化幅度可从10-5提高到10-2。其基本原理是普通光纤在高压氢气中放置一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中:当特定波长的紫外光(一般是248nm或193nm)照射氢载光纤时，纤芯被照部分中的氢分子即与锗发生反应形成Ge-OH和Ge一H键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加。由于写入后光栅中残存的氢分子的扩散运动以及反应后存在不稳定的Ge一OH键，会造成光栅光学特性的不稳定，因此为便于应用必须用高温退火的方法提高光纤光栅的稳定性。由于存在游离的氢气，光纤在1245nm处存在着一个比较明显的吸收峰。光纤中氢气的摩尔分子数)可以简单地通过测量每米光纤上这个吸收峰的大小来确定，满足以下的关系:氢在硅玻璃中的扩散满足如下方程:在圆柱坐标下解扩散方程，得到氢在光纤中的扩散方程。当时间t=0时，对于氢气进入光纤的情况，归一化浓度C=0，对于溢出的情况C=1。向内扩散：向外扩散：载氢光纤光敏性载氢光纤光敏性载氢光纤中氢气摩尔分数的饱和值H与温度T和压力P有关对于一段裸光纤来讲，扩散时间满足下面的关系式:。其中当t=td，时，光纤中氢气的浓度达到其饱和值H的63%。将T=300k,rd=62.5代入上式，tdiff约为7天。低温载氢光纤光敏性低温载氢光纤光敏性冷藏载氢光敏光纤冷藏载氢光敏光纤载氢光纤光敏解释及退火处理载氢光纤光敏解释及退火处理根据色心模型的解释，高压载氢光纤在紫外光的照射下，H2和纤芯中的Ge-O-Si缺陷发生反应，缺氧错缺陷中心中的电子被电离出来，接着又被附近的具有完整Ge-O键四面体结构的Ge原子所俘获，产生了Ge(1)和Ge(2)色心，同时伴随有Ge-OH和Si-OH等物质，这些都引起了纤芯折射率的变化。但是这些被俘获的电子有一部分处于靠近导带的低能量势阱中，通过热激发这些电子就会返回导带，并重新构成缺氧锗缺陷中心，从而导致纤芯折射率改变量的减小。另外，由于载过氢的光纤中存在游离的氢分子，纤芯的折射率将会有所增加。在光纤光栅制作完毕之后，光纤中的未经反应的氢分子会逐渐逃逸出光纤，导致光纤折射率的减小，从而引起谐振峰波长的改变。为了保证光纤光栅在实际应用时折射率的稳定，在光纤光栅制作完成后一般进行高温退火。退火的作用有两方面：一方面可以清除残留在光纤中的未反应的氢分子，这会导致纤芯和包层折射率回复为未氢载前的值；另一方面，退火可以破坏光栅写入后纤芯中的一些不稳定的Ge-OH和Ge-H键，使纤芯的折射率降低的幅度也不同，温度越高折射率降低越多。增加光纤光敏性的方法（3）„掺Boron（硼）„降低折射率，可提高Ge掺杂浓度„光纤的光敏性增加3倍„30min@400℃退火可使折射率变化减半„1500nm窗口付加损耗～0.1dB/m„双折射效应„掺Tin（锡）„较B-Ge光纤的光敏性增加3倍„热稳定性优于B-Ge光纤„掺N2（氮气）„SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加倍„折射率变化～2.8×10-3光纤光栅的分类¾均匀周期光纤光栅•Bragg光纤光栅•长周期光纤光栅¾非均匀周期光纤光栅•啁啾光纤光栅•相移光纤光栅•闪耀光纤光栅•莫尔光纤光栅•取样光纤光栅光纤光栅的分类z)(znΔz)(znΔz)(znΔiφzz＇θ)(znΔz)(znΔzap)(znΔ(a)布拉格光纤光栅(b)啁啾光纤光栅(c)相移光纤光栅(d)闪耀光纤光栅(e)莫尔光纤光栅(f)取样光纤光栅光纤光栅的分类„Ⅰ类光栅„掺杂浓度较低的光纤内形成„较低UV曝光量„局部缺陷引起折射率变化„折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0„温度稳定性较差（300℃）„可使脉冲或连续激光，前者更有效„ⅡA（Ⅲ）类光栅„掺杂浓度较高（eg＞25mol%GeO2)的光纤内形成„较高UV曝光量（＞500J/cm2)，„结构重构引起折射率变化„折射率变化⊿n＜0„温度稳定性较好（500℃）„可使脉冲或连续激光„Ⅱ类光栅„极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度„物理破坏引起折射率变化„折射率变化⊿n可达10-2„温度稳定性好（800℃）„只能使用脉冲激光布拉格光纤光栅的制作„1)内部写入法„1978年，K.O.Hill等人首先发现搀锗(Ge)光纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生周期性的永久性改变，人们很快意识到可以利用这种特性在光纤中制作光纤光栅，这成为光纤光栅研究的起点。光电探测器1单模氩离子激光光电探测器2光纤光栅吸收材料„2)全息干涉法柱状透镜柱状透镜反射镜反射镜分光镜UV光光源光谱分析仪θ1989年，G.Meltz等人首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅，从此推动了光纤光栅的巨大发展。目前光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域内均引起了革命性的变化。凭其诸多优点，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，也就越发显示出它在信息领域的重要地位。„3)分波前干涉法（改进的干涉法）宽带光源光谱分析仪光纤干涉图样UV光柱状透镜棱镜光谱分析仪宽带光源光纤反射镜板柱状透镜UV光„4)相位掩模法（工业化方法）UV光ΛPMhPhaseMask光纤0级光束-1级+1级„5)在线成栅法预制卡盘熔炉直径监测仪包层坩埚包层固化紫外灯光纤牵引盘准分子激光器导引光路干涉光束KrF准分子激光器M2M3M4M1CL光纤包层坩埚„6)直接写入法（采用紫外透明的涂覆层）„7)聚焦离子束写入纤芯包层长周期光纤光栅的制作„1)UV曝光法（使用振幅掩模板AM）KrF准分子激光器AM宽带光源光谱仪光纤PC„2)离子注入法离子掩模板光纤„3)电弧感生微弯法光纤夹具光栅周期电极光纤位移„4)利用弧光放电白光光源光谱分析仪光纤电弧电动控制精确控制台„5)利用聚焦CO2激光应力释放区没有被加热区CO2激光器光束柱状透镜光纤„6)熔融拉锥法宽带光源光谱分析仪刻有V形槽的光纤H2火焰„7)微透镜阵列写入法宽带LED（1550nm）光谱分析仪单模光纤准分子激光（248nm）微透镜阵列„8)机械感生法平板沟槽板压力光纤护套光纤Λ光谱分析仪宽带光源压力900光纤旋转器FPGPFTFHSMFPzxy去除双折射影响„9)扫描法UV光束计算机控制的光圈望远镜移动平台显微镜物镜光纤应变仪电动光纤拉伸器啁啾光纤光栅的制作„1)二次曝光法„（利用第一次曝光改变光纤的光敏性）248nmKrF或193nmArF模板光纤UV光相位掩模板光纤„2)全息干涉法M1M2M3F1F2F3光纤UV光„3)弯曲法z)(zφ光纤0Λ光强分布„4)光纤倾斜法紫外激光器x透镜1透镜2相位掩模板光纤„5)移动平台法准分子激光会聚柱透镜发散柱透镜相位掩模板光纤移动支架„6)锥型光纤纵向应力法包层纤芯光强分布„7)锥型纤芯法z包层纤芯LT夹具光栅„8)应力梯度法θ螺丝光栅聚合物横梁铝制框架光谱分析仪宽带光源3dB耦合器xyFFABFBGy=f(x)光纤„9）温度梯度法（沿均匀FBG施加变化的温度场）„10）PZT分段非线性加电压成栅法45mmV1V21光纤时间延迟/ps电压/V时间延迟/psPZT长度方向/cm132切趾光纤光栅的制作„1)利用切趾相位掩模板„2)扫描法紫外光束扫描镜v相位掩模板光纤载物台v1„3)紫外脉冲相干写入法xy光纤相位掩模板UV光M透镜M1M2ϕϕθ„4)多次曝光法25mm17mm输入高斯光束光圈柱状透镜相位掩模板相位掩模板光纤光栅第一次曝光位置第二次曝光位置„5)二次曝光法准分子激光器宽带光源光谱分析仪循环器光纤相位掩模板透镜旋转台狭缝1狭缝2