基于腔衰荡光谱技术的光纤Bragg光栅反射率测量

发布时间：2020-07-20 10:21

【摘要】：光纤Bragg光栅(缩写FBG)是在1978年由加拿大的K.Hill等人首次发明的,它是一种全光纤器件,经常用于过滤器和激光反射器,在光纤通信技术、光纤温度传感器、红外线遥感技术、光纤激光器的应用、微波通信技术、生物光学技术及光信息及其处理等领域具有广泛应用。本文提出一种基于腔衰荡光谱技术(CRDS)测量FBG反射率方法,并就相关关键问题作详细研究,主要研究内容如下:1、利用耦合模理论探讨FBG的反射特性,讨论光栅长度L、耦合系数k对其反射特性的影响。研究结果表明:随光栅长度L的增加FBG的反射率逐渐变大,随着光栅长度L的增加FBG的反射带宽却逐渐变窄,随着耦合系数k的增加峰值反射率r_(max)也变得越来越大。2、提出一种研究FBG对不同线型光信号入射响应的线性系统分析方法,建立相应的系统分析模型。理论研究FBG对高斯线型光信号入射响应,实验研究FBG对准洛伦兹线型与高斯线型光信号入射的响应。高斯线型光信号源为InP/InGaAsP多量子阱半导体的自发辐射光,准洛伦兹线型光信号源为掺铒光纤的自发辐射光。研究结果表明:FBG对入射光信号的影响发生在FBG Bragg波长附近3 dB带宽范围内,只与FBG的透射函数有关,而与入射信号波形无关,同时验证了FBG的带阻滤波效应,表明FBG Bragg波长及其带宽范围内的所有光波被FBG反射回去,其它波长光波顺利通过FBG。3、提出并论证一种基于FBG-FP CRDS的高反射率FBG测量方法,给出其工作原理,导出腔衰荡(CRD)时间与FBG反射率之间的函数关系,并进行数值仿真,理论研究结果表明:FBG-FP腔的输出特性可分为建立、稳定和衰荡三个阶段。FBG反射率测量测量分三个步骤:1)确定模式(由波长表征);2)测量某一模式下的CRD时间,根据CRD时间与FBG的反射率间的关系式,计算出FBG的反射率;3)重复1)、2)两步,测量FBG在其它模式(波长)下的反射率,利用拟合方法,得到FBG的反射特性曲线。实验研究结果表明:FBG的反射率是波长的函数,在1550.09 nm处的反射率为99.37%。当然,该方法也同样适用于测量FBG低反射率。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253
【图文】：

结构图,光纤光栅,结构图

FBG 的光栅周期与传输波长相比拟，LPG 的光栅周期是传输波长的几十倍甚至上百倍。图1-1 光纤光栅结构图Fig.1-1 Structure of FBG加拿大的 K.Hill 等人于 1978 年首次发明出 FBG[2]。其制作方法主要有：光纤光栅线上制作方法、逐点写人法、相位掩膜法、横向侧面干涉曝光制作法等。其制作原理是：利用掺锗光纤中锗粒子对紫外光（245 nm）照射的敏感性，产生永久性折射率分布的改变。这主要的原因是掺铒光纤在 245 nm 处具有很强吸收峰。根据 Kramers-Krong 关系，折射率的周期性变化是由吸收的周期性变化引起。描述 FBG 的参数是 Bragg 波长，带宽宽窄，光栅长度的长短，周期大小和反射率大小等。FBG 的长度和周期可以在制作过程中精确控制，FBG 的 Bragg 波长和带宽可通过理论计算与实验精确测量，FBG 的反射率则通过耦合模理论等理论计算方法得到，缺少必要精确的实验测量。

相位掩模法,光纤光栅,单模石英光纤,紫外光照射

为光栅的周期。FBG 是一种新型的光纤光栅，由单模石英光纤经紫外光照射而成。结构如图2-1 所示。图 2-1 光纤光栅采用相位掩模法制作Fig.2-1 Fiber grating fabricated by phase mask method

峰值反射率,光栅,布拉格,失谐量

2.2.3 FBG 反射率随着布拉格失谐量 δL 化的关系根据公式(2-73)，在 kL 不同情况下，光栅的反射率 R 随着布拉格失谐量 δ间的关系用下面公式表示:)()()cosh(()-()-sinh(()-())22222222kLLkLLkLLRδδδ=(2下图 2-4 就是 FBG 反射率 R 随布拉格失谐量 δL 的变化关系。

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