光纖光柵光學(xué)特性的測(cè)量

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1、光纖光柵光學(xué)特性的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1．了解光纖Bragg光柵的原理及其主要光學(xué)特性。2．掌握Digtallock-inAmplifier工作原理和使用要領(lǐng)。3．掌握測(cè)量光纖Bragg光纖反射光譜及其它光學(xué)特性的方法二、實(shí)驗(yàn)基本原理1．光纖布拉格光柵的理論模型光敏光纖布拉格光柵（FBG,fiberBragggrating）的原理是由于光纖芯折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使的其透射光譜和反射光譜對(duì)該波長(zhǎng)出現(xiàn)奇異性，圖1表示了其折射率分布模型。這只是一個(gè)簡(jiǎn)化圖形，實(shí)際上光敏折射率改變的分布將由照射光的光強(qiáng)分布所決定。對(duì)于整

2、個(gè)光纖曝光區(qū)域，可以由下列表達(dá)式給出折射率分布較一般的描述：式中為光致折射率變化函數(shù)。具有如下特性：式中為光纖纖芯半徑；為光纖包層半徑；相應(yīng)的為纖芯初始折射率；為包層折射率；為折射率最大變化量。因?yàn)橹谱鞴饫w光柵是需要去掉包層，所以這里的一般指空氣折射率。之所以式中出現(xiàn)坐標(biāo)項(xiàng)，是為了描述折射率分布在橫截面上的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在式（1）中隱藏了如下兩點(diǎn)假設(shè)：第一，光纖為理想的階躍型光纖，并且折射率沿軸向均勻分布；第二，光纖包層為純石英，由紫外光引起的折射率變化極其微弱，可以忽略不計(jì)。這兩點(diǎn)假設(shè)有實(shí)際意義，因?yàn)槟壳皩?shí)際由于制作光纖光柵的光柵，多數(shù)是采用改進(jìn)化學(xué)汽相沉積法（MCVD

3、）制成，且使纖芯重?fù)芥N以提高光纖的紫外光敏性，這就使得實(shí)際的折射率分布很接近于理想階躍型，因此采用理想階躍型光纖模型不會(huì)引入于實(shí)際情況相差很大的誤差。此外，光纖包層一般為純石英，雖然它對(duì)紫外光波也有一定的吸收作用，但很難引起折射率的變化，而且及時(shí)折射率由微弱變化，也可由調(diào)整的相對(duì)之來(lái)獲得補(bǔ)償，因此完全可以忽略包層的影響。為了給出的一般形式，必須對(duì)引起這種折射率變化的光波場(chǎng)進(jìn)行詳盡分析。目前采用的各類寫入方法中，紫外光波在光纖芯區(qū)沿z向的光場(chǎng)能量分布大致可分為如下幾類：均勻正弦型、均勻方波型和非均勻方波型。從目前的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，非均勻性主要包括光柵周期及折射率調(diào)制沿z軸

4、的漸變性、折射率調(diào)制在橫截面上的非均勻分布等，他們分別可以采用對(duì)光柵傳播常數(shù)修正──與z相關(guān)的漸變函數(shù)，以及采用代表折射率調(diào)制來(lái)描述。為了更全面的描述光致折射率的變化函數(shù)，可以直接采用傅氏級(jí)數(shù)的形式對(duì)折射率周期變化和準(zhǔn)周期變化進(jìn)行分解?；谶@些考慮，可以采用下列一般性函數(shù)來(lái)描述光致折射率變化：式中表示由于纖芯對(duì)紫外光的吸收作用而造成的光纖橫向截面曝光不均勻性，或其他印數(shù)造成的光柵軸向折射率調(diào)制不均勻性，并有這些不均勻性將會(huì)影響到傳輸光波的偏振及色散特性；為光柵的傳播常數(shù)；為光柵周期；q為非正弦分布（如方波分布）是進(jìn)行傅立葉展開得到的諧波階數(shù)，它將導(dǎo)致告誡布拉格波長(zhǎng)的反

5、向耦合；為展開系數(shù)；為表示周期非均勻性的漸變函數(shù)。正因?yàn)榈臐u變性，我們可以將它看作一“準(zhǔn)周期”函數(shù)，對(duì)包含有的非正弦分布也進(jìn)行了類似于周期函數(shù)的傅里葉展開。結(jié)合式（1）和（2），可以得到光柵區(qū)的實(shí)際折射率分布為該式即為光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制函數(shù)，它給出了光纖光柵的理論模型，是分析光纖光柵特性的基礎(chǔ)。1．均勻周期正弦型光纖光柵用目前的光纖光柵制作技術(shù)，多數(shù)情況下生產(chǎn)的都屬于均勻周期正弦型光柵，如最早出現(xiàn)的全息相干法、分波面向干法以及有著廣泛應(yīng)用的相位模板復(fù)制法，都是在光纖的曝光區(qū)利用紫外激光形成的均勻干涉條紋，在光纖纖心上引起類似條紋結(jié)構(gòu)的折射率變化。盡管在實(shí)際制作

6、中很難使折射率變化嚴(yán)格遵循正弦結(jié)構(gòu)，但對(duì)于這種結(jié)構(gòu)光纖光柵的分析仍然具有相當(dāng)?shù)睦碚搩r(jià)值，可以在此基礎(chǔ)之上展開對(duì)各種非均勻性（由曝光光斑的非均勻性、光纖自身的吸收作用、光纖表面的曲面作用等引起）影響的討論。在這種情況下，折射率微擾可寫成這里忽略了光柵橫截面上折射率分布的不均勻性，即取，且不存在高階諧波，取q=1，周期非均勻函數(shù)，這樣，耦合波方程可簡(jiǎn)化為其中耦合系數(shù)。相應(yīng)的可得正弦型光柵的相位匹配條件為此式即為均勻正弦分布光柵的布拉格方程，式中為第s階模式的有效折射率。對(duì)于單模光纖，如果不考慮雙折射效應(yīng)，僅存在一個(gè)，但是對(duì)于少?；蚨嗄９饫w，則可能有數(shù)個(gè)模式同時(shí)滿足相位匹配

7、條件，從而得出不同的數(shù)個(gè)布拉格方程，這種光柵在光纖傳感方面有著較為特殊的應(yīng)用。為了求解式（5）所示的耦合波方程，必須先得到光纖光柵區(qū)域的波導(dǎo)邊界條件。有理由認(rèn)為在光柵的起始區(qū)，前向波尚未發(fā)生于后向波的耦合，所以必存在而在光柵的結(jié)束區(qū)域，由于折射率微擾不復(fù)存在，也就不可能產(chǎn)生出新的后向廣播，所以必存在，據(jù)此邊界條件可解出耦合波方程（5）。很顯然，方程組（5）可合并為和的二階線形微分方程，求解該方程并利用邊界條件可得式中。結(jié)合表達(dá)式，渴求的前向光波場(chǎng)和后向光波場(chǎng)分別為光柵的反射率可由下式求得：并可驗(yàn)證能量守恒關(guān)系R+T=1。由此式可知，對(duì)于理想正弦型光柵