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光纤光栅的应用_光波技术基础

时间:2021-11-04 百科知识 联系我们
【摘要】:光纤光栅的布喇格波长的可控性和重复性远比半导体芯片容易实现。而且光纤光栅外腔激光器直接以光纤光栅的光纤与系统光纤相连作为输出方式,不同波长的光纤光栅半导体激光器可通过合波器构成多信道WDM的发射光源。光纤光栅的出现使得光纤激光器的设计和制作大为简化。采用光纤光栅构成的光纤激光器其输出线宽可达kHz量级。光纤光栅在光纤传感器方面有很多应用。

光纤光栅的应用_光波技术基础

光纤光栅由于其良好的选频反射特性和较低的插入损耗,使它在光纤通信的各个领域取得了广泛的应用。

1.固定或可调谐滤波器

光纤光栅具有良好的滤波特性,通过变化光栅区的参数可以得到不同的反射率、不同带宽的滤波特性的光纤滤波器。通过设计光栅区的结构可以得到带阻、带通特性的滤波器。由于光栅具有很好的抗拉特性,一般用机械或热效应来对光纤的周期进行调制,可以实现几个纳米范围的调谐变化。

光纤光栅的一个基本特征是选频反射,但是在实用系统中更多地需要传输型的带通滤波器,最简单的办法是将光纤光栅和光纤环形器结合使用。输入光经环形器进入光纤光栅,被反射后由环形器输出端输出,从而变成传输型滤波器。

2.光纤光栅半导体外腔激光

光纤光栅作为外腔耦合到半导体激光器的一端,由于谐振只能发生在光栅反射谱具有较大反射率的波长的位置上,因此在芯片的增益带宽内,激光器的输出波长和线宽完全由光栅的布喇格波长和反射谱带宽及腔长决定,易于实现激光器的波长选择和单频运转。

在高速大容量的光通信系统中,动态单纵模激光光源一般都采用分布反馈(DFB)激光器。但DFB激光器的制作工艺复杂,成本较高。由于半导体材料的折射率随注入载流子浓度的改变变化很大,因此在高速调制下,输出光脉冲存在较大的啁啾,不利于高速码传输。同时半导体的折射率随温度的变化也较大,需要对器件实施温控,才能保证输出波长的稳定。利用光纤光栅外腔激光器将有利于克服DFB激光器的上述缺点,它是一种混合集成的DRB激光器,具有良好的动态单模特性。由于它的色散元件制作在光纤中,不受注入载流子的影响,而且温度特性极好。光纤光栅的布喇格波长的可控性和重复性远比半导体芯片容易实现。而且光纤光栅外腔激光器直接以光纤光栅的光纤与系统光纤相连作为输出方式,不同波长的光纤光栅半导体激光器可通过合波器构成多信道WDM的发射光源。如果采用FC-PC接头,还可以直接通过更换光纤光栅外腔来改变激光器的输出波长。已经证实,这种激光器在大于1GHz的速率调制下无明显的啁啾。采用啁啾的光纤光栅作为半导体激光器的外腔就可以构成光孤子源。如果在激光器的一端镀上增透膜,通过对光纤光栅拉伸力的改变造成光栅周期的变化,还可构成可调谐的激光器,它可以实现0.1nm精度上的激光器输出波长选择。

3.光纤激光器和光纤放大器(www.guayunfan.com)

光纤光栅的出现使得光纤激光器的设计和制作大为简化。在掺杂光纤的两端直接写上光栅,在光栅两端构成谐振腔,就构成了光纤光栅F-P激光器。也可以把光栅直接写在掺杂光纤中。

由光纤光栅构成光纤激光器的优点突出表现在如下几个方面:①腔设计大为简化;②腔损耗降低到极小;③输出波长可以精确地选择并通过改变光纤的温度和应力实现连续可调;④易于实现窄线宽单频输出;⑤采用FC-PC接头可方便地改变其衍射波长。采用光纤光栅构成的光纤激光器其输出线宽可达kHz量级。其主要缺点是不能进行直接调制,必须与铌酸锂外调制器一起构成光信号源。

另外,光纤光栅还可以放在光纤放大器的两端,使光纤光栅的反射带宽覆盖整个系统泵浦光带宽。由于光纤光栅对反射波段外的光的透射损失可以做得很小,使泵浦光反射回增益区,同时对放大的光毫无损失,从而提高了泵浦的效率

4.掺铒光纤放大器的增益均衡

掺铒光纤放大器(EDFA)在光纤通信中的作用是非常重要的,由于EDFA的增益带宽几乎可以覆盖1 550nm窗口,因此在WDM系统中可以对在复用的许多个波长同时放大。但是由于EDFA的增益在整个波段内是不均匀的,造成波分多路系统中各路的光信号强弱不一致而影响实际传输效果。解决这一问题的方法之一是:在放大之后,进行增益的均衡,在增益相对较高的波段引入一定的损耗,使增益降低到合适的水平。如果利用光纤光栅的透射特性,通过一定的设计使光纤光栅具有与增益特性相对应的透射损耗特性,对信号过强的信道加上一定的反射,使之成为EDFA的增益均衡滤波器,使经过光纤光栅后的各信道的强度基本一致,从而达到增益均衡的功能。

5.传感器应用

光纤光栅在光纤传感器方面有很多应用。其布喇格波长随温度、压强和应力的变化呈良好的线性关系,典型布喇格波长变化在1 550nm处的值约为0.01nm/k,0.3nm/100MPa,1%的轴向应力可以引起大约12nm布喇格波长变化,因为应力也直接影响了光栅的周期。由于反射谱的窄带特性,可以探测到的频率变化为大约10MHz(或约10-4nm),灵敏度较高,因此光纤光栅可以作为这些物理量的传感元件。与其他类型的光纤传感器相比,光纤光栅传感器具有结构简单、稳定性和线性度好及插入损耗低等优点。光纤光栅可以直接埋置在复合材料内部,用多个具有不同布喇格波长的光纤光栅还可以方便地实现物理量的分布式传感。

光纤光栅有可能同时受到几个环境变量的共同影响而无法判断每个具体量的变化情况。这一问题可以通过采用双波长光纤光栅作传感器探头得到解决。因为在不同的波长上光纤光栅对各环境变量具有不同的响应度,因此通过同时在多个波长上进行检测可以获得每个变量的具体数值。

光纤光栅的出现使人们不得不重新考虑光通信系统中每一个环节的设计,可以预见,未来的光通信中光纤光栅是不可或缺的关键器件。