光纤布拉格光栅是怎样的?

在上一篇文章中”介质薄膜滤波.

在上一篇文章中”介质薄膜滤波器TFF””,我们讨论了介质薄膜滤波器TFF在波分系统中的分合波功能,今天我们将深入探索另一种同样具有此类功能的重要器件——光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)

普通光纤的内部结构主要由纤芯和包层构成,其中纤芯的折射率稍大于包层,确保光在适当条件下沿纤芯内部全反射

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我们知道,光能在光纤中传输,本质上是我们人为的构建纤芯与包层的折射率差,从而当光以一定的角度射入光纤时,发生全反射。事实上,不同波长的光在特定折射率比值下表现各异,部分光会发生折射进入包层,而非全部保持在纤芯内。

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这是原因光波长是一个范围值,在一定折射率比值下,有的波长发生折射,有的波长发生反射。

那么,我们是否可以设计一种光纤,让它能够选择性地反射特定波长的光,同时让其他波长的光透射(折射)出去呢??

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当然是可以的,这就是光纤布拉格光栅,Fiber Bragg Grating, FBG。即通过周期性调制光纤纤芯的折射率,使得特定波长的光在光纤中发生反射,从而筛选出特定的光信号,并透射其他波长的光。这就引出了我们今天的主角——光纤布拉格光栅。

布拉格光栅长成如下这样的(示意图)。

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这里的光栅周期(相邻两个折射率调制单元之间的距离)是特定设计的,当光栅周期约为入射光波长的一半时,所有反射光相干组合成一束具有特定波长的强反射。用公式表达为:2n⋅Λ=λBragg其中,n 是其有效折射率;Λ 是光纤布拉格光栅的周期,即相邻两个折射率变化的间隔长度;λBragg 是反射光的波长,即布拉格波长。

为了直观的呈现,我们取上面示意图中布拉格光栅中的一截(一维),如下。

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我们可以用“光学筛子”来比喻光纤布拉格光栅,选择性地让特定波长(也就是“粒径”合适)的光“卡”在光栅结构上,实现反射或透射。光纤布拉格光栅滤波器就是利用这个原理,在DWDM波分系统中与环行器或其他隔离组件配合,用作分合波器或者波长上下路。

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此时光栅的周期Λ是均匀的。跟上一篇文章“介质薄膜滤波器TFF”制作的滤波器类似,但这两者存在显着差异。

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在薄膜中,滤光片的折射率的变化是不连续的。 而在布拉格光栅中,折射率的变化是连续的,而且要小得多。另一个跟介质薄膜用作滤波器时不太一样的地方:介质薄膜滤波器是反射所有波长,如下图,而光纤布拉格光栅是反射具有明显波长的波,透射除了其他波(如上上一个图)。

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在上面的滤波器,包括用光纤光缨制作成GFF时,它的光栅周期Λ是均匀的。当然,这个周期Λ的长度可以是均匀也可以是不均匀的,比如说布拉格光纤光栅用于色散补偿时,光栅周期是不同的间距。

另外,折射率 n 和光栅周期 Λ 也受温度和应变力的影响。因此,光纤布拉格光栅的一个重要用途是制作传感器,如:应变传感和温度传感。

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具体来说,如上图,当FBG受到拉伸或者压缩时,光纤会随之发生形变,导致光栅周期 Λ 的长度发生改变(拉伸时增大,压缩时缩短)。这种周期长度的变化会影响布拉格波长(λBragg)。

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