1、第 38卷 第 6期 1999年 11月中山大學學報 （自然科學版ACT A SCIE NTI ARUM NAT URA LI UMUNI VERSIT ATIS S UNY ATSE NIV ol 138 N o 16 N ov 1 1999文章編號 :052926579（1999 0620034205光纖 Bragg 光柵及其光學特性測量 傅思鏡 , 梁麗貞 , 曹惠英 , 劉惠子 , 林曉霞（中山大學物理學系 , 廣州 510275摘 要 :光纖 Bragg 光柵的研究和應用已成為當前光通信國際熱點技術課題 . 扼要介紹了光 纖 Bragg 光柵的工作原理和主要光學特性 , 著重描述用實

2、驗室常用儀 器測量其主要光學特性的 方法 .關鍵詞 :光纖 Bragg 光柵 ; 測量中圖分類號 :T N 25; TP 391文獻標識碼 :AHill 等 1發現摻鍺光纖的光敏 （光折變 效應 , 隨后 Meltz 等 2利用 244mm 紫 外激光 干涉從單模光纖側面成功地寫入 Bragg 光柵 . 此后 , 人們發現利用光纖 Bragg 光柵可以更 方便制作出性能更好的光纖激光器 、 光纖光放大器 、 光纖色散 補償器 、 光纖波分復用器等 光纖功能器件 . 光纖光柵在當前國際新發展的全光纖 集成通信系統中亦有明朗的應用前 景 . 因此 , 光纖光柵倍受世人矚目 . 普遍認為 , 摻鍺

3、Bragg 光柵 (G DBG 的開拓是繼摻鉺 光纖光放大器 (E DFA 之后光纖通信領域 的又一重大技術突破 , 將成為光纖通信發展的 又一個重要里程碑 . 它的研究和應用 已成為當前一個全球性的熱點技術課題 . 因此 , 了解 光纖光柵的工作原理和主要光 學特性 , 并掌握其主要光學特性使用實驗室常用儀器的測量 方法 , 對科技研究和教 育部門 , 尤其對我國的高等學校具有重要的現實意義 .1 光纖 Bragg 光柵工作原理及其主要光學特性由耦合模方程 3d z =-jK 12A 2exp (j z , dz=-jK 312A 1exp (jz (1A 1 、 A 2 分別為正反向傳輸波

4、歸一化振幅 , K 為耦合系數 . 其中 ,=1+-l 2(2 為光柵周期 , l 為光柵級數 , 1、 2是傳播常數 , 對式 (1 兩邊進行微商 , 并代入邊界條件A 1(0 =1, A 2(0 =0, d z =0,d z=jk 12A 2exp (-jBL基金項目 :廣東省自然科學基金 (960025 資助項目收稿日期 :1999202204 作者簡介 :傅思鏡 , 男 , 1945年生 , 副教授 .式中 , B =( 2+K 22 +( 1+K- l 11 則, 可解得 A 1(z 、A 2(z . 所以兩導模的歸一化功 率為P 1(z =|A 1(z |2=32( (B 2/4

5、sinh 2(G L +G 2cosh 2(G L P 2(z =|A 2(z |2=2222(B 2/4 sinh 2(G L +G 2cosh 2(G L(3 式中 , G =G +-=K 12? K 312 ±(B 2/4 1/2, G 的上下標 +、 -號表示光波沿正 、反方向傳輸兩 種情況 . 當光柵結構適 當 . 使=0即, 滿足相位匹配條件時 , 兩導模的功率變為P 1(z =|A 1(z |2=sinh2|K |(z -L cosh 2|K 12|L P 2(z =|A 2(z |2=2( sinh 2|K 12|L (4 P 1、 P 2的曲線如圖 1所示 , 可以

6、看出 , 坐標從 0變到 L , 正向傳輸模的功 率 P 1(z 從最大值變 到 0; 而反向傳輸模的功率 P 2(z 從 0變到最大值 . 這說明在耦 和區內 , 正向傳輸模的功率被 耦合到了反向傳輸模中圖 1 反向傳輸導模之間耦合時兩導模的功率分布Fig 11 The power distribution of tw o coupling guided modes由式 (4 可以得到滿足相位匹配條件時的反射率滿足R =P ( P 1(0 tanh 2 n L B(5 其中 , n 1= n/ n為 ,調 制折射率 , L 為光柵長度 , 為B Bragg 波長 . 說明反 射率是宗量為 (

7、 K 12 ? L 的雙曲正切函數的平方 . 只要光柵足夠長 , 總可以使反 射率 R =1, 顯然在不 滿足相位匹配條件時 , 反射率會顯著變小 . 在 Bragg 光柵反射 濾波器中往往取正反向波傳輸 常數相等 , 則由相位匹配條件可將式 (2 寫為 =l/ .將有效折射率 N e =/K 0代入 , 則得B =2N e /l(6 上式稱為 Bragg 條件 , 滿足這種現象的反射稱為 Bragg 反射 , 此時的波長稱 為 Bragg 波長 , Bragg 光柵反射帶寬可寫為B=S ? n n 0+N (753第 6期 傅思鏡等 :光纖 Bragg 光柵及其光學特性測量對強光柵來說 S

8、=1, 對弱光柵 S =015, N 為光柵周期數 . 因此一個均勻周期的光 柵就可以 反射以 B 為中心 , 帶寬 之內的一切波長 , 而變周期 (chirp 光柵可以制 作寬帶濾波器等 . 由式 (6 可知 , 改變光柵周期 和有效折射率 N e 均可以改變Bragg 波長 , 對 2個參量之一進 行調制就可以制成 Bragg 光柵 . 由上述可知基本光 柵性能 (特性 參數設計要點為 :(1 中心反射波長 B =2n , =/(2s對in 全息法 , (;(2 最大中心反射率 R =tanh 2( n 1L/ B ;(3 反射帶寬 (FWHM =2nl .2 光纖 Bragg 光柵中心波

9、長和反射帶寬的測量211 測量實驗裝置實驗裝置框圖如圖 2 所示 .圖 2 測量實驗裝置框圖Fig 12 Scheme of measurement set 2up212 測量實驗方法描述(1 選擇 LE D 的發射光波帶寬必須覆蓋光纖 Bragg 光柵以 B為 中心的帶寬范 圍 , 并使 B盡量落在 LE D 發射光波峰值波長附近 .(2 先將 LE D 尾纖輸出端和光纖光柵兩端光纖分別與光纖活動連接器(跳線 熔融接 好 , 然后用法蘭盤將 LE D 或光纖光柵相連接 . 光纖調節架夾住一根跳線的一 端 , 使它對 準單色儀輸入端狹縫 , 而跳線的另一端插入法蘭盤的一邊 , 這樣更換探 測信

10、號時就不影響 調節好進入單色儀輸入狹縫的光路 .(3 單色儀用刻線密度 600條 /mm 的近紅外反射光柵替換紫外至可見波長的反 射光 柵 , 測量前先將單色儀波長轉盤讀數調在接近 LE D 發射波長低端 , 這時 W DG 50021型單色 儀 (本實驗用 波長刻度盤讀數乘 2就是所測近紅外光譜波長值 .(4 斬波器斬波頻率視探測器要求而定 . 例如用硫化鉛探測器 , 斬波頻率可選 4060 H z , 可獲得較高的探測靈敏度 .(5 硫化鉛探測器 , 其信號是電壓型的 , 需要有合適的偏置電路 . 圖 3是實驗中 設計 的一種簡單偏置電路 .(6 開啟斬波器 、 偏置電路和鎖定放大器 ,

11、可從鎖定放大器幅值輸出顯示器看 到系統 本身的噪聲 , 根據它確定鎖定放大器的靈敏度選擇 , 同時也可清楚地看到 , 當開啟 LE D , 有信號給鎖定顯示放大器時 , 幅值輸出值明顯減小 , 說明噪聲得到有 效的抑制 .(7 一般光纖 Bragg 光柵的反射帶寬只有幾個埃 (本實驗用的 =01272n或m 更 小 . 因此測量靠近其中心波長 B值 (本實驗用的 B =15541032nm時 , 要求每隔 011 nm 讀一個鎖定放大器幅值輸出值 .(8 發光二極管 LE D 輸出光很弱 (本實驗用的邊發射 LE D 輸出光功率在注入 電流 60 mA 時只有 30W左 右 . 經過單色儀后輸

12、出最大只有幾十 nW. 為了盡量提 高探測靈敏 63中山大學學報 (自然科學版第 38卷度 , 要求信號輸出功率最大限度進入探測器 . 可是 115m左右近紅外光在我們視覺范圍之外 . 因此 , 我們先用 He 2Ne 激光照射 光纖調節架夾住那根光纖跳線的另一端 , 從 單色儀輸出狹縫可看到 He 2Ne 激光的輸出光 點位置 , 然后用探測器對準 , 這時光纖調節 架夾住的跳線一端固定不動 , 另一端通過法 蘭盤方便地將 LE D 或 LE D 與光纖光柵替換 He 2Ne 激光器進行測量圖 3 探測器偏置電路Fig 13 The biasing circuit of photodetec

13、tor3 討 論311 關于探測器的選擇和使用探測器的波長響應范圍與 LE D 發射波長帶寬 、 光纖 Bragg 光柵帶寬三者相 吻合 . 本實驗選擇 PbS 作探測器 , 它的波長響應為 018312m , 如 213(1 所述 , 后兩者的帶寬都 落在這范圍內 . 還可以選擇鍺探測器 , 它在 1155m附 近有相當高的量子效率 , 它的響應 度約A/W量 級 , 是電流型的信號 , 可直接接光電檢流計測量 , 或接線性放大器驅動記 錄儀測量 , 其缺點是暗電流較大 使測量系統噪聲較大 .使用圖 2測量裝置 , 不論選擇何種探測器都要求它有足夠大的光敏面積和靈敏 度 , 否 則調節和分辨

14、不同波長的響應就很困難 .312 關于實驗測量結果本實驗測量結果與用深圳飛通光電技術有限公司的進口專用儀器測量的結果比 較 , 如 圖 4 所示圖 4 測量結果比較Fig 14 The comparis on of measurement results(a 用實驗室常用儀器測得的 LE D 發射光譜 ; (b 以 LE D 作光源的光纖光柵透 射光譜 ;(c 用進口專用儀器測得的用 LE D 作光源的光纖光柵透射光譜圖 4(a 、 (b 的光譜曲線是重復 5次測量取平均值擬合的結果 . 從圖 4(b 、 (c 可 見光纖光柵的中心波長 B的 值吻合得很好 , 而圖 4(b 帶寬略偏大 , 且

15、圖 4(c 帶寬 的針狀朝下的尾峰在圖 4(b 測不到 . 分析其原因 :測量實驗裝置存在小于 (有 時等于 0101mV 的系統本底噪聲 , 使鎖相放大器幅值讀數跳變較快較大 , 難以準 確判定該 波長的輸出幅值 ; W DG 50021型單色儀的波長精度是 011nm , 加上單色儀內部機械結構 的影響 , 實驗難以得到準確精確的波長值 ; 實驗用 MRE DSP500122型 LE D 是普通 LE D 光源 , 受環境溫度 、 注入電流的影響 , 它的輸出 功率會隨時間有一定的變化 . 因此 , 進一 步提高 LE D 光源的輸出功率和穩定度 , 盡量減小單色儀出射狹縫寬度 , 并用微

16、型計算機 配合處理測量數據 , 使之在 011nm 內增加測量的次數 , 使用較好的數據擬合規律等等都 將是進一步提高實驗測量精 度 , 使實驗測量進一步迫近進口專用儀器測量結果的有效辦法 .參考文獻 :1 HI LL K O , FU J II Y, JOH NS ON D C , et al 1Photosensitivity in optical fiber wave 2guides application to reflec 2 tion filter fabrication J.Appl Phys Lett , 1978, 32:647649.2 ME LTZ G, M OREY W

17、 W , G LE NN W H 1F ormation of Bragg gratings in optical fiber by a transverse holograph 2 ic method J.Opt Lett , 1989, 14(15 :823825.3 秦秉坤 , 孫雨南 . 介質波導及其應用 M.北京 :北京理工大學出版社 , 1991. 118196.Optical Fiber Bragg G rating and Its Characteristic MeasurementFU Si 2jing , LIANG Li 2zhen , C AO Hui 2ying , LIU Hui 2zi , LIN Xiao 2xiaAbstract :The operating principle of optical fiber Bragg grating and it