Bragg光纤光栅的光谱分析

学生姓名： 专业班级：电子科学与技术0901班

指导教师： 葛 华 工作单位： 信息工程学院

题 目: Bragg光纤光栅的光谱仿

真

初始条件：

计算机、beamprop软件(或Fullwave软件)

要求完成的主要任务:

1、课程设计工作量：2周

2、技术要求：

（1）学习beamprop软件(或Fullwave软件)。

（2）设计Bragg光纤光栅的光谱仿真

（3）对Bragg光纤光栅进行beamprop软件仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2012.6.25-6.28学习beamprop软件(或Fullwave软件)，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2012.6.29-7.5对Bragg光纤光栅的光谱仿真进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2012.7.6 提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：

系主任（或责任教师）签名：

目 录

摘 要 I

Abstract II

绪 论 III

1光纤光栅 1

1.1光纤光栅的简介 1

年 年 月月 日 日 1.2 Bragg光纤光栅定义 1

1.3光纤光栅的分类 2

1.4 光栅的分光性能 3

1.5 Bragg光纤光栅的光谱图 3

2 Beamprop软件介绍 4

3光谱仿真 5

3.1 Bragg光纤光栅的画法 5

3.2 Bragg光纤光栅的折射率分布 7

3.3 Bragg光纤光栅的光谱仿真 8

3.4 光栅光谱的分析 9

4 心得体会 10

参考文献 11

摘 要

光栅光纤是一种新型的光学器件，现在已在光纤通信和传感等方面有着很重要的应用，并且随着全光通信网络和光纤传感技术的发展，将会发挥越来越重要的作用。它的研究和应用已经成为当前热点技术课题。Bragg光纤光栅光谱特性分析与研究也是研究人员重点关注的课题。

本文根据光栅光纤的工作理论，分析讨论了Bragg光纤光栅的光谱特性，为Bragg光纤光栅的光谱特性的应用提供了理论依据。并通过Beamprop软件对光纤光栅的光谱进行了仿真。

关键词：Bragg光栅光纤、Beamprop软件、光谱仿真

Abstract

Optical fiber grating is a new type of optical device, now has set up a file in the optical fiber communication and sensing has very important application, and along with all optical communication network and the optical fiber sensing technology development, will play more and more important role. The research and application of it has become the hotspot technologies subject. Optical fiber Bragg grating spectrum analysis and research is also a researchers focus on topic.

In this paper, according to the theory of optical fiber grating work, discusses the Bragg fiber grating, the spectral characteristics of fiber grating for Bragg, the spectral characteristics of applied to provide the theory basis. And through the Beamprop software of fiber grating the spectra of the simulation.

Key words: optical fiber Bragg grating, Beamprop software, spectral simulation

绪 论

Bragg光栅光纤（fiber Bragg grating,FBG）光谱特性分析与研究是研究人员重点关注的课题。光栅光纤是一种新兴的光学器件，现在已在光纤通信和传感等方面有很重要的应用。光栅光纤是在光纤中制作的一种无源器件，在光纤中沿轴向建立一种折射率周期性的分布，它能够对特定波长附近一定带宽内的光具有反射或损耗的作用。早期的光栅光纤是指光纤布拉格光栅，直到出现了长周期光栅光纤后，才有了两种分类。

光栅光纤以其特有的高波长选择，与光纤系统兼容，插入损耗低，结构简单，体积小等性能，广泛应用于光源，光放大，光纤色散补偿，光信号处理，光纤传感等领域，是下一代高速光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一。随着互联网和多媒体通信的发展，数据传输量正在迅猛的增长，光纤通信技术受到广泛重视。密集波分时复用技术的采用，可以大大提高光纤通信的容量。但是如何方便的在光纤线路上实现高速数据的密集波分时复用和全光解复用，以及如何实现光纤传输过程中的色散补偿，是人们亟待解决的两个问题。不过，随着光纤Bragg光栅的出现，这两个难题的解决变得容易了。至此，光纤光栅以其独特的滤波和色散特性，对光纤通信中的光发送、光放大、光纤色散补偿、光接收等各个方面产生重大影响，预示着光纤通信技术新阶段的到来，成为下一代高速光纤通信系统中不可缺少的器件，被认为是继光纤放大器之后光纤通信技术发展的又一里程碑。由于光纤光栅在高速通信领域的重要使用价值和可以预期的在其它一些领域的广泛应用前景，目前已成为全世界的研究热点。

研究Bragg光栅光纤光谱特性的意义目的在于现代通信发展的需求，在人们快速发展的生活变化中有很重要的历史意义。

1光纤光栅

1.1光纤光栅的简介

光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。

谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。

光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。当光纤的纤芯沿着总线的折射率形成一定的周期性变化时，就构成了光纤光栅。光栅形成的强弱与折射率调制成正比。由于折射率的调制，使光纤中传输的倒模的有效折射率发生了改变，从而使传输的模式发生变化。光纤光栅同衍射体光栅一样，通过光纤光栅对光纤中传输的模式的衍射，产生新的衍射模式与光纤中传输的模式相互作用，从而达到各种滤波的效果。

1.2 Bragg光纤光栅定义

FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。

Bragg光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环

境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。

1.3光纤光栅的分类

光纤光栅的光学特性主要是由光纤的物理结构、紫外线引起的折射率调制类型、折射率调制强度、光纤光栅的长度所决定。

从广义上讲，光纤光栅可分为Bragg光纤光栅（也称为短周期光纤光栅或反射光栅）和长周期光纤光栅（也称之为投射性光纤光栅）。一般情况下，Bragg光纤光栅的周期约为500nm，与工作波长处于同一数量级；二长周期光纤光栅的周长可达200um。

除此之外，光纤光栅依据光栅的周期是否均匀，可分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅；根据折射率是否等幅度调制，可分为普通的光纤光栅和变迹光纤光栅；根据折射率的调制平面与光纤的纤轴垂直是否，可分为一般的光纤光栅和闪耀光纤光栅。不同的光纤光栅有其不同的工作特性，有着特殊的用途。

（1）短周期光纤光栅(FBG，也叫反射或布喇格光栅)：光栅周期一般为零点几个微米，耦合发生在正向与反向传输的模式之间，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去。

图1.3.1 短周期光纤光栅

（2）长周期光纤光栅(LPG，也叫传输光栅)：光栅周期在100μm以上，耦合发生在同向传输的模式之间，它的特性是将导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉而让其他频段的光通过。

图1.3.2 长周期光纤光栅

1.4 光栅的分光性能

光栅的分光原理可以从多缝夫琅禾费衍射图样中联想位置的公式

（式1.4.1）

看出。上式表明，对应于亮线的衍射角

与波长

有关。因此，对应于给定间距

（通常称为光栅常数）的光栅，当用多色光照明时，不同波长的同一级亮线，处零级外均不重合，即发生色散。这就是光栅的分光原理。对应于不同波长的同一级亮线称为光栅光谱线。

在光栅理论中，上式称为光栅方程，它是使用光栅的基本方程式。但是上式只适用于入射光垂直入射到光栅面的情况，对于更普遍的斜入射的情形，该式应修改为

（ 式1.4.2）

其中，

为入射角，

为反射角，在考察与入射光同一侧的衍射光谱时，上式取正号；在考察与入射光异侧的衍射光谱时，上式取负号，上式对于透射光栅同样适用。

1.5 Bragg光纤光栅的光谱图

布拉格光纤光栅对光纤中传输的光具有反射作用，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去。反射光的光谱宽度比较窄，一般可以达到1nm以下，也可以有几纳米。其实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。如图1.5所示，是光栅的光谱响应（grating spectral response）图。

图1.5 Bragg光纤光栅的光谱图

2 Beamprop软件介绍

Beamprop软件是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。此软件由美国RSOFT公司出品，1994年投入市场，被大学及产业公司的开发设计人员广泛使用。此软件使用先进的有限差分光

束传播法 (finite-difference beam propagation method, FD-BPM)来模拟分析光学器件。用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。

直波导模式

分支波导模式

旋转 弧形波导模式

水平方向翻转 模拟区模式

垂直方向翻转 偏移量参考 波导Z轴 角度参考

变量表

监视路径设置

监视器设置

计算波导折射率

参数扫描

图2 Beamprop软件界面

3光谱仿真

3.1 Bragg光纤光栅的画法

Rsoft CAD Layout软件提供了专门的光纤光栅的画图工具，如下图3.1.1所示，在实用程序（utility）中，提供了光栅布局（Grating Layout）选项,选定该选项即可完成新建Bragg光纤光栅的工作。

图3.1.1 新建Bragg光纤光栅

在弹出了对话框中完成相应的参数设置，如图3.1.2所示。其中结构类型（Structure Type）应选择Fiber，即所绘图形为3D模式。折射率之差（Index Difference）设为0.01，此时恰好满足纤芯折射率（Core Index）=包层折射率(Cladding Index)+折射率之差（Index Difference）。

设置完毕后，点击OK，即可得到Bragg光纤光栅的截面图，如图3.1.3所示。

图3.1.2 光栅布局的参数设置

图3.1.3 Bragg光纤光栅的截面图

3.2 Bragg光纤光栅的折射率分布

如图3.2.1，是Bragg光纤光栅在XY面的截面图，右侧色带中不同颜色对应不同的折射率，在第一步新建光纤光栅中已设置了背景折射率（Background Index）是1.4629, 折射率之差（Index Difference）为0.01,所以该光纤光栅中的折射率应在1.4629-1.4729范围内变化。

图3.2.1 Bragg光纤光栅在XY面折射率分布

同理可得Bragg光纤光栅在YZ面和XZ面的折射率分布图，且两者是类似的，下图3.2.2是Bragg光纤光栅在YZ面折射率分布情况。

图3.2.2 Bragg光纤光栅在YZ面折射率分布

3.3 Bragg光纤光栅的光谱仿真

通过相应参数和选项的设置与选择，如图3.3.1,3.1.2所示，即可得出最后的仿真结果，如图3.3.3所示，其中FWHM表示半最大值宽度，power spectrum of reflectio表示功率谱的反射。

3.3.1 Simulation仿真参数的设

置 3.3.2 仿真输出参数的设置

图3.3.3 光栅光谱响应图

3.4 光栅光谱的分析

如图3.4.1所示，通过改变调制深度ModDelta，重新观察光栅光谱响应图。

根据理论分析：光栅形成的强弱与折射率调制成正比，由于折射率的调制，使光纤中传输的倒模的有效折射率发生了改变，从而使传输的模式发生变化。它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去。反射光的光谱宽度一般可以达到1nm以下，也可以有几纳米。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

将图3.4.2与图3.3.3对比发现，改变调制深度ModDelta，光栅光谱响应发生明显变化，半最大值宽度（FWHM），波段范围都发生相应的改变，与理论相符。

3.4.1改变参数

ModDelta

图3.4.2 光栅光谱响应图

4 心得体会

通过这次的课程设计，使我对光电子技术这门课程有了进一步的了解，在课程设计过程中，通过翻阅资料，上网搜索等，我对Bragg光纤光栅的原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力，也使我能更好的运用所学的知识。开始时我还不太明白Bragg光纤光栅的工作原理，但通过对所学知识更深入的了解和同学的讲解和帮助，最终使我克服的难关，并成功的做出了设计。两周的锻炼中，我有过对知识的掌握不足时的迷茫，也有过思路不清是的懊恼，但一路走来，我却收获了知识，收获的希望和努力后的成果。通过这次的课程设计加深了我对理论知识的理解，同时增强了我的逻辑思维能力，另一方面也是对课堂所学理论知识作一个总结和补充。

本次课程设计，我重新学习和弄清楚了Bragg光纤光栅的原理及其设计，并且初步学会用beamprop进行仿真。课程设计也让我学会了要充分的查找资料，利用身边的资源以及学会冷静的面对课程设计中出现的问题，从而去有效地解决问题。在此我要感谢老师的孜孜教诲和同学的帮助，我相信这十几天的不懈努力会给我未来的学习带来很多的启发，我会在以后的工作生活中更好的理论联系实际，证明自己的能力

参考文献

[1] 张自嘉．光纤光栅理论基础与传感技术．北京：科学出版社，2009

[2] 赵勇. 光纤光栅及其传感技术. 北京：国防工业出版社 ，2007.1

[3] 饶云江、王义平、朱涛.光纤光栅原理及应用 北京：科学出版社 ，2006.8.

[4] 李川、张以谟、赵永贵、李立京.光纤光栅:原理、技术与传感应用.北京：科学出版社 2005.10

[5] 吴朝霞、吴飞.光纤光栅传感原理及应用 .北京： 国防工业出版社 2011.3

本科生课程设计成绩评定表 姓 名 专业、班级 性 别 女 电子科学与技术0901班 课程设计题目： Bragg光纤光栅的光谱分析 课程设计答辩或质疑记录： 1 Bragg光纤光栅的光谱图有什么特点？ 答：布拉格光纤光栅对光纤中传输的光具有反射作用，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去。其实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。反射光的光谱宽度比较窄，一般可以达到1nm以下，也可以有几纳米。 2 如何改变Bragg光纤光栅的光谱仿真图中的波段范围？ 答：根据理论分析：光栅形成的强弱与折射率调制成正比，所以通过改变调制深度ModDelta，光栅光谱响应将会发生明显变化，半最大值宽度（FWHM），波段范围都发生相应的改变， 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：

年 月 日