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布拉格(Bragg)光栅器件

       一个从未犯错的人是因为他不曾尝试新鲜事物。—爱因斯坦(A.Einstein)
一、布拉格光栅——一列平行半反射镜
       布拉格(Bragg)光栅由间距为 Λ的一列平行半反射镜组成,Λ称为布拉格间距,如图4.3.1所示。如果半反射镜数量N(布拉格周期)足够大,那么对于某个特定波长的光信号,从4.4.1节可知,从第一个反射镜反射出来的总能量Er,tot约为入射光的能量Ein,即使功率反射系数R很小。由式(6.1.1b)可知,该特定波长λB强反射条件是
特定波长λB强反射条件
图4.3.1布拉格光栅
布拉格(Bragg)光栅器件(图2)
式中,m代表布拉格光栅的阶数,当m=1时,表示一阶布拉格光栅,此时光栅周期等于半波长(Λ=λB/2);当m=2时,表示二阶布拉格光栅,此时光栅周期等于2个半波长(Λ=λB)。式(4.3.1)表明,布拉格间距(或光栅周期)应该是λB波长一半的整数倍,负号代表的是反射。
λB波长一半的整数倍
        布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器,该共振波长称为布拉格波长。式(4.3.1)的物理意义是,光栅的作用如同强的反射镜,该原理适用于光纤光栅、DFB激光器和DBR激光器。
       布拉格父子通过对X射线谱的研究,提出晶体衍射理论,建立了布拉格公式(布拉格定律),并改进了X射线分光计。
       威廉·亨利·布拉格(WilliamHenryBragg,1862~1942),英国物理学家,现代固体物理学的奠基人之一。他早年在剑桥三一学院学习数学,曾任澳大利亚阿德莱德大学、英国利兹大学及伦敦大学教授,1940年出任皇家学会会长。由于在使用X射线衍射研究晶体原子和分子结构方面所作出的开创性贡献,他与儿子威廉分享了1915年诺贝尔物理学奖。父子两代同获一个诺贝尔奖,这在历史上是绝无仅有的。图4.3.2所示为布拉格父子及父亲对儿子的希望。
布拉格父子及父亲对儿子的希望
图4.3.2诺贝尔奖获得者威廉·亨利·布拉格(右)和他的儿子威廉·劳伦斯·布拉格       
布拉格(Bragg)光栅器件(图5)

二、 布拉格光纤光栅滤波器——折射率周期性变化的光栅,反射布拉格共振波长附近的光     

       光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。所谓光敏性,是指强激光(在10~40ns脉冲内产生几百毫焦耳的能量)辐照掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化,变化的大小与光强呈线性关系。例如,用特定波长的激光干涉条纹(全息照相)从侧面辐照掺锗光纤,就会使其内部折射率呈现周期性变化,就像一个布拉格光栅,成为光纤光栅,如图4.3.3a所示。这种光栅大约在500℃以下稳定不变,但用500℃以上的高温加热时就可擦除。在InP衬底上用InxGa1-xAsyP1-y材料制成凸凹不平的表面,间距为Λ,这就构成一个单片集成布拉格光栅,如图4.3.3b所示。
光纤布拉格光栅
图4.3.3光纤布拉格光栅
a)用紫外干涉光制作布拉格光纤光栅滤波器b)单片集成布拉格光栅
       布拉格光纤光栅是一小段光纤,一般几毫米长,其纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光(峰值波长为240nm)照射后产生周期性调制,干涉条纹周期Λ由两光束之间的夹角决定,大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的,这就意味着将纤芯直接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化。这种光纤布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器,该共振波长称为布拉格波长,由式(4.3.1)可知,其值为
共振波长称为布拉格波长
       由式(4.3.2)可知,工作波长由干涉条纹周期Λ决定,在1.55μm附近,Λ为1~10μm。沿光纤长度方向施加拉力,可以改变光纤布拉格光栅的间距,实现机械调谐。加热光纤也可以改变光栅的间距,实现热调谐。
       利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性,可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。如果在一个2×2光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅,则还可以构成带通滤波器,如图4.3.4所示。
光纤光栅带通滤波器
图4.3.4光纤光栅带通滤波器