光纖光柵的案例
基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統的色散補償
1、設計需求
本案例是基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統的色散補償，構建了后置色散補償系統、前置色散補償系統和混合色散補償系統。基于OptiSystem仿真軟件實現了三種不同結構的基于啁啾光纖光柵色散補償的光纖通信系統，通過眼圖評估系統通信性能。
2、系統設計
仿真系統調制格式采用NRZ碼型，激光頻率為193.1 THz，傳輸鏈路采用單模光纖傳輸鏈路，利用啁啾光纖光柵進行色散色度補償，同時利用EDFA光放大器實現損耗補償。最后信號在接收模塊進行信號解調與分析。模塊中的Loop Control器件控制鏈路傳輸次數，其中，SMF的色散系數為16 ps/nm·km，色散斜率系數為0.08 ps/nm2·km，衰減量為0.2 dB/km，單程中SMF長度為80 km。光纖傳輸系統總共傳輸320 km。
2.1后置色散補償系統
圖示為后置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對信號傳輸過程中產生的色散進行補償。在未進行色散補償的情況下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。當采用啁啾光纖光柵時，色散量設置為-1280 ps/nm·km，在10Gbit/s傳輸速率的情況下接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到誤碼率為6.05e-20，Q因子為9.03，眼圖張開度好，信號質量佳。
2.2前置色散補償系統
圖示為前置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖前，對信號傳輸過程中產生的色散進行預補償。
2.3混合色散補償系統
圖示為混合色散補償系統，兩個啁啾光纖光柵分別置于單模光纖前部和后部，對信號分別進行預補償和產生色散后的補償。該方案結合了后置色散補償方式和前置色散補償方式的特點。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應用
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OptiSystem
OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應用
簡介
在本案例中，我們演示了如何將OptiGrating中的設計導出到OptiSystem，并通過“OptiGraitng component”將其作為組件使用。本文首先在OptiGrating中設計了一個均勻光纖光柵，然后在OptiSystem中應用于一個三用戶OCDMA系統。OptiGrating組件位于“Optiwave Software Tools”庫中。
一、在OptiGrating中設計均勻FBG
我們使用OptiGrating軟件中的案例文件“fbguniform”來設計光柵。本設計做了兩個改動：
1)將Average Index設置為均勻
2)將Ind.Mod設置為0.00023，以獲得所需的帶寬。
在這個例子中，我們設計了四個均勻的FBG，帶寬為0.3 nm，中心波長為分別為1548.5 nm、1550.1 nm、1550.9 nm和1552.5 nm。中心波長由光柵的周期長度決定。下表顯示了每個光纖光柵的周期長度。
圖1顯示了均勻光纖光柵設計的設置，圖2顯示了光柵的頻譜。
圖1.均勻FBG的“Grating Definition”選項卡設置
圖2.帶寬為0.3 nm，波長1550.1 nm處均勻FBG的頻譜
在一個設計中也可以有多個光柵。我們設計了一個具有兩個均勻FBG的光柵，其中心波長分別為1548.5 nm和1550.1 nm，帶寬均為0.3 nm。圖3光柵的設置，圖4是光譜。
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OptiSystem
OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應用
簡介
在本案例中，我們演示了如何將OptiGrating中的設計導出到OptiSystem，并通過“OptiGraitng component”將其作為組件使用。本文首先在OptiGrating中設計了一個均勻光纖光柵，然后在OptiSystem中應用于一個三用戶OCDMA系統。OptiGrating組件位于“Optiwave Software Tools”庫中。
一、在OptiGrating中設計均勻FBG
我們使用OptiGrating軟件中的案例文件“fbguniform”來設計光柵。本設計做了兩個改動：
1)將Average Index設置為均勻
2)將Ind.Mod設置為0.00023，以獲得所需的帶寬。
在這個例子中，我們設計了四個均勻的FBG，帶寬為0.3 nm，中心波長為分別為1548.5 nm、1550.1 nm、1550.9 nm和1552.5 nm。中心波長由光柵的周期長度決定。下表顯示了每個光纖光柵的周期長度。
圖1顯示了均勻光纖光柵設計的設置，圖2顯示了光柵的頻譜。
圖1.均勻FBG的“Grating Definition”選項卡設置
圖2.帶寬為0.3 nm，波長1550.1 nm處均勻FBG的頻譜
在一個設計中也可以有多個光柵。我們設計了一個具有兩個均勻FBG的光柵，其中心波長分別為1548.5 nm和1550.1 nm，帶寬均為0.3 nm。圖3光柵的設置，圖4是光譜。
展開 基于Rsoft軟件光纖光柵的仿真模擬
光纖光柵無論在光纖傳感領域還是光纖激光器方面被大量研究，那么如何在沒有進行實體實驗的情況下來進行光纖光柵的模擬呢，本案例主要利用光波導Rsoft仿真軟件對光纖光柵進行模擬分析研究。相信這種方法很實用哦。
仿真優點：操作簡便，相比與傳統的理論模擬分析更直觀且更容易調試結果。那么，該如何進行模擬分析呢，請跟隨我的腳步一起動手操作吧！
第一步：在這里我們使用的軟件為2018版Rsoft軟件建立光纖光柵模型，如圖所示，具體操作為：打開主界面 選擇beamprop模塊，在菜單欄里選擇 Ulity grating mode
圖1中各物理參量含義：Grating Length:光柵長度;Structure Type:波導類型; Background Index：背景折射率Index difference:波導折射率與包層折射率之差
Waveguide Width:波導寬度（微米）；Modulation Type:調制類型，包括折射率調
制和波導形狀調制；Modulation Depth:調制深度，即光柵的折射率最大變化值，用Δn表示。Grating Period：光柵周期Λ。Output Prefix：輸出文件名前綴，可以將此對話框生成的光柵結構存到所命名的文件中。
上圖為光纖光柵結構的具體形貌樣式，操作如下：
第二步：詳細的參數配置：具體操作為：選擇紅色波導面 選擇tapers對光柵形貌進行配置。
展開 
基于Rsoft軟件進行長周期光纖光柵模擬
通過光纖光柵模式耦合及透射譜的相關理論知識，LPFG的光譜特性受光柵周期，包層厚度及光柵長度等變量影響。
圖1 LPFG幾何模型
在研究分析光譜特性過程中，相位匹配曲線即諧振波長與光柵周期的關系曲線是不可或缺的環節，本文所建立的LPFG模型均是在Rsoft平臺上操作的，如圖1所示。
上圖中可以詳細全面地觀察到光柵的XYZ各方向的形態。軟件在各參數設置好后如圖2所示其中光纖光柵參數具體設置為：折變量為0.0005，柵區長度為20000，纖芯折射率為1.4681，包層折射率1.4628，纖芯半徑4.15，包層半徑為62.5，環境折射率為1，柵格調制區長度/光柵長度（占空比）為0.5。
圖3中標注的各模式階次,是在Rsoft中Edit Symbols里將free space wavelength改為要查看的模式階次諧振波長，然后在Perform Simulation只仿真該諧振波長，可以查看到對應的階次的模式圖。
展開 張工聊光纖 | 如何輕松設計一個基于光纖光柵的測量鏈
張工說
上期我們介紹了在結構健康監測中，
基于光纖光柵的光學測量鏈的優勢
（點擊可查看上期內容）。
這期
我將向您展示
如何輕松設計
一個典型的
基于光纖光柵的測量鏈
。
光學測量鏈：SHM的完整包
對于一個完整的光學測量鏈，擁有正確的傳感器只是解決方案的三分之一。還需要有合適的光纖解調儀以及合適的軟件，才能獲得總體可靠的結果。傳感器、解調儀和軟件這三個部分構成完整的光學測量鏈。
傳感器是用來測量或“感知”應變、溫度、加速度、力甚至傾角的。
光纖解調儀（鏈條中的第二個組件）也稱為數據采集系統。它是一個光電儀器，可以“讀取”FBG傳感器。
軟件是讓你查看、記錄和分析你的測量數據的。
那么在選擇這些組件時應注意些什么呢？
1. 傳感器
以下是在選擇基于FBG技術的正確光學傳感器時要問的一些問題和注意事項：
傳感器要安裝在哪里，首選的安裝方法是什么？傳感器可以采用螺栓固定、焊接或膠合，主要取決于其設計，這就意味著首選的安裝方法可能會縮小你的選擇范圍。
展開 張工聊光纖 | 基于光纖光柵的光學測量鏈的優勢
創新型的光纖光柵技術
基于光纖光柵（FBG）技術的光學傳感器，為傳統電學測量鏈提供了一個頗具吸引力的替代方案，是一種創新型結構健康監測解決方案。
這是因為FBG技術具備一些優勢，比如在
一根光纖中安裝多個傳感器
，整體輕量化無源設計，以及低衰減——支持長距離安裝。同時，這種技術不受電磁干擾（EMI）的影響，而且傳感器比電阻應變片更具有環境穩定性（因此其可以承受惡劣的環境條件）。當涉及到中高通道數和總擁有成本時，其價格也具有競爭力。
基于FBG的傳感器的優勢
不受電磁噪聲干擾（EMI）的影響
低衰減，可長距離安裝
在同一條線上可以有幾個傳感器。
展開 基于optigrating光纖光柵光譜的模擬分析簡明教程
光纖光柵作為一種主要的無源光器件，以其體積小，制作便捷等特點在光纖傳感領域中常常被涉及到，常見的光柵種類諸如布拉格FBG光柵，長周期光柵LPG，傾斜光柵TLPG等，然而復雜的結構建模可能會影響到我們的實驗計劃，下面拉啦為萌新們介紹一款光柵的仿真軟件—Optigrating，避免了建模的復雜性，僅需通過配置基本光柵參數即可自助構建模型，仿真便捷且可以為諸多科研寶寶們提供一個實驗理論分析依據，下面跟隨我的步伐一起去看看吧。
入門一：界面設置
首先我們打開文件，選擇結構為單模光纖，并且我們配置模型處于理想三層介質中，其基本的參數結構分別如下所示1.core:纖芯直徑8微米，折射率為1.452，階躍型。2.cladding包層直徑125微米，折射率1.446，階躍型。3.空氣介質
入門二：隨后我們配置要輸入要掃描的光波段范圍，在這里我們設定如下所示
同時設定好計算時入射的模式光場（默認選擇為LP01模式，有效折射率為1.4487572）
入門三：以單模光纖結構為基礎，配置光柵基本結構參數
在這里我們不考慮光柵為傾斜光柵（如果傾斜，則需要配置tilt angle），設置光柵為非啁啾型FBG光柵，周期為500nm，衍射級次為1，光柵的折射率調制深度為0.0001，切趾函數為統一的切呈正弦函數分布，設置柵格的數目M=25,配置完畢后進行確認。
入門四：結果分析
選中calculate計算后及可以得到上圖所示的光譜，藍色表示反射光譜，紅色表示透射光譜。在計算的同時，該軟件可以同時分析出光柵中模式干涉的相位情況等，如下所示。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：色散補償
色散補償背后的物理思想如下：創建線性啁啾光柵允許我們在信號的不同頻譜分量之間創建時間延遲。
例如，在1.55μm的SMF中，群速度色散會產生脈沖的負啁啾，這意味著較高的頻率（傳播更快）位于脈沖的前導部分，而較低的頻率（傳播較慢）位于尾隨部分。由于不同光譜成分的傳播速度不同，脈沖就會擴散。如果我們創建沿光柵周期線性減小的光纖光柵，由于高頻率比低頻率光在光柵中傳播較長時間后才發生反射，因此會出現低頻和高頻分量之間的時間延遲，這與SMF中產生的時間延遲正好相反。
因此，在該系統中傳播和反射的脈沖將允許補償脈沖的色散展寬。
色散系數Dg [ps/nm.km]。對于線性啁啾光纖布拉格光柵，由以下簡單表達式給出：
其中n為平均模式指數，c為光速，Δλchirp最大啁啾是光柵兩端的布拉格波長差（注意，這個量是由OptiGrating的Grating Manager中的光柵定義選項卡中的總啁啾參數給出的）。
本次案例的目的是利用根據上述公式產生線性啁啾的光纖光柵，在OptiSystem中實現色散補償。
項目布局如圖1所示。
圖1.線性啁啾光纖光柵色散補償項目布局圖
當比特率為40 Gb/s時，在光學高斯脈沖發生器中產生12.5 ps的初始脈沖，并在10 km的SMF內傳播。初始脈沖和經過SMF脈沖的輸出如圖2和圖3所示：
圖2.初始脈沖
圖3.脈沖在SMF中傳輸10km后
由于色散，脈沖寬度增加到約50 ps，在SMF中傳播10 km后的累積色散為160 ps/nm。
為了補償累積色散，我們將使用OptiGrating設計線性啁啾光纖光柵。光纖和光柵的相應數據如圖4和圖5所示。
圖4.纖芯數據
階躍折射率光纖，纖芯（折射率1.46）和包層（折射率1.45）分別為2μm和8μm。
展開 OptiGrating應用：光纖布拉格光柵
在本次案例中，您將學習如何設計具有啁啾和切趾的光纖布拉格光柵。這種光柵可用于光纖色散補償。
步驟1
首先新建一個項目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
選擇Single Fiber：
1.File > New
2.在“New”對話框中，單擊“Single Fiber”選項
我們將模擬如圖1所示的二維光柵布局。
步驟2
接下來，您將為單個光纖定義某些參數。在“Single Fiber”對話框中，您可以設置以下特性: Index Profile, Photosensitivity Profile, Number Of Points In Mesh, Central Wavelength等。
打開“Single Fiber”對話框：
1.在工程窗口，點擊Fiber/Waveguide Parameters按鈕
系統彈出“Single Fiber”對話框
注意:本案例您將使用默認參數，因此不必更改任何預定義選項。
2.點擊OK關閉“Single Fiber”對話框
步驟3
在這一步中，您將訪問列表中的光纖/波導結構的計算模式。你使用的光纖是單模光纖。
打開列表中的計算模式：
1.在菜單的“Parameters”中單擊“Mode …”。
2.Input Amplitude設置為1，Phase設置為0。
3.單擊OK按鈕。
注意:如果您選擇使用單光纖模塊或單波導模塊，您將看到在對話框中只有一個模式列表。如果您正在使用其他模式，您將看到對話框中有兩個可用的列表。
展開 OptiGrating應用：光纖布拉格光柵
在本次案例中，您將學習如何設計具有啁啾和切趾的光纖布拉格光柵。這種光柵可用于光纖色散補償。
步驟1
首先新建一個項目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
選擇Single Fiber：
1.File > New
2.在“New”對話框中，單擊“Single Fiber”選項
我們將模擬如圖1所示的二維光柵布局。
步驟2
接下來，您將為單個光纖定義某些參數。在“Single Fiber”對話框中，您可以設置以下特性: Index Profile, Photosensitivity Profile, Number Of Points In Mesh, Central Wavelength等。
打開“Single Fiber”對話框：
1.在工程窗口，點擊Fiber/Waveguide Parameters按鈕
系統彈出“Single Fiber”對話框
注意:本案例您將使用默認參數，因此不必更改任何預定義選項。
2.點擊OK關閉“Single Fiber”對話框
步驟3
在這一步中，您將訪問列表中的光纖/波導結構的計算模式。你使用的光纖是單模光纖。
打開列表中的計算模式：
1.在菜單的“Parameters”中單擊“Mode …”。
2.Input Amplitude設置為1，Phase設置為0。
3.單擊OK按鈕。
注意:如果您選擇使用單光纖模塊或單波導模塊，您將看到在對話框中只有一個模式列表。如果您正在使用其他模式，您將看到對話框中有兩個可用的列表。
展開 
Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因為光纖折射率會隨溫度而變化，導致其布拉格波長發生偏移，所以可以被用作溫度的測量。（聯系我們獲取文章附件）
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出:
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續處，都會發生微弱的菲涅耳反射。當來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
運行和結果
步驟1:FDE-計算光柵所需的周期和溫度相關有效折射率neff
我們首先使用FDE求解器獲得目標波長下光柵的有效折射率，并計算光柵的所需周期(Λ)。我們計算高折射率區域和低折射率區域的 neff，并將其的平均值作為設計的起點。
此案例中光纖由n=1.4725/1.4728（L/H）和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器，并在室溫下為光柵中的兩個不同位置（高折射率區域和低折射率區域）運行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率，并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預期的那樣，該模式被很好地限制在光纖的核心區域。
展開 Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
01
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因為光纖折射率會隨溫度而變化，導致其布拉格波長發生偏移，所以可以被用作溫度的測量。
02
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出：
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續處，都會發生微弱的菲涅耳反射。當來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
其中，α和η分別代表光柵材料的熱膨脹系數和熱光系數。溫度的變化(ΔT)導致纖芯和包層的折射率變化，變化量由η值決定(通常為)，最終導致布拉格波長偏移。光纖的膨脹也會導致布拉格波長的偏移。然而，我們通常會忽略后一種效應，因為（通常為）是小于η的一個數量級。我們采用了η的二階依賴性，因為它已經被證明比線性模型更準確，尤其是在400℃以上的溫度下。
展開 OptiSystem：FBG濾波仿真
FBG（光纖布拉格光柵）是在光纖內形成一種空間周期性折射率分布的光纖，其作用在于改變或控制光在該區域的傳播行為與方式。光纖光柵是一種新型的光無源器件，具有制作簡單、造價低、穩定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、并易于同光纖系統兼容集成等諸多優點，所以近年來光纖光柵在光通信、光纖激光器和光纖傳感器等領域的應用越來越受到人們的重視，取得了令人矚目的成就。
1.建模任務
本案例演示了均勻光纖布拉格光柵組件在OptiSystem中作為濾波器的應用。本案例有兩種項目布局。在第一種布局中，使用了白色光源。在第二種布局下，使用了高斯脈沖。
2.白光光源下的FBG濾波器
下圖所示為光路圖。
初始的頻譜如下圖。
接下來我們對布拉格光柵的主選項卡中的反射率進行掃描，如圖。
因為反射率與耦合長度和光柵長度的乘積有關，所以這種掃描對應于耦合長度和/或光柵長度的變化。相應反射光譜的比較如下圖所示
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵反射光譜
透射光譜如下圖。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵透射光譜
3.高斯脈沖下的FBG濾波器
高斯脈沖光學系統中均勻光纖布拉格光柵濾波器的光路如下圖。
我們對高斯脈沖的半高全寬（寬度）進行掃描，設置其寬度為0.005、0.05和0.5，如圖。
初始高斯脈沖的頻譜如圖
高斯脈沖的初始頻譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的反射光譜如圖所示。
反射光譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的透射光譜如圖所示。
展開 [Optiwave] OptiSystem應用：FBG濾波仿真
FBG（光纖布拉格光柵）是在光纖內形成一種空間周期性折射率分布的光纖，其作用在于改變或控制光在該區域的傳播行為與方式。光纖光柵是一種新型的光無源器件，具有制作簡單、造價低、穩定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、并易于同光纖系統兼容集成等諸多優點，所以近年來光纖光柵在光通信、光纖激光器和光纖傳感器等領域的應用越來越受到人們的重視，取得了令人矚目的成就。
1. 建模任務
本案例演示了均勻光纖布拉格光柵組件在OptiSystem中作為濾波器的應用。本案例有兩種項目布局。在第一種布局中，使用了白色光源。在第二種布局下，使用了高斯脈沖。
2. 白光光源下的FBG濾波器
下圖所示為光路圖。
初始的頻譜如下圖。
接下來我們對布拉格光柵的主選項卡中的反射率進行掃描，如圖。
因為反射率與耦合長度和光柵長度的乘積有關，所以這種掃描對應于耦合長度和/或光柵長度的變化。相應反射光譜的比較如下圖所示。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵反射光譜
透射光譜如下圖。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵透射光譜
3. 高斯脈沖下的FBG濾波器
高斯脈沖光學系統中均勻光纖布拉格光柵濾波器的光路如下圖。
我們對高斯脈沖的半高全寬（寬度）進行掃描，設置其寬度為0.005、0.05和0.5，如圖。
初始高斯脈沖的頻譜如圖
高斯脈沖的初始頻譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的反射光譜如圖所示。
反射光譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的透射光譜如圖所示。
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