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基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器中文摘要 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 中文摘要 随着光通信产业的发展，光纤光栅作为一种新型的无源器件由于其本身防爆、抗 电磁干扰、抗辐射、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等特点可以作为光通信系统 和光传感系统的基本元件越来越得到人们的重视。 采样光纤光栅由于其实现多个窄带通道，特别适用于波分复用( w d m ) 系统、 多波长滤波器和光码分多址系统。啁啾采样b r a g g 光纤光栅由于在产生多通道、色散 补偿方面的特性而受到人们的关注。然而当采样光纤光栅发生任意啁啾时( 光栅周期 啁啾，采样周期周期或者两者同时啁啾) ，最大反射峰的位置会发生偏移，这对我们 设计多通道滤波器的效果将会产生很大影响，通常的方法是进行传输矩阵的方法，但 是进行矩阵模拟运算花费时间长，而且最大峰值的位置需要放大取点，很不方便。我 们提出了一种基于傅里叶变换的方法计算任意啁啾采样光纤光栅最大反射峰通道的 理论和方法。通过对啁啾采样光纤光栅进行建模，运用傅里叶变换，得到了任意啁啾 采样光纤光栅的数值解析表达式。运用该解析表达式，可精确计算任意啁啾采样光纤 光栅最大反射峰值位置，并且得出啁啾光纤光栅的通道波长位置，不仅与光栅的啁啾 系数有关，而且于光栅的总长度有关，并用模拟矩阵法证明其预测是正确的，该解析 表达式加深了对复杂采样光栅内部结构的认识和明确了各种参数对光栅反射通道的 影响。 随着对波长信道数目需求的增长，寻求一种制造容易，且能产生频域宽、隔离度 好多通道滤波技术，一直是设计者追求的目标。在实际使用是，通常使用两种采样光 纤光栅。一种是振幅型采样光纤光栅，一种是相位采样光纤光栅。传统的振幅型采样 光纤光栅的最大缺点是反射光谱范围与反射光谱能量之间的平衡，光谱的频域范围是 和光栅长度占空比系数成反比。光谱的反射通道要求越多，则光栅长度的占空比越小， 但是若光栅长度很小，光谱反射通道的能量效率会降低。近来，得到了能够实现多通 道的采样光纤光栅中的t a l b o t 效应。利用t a l b o t 效应，通过改变光栅的啁啾系数，可以 实现任意通道密度( 自由光谱范围) 的光谱，而传统的采样光纤光栅只能通过改变采 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器中文摘要 样周期来实现自由光谱范围的改变。传统振幅型采样光纤光栅为了得到良好的反射通 道，在t a l b o t 条件下，d u t yc y c l e 依然很小，因此反射通道能量效率依然很低。相位采 样光纤光栅以其高的能量利用率、平坦的反射通道的独特优势引起光学研究者的极大 兴趣。然而制作相位采样光纤光栅是一件很困难、很昂贵的事。虽然，相位采样光纤 光栅在t a l b o t 条件下，可以用较少的相位采样点得到高通道数的反射光谱，但制作依 然很困难。所以，我们提出了一种可以有效产生高通道数的全占空比( d u t yc y e l e = 1 ) ， 新颖的振幅型采样光纤光栅结构。这种结构整合了振幅采样光纤光栅( 容易制作、易 实现) ，相位采样光纤光栅( 能量效率高、光栅长度短) 和t a l b o t 效应( 多通道高效率、 任意调节自由光谱范围) 的特点。在光栅长度一定的情况下，通道能量效率可以和相 位采样光纤光栅相比，直接运用高斯光束并使用高斯函数的性质得到了高均匀性，高 隔离度，高计数的反射通道输出。 关键词：滤波器；波分复用器；采样光纤光栅；t a l b o t 效应 作者：朱晓军 指导教师：王钦华 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 a b s t r a e t m u l t i - - c h a n n e ls p e c t r a lf i l t e r sb a s e do n s a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g s a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y ，f i b e rb r a g gg r a t i n g s ， a san o v e lt y p eo fp a s s i v ef i b e rc o m p o n e n t si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h e o p t i c a ls e n s i n gs y s t e m ，a r ea t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sd u et o i t ss u p e r i o r c h a r a c t e r i s t i c so fe x p l o s i o n - p r o o f , i m m u eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n t i r a d i a t i o n , s u r v i v i n gi nh i g ht e m p e r a t u r e ，s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，a n da l l f i b e rf l e x i b i l i t y c h i r p e da n ds a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g sa r et a k i n ga t t e n t i o nb yi t sc a p a b i l i t i e so f g e n e r a t i n g m u l t i - c h a n n e la n dd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n i t w a sf o u n dt h a tt h e m u l t i c h a n n e lr e f l e c t i o np e a k ss h i f tf r o mt h ec o r r e s p o n d i n gu n i f o r ms a m p l e df b gw h e n e i t h e rt h eg r a t i n gp e r i o do rt h es a m p l i n gf u n c t i o no rb o t hi sc h i r p e d t h ea m o u n to ft h e s h i f t sw e r eu s u a l l yo b t a i n e dn u m e r i c a l l yu s i n gt h et - m a t r i xc a l c u l a t i o n i nv i e wo ft h e i m p o r t a n c eo ft h ea c c u r a t ep r e d i c t i o n o rd e t e r m i n a t i o no ft h ew a v e l e n g t hs h i f t ， ( s u b s e q u e n t l y ，t h ep r e c i s ew a v e l e n g t hp o s i t i o n o fe a c hc h a n n e l ) d u et ot h ec h i r p i n t r o d u c e di nt h eg r a t i n gp a r a m e t e r s ，t h e r ei san e e dt od e v e l o pa na n a l y t i c a l ，r a t h e rt h a n an u m e r i c a lt o o l ，t oc h a r a c t e r i z et h ec h a n n e lw a v e l e n g t h i nt h i sp a p e r ，w ep r e s e n ta n a n a l y t i c a le x p r e s s i o nf o rt h es a m p l e df b g s w i t ha r b i t r a r yc h i r p si ns a m p li n gf u n c t i o no r g r a t i n gp e r i o do rc o m b i n a t i o no fb o t hu s i n gf o u r i e rt h e o r y t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e w a v e l e n g t ho fe a c hc h a n n e l ，t h ec h i r pc o e f f i c i e n to ft h es a m p l i n gf u n c t i o na n dt h e g r a t i n gp e r i o d ，a n dt h el e n g t ho ft h eg r a t i n gi se x p l i c i t l yg i v e n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s b a s e do nt h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o na r ee x a m i n e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ln u m e r i c a lr e s u l t s ， w h i c ha lef o u n dt oh ei ne x c e l l e n ta g r e e m e n t t h i sa n a l y t i c a lt o o lc a np r o v i d ei n s i g h t i n t ot h ed e s i g n so fm o r e - c o m p l e xs a m p l e dg r a t i n gs t r u c t u r e sa n di n t ow a y st ot a i l o rt h e p a r a m e t e r sp r o p e r l yt oo b t a i nas p e c i f i cp e r f o r m a n c e h i 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器a b s t m e t a st h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to ft h ew a v e l e n g t hc h a n n e ln u m b e r s ，f i n d i n gas i m p l e a n df l e x i b l em a n u f a c t u r i n gm e t h o df o rm u l t i c h a n n e lf i b e ro p t i c a lf i l t e r s 嘶t l lw i d e w a v e l e n g t hr a n g ea n dc l e a ri s o l a t i o ni sa l w a y st h eg o a lo fd e s i g n e r s ：t w ot y p e so f s a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g sa r em o s tf r e q u e n t l ye m p l o y e di np r a c t i c e ，i e ，a m p l i t u d e s a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( a s f b g ) a n dp h a s e - o n l ys a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( p s f b g ) t h em a i nd r a w b a c ko ft h ee o n v e n t i o n a la s f b gi st h et r a d e o f fb e t w e e nt h e s p e c t r a lr a n g ea n dt h ec h a n n e le n e r g ye f f i c i e n c ya c c o r d i n gt of o u r i e rt r a n s f o r mi nw h i c h t h es p e c t r a lr a n g ei nf r e q u e n c yd o m a i ni si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ed u t yc y c l ei ne a c h s a m p l i n gp e r i o d t h em o r et h eo u t p u tc h a n n e l ，t h es m a l l e rt h ed u t yc y c l e ，w h i c hd i r e c t l y r e s u l t si nt h ev e r yl o we n e r g ye f f i c i e n c yw h e na na s f b gi se m p l o y e di nac o n v e n t i o n a l w a ys i n c eal a r g ep o r t i o no ft h ef i b e ri sa b s e n to ft h eg r a t i n g r e c e n t l y , i th a sb e e ns h o w n t h a tt h em u l t i c h a n n e lg e n e r a t i o nc a l lb ei m p l e m e n t e db ye x p l o i t i n gt a l b o te f f e c ti n s a m p l e da n dc h i r p e df b g s ，i nw h i c ht h ec h a n n e ld e n s i t y ( o rf r e es p e c t r a lr a n g e ，f s r ) c a nb ee f f e c t i v e l ym u l t i p l i e db yc h a n g i n gt h ec h 卸c o e f f i c i e n t 嘶t l ln on e e dt oc h a n g e t h es a m p l i n gp e r i o da st h ec a s ei nc o n v e n t i o n a ls f b g s h o w e v e r ，w h e nw ee x a m i n et h e s t r u c t u r eo fa na s f b gu s e du n d e rc o n d i t i o no ft a l b o te f f e c t , i ti sf o u n dt h a tt h ed u t y c y c l eo fe a c hs a m p l i n gp e r i o dm u s ta l s ob ek e p ts m a l li no r d e rt oo b t a i nc l e a n m u l t i - c h a n n e lo u t p u t s ，w h i c ha l s or e s u l t si nl o we n e r g ye f f i c i e n c ya n dt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni st h u sv e r yl i m i t e d t h em o s ta t t r a c t i v ef e a t u r eo fp h a s e o n l ys a m p l e df b g s ( p s f b g s ) i st h eh i g he n e r g ye f f i c i e n c y t h et a l b o te f f e c ti np s f b g sf o rm u l t i - c h a n n e l g e n e r a t i o nh a sa l s ob e e np r o p o s e dt oe n h a n c et h ee n e r g ye f f i c i e n c yw i t hal i m i t e df i b e r l e n g t h i ti ss h o w nt h a t ，u n d e rt h et a l b o tc o n d i t i o n ，t h ep s f b g su s i n gl e s sp h a s e t r a n s i t i o n si sc a p a b l eo fg e n e r a t i n gs u p e r i o rh i 曲- c o u n td w d mc h a n n e l sw i t h h i g h e n e r g ye f f i c i e n c y n o n e t h e l e s s ，t h em a n u f a c t u r i n gd i f f i c u l t yo fp s f b g ss t i l lr e m i a n s i n t h i sp a p e r , w ep r o p o s ean o v e la m p l i t u d es a m p l e df b gs t r u c t u r et h a th a saf u l ld u t y c y c l e ( 21 ) f o re f f i c i e n tg e n e r a t i o no fb r o a d b a n dh i g h - c o u n tc h a n n e l so p e r a t e du n d e r s p e c t r a lt a l b o te f f e c t t h i ss t r u c t u r ei n t e g r a t e sa d v a n t a g e so fa m p l i t u d es a m p l e df b g s ( e a s ya n ds t r a i g h t f o r w a r dm a k i n g ) ，p h a s e - o n l ys a m p l e df b g s ( h i g he n e r g ye f f i c i e n c y i v 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 a b s t r a c t a n ds h o r tf i b e rl e n g t h ) a n dt a l b o te f f e c t ( i n h e r i th i 【g he f f i c i e n c yi nh i g h - c o u n tc h a n n e l o u t p u ta n da r b i t r i l yf s rt u n i n g ) i ti ss h o w nt h a tt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es t r u c t u r ei s c o m p a r a b l et ot h a to ft h ep s f b g sw i t ht h es a m ef i b e rl e n g t h t h ed i r e c tu s eo fas i m p l e g a u s s i a nb e a mp r o f i l eo rc o m b i n a t i o no fg a u s s i a np r o f i l ey i e l d sh i g hu n i f o r m i t y , h i 曲 i s o l a t i o na n dh i g h - c o u n tc h a n n e lo u t p u t s k e y w o r d s ：o p t i c a lf i l t e r , d w d m ，s a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( s f b g ) ，t a l b o t e f f e c t v w r i t t e nb yz h ux i a o j u n s u p e r v i s e db yw a n gq i n h u a 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生虢墓塑埠 日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：盍垒皇星! 笪 e l 期：塑呈! 堕 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在2 0 世纪后半叶至 今的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤通信是信息社会的支 柱，是“信息高速公路的骨干网，也是世界通信建设今后发展的主体之一。光纤 以其损耗低、宽带宽的特性，已成为现代通信网络中的最佳传输媒质，将通信系统 的传输容量扩展了几个数量级，达到了数t b i t s 的传输速度，使得图像、声音、数 据的同时高速传输成为现实，光纤到户已成为必然的发展趋势。光纤传感以其本质 安全、不受电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、易于复用、通信容量大、传输 距离远等优点，得到了空前的发展。 近年来，作为一种新型光子器件光纤光栅引起了人们的极大的兴趣，这是因为 光纤光栅的出现不仅给光纤通信和光纤传感，而且给相关领域带来了又一次里程牌 式的革命，而且使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光有源：无源器件和 智能传感器。光纤光栅技术的出现将是光纤通信领域继光纤放大器之后的有一个重 大事件。光纤光栅具有可以灵活设计的良好的选频特性和稳定的性能，已被广泛应 用于光纤通信和传感系统等领域。在未来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同传 统光学系统中没有镜片一样令人难以想象。 1 1 1 现代光纤通信系统的发展 1 9 6 6 年英籍华裔学者高锟( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o e k h a m ) 首次提 出利用石英光纤作为新型通信传输媒体，奠定了现代光纤通信的基础。当时石英纤 维的损耗高达1 0 0 0 d b k m 以上，高锟等人指出这样大的损耗不是石英纤维本身固有 特性，而是由于材料吸收引起的。 1 9 7 0 年，美国c o m i n g 公司的科学家成功拉制出损耗低至2 0d b k m 的可实用 光纤。同年，美国b e l l 实验室、日本电气公司( n e c ) 和前苏联先后突破了半导体 激光器在低温或脉冲激励条件下工作的限制，研制出可在常温下连续工作的镓铝砷 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 第一章绪论 ( g a a i a s ) 双异质结半导体激光器( 短波长) 。这两项研究成果使得光纤通信进入 实用化时代。几年之后光纤的损耗迅速下降，波长为1 5 5i im 的光纤损耗：1 9 7 9 年是o j 2 0d b k m ，1 9 8 4 年是0 1 5 7d b k m ，1 9 8 6 年是0 1 5 4d b k m ，接近光纤最低 损耗的理论极限。 1 9 7 7 年，世界上第一个商用光纤通信系统在美国芝加哥的两个相距7k m 的电 话局之间开通，该系统就是采用多模光纤，工作波长为0 8 5l - tm ，光纤损耗为2 5 3d b k m ，传输速率为4 4 7 3 6 m b i t s ，这就是通常所说的第一代光纤通信系统。 1 9 7 7 年 - 1 9 8 2 年的第二代光纤通信系统采用工作波长为1 3 1 1 x m 的多模光纤， 光纤损耗为0 5 5 - - id b k m ，传输速率为1 4 0m b i t s ，中继距离为2 0 5 0k m ，于1 9 8 2 年开始陆续投入使用，一般用于中、短距离通信线路。 1 9 8 2 年 - - 1 9 8 8 年的第三代光纤通信系统采用工作波长为l - 3 l1 1m 的单模光纤， 光纤损耗降至0 3 - 0 5d b k m ，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准 同步数字系列( p d h ) 的各次群信号，中继距离为5 0 - 1 0 0k m ，于1 9 8 3 年以后陆 续投入使用，主要用于长途干线和海底通信。 1 9 8 8 年至今的第四代光纤通信系统开始采用1 5 5 1 x m 波长窗口的光纤，光纤损 耗进一步降至0 2d b k m ，主要用于建设同步数字系列( s d h ) 同步传送网络，传 输速率越来越高，中继距离越来越长。光通信的一个主要的特点，也是其他传输方 式无法相比的优势，就是容量特别大，即传输速率非常高。三十年来，光纤通信技 术得到了空前的发展，光纤通信系统更新换代了四次，实现了光纤从多模向单模的 过渡，从短波长到长波长的跨越，传输设备实现了从准同步系列到同步系列的转型， 系统的传输速率越来越高，中继距离越来越长。近几年来，随着远程通信和计算机 通信的飞速发展，特别是因特网业务的爆炸式崛起，通信业务对全球网络的容量和 速率提出了更高的要求，当前世界光通信发展的主要趋势之一是单波道和多波道的 传输速率越来越高，即传输容量越来越大。 i i 2 光纤光栅的发展 世界上第一只光纤光栅是内写入的位相型b r a g g 光栅，也称h i l l 光栅。1 9 7 8 年 加拿大的k o h i l l 等人【1 】首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一个永久 2 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器第一章绪论 性的可实现反向模式问耦合的光纤布拉格光栅，它是利用图1 1 的装置研究光纤的 非线性特性时，发现透射光强随曝光时问增加而迅速减弱，而反射光强相应增加， 导致光纤的折射率产生周期性变化。驻波法又称内部写入法，该方法写入的光纤光 栅反射率可达9 0 以上，但是由于需要特制的掺锗光纤，且需要掺锗量高，纤芯小， 因此使用性受到限制。 图1 1 内写入法制作光纤光栅 图1 2 外写入法制作光纤光栅 1 9 8 9 年gm e l t z 提出的光纤侧向曝光法【2 】，用两束相干的紫外光形成的干涉条 纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的横向全息成栅技术( 装置如图1 2 ) 。外 写入法允许制作任意周期的b r a g g 波长的光栅，使得光栅的应用波长扩展到通信系 统广泛应用的1 3 1 u n 或1 5 9 m 波段。但是，这种写入方法对光源和周围环境的稳定 性要求较高，并且对光源的相干长度要求严格，因此使用起来也比较困难。 3 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器第一章绪论 1 9 9 3 年，h i l l 等人又提出了紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载 光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法( 如图1 3 ) 【3 】，这使得光纤光栅真正走向 使用话和产业化。该方法的一个很大的优点是写入光栅的周期仅仅取决于相位光栅 周期而与辐射光的波长无关，因此这种方法对激光光源的相干性要求大大降低。相 位掩模法是目前为止最成熟的光纤布拉格光栅的写入方法，简化了光纤光栅的写入 过程，并且对周围的环境的要求大大降低，使得大规模批量生产光纤光栅成为可能， 极大推动了光纤光栅的发展及在光通信和光传感领域中的应用。 飘导篇镶 ；l 图1 3 紫外光照射相位掩模制作光纤光栅 1 9 9 6 年，由a t & t 贝尔实验室的a m v e n g s a r k a r 等人用紫外光通过振幅掩模 板照射氢载硅锗光纤首先研制而成【4 】，以后周期为几十到几百微米的能实现同向模 式间耦合的长周期光纤光栅得到人们越来越多的重视，并广泛应用于通信和传感领 域。 自从k o h i l l 等人于1 9 7 8 年首次研制出世界上第一个光纤布拉格光栅以来， 无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发展。可以相信，随 着研究的深入和应用的需要，光纤光栅必将在通信、传感和相关领域获得进一步的 发展和更加广泛的应用。 4 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器第一章绪论 1 2 光纤光栅的分类 光纤光栅按其空间周期和折射率分布特征大致可分为以下六种。 ( 1 ) 均匀周期光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n gf b g ) 这是最为常见的一种光纤光栅。其特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为 常数，其折射率分布如图1 4 所示。它在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用 等领域有重要的应用价值。 图1 4 均匀布拉格光纤光栅折射率调制 ( 2 ) 啁啾( ( c h i r p e d ) 光纤光栅【5 】 主要特点是光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化。啁啾光栅被 广泛应用于w d m 系统的色散补偿、掺铒光纤放大器与光纤激光器的性能优化以及 光纤传感等方面。 图1 5 啁啾光纤光栅折射率调制和反射谱图 ( 3 ) 采样光栅( s a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n gs f b g ) 6 】 主要特点是其折射率调制不是连续的而是周期性间断的，其结构和折射率分布 5 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器第一章绪论 如图1 6 所示。这是一种特殊的光栅结构，它既有布拉格光栅的反射特性，亦有长 周期光栅的包层模耦合特性。这种光栅的反射谱具有一组分立的反射峰，此特性可 用做梳状滤波器，在多波长光纤激光器、可调谐分布式布拉格反射( d b r ) 光纤激光 器、以及多通道色散补偿方面具有潜在应用。另一方面，由于方波包络的周期通常 为几百个微米。因此，采样光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅，它将引起基 阶模与包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。由于包层模耦合引起 的共振峰与布拉格反射峰对外界环境参量( 如温度、应变、折射率等) 具有不同的响 应特性，所以采样光纤光栅是一种理想的多参量传感元件。 参 ； 芑 o c t y ( i) ) lj w a v e l e n g t h ( n m ) 图1 6 采样光纤光栅折射率调制和反射光谱图。( a ) 折射率调制函数；( b ) 反射光谱图。 ( 6 ) 位相光纤光栅【7 】 w 州嘲蛐i m ! 图1 7 位相光栅折射率调制和传输光谱( a ) 折射率调制函数；( b ) 传输光谱图。 光栅在某些位置发生相位跳变，从而改变光谱的分布。其折射率分布和传输光 谱如图1 7 所示。位相型布拉格光栅的特点是能够在其布拉格反射带中打开透射窗 口，使光栅具有更高的波长选择性，此类光栅在波分复用通信系统中的波长解复用 6 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器第一章绪论 器方面有着潜在应用价值：位相型长周期光纤光栅具有丰富的谱特征，通过选择合适 的相移点位置与相移量，能够使得长周期光纤光栅更好地满足掺铒光纤放大器 ( ( e d f a ) 增益平坦的需要。 ( 7 ) 闪耀倾斜光纤光栅【8 】 其光栅波矢量方向不是与光纤轴线方向一致的，而是与其成一固定的角度，其 结构如图1 8 所示。 图1 8 闪耀倾斜光纤光栅折射率调制和反射谱图( a ) 折射率调制函数；( b ) 反射光谱图。 闪耀倾斜布拉格光栅不但引起反向导波模祸合，而且还将基模耦合至包层模中 损耗掉。利用闪耀光栅的包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺铒光纤放 大器的增益平坦，当光栅法线与光纤轴向倾角较小时，还可以将闪耀光栅用作空间 模式耦合器，用其将一种导波模耦合至另一种导波模中。 ( 8 ) 长周期光纤光栅( ( l p g ) 【9 】 其周期远远大于一般的光纤光栅，可达到几百微米( ( f b g 的周期一般小于1 p m ) ，是基于单模光纤中的前向传输基模与前向传输包层模之间耦合的周期结构。 它在光纤通信领域有着广泛用途，如用于e d f a 增益谱平坦化、光纤模式变换器、 偏振模式变换器、滤波器，同时作为一种带阻滤波器应用到光分插复用器或光交叉 互联单元等波长路山器件。l p g 另一个重要应用是作为应力或温度传感器，它比 f b g 有高得多的温度和应力灵敏度，它的多个损耗峰可以同时进行多轴应力及温度 测量，也可以将级联的l p g 作为传感器阵列进行多参数分布式测量。 上述各种类型的光纤光栅有其各自不同的优缺点和主要用途，而在传感领域中 7 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 第一章绪论 用得最多的是光纤布拉格光栅。有必要指出，为了方便，许多文献中都直接将光纤 布拉格光栅简称为光纤光栅，通常所讲的光纤光栅传感器往往也是指光纤布拉格光 栅传感器。本论文中在通常情况下所指的光纤光栅即为光纤布拉格光栅。 1 3 光纤光栅在通信领域中的应用 光纤布拉格光栅的出现为全光通信网的实现创造了极好的条件，因此许多国家 已投入大量的人力和物力集中对光纤布拉格光栅及其在全光通信网中的应用进行 研究，光纤布拉格光栅在通信领域中的应用主要表现在一下几个方面。 1 3 1 光纤滤波器 光纤布拉格光栅的模式耦合是指传输方向相反的模式之间的耦合，主要是指正 向基模的能量耦合到反向的基模或包层中，以致谐振波长处正向基模的能量减弱， 而方向基模的能量增加，因此从光纤的投射端来看光纤布拉格光栅是一个带阻滤波 器，而从光纤的反射端来看光纤布拉格光栅是一个带通滤波器，即是一个波长选择 器件【2 ，l o 。采样光纤光栅，因其特殊的滤波特性、严格的波长间隔以及结构紧凑、 易于集成和低成本等特点，被广泛的应用在光纤滤波器系统中。由于光纤布拉格光 栅的谐振波长对外界环境比较敏感，因此可制成多种可调谐滤波器使其在光纤通信 领域有更加广泛的应用。 1 3 2 色散补偿器 制约光速光通信的一个主要因素是色散，色散导致了在光纤中传输的脉冲信号 中的不同波长成分以不同的群速度传播，从而引起数据脉冲的展宽，增加了误码率。 啁啾光纤布拉格光栅的大色散特性可有效地补偿脉冲信号产生的色散，其中可调谐 啁啾光纤光栅还可调节色散补偿的大小【l l 】。 1 3 3 光纤激光器 光纤布拉格光栅的窄带反射特性和全兼容于光纤的特点，使其特别适合用于光 纤激光器中【1 2 1 5 】。利用光纤布拉格光栅的波长选择性可将其用作光纤激光器的腔 镜，实现模式选择和窄带反馈的单频激光器，与半导体激光器相比，该类激光器具 8 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 第一章绪论 有波长连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低的优点，以 及适合d w d m 系统中使用工作波长固定或可调谐的低噪声激光器阵列的要求。 1 3 4 波分复用器 光纤布拉格光栅的带宽较小，且经过变迹处理后具有很高的边模抑制比，因此 变迹光纤布拉格光栅在d w d m 中有很重要的应用【1 6 ，1 7 】，既可作为上厂f 路波分复 用其，又可制作成解复用器。利用光纤布拉格光栅的带通率波特性选择所需的波长， 加上光纤环形器等辅助器件可在其输出端获得信道的光信号，从而实现波分复用信 道的解复用。 1 4 光纤光栅传感器的应用 由于光纤光栅传感器自身具备许多不可替代的优越性，所以自从1 9 8 9 年g m e l t z 等人首次报道将光纤布拉格光栅用作传感器以来，它就受到了全世界范围内 的广泛重视，并且己经取得了持续和快速的发展。到目前为止，光纤光栅传感器己 经在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、医学、核工业等方面 获得了应用。 ( 1 ) 民用结构中的应用民用工程中的结构检测是光纤光栅传感器应用最活跃的 领域。基础力学结构的状态、力参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运 动场馆的维护是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部载荷的状 态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结 构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。另外，多个光纤光栅传感器可以串 接成一个网络对结构进行分布式检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室 进行遥测。因此在民用工程中，光纤光栅传感器成为结构检测的最重要手段。 ( 2 ) 航空航天业中的应用航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行 器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等， 所需要使用的传感器超过1 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光 栅传感器只有l 根光纤，敏感元件( 光栅) 制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点 来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非 9 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器第一章绪论 常重视。 ( 3 ) 船舶航运业中的应用先进的复合材料越来越多的被引入到船舶的设计和制 造中来，为了获得复合材料结构的强度和成本的优化，必须了解这种结构的完整性 和行为特性。使用模型测量，然后将测量结果按比例推算到实际船舶是一种常用方 法。 ( 4 ) 石油化工业中的应用石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸 如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其 本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。 ( 5 ) 医学应用目前广泛用于医学的绝大多数传感器都是电气有源传感器，因此 不适合大量的医学领域，尤其在高频微波领域，即超声波及与高温手术有关的激光 辐射环境。由于传感头的局部发热和存在着金属导体以及导体中电流与电压的电磁 干扰，导致错误的读数。但由于光纤传感器是介电体，故它可以克服这些问题。 ( 6 ) 核工业中的应用核工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威 胁，因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由子核装置的老化，需要更多的维 护和修理，最终必须被拆除，所有这些都不能在设计时预见，因此需要更多的传感 器以便遥控设备，处理不确定情况。日本核能研究院1 9 9 9 年4 月至2 0 0 0 年3 月的 年度报告中提到，他们正在日本测试反应堆，通过辐射环境测试确保光纤光栅用于 核电厂设备和管道的传感，并能在几乎整个反应堆寿命期间忍耐核辐射。 ( 7 ) 其它方面的应用如同其它光纤传感器一样，f b g 由于其抗电磁干扰能力强， 用于电力工业也是十分理想的。此外，f b g 可以刻写在标准的1 5 5 n m 波长的通信 光纤上，由于光传输损耗低，可进行远距离遥测。在其它领域，光纤光栅传感器还 可在气体管道、自来水管道及地质勘测中发挥重要作用。随着应用的增加，制作成 本也将迅速下降，必将导致光纤光栅传感器应用于更多的新领域。总之，光纤光栅 传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。 1 5 论文的工作目的和主要内容 光纤光栅是光纤通信和光纤传感系统的基本器件。采样光纤光栅可以得到多个窄 1 0 基于采样光纤光栅的多通道光学滤波器 第一章绪论 带通道，可以应用在多波长滤波器、多通道色散补偿器和光学码分复用器等方面。采 样光纤光栅不同于标准的光纤光栅在于它的振幅、位相或者两者一起都被采样函数所 调制。对于均匀采样光纤光栅，反射波之间的通道问隔仅仅决定于采样周期，这个结 果可以根据对采样函数的傅里叶变换得到。均匀采样光纤光栅的中心波长( 傅里叶变 换后的零级光) 是由光栅的周期决定的，而其它反射峰的位置可以由中心波长及波长 间隔推导出来。最近，已经有相关的均匀采样光纤光栅最大反射峰波长的解析解的报 道 2 6 1 。这个解析表达式是通过傅里叶级数和光栅的结构参数来计算均匀采样光纤光 栅的任意最大反射峰波长，这为我们准确预测多通道波长的位置提供了有效的工具。 随着采样光纤光栅应用的推广，形式各样的采样光纤光栅在均匀采样的基础上得到了 改进、发展。一个典型的改进就是将啁啾引入到采样光纤光栅的采样函数或光栅周期 中，即在光栅周期发生啁啾或采样周期发生啁啾或者两者同时发生啁啾，这为我们设 计多功能多分复用器件提供了很大的方便。已经有很多相关把啁啾带入光栅，带入光 栅周期，来形成多通道色散补偿器的应用。当采样光纤光栅中的光栅、采样周期、或 者两者同时引入啁啾，反射谱的最大反射峰波长和均匀的采样光纤光栅相比将会发生 偏移，而波长的偏移量对我们设计光栅是很重要的，虽然可以用数值传输矩阵方法来 求解，但是传输矩阵法在求解最大反射峰波长时，需要通过对反射图形取点等辅助工 作才能得到每一级最大峰波长，过程比较繁琐。我们很是需要一种简便的、最好用解 析