（光学专业论文）取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究.pdf

江西师范大学硕士学位论文 摘要 f 随着光纤网的渗透，列光子器件提出了更高的要求，全光通信网将是未 来信息高速公路的主要物理载体，光子器件的发展是实现全光网的关键。光 纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，故光纤光栅将在全光网 中扮演十分重要的角色，它在光开关、光的分插复用、光纤的色散补偿等关 ，秽 键技术中的应用已引起人们的极大兴趣和研究热。移燮用传输矩阵法并 编写了数值分析程序，理论分析了光栅各参数的变化对取样光栅反射谱特性 的影响，得到了与别人实验相吻合的反射谱特性。通过分析知道了取样光栅 具有极好的波长选择性，在它的反射谱中通道多且通道间隔稳定，带通窄， 在光信号处理中有重要应用。趣些特性对通信系统设计者很有吸引力。本文 z 一、 的理论推导和数值分析能对由取样光栅构成的新型光子学器件在光纤通信 中的应用提供参考，为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限生机和希 望。全文概述如下： 1 ) 取样光栅的基本理论。 2 ) 用传输矩阵法对取样光栅的反射谱特性进行数值模拟分析，得到光栅 各参数的变化对取样光栅反射谱特性的影响规律。 3 ) 取样光栅构成的新型光子学器件：多波长激光器、波分复用解复用 器、重构型光分插复用器、光纤传感器及多信道色散补偿器在光纤通信中的 应用前景。 本人在上述领域的工作共有4 篇学术论文分别在光电子激光、光 予学报、江西科学、江西师范大学学报上发表。、l ，一一一 v 关键词：光纤光栅；取样光栅；传输矩阵法：变卑啁“毁激光器：波分复 用解复用暇光分插复用器i 全咣网光呵逼玎玄 取样光栅及儿柏光纤通信中应用的理论研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rn e t w o r k ，i tm a k e sah i g h e r r e q u i r e m e n to fp h o t o n i cd e v i c e s a l lo p t i c a ln e t w o r k ( a o n ) w i l lb et h em a i n p h y s i c a lc a r r i e ri nt h ef u t u r e ，t h ed e v e l o p m e n to fp h o t o n i cd e v i c e sw i l lb et h e k e yt e c h n o l o g yt o r e a l i z ea o n t h et e c h n i q u eo ff i b e rg r a t i n gm a d et h e r e s e a r c h ，m a n u f a c t u r ea n di n t e g r a t i o no fa l lo p t i c a lf i b e rd e v i c e sp o s s i b l e ，s o f i b e rg r a t i n gw i l la c ta ni m p o r t a n tp a r ti na o n t h ea p p l i c a t i o n sh a v ec a u s e d p e o p l e sg r e a ti n t e r e s ta n de n t h u s i a s ms u c ha so p t i c a ls w i t c h ，o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r ，a n do p t i c a l f i b e r sd i s p e r s i o n c o m p e n s a t o r ，e t c u s i n gt r a n s f e r m a t r i xm e t h o da n d p r o c e d u r e o fn u m e r i c a la n a l y s i s ，t h e p a p e ra n a l y z e t h e o r e t i c a l l yt h a th o wg r a t i n g sp a r a m e t e r si n f l u e n c es a m p l e dg r a t i n g s r e f l e c t i v es p e c t r u m t h er e s u l t sw ec a l c u l a t ea g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t st h a to t h e rp e o p l ep u b l i s h e d t h r o u g hn u m e r i c a la n a l y z i n gw ek n o wt h a t t h er e f l e c t i v es p e c t r u m so fs a m p l e dg r a t i n gh a v ev e r yg o o dw a v e l e n g t h s e l e c t i v i t y t h e r ee x i s tm u l t i p l ec h a n n e l si nt h er e f l e c t i v es p e c t r u m s ，t h es p a c e s b e t w e e nt h ec h a n n e l sa r es t a b l e ，a n dt h eb a n d w i d t h sa r en a r r o w s ow h e n d e a l i n gw i t ho p t i c a li n f o r m a t i o n i th a sm u c hi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n t h e d e s i g n e r so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp a ym u c ha t t e n t i o nt oi t t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a la n a l y s e si nt h ep a p e rc a np r e f e rr e f e r e n c ef o rn e w t y p eo fp h o t o n i cd e v i c e s ( b a s e do ns a m p l e dg r a t i n g ) a p p l i c a t i o ni no p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tb r i n g si n f i n i t ep r o s p e c ta n dh o p ef o rp e o p l ec o m ei n t o a l lo p t i c a li n f o r m a t i o n a le r a t h eo u t l i n ei sa sf o l l o w s ： 1 ) t h eb a s i c a l l yt h e o r yf o rs a m p l e dg r a t i n g 2 ) u s i n gt r a n s f e rm a t r i xm e t h o dw em a k en u m e r i c a la n a l y s e sf o r t h er e f l e c t i v e s p e c t r u mo fs a m p l e dg r a t i n ga n dg e tt h er u l e sh o wg r a t i n g sp a r a m e t e r s i n f l u e n c et h er e f l e c t i v es p e c t r u m 3 ) t h en e wt y p e so fp h o t o n i c d e v i c e sb a s e do n s a m p l e dg r a t i n g ：m u l t i p l e w a v e l e n g t hl a s e r ，w a v e l e n g t hm u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ，r e c o n f i g u r a b l e o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ，o p t i c a lf i b e rs e n s o r ，a n dm u l t i p l ec h a n n e l s d i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r ih a v ef o u rr e s e a r c h p a p e r si n a f o r e m e n t i o n e df i e l d st h a th a v e b e e n p u b l i s h e d i n ， ， ， k e yw o r d s ：f i b e rg r a t i n g ：s a m p l e dg r a t i n g ；t r a n s f e rm a t r i x ；a p o d i z e d ：c h i r p e d l a s e r ；w a v e l e n g t hm u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ：o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ；a l o p t i c a ln e t w o r k 2 江两师范大学硕_ 二学位论文 第一章绪论 光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输 质量，也使传输成本大幅度下降，使通信技术最终成为与传输距离几乎无关 的事。近年来作为当代通信领域的支柱技术，光通信技术正以每1 0 年增长 10 0 倍的速度发展，预计这一发展速率还可以持续1 0 年。目前光通信技术的 发展主要集中在以下几个方面：密集波分复用( d w d m 一- d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术、光纤接入网技术和全光通信网( a o n a l l o p t i c a ln e t w o r k ) 技术。 日前，光纤传输速率 在这种高速网络中，如果 庞大、复杂而难以实现， 来瓶颈，超高速传输所带 现全光通信网是唯一出 光传输系统、 来信息高速公 可扩展；允许 合不同体制、 上的全光通信 光纤光栅 纤传感等光电 技术的发展过 不断提高，预计在未来1 0 年还将提高1 0 0 倍左右， 继续采用原有的网络节点设备，将使整个网络变得 且成本增加：采用电信号处理信息将给高速传输带 来的经济效益将被转接费用的升高所抵消。因此实 路。所渭全光通信网是指由光接入网、光复用器、 光交换系统等纯光网元组成的未来通信网。全光通信网将是未 路的主要物理载体。全光通信网有种科优点：超大容量、网络 网络节点数和业务量的不断增长；系统网络可以重构：允许混 格式和速率的信号；能够快速恢复等。当然实现一个理想意义 网还需要一个很氏的时期。 ”“1 是2 0 世纪9 0 年代以来国际上 子处理领域有着广泛应用前景的基 程中，加拿大通信研究中心的k 0 新兴的一种在光纤通讯、光 础性光纤器件。在光纤 i l l 等人首先在1 9 7 8 现了掺锗光纤的紫外光敏特性，并展示在光纤芯部形成光栅的可行性。 光栅 年发 h i l l 的早期光栅是采用4 8 8 月m 可见光波长的氩离子激光耦合入光纤时，由光纤的 两端射入，这两道相反方向传播的光束在光纤中干涉形成驻波，通过双光予 吸收造成纤芯的折射率发生周期性改变从而形成光纤光栅。在这种条件下， 曝光生成的光栅表明是一个双光子过程。由于制作技术上的困难，很难重复 制作出相同的光纤光栅。直到1 9 8 9 年美国联合技术研究中心的g m e l t z 等 人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行横向侧面曝光光纤光 1 取样光栅及其在光纤通信中应用的理论硼f 究 栅制作技术，紫外曝光给出了一个单光子过程，其光栅写入过程与可见激光 棚比，光敏性增加了百万倍，这才推动了光纤光栅技术的进一步发展。随后 又发展了相位掩模制作技术以及在光纤拉制过程中在线光纤光栅的制作方 法”5 。，从而使得这种光纤器件具有了可重复性和规模制作的现实性。光纤 光栅是通过改变光纤：卷区折射率，产生小的周期性调制而形成的。其折射率 变化通常仅在1 0 一1 0 。之间。将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下即 可在光纤纤芯中产生这样的折射率变化。 光纤光栅利用掺杂光纤光致折射率变化特性，用特殊工艺使得光纤纤芯 的这项折射率发生永久性周期变化而形成，能对波长满足布拉格反射条件的 入射光产生反射。光纤光栅的周期、长度以及折射率调制深度决定其在一定 的波长范围内反射率的高低和带宽的大小，从而决定它能否构成光纤通讯系 统中的波分复用器、光纤激光器、光纤色散补偿器、光纤传感器等。光纤光 栅是一种折射率变化的光波导，是一种重要的无源器件，它的出现促使人们 不得不重新考虑光纤通信与网络系统中的每一个环节的设计。 实现d w d m 全光网要求以高速的全光器件进行无瓶颈的高速传输，并且 提 i 了全光集成的方向。光纤光栅将精密光学功能元件植入小型、坚固的基 于光纤的组佴：中，为电信和传感系统设计提供极大的优势。此外它还不受电 磁干扰，附高温、抗腐蚀，适用于暴风雨及雷电环境下工作。在这种情况下， 光纤光栅以其无可比拟的优势”“，得到了国际上的广泛关注和深入研究。 光纤光栅在未来光网络中的作用就如同二极管、三极管在半导体电路中的作 用一样不可或缺，在光纤光栅这种重要无源器件发展的基础一k ，将实现干线 网和接入网的全光通信。 通常人i f 熟知的光纤光栅都有严格的周期结构，而把不具有此性质的另 + 类光栅称之为非均匀的近似周期性光栅，近年来这类非均匀周期光栅的制 作和应用得到了迅速发展，逐渐成为光纤光栅研究领域的一个技术热点。本 文所研究的取样光纤御拉格光栅”( s a m p le df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 也是 i i i 均匀j 划期光栅l ；_ | ，的一种。本文报道了取样光栅的独特反射谱特性及其作为 光予学器件在光纤通信中应用的理论探讨。通过调整取样光栅各参数诸如： 光栅长度、折射率平均变化量、变迹函数、啁啾系数等，我们可动态调整取 江西师范大学硕士学位论文 样光栅的反射谱特性。通过编写的数值分析程序的计算机模拟分析，知道了 取样光栅具有极好的波长选择性，在它的反射谱图中可得到精细的阻带通带 相问排列的谱特性，通道多且通道间隔稳定，带通窄，在光信号处理中有重 要应用。这些特性对通信系统设计者很有吸引力。所以我对由这种特殊结构 构成的新型光子学器件如多波长激光器、波分复用解复用器、重构型光分 插复用器、多信道色散补偿器及光纤传感器作了个理论探讨。把其应用特点 及价值与一般光纤光栅进行了比较，因其独特的反射谱特性，发现这类器件 的优点是因为取样光栅本身就是一段光纤，体积小，器件微型化，信道均匀 性十分高，可以避免在熔接和开关选择时许多损耗、误差的产生，易于集成， 易于与光纤系统进行连接，在生产中便于设计制造。在具体设计时我们应综 合考虑多方面因素，掌握光栅各参数变化对取样光栅反射谱特性影响的规律 剥于我们设计具体实用的取样光栅时有一定的指导意义，为基于取样光栅构 成的新型光予学器件在未来的全光通信网中的应用提供理论依据。 取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究 第二章取样光栅的基本理论 2 1 引言 由于光纤光栅具有确定的中心波长、选频特性好、反射率可变、发生谱 宽凋谐范围大、光能传输的附加损耗小、布拉格反射波长可受温度应变等物 理量调制的一系列特性，光纤光栅以其鲜明的特点而备受青睐。各种各样的 均匀周期结构光纤光栅、线性啁啾光栅已有广泛深入的研究和成功的应用。 随着光纤光栅技术的发展和成熟，基于光纤光栅的各类器件已在光纤传感和 光纤通信领域扮演着越来越重要的角色。同时不少研究者在不断开发基于光 纤光栅的新型器件以满足不同的需求。 研究主要集中在布拉格光纤光栅，它将光功率从光纤中前向传输的导模 耦合到反向传输的导模或辐射模，具有很好的选频作用，在滤波、光纤色散 补偿及波分复用等方面有重要应用。特别是取样光纤布拉格光栅，近来更是 引起人们的重视，因为取样光栅有其独特之处，具有极好的波长选择性，在 它的反射潜图中可得到精细的阻带通带相间排列的谱特性，且传输通道间隔 稳定、带通窄，由这种具有周期性反射特性的取样光栅构成的多波长激光器， 波分复用解复用器，重构型光分插复用器、多信道色散补偿器及光纤传感 器等新型光子学器件是未来大容量高速率密集型波分复用( d w d m ) 全光通信 网巾的关键元器件，这对于充分利用光纤频带资源，扩展通信系统容量具有 重要意义。 本章对取样光栅的基本理论诸如光纤光栅的光学特性、光纤光栅的光致 机制、i 仪样光栅的折射率分机及结构i 到、实验装w 示意图和分析取样光栅潜 特性的方法传输矩阵法进行了阐述。 2 2 取样光栅的基本理论 2 2 1 光纤光栅的光学特性 光纤光栅。是一利，参数周期性( 或非周期) 变化的光波导，其纵向折 射率的变化将引起不同光波模式之问的耦合，并且可以通过将一个光纤模式 江p 日师范大学硕二l 学位论文 的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在一 根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可被耦合到后向传输模也可被耦合到前 向传输模中，这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即 a 一厦= 2 ，r a ，式中人是由模式1 耦合到模式2 所需的光栅周期，。、织分 别为模式1 和模式2 的传输常数，为了将一个前向传输模耦合到一个后向传 输占模，需要满足2 7 r a = 属一展= 7 0 1 一( 一7 0 1 ) = 2 7 0 1 ，式中7 0 l 为单模光纤 - 专输模式的传输常数。这种情况下所得到的光栅周期较小( a t a n h s ( o 5 一z 1 ) 变迹函数曲线图中曲线1 代表帽形函数变迹，曲线2 代表升余弦变迹，曲线 ： 代表近似高斯函数变迹。 3 ，2变迹取样光栅的反射光谱特性及变迹效果 耦合系数变化服从不同分布所造成的影响是不同的。下面各图所示分别 江西师范人学颂l j 学位论文 为升余弦变迹、帽形函数变迹( 参数s = 1 0 ) 的情况。可以看出变迹取样光栅 的反射谱图中传输通道数未因变迹发生变化，由于光栅折射率受变迹函数调 制，中心频处的耦合系数大，而中心频率两侧的耦合系数逐渐减小，与均匀 l0 童o8 童06 昌04 g02 00 o ；川jli 。 1 5 1 01 5 3 01 5 5 01 5 7 01 5 9 0 w a v e l e n g t h n m ( a ) l 5 0 5 c m ，翻盯2 00 0 0 8 ，帽形函数变迹 ( b ) l 。05 c m ，面盯。00 0 0 8 ，升余弦变迹 10 暑08 点0 ，6 者04 g 0 2 0 0 l l i l ji i ：一川i 1 5 1 01 5 3 0i 5 5 01 5 7 01 5 9 0 w a v e i e n g t h n m ( c ) 2 1 2 e r a ，西2 00 0 0 8 ，帽形函数变迹 ( d ) 2 l2 c m ，西哳2 00 0 0 8 ，升余弦变迹 图5变迹取样光栅的反身j 诗 f i g5 r e f l e c t i v es p e c t r u mf ora p o d i z e ds a m p l e dg r a t i n g 取样光栅反射谱图4 ( a ) 和( b ) 相比较，反射谱特性平滑了许多，反射谱的旁 瓣都得到了很好的抑制，但同时应注意，伴随着上述改善，取样光栅的反射 带宽在变窄；由于光栅的平均耦合系数减小，因而峰值反射率也稍有降低。 所以在针对具体实际应用时，应采用合适的耦合系数分布并且选取恰当的分 = 1 1 i 控制参数就可获得理想的变迹取样光栅。 3 4 啁啾取样光栅光谱响应分析 ：j 4 1 唰啾的含义 啁啾是指其周期或本地布拉格频率沿着长度方向的变化，可用相位函数 表示这种变化，对于线性啁啾，相应的相位函数巾( z ) = f z 2 l 2 。啁啾光栅是 取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究 指在折射率调制过程中幅度保持不变，而沿光栅轴向的周期呈现变化的光 栅。啁啾光栅一个直接的功能就是增加光栅带宽，另一功能就是相对于均匀 光栅而言，在大的带宽上有高的色散。啁啾取样光栅是对啁啾布拉格光栅按 照一定的规律在空间上进行采样。 3 4 2 啁啾取样光栅的反射光谱特性与啁啾量的定性关系 1 0 j0 8 宣06 毒04 “02 o o- i i | 川 l i ii i 1 5 1 01 5 3 01 5 5 0 1 5 7 01 5 9 0 w a y e l e n g t h n m ( 。) 。12 c l n ，6 n 。o0 0 0 8 ，f = o0 2 n m c m( d ) l 2 12 c m ，瓯口5 00 0 0 8 ，忙o0 3 6 n m c m 囤6 啁啾取样光栅的反射爵 f i g6 r e f l e c t i v es p e c t r u mf o rc h ir p e ds a m p l e dg r a t i n g 在其它参数对应相同的情况下，取不同的啁啾系数，可以看出啁啾取样 光栅反射谱图最显著的特点是它的反射带宽均比均匀取样光栅反射谱图 4 ( a ) 、( b ) 和变迹取样光栅反射谱( 图5 ) 中的带宽大，而且随啁啾系数的增 大j e 通道数不发生变化，各通道带宽相应增大，但各周期性反射峰值随啁啾 系数的增大而降低。 3 5 变迹+ 啁啾取样光栅光谱响应分析 由前两节得知：变迹的效果是能使反射谱的旁瓣效应得到有效的抑制 江西师范大学硕： 学位论文 啁瞅的效果是能使反射带宽增大，这样我们就采用变迹与啁啾共同作用于取 样光栅，看其谱响应如何变化? 下面各图均采用帽形函数变迹( 参数s = 1 0 ) 。 从图7 中可看出，变迹与啁啾共同作用的效果是反射谱旁瓣干扰能得到有效 抑制，目各通道带宽也增加了，但同时各周期性反射峰值降低了。所以取样 光栅的谱响应特性通过调整光栅各参数是动态可控的，将来若有实验条件利 用设计软件以及先进的制作、封装技术，可使取样光栅及其衍生器件能够满 足d w d m 系统对器件极为严格的指标特性要求。 l0 占08 点06 当04 蛊02 0o i li 。 ：。j i| l 1 5 1 01 5 3 01 5 5 01 5 7 01 5 9 0 w a v e l e n g t h n m 10 皇o8 言0 6 兰0 4 “02 0 0 ( b ) 。05 c ，西0 2 00 0 0 8 ，f = ol n m e m ；川i |h 1 5 1 01 5 3 01 5 5 01 5 7 01 5 9 0 w a v e l e n g t h n m ( c ) l 2 12 c m ，晶口4 00 0 0 8 ，f = o0 2 n m c m ( d ) l 2 1 2 e r a , 西o 。00 0 0 8 ，f - - o0 3 6 r i m e r a 图7变迹+ 啁啾取样光栅的反射谱 f i g7 r e f l e c t i v es p e c t r u mf ora p o d i z e da n dc h i r p e ds a m p l e dg r a t i n g 3 6 各类取样光栅光谱特性总结 本章用传输矩阵法并利用编写的数值分析程序理论分析了光栅各参数 变化对取样光栅反射谱特性的影响。得其结论为：光栅长度增大时，使得在 同一波k 范围内的传输窗口数增多：随着折射率平均变化量的增大，各周期 性峰值反射率相应增大，传输窗口数未发生变化但传输窗口的带宽相应有所 增加，旁瓣干扰也有一定程度的增大；变迹可使反射潜的旁瓣得到有效的抑 取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究 制，使反射谱图更平滑，但各周期性峰值反射率降低了，反射带宽变窄了； 啁l 瞅则可使反射带宽显著增大，但其峰值反射率随啁啾系数的增大而下降。 所以光栅的各参数决定了反射率的高低，带宽的大小，通道的数目，与其它 光纤器件相结合，从波长的稳定、信号的路由、噪声的抑制以及光谱的滤波 等方i i 均可以构成通信与光网中各种功能的元器件。应用中感兴趣的是取样 光栅的反射光谱中通道多且通道问隔稳定，带通窄，在光信号处理中有重要 应用。因为取样光栅这种结构的谱响应特性非常依赖于光栅制作时的参数选 择，因此对于不同的应用场合，对取样光栅器件特定响应特性的设计并进行 制作参数的控制是非常必要的，否则会影响系统的整体性能。 为了使d w d m 通信波长之间的频道间隔统一，国际电信联盟f i t u ) 对各 个波长之间的间隔做了规定，定为o 8n m ( 1 0 0g h z ) 或0 8n m 的整数倍( 如 1 6 n m ( 2 0 0g h z ) 或0 | 8 n m 的1 2 倍数( 如o 4 n m ( 5 0g h z ) ) 。所以为了能在实 际应用中得到充分的利用，我们应优化设计取样光纤布拉格光栅的各结构参 数，可获得不同应用要求的基于取样光栅的各种功能部件，用来构成光纤通 信系统中大量的关键元部件。 江西师范大学硕士学位论文 第四章单相移光栅及多相移光栅的光谱特性分析比较 4 1引言 单相移和多相移光栅3 2 。3 4 “4 4 1 相当于在几段光纤布拉格光栅间引入单 个或多个相移矩阵民。对取样光栅，相当于在多个等长度光纤布拉格光栅 问引入多个相移矩阵，相移来自非曝光区的光束传输位相延迟。相移矩阵可 表达为 只m = 9 一印。7 2 曼p 。，痧，：， 埘相移光栅而言，是相移角：而对取样光栅而言，= 4 n n 舒心。a ，其中位。 为两光栅间的非曝光区的长度。多相移光栅的折射率分布如图8 所示： z 图8多相移光栅的折射率分布 f i g8 d i s t r i b u t i o no f 翻。口f orm u l t i p l ep h a s e 。s h i n e dg r a t i n g 单相移光栅是在整个光栅中仅引入一个相移，而多相移光栅则是在光栅中引 入多个相移。 制作相移光栅的方法有好几种。一种是采用预先做好的带相移的相位板 来进行紫外辐照，是简单而且重复性较好的方法，但缺乏灵活性；另一种方 法是采用两次曝光法，第一次曝光在光纤上制作均匀光栅，第二次曝光在光 栅中间形成相移区，此法较繁琐。 相移光栅和取样光栅均是在若干段光纤布拉格光栅间引入相移矩阵，只 是相移矩阵中的相移角。各不一样。相移光栅中的相移是在光栅中的若干个 点发生的：而取样光栅的相移则产生于光栅中的若干个段( 若干个非曝光 i 毳) 。所以本章根据耦合模理论，用传输矩阵法对单相移光栅和多相移光栅 的反射谱响应特性进行了一系列的理论分析，从中比较相移光栅与取样光栅 的反射谱l l 向应特性的一些异同。 取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究 4 2单相移光栅的光谱响应分析 4 2 1光栅参数改变对反射谱响应特性的数值模拟结果及分析 4 2 1 1 均匀单相移光栅 图9 中( a ) 、( b ) - - 图均在光栅的正中间引入旯4 的相移，西z w = 0 0 0 0 l ，只 是各图的光栅长不一样。图9 ( c ) 、( d ) 、( e ) 、( f ) 、( g ) 、( h ) 的光栅长均取1c m 。 其中图( c ) 、( d ) 的锄。口分别为0 0 0 0 2 、o 0 0 0 4 ，图( e ) 、( f ) 分别在1 5 和7 1 0 光栅处引入相移，图中的参数i 代表相移点的位置。图( g ) 、( h ) 均在光栅的 订三中间引入旯8 和一旯8 的相移。 从图9 ( a ) 、( b ) 中可以看到随着光栅长度的增大，反射谱的反射峰值明 显增大，两传输峰的带宽减小，峰值透过率减小，旁瓣效应越来越大；从图 9 ( c ) 、( d ) 中得知随折射率平均变化量痂。的增大，带宽增大，峰值透过率减 小，旁瓣增多，反射峰值增大：由图9 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 我们知道，在光栅 中心处有9 0 。的相移时，在反射谱阻带中心的通透率为1 0 0 。如果将这一相 移点移至偏离中心点的地方，通透窗口的位置不会改变，但通透率却降低了， 并且越偏离中心，通透率越低，如图( e ) 、( f ) 所示：将相移量取为不同的值， 会在反射谱阻带中的不同位置打开透射窗口，使得阻带所对应的波长范围中 ( c ) l 4 ic m ，吼。o0 0 0 2 ，1 2 l 1 2 ，2 4 1 1 移 ( b ) 2 2 e m ，西b 。00 0 0 1 ，i - l 1 2 ，2 4 n 穆 从 1 5 5 0 w a v e l e n g t h r i m 江西师范大学硕士学位论文 1 5 5 0 w a v e l e r l g t h n m 西妨2 00 0 0 1 ，i 。l 2 1 5 5 0 w a v e l e n g t h n m 移( n 2 ic m ，8 n , 口- 5 00 0 0 1 ，1 2 7 l l o ，丑4 相移 ( h ) l 2 l c m ；西0 2 00 0 0 1 ，1 2 l 1 2 ，丑8 相移 图9光栅参数变化。f 的单相移光栅反射谱 f i g9 r e f l e c t i v es p e c t r u mf ors i n g l ep h a s e - s h i f t e dg r a t i n g 的某一波长的光完全透过，而其它波长不能透过，如图( g ) 、( h ) 所示，且发 现随着相移量的增大，透射窗口的位置逐渐由短波长区移向长波长区，相移 为9 0 ”时，窗口正好对应着布拉格波长，而且以9 0 。为基点，相移量变大或变 小相同的量时，所对应的窗口位置对于布拉格波长是对称的。如果我们能够 知道这一透射窗口位置随相移量的变化规律，就可以反过来根据波长选择的 需要来确定光栅相移量的大小。旁瓣对于用单相移光栅作滤波器是不利的， 会产生附加噪音，因而要对其旁瓣加以抑制。所以在具体设计单相移光栅时， 应合理选择各参数，以达最佳效果。 4 2 1 2 变迹单相移光栅 1 5 5 0 w a v e l e n g t h n t n 1 5 5 0 w a v e l e n g t h n m ( a 1 引余弦变迹( b ) 帽形函数变迹 图1 0变迹单相穆光栅的反剩谱 f i g1 0 r e f l e c t i v es p e c t r u mf ors i n g l ea p o d i z e dp h a s e s h i f t e dg r a t i n g 椭8卫 取样光栅及北在光纤通信中应用的理论研究 图l o ( a ) 、( b ) 为光栅变迹后的反射谱图，其中取参数l = ic m ，翻d = 0 0 0 0 2 在光栅的正中间有一个2 4 的相移。在分布变化范围一样的情况下，比起均 匀单相移光栅中l = ic m ，翻。= o 0 0 0 2 的反射谱图9 ( d ) ，反射谱平滑了许多， 旁瓣都得到了较好的抑制，通透窗口的位置不会改变，通透率略有不同，但 反射峰值均有下降。升余弦变迹与i 旧形函数变迹在参数选择恰当的情况下， 变迹效果差不多。 4 2 】3 啁啾单相移光栅 图1 l 为啁啾单相移光栅的反射谱图，在分布变化范围一样的情况下， 随着啁啾系数的增大，最显著的变化就是反射带宽的增大，旁瓣干扰增大， 通透窗口的通透率增大，反射峰值稍有下降。所以应合理选择啁啾系数，尽 量使带宽满足i t u 标准，而旁瓣干扰要得到较好的抑制，以避免选频时的通 道串扰问题。 下面各图l = ic m ，8 h e i r = o 0 0 0 2 ，在光栅的正中间有一个a 4 的相移。 15 5 0 w a v e l e n g t h n n l 1 5 5 0 w a v e l e n g t h n m 图j l碉啾单相移光栅的反射游 f i g1 1 r e f l e c t i v es p e c t r u mf o rs i n g l ec h i r p e dp h a s e - s h i f t e dg r a t i n g d 2 1 4 变迹十啁啾单相移光栅 1 5 5 0 w a v e l e n g t h n m 一厂厂、，、一 1 5 5 0 w a v e l e n g t h n m ( a ) 升余弦变迹+ 啊啾( b ) 帽形函数变迹+ 嘲啾 图1 2变迹+ 啁啾单相移光栅的反射潜 r e f l e c t i v es p e c t r u mf o rs i n g l ea p o d i z e da n dc h ir p e dp h a s e s h i f t e dg r a t i n g 江西师范大学硕士学位论文 图1 2 各参数取2 1c m ，8 n 咿。o 0 0 0 2 ，f = 0 0 2 6 n m c m ，在光栅的正中间有 一个2 4 的相移。从图中可看出，在分布变化范围一样的情况下，变迹+ 啁啾 啦相移光栅的反射谱图效果是最理想的，它使得单相移光栅的反射谱带宽 宽，谱特性平滑，反射0 峰值保持较高，通透窗口的通透率较大且旁瓣干扰也 能得到较好的抑制。 4 2 2 结论 本小节用传输矩阵法分析了单相移光栅在光栅参数如长度、折射率平均 变化量、相移位置、相移量、变迹函数、啁啾系数变化时的均匀、变迹、啁 啾、变迹+ 啁啾单相移光栅反射谱的变化规律。随着光栅长度的增大，反射 峰值明显增大，但传输峰带宽减小，旁瓣干扰增加：随着折射率平均变化量 的增大，带宽、旁瓣效应、反射峰值均增大，峰值透过率减小；随着相移在 光栅的不同位置，峰值透过率将随相移位置偏离光栅正中位置的距离而下 降：随着光栅正中位置相移量的不同，结果会造成阻带中的传输峰偏离布拉 格波长：变迹的效果是抑制旁瓣效应：啁啾的效果是使得反射带宽显著增大。 针对具体实际应用，采用合适的光栅参数可获得反射率高，通带宽及旁瓣干 扰小的相移光栅。实际应用中希望有理想的反射谱，但限于制作的困难，很 难实现。但我们应尽量让其接近最佳的状况，以使得单相移光栅能在实际应 用中发挥最大的用途。 4 3多个2 4 相移光栅的光谱响应分析 1 ，3 1 计算结果及分折 本小节利用传输矩阵法，用计算机数值模拟的方法对多个2 4 相移光栅 的反射潜响应特性进行理论分析。我们已知光栅变迹后的反射谱的旁瓣能得 到有效抑制，所以以下各图形均采用了升余弦变迹处理，使旁瓣效应都抑制 在4 0 以f ，为了简明地说明多相移光纤光栅的基本特性，这里着重讨论实 用上感兴趣的四分之一波长相移的情况。 以下图形如无特别指明，则光栅长均取为l = ic m ，折射率平均变化量 取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究 面= 0 0 0 0 2 ，相移量均取为2 4 ，图1 3 ( e ) 、( f ) 、( g ) 、( h ) 均为1 8 个相移的 10 08 06 o 4 0 2 00 n 心乙 1 o 08 06 o4 o 2 0 0 1 5 4 81 5 4 91 5 5 01 5 5 11 5 5 21 5 4 81 5 4 91 5 5 0 】0 08 06 04 02 0 【) 1o 08 06 04 02 0 ( l0 0 8 06 04 o2 00 ( a ) 一个相移 5 4 8l5 4 9 w a v e l e n g t h n m 44l l j 、。l j- “ 5 4 615 4 81 5 5 0l5 5 215 5 4 w a y e l e n g t h m r 】0 08 0 6 0 4 0 2 00 w a v e l e n g t h n m ( b ) 五个相移 1 5 4 61 5 4 81 5 5 01 5 5 21 5 5 4 w a v e l e n g t h n m 10 08 06 04 02 00 l0 o 8 0 6 04 o 2 00 ( d ) 18 个相移 1 5 4 6 1 5 4 81 5 5 0 w a v e l e n g t h n m ( dl = o 8 c m ： _ h _ _ 一 。l 5 4 6 1 5 4 8l5 5 01 5 5 215 5 41 5 4 6j5 4 81 5 5 0 1 5 5 2 1 5 5 4 w a v e l e n g t h n m ( g ) a 7 。00 0 0 l6 ( h ) 抽d 5 0 0 0 0 3 圈i3多相移光栅的反射谱 f i g13 r e f l e c t i v es p e c t r u mf orm u l t i p l ep h a s e - s h i f t e dg r a t i n g 江西师范大学硕士学位论文 情况。从图13 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 中我们可以明显看到，随着相移数的增加， 两等强度的主峰之间的距离也增加，旁瓣跟着向两边扩展，且旁瓣渐渐被削 弱，带宽也渐增大，依次为o 2 n m 、o 2 2f m 、o 2 3 5 n m 、0 2 6 n m ，反射峰值 均保持较高。从图13 0 ) 、( e ) 、( f ) 中可以看出，随着光栅长度的增加，两主 峰之间的距离减小，反射峰值渐渐增大，带宽逐渐减小，且旁瓣效应越来越 昆著。从l3 ( d ) 、( g ) 、( h ) 三图中，我们可以看出，随着折射率平均变化量面。， 的增大，两峰之间的距离不发生变化，旁瓣效应越来越明显，反射峰值逐渐 增大，带宽也逐渐增加。所以我们应该选择合理的光栅参数，如长度，折射 率平均变化量，以及相移个数，以使反射峰值保持较高，而旁瓣效应小，使 得两主峰之间的距离能满足实际要求。因为旁瓣的干扰对于用多相移光栅作 滤波器是不利的，因而要对其旁瓣加以抑制。所以这种结构的响应特性也依 赖于光栅制作时的参数选择，因此对于不同的应用场合，光栅器件特定响应 特性的设计并进行制作参数的控制是非常必要的，这样才能制作出符合要求 的光栅，以提高整个多相移光栅的整体性能，进而提高整个光纤系统的性能。 4 3 2 应用及结论 多个兄4 相移紫外写入光栅呈现出独特的反射谱特性，在它的反射谱图 - 巾有两个等强度的主峰出现，两峰之间的距离及带宽大小可通过改变相移个 数，光栅长度，折射率平均变化量得到相应的改变。利用这种结构的反射特 性做成的光纤光栅外腔，有可能实现半导体激光器的双波长激射。稳定间隔 的双波长激光器在光信息存储和光学干涉方面有广泛的用途。在未来的d w d m 金光通信系统中，为了抑制相邻通道的串音干扰需一定的波长通道间隔，利 用这种结构的反射特性做成的带通滤波器在通道选择和噪声滤除方面都起 关键作用。 4 4 小结 本章用传输矩阵法分析了单相移光栅和多相移光栅的反射谱特性，得到 j 卜一些结沦，这些结果将对桐移光栅的实际制备及应用有重要的指导意义。 取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究 单相移光栅具有许多优点，例如其反射谱图随着光栅长度和折射率平均 变化量调整的变化规律，可在反射谱阻带中打开线宽极窄的一个透射窗口， 使得光栅对某一波长有更高的选择度，而且窗口位置可以随相移量的大小发 生改变，窗口的通透率以及线宽也可以随相移点位置的不同而不同，因而可 以根据不同的需要设计具有不同反射谱响应的相移光栅。这些特点为它的多 方面应用奠定了基础，相信它会在滤波、波分复用、单频光纤激光器等领域 大显身手。 多相移光栅的优点是在其反射谱图中有两个等强度的主峰出现，两峰之 问的距离及带宽大小可通过改变相移个数，光栅长度，折射率平均变化量得 到相应的改变。利用这种结构的反射特性做成的光纤光栅外腔，有可能实现 半导体激光器的双波长激射。 相移光栅因其反射谱存在两个反射峰，所以它更适于应用在两个通路的 复用系统中；而取样光栅的反射谱具有多个周期性反射峰，故它更适于应用 在多通路d w d m 系统中。 江西师范大学硕： 学位论文 第五章取样光栅在光纤通信中的应用 5 1引言 目前的光纤通信，就其实质仍属于光电子通信模式，因此在速度、容量 等诸多方面最终将受到通信制式的制约。正因为如此，科研人员一直在不断 地探索开发新技术，其目的在于充分发挥挖掘光予作为载体的全部优势以实 现全光通信。全光网的实现主要取决于关键网元设备的成熟与否，传统光学 器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求，光纤 光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成 为可能。由于光纤光栅直接制作在光纤纤芯上，体积小、牢固耐用，所以适 合当前光纤技术发展中的需要。光纤光栅的发展将促进光