（光学专业论文）新型光纤信号调制器.pdf

中文摘要 光纤信号调制器调制度约为9 0 ，信噪比 约为7 0 d b ，带宽约为2 0 0 k h z . 本课题以对光信号在两级光纤端面间的传输机制为研究基础，从原理创新 与提高性能两方面对新型光纤信号调制器进行了 有益的探索，提出了具有原创 性的基于多光束千涉效应、基于回波损耗效应、 基于插入损耗效应的光调制方 法:并研制了性能优良的基于双光束干涉原理的微机械光纤调制器。这四种新 型光调制器均为振幅调制，性能优良、结构简洁、 造价低廉，特别适用于解决 全光纤光路中的光调制问题，有着广阔的应用前景，尤为适用于低频光信号的 调制。这四种新型光纤调制器也可用于信号斩波，其具有震动小、低噪声、与 光纤光路祸合方便的优点。 关键词:光纤 多光束干涉 光调制 英文摘要 ab s t r a c t ht h i s p a p e r , w e d i d a b e n e fi t re s e a r c h o n t h e n e w t y p e fi b e r m o d u la t o r . w e d e s i g n e d f o u r d i ff e r e n t t y p e s o f fi b e r m o d u l a t o r a n d d i d t h e c o r r e s p o n d in g e x p e r i m e n t t e x t . b a s e o n t h e s t u d y o f t h e x - t y p e o p t i c a l fi b e r c o u p l e , t h e m u l t i p l e - b e a m i n t e r f e r e n c e e ff e c t a r o u s e d 勿 t h e f re s n e l re fl e c t i o n b e t w e e n t w o e n d f a c e s o f a c o u p l e o f fi b e r i s a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y f o r t h e fi r s t t i m e . u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e o f e m i s s i o n a t t h e e n d f a c e o f f i b e r b e in g t r e a t e d a s g a u s s i a n b e a m a p p r o x i m a t e l y a n d t h e c l e a r a n c e u l l a g e b e i n g c o n s i d e re d , t h e t h e o r e t i c a n a l y s i s o f t h e a b o v e e ff e c t i s m o d i f i e d a n d t h e i n t e n s i ty o f t r a n s m it t e d b e a m a t t h e e n d f a c e o f fi b e r i s c a l c u l a t e d a s w e l l a s t h e r e fl e c t e d b e a m . a t r a n s m i t t e d t y p e m o d u l a t o r f o r o p t i c a l s i g n a l i n fi b e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m i s d e s i g n e d b a s e d o n t h e m u l t i p l e - b e a m i n t e r f e r e n c e e ff e c t b e t w e e n t h e e n d f a c e s o f fi b e r s . i n t h e e x p e r i m e n t , t h e o p t i c a l s i g n a l i s in p u t t o t h e in p u t - e n d , a n d t h e m o d u l a t 吨 v o l t a g e s i g n a l i s a m p l i fi e d a n d d r i v e s t h e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c p ip e v i b r a t i n g i n o r d e r t o c o n t r o l t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e t w o fi b e r e n d f a c e s . a s t h e s a m e t i m e t h e m u l t i p l e - b e a m i n t e r f e r e n c e o c c u r s a n d t h e t r a n s m it t e d o p t i c a l s i g n a l a re m o d u l a t e d . i n t h e e x p e r i m e n t , 山 e m o d u l a t i o n r a t i o i s a b o u t 1 0 %, s / n r a t i o i s a b o u t 6 0 d b a n d t h e b a n d wi d t h i s a b o u t 2 0 0 k hz . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e m o d u l a t i o n r a t i o , w e d e s i g n e d a re fl e c t e d t y p e m o d u l a t o r f o r o p t i c a l s i g n a l i n fi b e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m . d i ff e r e n t f ro m t h e f o r m e r o n e , t h e o p t i c a l s i g n a l i s i n p u t fr o m i , e n d a n d t h e c o r e d e v i c e j o i n t s w i t h 0 2 . t h e b e a m o c c u r s t h e m u l t i p l e - b e a m i n t e r f e r e n c e d u r i n g t h e仇 e n d a n d t h e e n d o f t h e c o re d e v i c e . t h e m o d u l a t e d s i g n a l i s d e t e c t e d a t t h e 1 2 e n d . i n t h e e x p e r i m e n t , t h e m o d u l a t i o n r a t i o i s a b o u t 4 4 % , s / n r a t i o i s a b o u t i mb a n d t h e b a n d w i d t h i s a b o u t 2 0 0 k hz . a n o t h e r n e w m o d u l a t o r f o r o p t i c a l s i g n a l i n fi b e r b a s e d o n t h e i n s e rt i o n l o s s c a u s e d b y l a t e r a l d e v i a t i o n i s d e s i g n e d . t h e e ff i c i e n c y o f t h e l i g h t c o u p l 吨 b e t w e e n 英文摘要 t h e t w o b u t t e d fi b e r s a n d t h e t r a n s m i t t e d l i g h t s i g n a l c a n b e m o d u la t e d b y m o d u l a t i n g t h e l a t e r a l d e v i a t io n o f t h e t w o b u t t e d fi b e r s . i n t h e e x p e r i m e n t , 山 e m o d u l a t i n g v o l t a g e s i g n a l i s a m p l i fi e d a n d d r iv e s t h e p ie z o e l e c t r i c c e r a m i c p i p e v i b r a t i n g i n o r d e r t o m a k e t h e l a t e r a l d e v i a t i o n o f t h e t w o b u t t e d fi b e r s v a ry w i t h t h e m o d u l a t i n g s i g n a l s i m u lt a n e o u s l y ; a s a re s u l t t h e m o d u l a t e d o u t p u t l i g h t i n t e n s i ty i s o b t a i n e d . t h e m o d u l a t o r i s o p e r a t e d f o r a m p l i t u d e m o d u l a t i o n w i t h 9 5 % m o d u l a t i o n r a t i o , 48 d b s / n r a t i o a n d - 2 0 0 k h z b a n d w i d t h . a t l a s t , a m i c r o - m e c h a n i c a l m o d u l a t o r i s d e s i g n e d b a s e o n t h e mi c h e l s o n s i n t e r f e r o m e t e r a n d d r i v e n b y t h e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c . i n t h e e x p e r i m e n t , t h e o p t i c a l s i g n a l i s i n p u t t o t h e i n p u t - e 喊 a ft e r t h r o u g h t h e b e a m - s p l i t t e r t h e o p t i c a l s i g n a l i s d i v i d e d i n t o t w o e q u a l p a r t s : t h e t r a n s m i t t e d b e a m a n d t h e r e fl e c t e d b e a m . t h e m o d u l a t i n g v o l t a g e s i g n a l i s a m p l i f i e d a n d d r i v e s t h e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c p i p e v i b r a t i n g i n o r d e r t o c o n t ro l t h e o p t i c a l p a t h d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e t w o c o h e r e n t b e a m s . a ft e r t h r o u g h t h e o p t i c a l l e n s , t h e t r a n s m it t e d b e a m a n d t h e r e fl e c te d b e a m a re f o c u s e d a n d i n t e r f e r e d . t h e m o d u l a t e d o p t i c a l s i g n a l i s o u t p u t a t t h e o u t p u t - e n d i n t h e e x p e r i me n t , t h e m o d u l a t i o n r a t i o i s a b o u t 9 0 %, s / n r a t i o i s a b o u t 7 0 d b a n d t h e b a n d wi d t h i s a l s o a b o u t 2 0 0 k hz . h s u m m a ry , i n t h i s p a p e r w e b e g a n w i t h t h e s t u d y o n t h e m u l t i p l e - b e a m i n t e r f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o fi b e r - t e r m i n a l s , d i d a b e n e f i t res e a r c h o n t h e n e w t y p e o f f i b e r m o d u l a t o r f r o m b o t h t h e t h e o r y i n n o v a t i o n a n d t h e p e r f o r m a n c e e n h a n c 吨. t h e f o u r n e w t y p e m o d u l a t o r s w o r k a t t h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n m o d e l , c a n b e c o n n e c t e d w i t h t h e fi b e r d i r e c t ly , a n d a r e e s p e c i a l l y s u it a b l e t o b e a d o p t e d i n a w h o l e fi b e r l i g h t p a t h . t h e y a l s o c a n b e u s e d a s fi b e r c l i p p e r s . a s a l l c o m p o n e n t s c a n b e g e t a t l o w p r i c e a n d t h e m o d u l a t o r i s a l s o e a s y t o b e a s s e m b l e d . k e y wo r d s : fi b e r , m u l t i p l e - b e a mo p t i c a l i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人 完 全了 解 南 开 大学 关于收 集、 保 存 使用 学位 i e 文的 规 定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印 、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有 权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国 家有 关部门或者机构 送交论文的复印件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 食 碑 _ 一 ” 年夕月 乡 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指 导教师签名 :学位论文作者签名: 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: f7 ng 歌j 2 , 密* 啤 c 2ii.-f: l : 热 悬 汀 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 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， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : a碑 ， 口 刁 年 犷月衫 日 引言 引言 2 1 世纪是全球通信行业迅猛发展的时期， 在市场的刺激下， 传统的通信技 术日 益成熟。光通信作为新一代通讯技术，己得到迅速推广和不断的完善。在 这期间，光有源器件的一系列重大变革为光通信产业的发展起到了巨大的推动 作用。从光通信系统结构的角度进行划分，一般可以将光通信有源器件分为光 发射器件、 光接收器件、光调制器、光放大器以 及光模块等。 而光调制器做为 光通信器件的重要一环， 根据e l e c t r o n i c c a s t 公司的市场预测， 在2 0 0 7 2 0 1 2 年持续以 近 1 9 %的年增长率迅速增长。 按调制方式与光源的关系来分，光调制有直接调制和外调制两种。现代光 纤系统主要使用两类调制器，一种是依赖于一定平面波导载光方式改变的电光 调制器，最常用的器件结构，如马赫一曾德尔干涉型强度调制器;电光调制器 主要基于线性电光效应。另一种是内部结构类似于激光器的半导体二极管电吸 收调制器。电吸收半导体调制器是一个加反向 偏压的半导体二极管，调制时吸 收光，而不发射光， 且调制器和激光器共享一个有源层。 此外，声光调制器也 具有一定的应用市场。 在一个光网 络系统中，高性能多频率激光器固定在中央工作室，发送一组 组的下行信号给每个光学网络单元u - s l ，在光学网络单元 ( o n u )处的分路器将 每组信号的一部分给接收器， 其余部分给调制器。 上行信号均返回中央工作室。 目 前，在通信体系中主干网基本己升级至光网络，分支通信网络依然利用铜线 互联，因 此光纤连接到户 ( m p -f i b e r t o t h e p r e m i s e s )成为下一阶段光通 信发展的 重要课题。而需要指出的是半导体调制器和妮酸铿调制器等均被建议 用作光学网络单元中的调制器， 对于光纤到户光网络系统， 他们具有价格昂贵、 性能不匹配等缺点。 相对于昂贵， 但具有高数据传输率和宽频谱的光学网络单元调制器而言， 应用于光纤到户光网 络系统 ( f t t p )的光调制器，一般要求其具有较高的数据 传输速率，较宽的频谱和廉价的成本。 本文将以制作成本较低、性能优良，适用于全光网络中低频信号处理的新 型光纤调制器为目标，对光调制器的发展做出了有益的研究与探索。 第一章 光纤调制器的研究背景和意义 第一章 光纤调制器的研究背景和意义 第一节 光通信技术与光调制器 2 1 世纪是全球通信行业迅猛发展的时期， 在市场的刺激下， 传统的通信技 术日 益成熟。光通信作为新一代通讯技术，己得到迅速推广和不断的完善。光 通信技术是针对普通光纤通信系统中存在着较多的电子转换设备而进行改进的 技术. 全光通信是指用户与用户之间的 信号传输与交换全部采用光波技术，即 数据从源节点到目 的节点的传输过程都在光域内 进行，而数据在各网络节点的 交换则采用全光网络交换技术。 全光通信可使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性。与传统通信 网 和现行的光通信系统相比， 它具有以 下特点(7 ( 1 ) 光通信网络能够提供巨大的带宽。 因为全光网对信号的交换都在光域内 进行，可最大限度地利用光纤的传输容量。 ( 2 ) 全光通信网络具有传输透明 性。 因为采用光路交换， 以 波长来选择路由， 因此对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制， 允许采用不同的速率和协议。 ( 3 ) 全光通信网比铜线或无线组成的网络具有更高的处理速度和更低的误 码率。全光网具有良 好的兼容性，它不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还 可以支持未来的宽带综合业务数据网以及网络的升级。 ( 4 ) 全光通信网络具备可扩展性， 新节点的加入并不会影响原来网络结构和 原有各节点设备。 ( 5 ) 全光通信网具备可重构性， 可以根据通信容量的需求， 动态地改变网络 结构，可对光波长的连接进行恢复、建立、拆除等。 ( 6 ) 全光通信网中采用了较多无源光器件， 省去了庞大的光/ 电/ 光转换的 设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。 在光通信技术迅速推广和不断完善的过程中，光有源器件的一系列重大变 革为光通信产业的发展起到了巨大的推动作用。从光通信系统结构的角度进行 划分，一般可以将光通信有源器件分为光发射器件、光接收器件、光调制器、 第一章 光纤调制器的研究背景和意义 光放大器以及光模块等。而光调制器作为光通信器件的重要一环，根据 e l e c t r o n i c c a s t 公司的 市场预测，全球光调制器消费额在2 0 0 7 2 0 1 2 年持续 以 近1 9 %的年增长率迅速增长 。 第二节 光调制器的研究进展 在传统的电通信技术中，信息的处理都是在电的领域内完成的，在光纤通 信中，我们必须把电 信号转变成光信号，这样才通过光纤进行传播。在光纤通 信系统中，信息由发光二极管 ( l e d )或激光二极管 ( l d )发出的光波所携带， 光波即为载波，把信息加载到光波上的过程就是光调制。实现从电信号到光信 号的转换的器件即为光调制器。 光调制方式通常分为两大类，即模拟调制和数字调制。 模拟调制又有两类，一类是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制 ( d -i m );另一类是采用连续或脉冲的射频 ( r f ) 波作为副载波，模拟基带信号 先对它的幅度、频率或相位等进行调制，再用该受调制的副载波去强度调制光 源。模拟调制的优点是设备简单，占有带宽较窄，但它的抗干扰性能差，中继 时噪声累积。 数字调制是光纤通信的主要调制方式，将模拟信号抽样量化后，以二进制 数字信号 “ 1 或 “ 0 对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码 ( p c m )。 数字 调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长 距离传输，它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。 按调制方式与光源的关系来分，有直接调制和外调制两种。前者指直接用 电调制信号来控制半导体光源的振荡参数 ( 光强、频率等)，得到光频的调幅 波或调频波，这种调制又称内 调制;后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的 光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等 进行调制，光源直接调制的 优点是简单，但调制速率受到载流子寿命及高速率 下的性能退化的限制 ( 如频率惆啾等)。外调制方式需要调制器，结构复杂， 但可获得优良 的 调制性能， 尤其适合于高 速率下运用幻 。 现代光纤系统主要使 用的外部调制器，主要包括电光调制器，电吸收调制，声光调制三种类型。 电光调制的原理机制为双折射现象和二次电光效应。电光效应是指在外加 电场的作用下，本来是各向同 性的介质也可以产生双折射现象，而本来有双折 第一章 光纤调制器的 研究背景和意义 射性质的晶体，其双折射性质也要发生变化。如果在电场作用下，折射率的改 变与所加外电场的大小成正比，这种电光效应称为线性电光效应。二次电光效 应也叫克尔效应 ( k e r r )即一些在光学上各向同 性的晶体、液体、或气体，在 强场作用下会变成光学各向异性体，而且外加电 场引起的折射率的改变与电场 强度的 平方成正比 . . 这样，受信号 源调 制的电 场作 用于晶体，引起晶体内 折 射率的相应变化，从而使通过晶体的光被调制。目 前在光通信系统中，常用的 电 光调制器件为m - z ( m a c h - z a h n d e r ) 波导调制器， 可以 用半导体材料制作， 也可以用其他电光材料，如l i n a 等制作。 声光调制器是在声光效应基础上建立的。当超声波在声光介质中传输时， 会使介质发生相应的弹性形变并且在介质中传播，使介质中的各质点沿声波的 传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，即介质折射率发生周 期性变化。由于介质的折射率在声波的作用下呈周期性变化，则受声波作用的 晶体相当于一个衍射光栅，光栅的条纹间隔 ( 即栅距)等于声波波长。当光波 通过此介质时，将被介质中的弹性波衍射，衍射光的强度、频率和方向等都随 超声场的变化而变化7 。与电 光调制相比，声光调制可以 获得较高的对比度， 所需要的驱动功率也远比电光调制小，但它的调制带宽不如电光调制的宽。 电 吸收调制器 ( e a m ) 是一种损耗调制器，它利用f r a n z - k e l d y s h 效应和 量子约束s t a r k 效应， 工作在调制器材料吸收边界波长处。 f r a n z -k e l d y s h 效 应是指在电场作用下半导体材料的吸收边红移.从结构上来说，电吸收调制器 是一种p -i - n 半导体器件;其中i 层由多量子阱 ( m q w ) 波导构成:i 层对光 的吸收损耗与外加的 调制电压有关，即改变调制器上的偏压，即可使多量子阱 ( m q w )的 吸 收边界 波 长发生 变化， 进而改 变光 束的 通断， 实 现调制9 1 . e a m 有 着许多优点，虽然在高速和咽啾特性方面不如l i n i o , 调制器，但ie a m 容易与激 光器集成在一起，制成体积小，结构紧凑的单片集成组件。 第三节 拟开展的工作 本课题通过对2 x 2 型单模光纤祸合器光纤端面间的回波千涉效应的研究， 在进一步深入分析回波干涉效应机理的基础上，产生了将回波干涉效应用于光 纤调制器的想法， 制作样机并对样机的各项参数进行了 测量。 并在此基础之上， 对所研究的光纤调制器的性能做出了 进一步的改进。 本课题的具体任务包括: 第一章 光纤调制器的研究背景和意义 ( 一 ) ( 二 ) ( 三 ) 在对2 x 2 型单模光纤藕合器的回波干涉理论研究的基础上，对光 纤信号传输系统中光纤端面间菲涅尔反射引起的多光束干涉效应 进行系统分理论分析与数值模拟， 认清透射光束与反射光束传输机 制。 分别利用多光束干涉形成的透射光束与反射光束， 制作出基于多光 束干涉效应的透射型光纤调制器与基于回波损耗效应的反射型光 纤调制器，实验测定两者的性能参数，并与理论推导结果相比较。 进一步提高光纤调制器的性能， 引入基于插入损耗原理的光纤调制 模型与基于双光束干涉原理的微机械光纤调制模型， 并做出实验验 证 。 第二章 新型光纤调制器的调制原理 第二章新型光纤调制器的调制原理 第一节 2 x 2 型单模光纤祸合器的回波干涉效应的研究 光纤祸合器( o f c )作为光纤通信系统、光纤传感系统中一种重要的光无源 器件，具有光信号的分配或合成、光信号的提取等功能。2 x 2型单模光纤祸 合器是一种常用的光纤祸合器， 其分光比可根据需要定制u o 激光器输出的激光通过光纤祸合器的连接在各级光纤中传播。当激光进入 两对接光纤之间的间隙后，由于在对接光纤的两个端面多次反射和折射，其振 幅和强度被一次一次地分割，反射和透射光的数目 远非两束。又因光纤纤芯有 一定的面积且两端面是平行的，反射波均近似平行并发生干涉，透射波也相互 平行也发生干涉。 这种干涉是类似于f - p 干涉仪的多光束等倾干涉。 在光纤端 面无倾斜研磨的情况下， 可观察到连接损耗因间隙的变化出 现的周期变化u u 光纤 1 t r 二 空气夹层 光纤2 图2 . 1 两相接光纤菲涅尔反射示意图 如图2 . 1 所示， 设 入 射波 是 线 偏 振 波，双为 入射 平面 波电 矢量的 复 振幅， 电矢量平行于入射面，则每相邻两反射光或透射光之间的光程差为: a = 2 r e h c o s 只 由光程差引起的位相差为: ( 2 . 1 - 1 ) 第二章 新型光纤调制器的调制原理 4 ; r ._， _ 、 d = 。= 气 尸凡 n c o s 气k z . 1 - l ) 内 式中，h 是两 对接光 纤之间的间隙的 厚 度:4与信号光光波长相等，b , 是 光线的折射角 反射振幅比为 设光束自 光纤1 进入两对接光纤之间间隙时，透射振幅比为t . 光束从间隙进入光纤2时，为t 和r ， 令: f = ( 2 . 1 - 3 ) 式中r = 尸，; 为光纤端面的反射率。 设 入 射 光强为，t o = 式 式 。 叠 加后反 射光 强 为: fs i n ( s / 2 ) l . =， 一 一 - - - ， ， ， ， ， ， ， ， 二l 1 + f s in t s / 2 ) “ 叠加后透射光强为: 工 = 一一2- .- i 1 + f s in ( s / 2 ) ( 2 . 1 - 4 ) ( 2 . 1 - 5 ) 当h 取值使s i n ( s / 2 ) = 0 ， 即s = m . 2 j r 时， 透射光的 干涉条纹出 现峰 值， 反 射光的 干涉条纹出 现 谷值。 当h 取值使s i n ( s / 2 ) = 1 ， 即s = ( m + 1 / 2 ) . 2 ) r 时， 透射光的干涉条纹出 现谷值，反射光的干涉条纹出现峰值。因此，在光纤端面 无倾斜研磨的情况下，可观察到连接损耗因间隙的变化出现的周期变化。 第二节 光纤传输系统中的多光束干涉效应 在上一节中， 我们观测到2 x 2 型单模光纤祸合器回波信号与光纤端面间距 d 呈周期性关系，并对接光纤端面间菲涅尔反射引起的多光束干涉效应进行了 初步的理论分析。接下来我们将对光束在光纤端面间传播的多光束干涉效应进 行系统的理论分析;并考虑对接光纤间隙损耗，假设从光纤端面出射光束近似 为高斯光束，修正并数值计算激光在光纤端面间发生多光束干涉效应时透射光 强及反射光强随光纤端面间距d的变化关系。 一对对接的光纤端面间的多光束干涉效应与端面间距有关，在端面间距很 小 ( 波长量级)并且忽略其它传输损耗的情况下，根据等倾多光束干涉原理， 第二章 新型光纤调制器的 调制原理 经过干涉后透射到下一级光纤的光强尸) 可表示为12 i ( 1 ) 1 1 + f s in 2 工 8 2 ( 2 . 2 - 1 ) 而反射光强i (。 可表示为: fs i n 2 = 一1 0 ( 2 . 2 - 2 ) 护 i ( r 1 + fs i n 2 ( 2 . 2 - 3 ) 4 7 r n d c o s i 兄 ( 2 . 2 - 4 ) 一一-一 f占 其中几 为 输 入光强 ， r 为 光 纤 端 面 光强 反 射率， n 是间 隙的 介 质折 射率， i 是光信号从光纤传输到间隙中的折射角，d 为光纤端面间距。 以单模光纤为例， 利用软件m a t h e m a t i c a 5 计算i ( r ) 和i (r 与光纤端面间距d 之 间 的 关 系。 设 所 用 单 模 光 纤 工 作 波 长 为6 3 2 . s n m ， 芯 层 折 射 率ph 为1 . 4 5 8 ， 包 层 折 射 旅、 为1 . 4 5 6 ， 光 纤芯 径a 为5 . 5 p m ，间 隙 为空 气 介 质， 且 光线 垂 直 入 射。 把以 上数值代入式 ( 2 . 2 - 1 )、 ( 2 . 2 - 2 )、 ( 2 . 2 - 3 )、 ( 2 . 2 - 4 ) 式中， 即 可 得 到i () 和i (r ) 与 光 纤 端 面 间 距d 之间 的 关 系( 设几 归 一 化 光 强 为1 ) o 1 111 (a m ) 1，。 朋如男卯叻 0.88 1 / 石布 . 1 1 . 愉x 104 dm 图2 . 2 透射光强与光纤端面间距之间的关系 计算结果如图2 . 2 、图 2 . 3 所示。从图中可看出透射光强和反射光强均随 光纤端面间距d的变化而周期性的变化。 以上结果是在理想情况下得到的，而在实际情况中，光信号在光纤端面射 第二章 新型光纤调制器的调制原理 l/(au) 一 t 2 x 1 0 4 x 1 0 6 x 1 0 - 8 x 1 0 - 1 x 1 0 0 图2 . 3 反射光强与光纤端面间 距之间的 关系 出时具有一定的发散角，在对接光纤存在间隙的情况下，部分光信号将传播到 下一级光纤的包层并泄漏，造成间隙损耗。从光纤出射到间隙的光束可近似为 高斯光束，在平方律光纤中就是高斯光束。 高斯光束的复振幅表达式为: u ( x , y , z ) = ( w . / w ) x e x p - (x + y y w x e x p i ( k . x z ) x e x p ik , ( x + y ) / 2 r ( 2 . 2 - 5 ) 其中， r 二 z l + ( k wo z / 2 z ) 2 ( 2 . 2 - 6 ) w z = 可 1 + ( 2 z l k 心 ) z ( 2 . 2 - 7 ) w o 为高 斯光束 腰， 因高 斯光束是 发散 光， 其在光纤 端面间 来回反 射及多 光 束干涉过程如图2 . 4 所示。 第三次反射 第二次反射 第一次反射 光纤芯层 图2 . 4 高斯光束多光束干涉示意图 第二章 新型光纤调 制器的调制原理 在考虑间隙损耗的情况下用高斯光束近似对多光束干涉效应进行多次迭代 计算。 通过数值模拟计算光纤端面间发生多光束干涉效应时的透射光强及反射 光强， 对 ( 2 . 2 - 1 )、( 2 . 2 - 2 ) 式得结果图2 . 2 , 2 . 3 进行修正。仍以上述单模 光纤为例， 精确计算i( ) 及i() 与d 的关系， 如图2 . 5 , 2 . 6 , 2 . 7 , 2 . 8 所示。 可 看出透射光强和反射光强均随光纤端面间距d的变化而周期性的变化。 图2 . 5 、图2 . 6 给出了前2 5 个周期的光强变化;图2 . 7 、图2 . 8 为前 1 0 0 个周期的光强变化，由于周期太多，因而周期性从图中较难辨认，但可以充分 反映峰值和谷值的变化趋势，曲线的上沿对应峰值即千涉增强极大值的变化， 曲线的下沿对应谷值即干涉相消极小值的变化。从图中可以看出: i p 。 二 ) 1 24 d ( a m l 图2 . 5 前2 5 个周期的 透射光光强变化 i 4 a u ) 图2 . 6 前2 5 个周期的反射光光强变化 第二章 新型光纤调制器的调制原理 了 / ( a u ) 1月，口0，户口升月，月j . 一“u工u一“ununu自u一llu 山2 .5 一 5 7 .5 1 0 口 1 2 .5 1 5 d (脚 ) 图2 . 7 前 1 0 0 个周期的透射光光强变化趋势图 了 a ( a . u ) d ( g 间 图2 . 8 前 1 0 0 个周期的反射光光强变化趋势图 ( 1 ) 透射光光强极大值极小值随d 的增加而减小，且极大值与极小值之差 越来越小. ( 2 ) 反射光强极大值随d 的增加而显著减小，而极小值略有增加且变化缓 慢。 由以上计算结果表明随着光纤端面间距的增加。 透射光强i v ) 和反射光强 广) 随端面的间 距d 的 增加而 逐渐 衰减是与实际 情况相吻合的。 并 且d 5 ,u m 范围内i v 的多 光束干涉效应逐 渐消失: 相应d 1 5 ,u m 范围 内1 ( r ) 的多 光束干涉效应逐渐消失。 在d = o p m附 近，i v ) 极小 值与极大值之比 为0 . 8 9 5 , p) 极小值与极大值之比 约等于0 。随着d 的增加i v ) 和i ( ) 极小值与 极大值比值逐渐增加。 第二章 新型光纤调制器的调制原理 第三节 基于多光束干涉效应的透射型光纤信号调制理论 在光纤信号传递过程中一对对接的光纤端面间，由于相千光信号在两端面 间的多光束干涉效应，上一级光纤输出端的光信号和下一级光纤输入端的反射 光信号会发生干涉，使光信号在传输过程中相干增强或衰减，这种干涉是类似 于法布里拍罗干涉仪的多光束等倾干涉。一方面这种效应在光纤信号传输 中 可以 造成 信号的 损 耗和噪声，另 一方面还可被有效的 利用 ia l 一对对接的光纤端面间的干涉效应与端面间距有关，在端面间距很小 ( 波 长量级)并且忽略其它传输损耗的情况下， 根据等倾多光束干涉原理，经过干 涉后透射到下一级光纤的光强i ( ) 可表示为: i ( ) 1 1 + f s in 2 工 8 2 ( 2 . 3 - 1 ) f =( 2 . 3 - 2 ) 8 _ 4 )r n d c o s i 几 ( 2 . 3 - 3) 其中i u 为 输入 光强， r 为 光 纤端面光强反 射率， ” 是间隙的介 质折射率， i 是光信号从光纤传输到间隙中的 折射角，d 为光纤端面间距。 调制比k可表示为: ， _ 礁 一 i m . , k =- 一 二 二 红 竺 i m m r 十 i m ., 当s = 2 k ) r , k = 0 , 士 1 , t 2 ， 二 时，有: 1 (, = ii . 0 当8 = ( 2 k 十 1 ) ) r ，k = 0 , 士 1 , + 2 时，有: 1 f,l = 二一 i - - 1 +f ( 2 . 3 - 4 ) ( 2 . 3 - 5 ) ( 2 . 3 - 6 ) 将 ( 2 . 3 - 5 ) k ft8 % 由上可知， 比不超过1 0 %0 ( 2 . 3 - 6 )带入 ( 2 . 3 - 4 )式并取r 二 0 . 0 4 ，则有: 受光纤端面反射系数f所限，在理论上，本光纤调制器的调制 并且，从光纤传输系统中的多光束干涉效应中，考虑间隙损耗 第二章 新型光纤调制器的调制原理 的理论模拟图2 . 5 、图2 . 7 中可以看出: ( 1 ) 在光纤端面的间距较小的区域时，透射光强的极小值与极大值之比较 大，接近于1 ，随着间距的增加调制度逐渐升高。 ( 2 ) 透射光强i o ， 随端面的间 距d 增加而逐渐衰减. 如图 所示， 在d 8 f m 范围 内 i q ) 的 多 光 束 干 涉 效应逐渐消失。 利用这一关系，通过对对接的光纤端面间距进行调制，并尽量使调制间距 d s l i m， 便可以调制输出信号强度。 如果在光纤端面间利用压电器件控制间 距， 并对压电器件输入调制信号， 光纤输出端也将输出同样调制波形光强信号， 实现幅度调制。 输入的信号可以是正弦、脉冲、开关等信号。 第四节 基于回波干涉效应的反射型光纤信号调制理论 在透射型光调制器中，虽然首次利用了回波干涉现象进行光信号的调制， 但由 理论可得其调制度上限为1 0 %左右。 较低的调制度大大影响了透射型光纤 调制器的应用范围，为此，我们通过理论分析，尝试采用光信号在两对接光纤 端面间产生的回波信号的反射光束，作为调制信号的载体，以提高调制器的调 制度。这种光纤信号调制器主要针对信号幅度调制，可应用于光纤传输信号的 调幅及光纤光源交流和脉冲信号输出等，是一种原创的设计。 激光通过一对对接的光纤端面间的干涉效应与端面间距有关，在端面间距 很小 ( 波长量级) 并且忽略其它传输损耗的情况下， 根据等倾多光束干涉原理， 经过干涉后透射到下一级光纤的光强i ( ， 可表示为: i( ，)= f s in 2 1 s 2 1 + f s in 2 1 5 2 ( 2 . 4 - 1 ) ( 2 . 4 - 2 ) 4 z n d c o s i 兄 ( 2 . 4 - 3 ) -一 f占 其中几 为 输入光强， r 为 光纤 端面光强反 射率， n 是间隙的 介质折 射率， i 是光信号从光纤传输到间隙中的折射角，d 为光纤端面间距。 第二章 新型光纤调 制器的调制原理 调制比k可表示为: ， _ 礁 一 1 1 1. k =二 坦 1巴 i 益十 i m ., 当s = 2 k ) r ，k = 0 , 1 1 , t 2 时，有 i ( - ia ta - o 当8 = ( 2 k + 1 ) )r ，k = 0 ， 士 1 , 公时， 有 i ,(y a = 0 ( 2 . 4 一 ) ( 2 . 4 - 5 ) ( 2 . 4 - 6 ) 将 ( 5 )、 ( 6 )带入 ( 4 )式并取r = 0 .0 4 ，则有 k=1 0 0 % 并且，从光纤传输系统中的多光束干涉效应中，考虑间隙损耗的理论模拟 图2 . 6