（光学专业论文）光纤光栅的光谱特性及色散补偿研究.pdf

v t l 雕大掌颧 。学位论文 光纤光栅的光谱特性及色散补偿研究 专业：光学 研究生高耀辉指导教师冯圆英 摘要 光纤光栅是光通信领域发餍迅速的一种器件，其应用非常广 泛。实弼化的光纤光橱及由其孝奄成豹各类光器俘是光通信传输系 统必不可少的光器 譬光纤色散是光通信向高速率，长距离方向 发展的主要障碍，色散补偿已成为人们研究的热点。线性碉啾光 纤光栅由于其插入损耗低、体积小、价格低廉、色散补偿量大等 多方嚣的优点，丽成为色散 偿中最有效，最蠢兹途豹方法。 本文从光纤中的麦克斯韦方程组出发，严格推导出描述光纤 光栅工作原理的耦合模方程，然后分析讨论了各种光纤光栅的特 性。研究表朗，未经过交迹的啁啾光纤光栅的时延魏线的线性度 很差，色散曲线抖动也较大，缀难传为色散补偿器来加以应用。 而通过采用本文构造的几种变逊函数的切趾光纤光栅的反射特性 明显改善，时延曲线的线性度大大加强，色散曲线穗比较平滑， 缝够缀好的作为色散龄偿器应用到光绎通信系统中。 本文中，对啁啾光纤光栅补偿带啁啾的超离斯脉冲的色散问 题进行了详细的理论分析和数值模拟。数值模拟结果表明，光脉 冲在普通单模党纤l f 擘输了一定距离后，幽于色敬的作糟，脉冲 发生展宽，超高额默冲比赢额脉冲展褥更宽。若初始脉? 中会育碉 啾，展宽后的脉州j 土现小凋制。用啁啾光纤光栅进行色敞补偿 后，商斯犁脉l 能噼 z & ，的恢复孛j j 始脉冲形状，带啁啾的超高坶i 脉冲l l 奄脓宽；唾悔艇j , i j 缓近扔垂靠酥砷豹宦度但躲冲形状笈夸r 精 州川人学阜! i ：学位论文 变，并出现了旁瓣脉冲峰值功率与超高斯脉冲阶数和啁啾参数 有荚。用抛物平方变迹碉啾光纤光栅进行色散补偿比商斯型变 迹光纤光栅补偿后的脉冲宽度更窄，峰值功率也更高。 最后本文研究了用抛物平方变迹啁啾光纤光栅进行色散补 偿，与高斯型变迹光纤光栅补偿后的效果相比，虽然脉冲形状都 发生了些畸变，并出现了旁瓣，但脉冲宽度更窄，峰值功率也更 高，而且脉冲补偿后的畸变要比其他光栅补偿后的优越。从此方 面来讲，采用抛物平方变迹的啁啾光纤光栅补偿效果最好。 方 关键词：啁啾光纤光栅，色散补偿，超高斯脉冲，抛物平 州川1 人学碗1 7 伽沦文 r e s e a r c ho nt h es p e c t r u mp r o p e r t i e sa n d d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o no ff i b e rg r a t i n g m 司n eo p t i c s lo s t g r a d u a t e ：g a oy a o h u i s u p e r v i s o r ：f e n gg u o y i n g a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rg r a t i n g ( o f g ) i san e wk i n do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n d e v i c e , w h i c hh a sf i n dw i d ea p p l i c a t i o n si nr e c e n ty e a r s o p t i c a lf i b e r b r a g gg r a t i n g sa n do t h e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n t sb a s e do n o f gw i l lp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d i s p e r s i o no fp u l s e st r a n s m i t t i n gi nt h ef i b e ri st h em a i nb l o c kt ot h e d e v e l o p m e n to fh i g hs p e e da n dl o n gd i s t a n c ef i b e rc o m m u n i c a t i o n d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n h a sb e c o m ca h o t s p o t c h i r p e d f i b e r g r a t i n g so f f e rm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gl o wi n s e r t i o n l o s s ， c o m p a c t n e s s tc o s te f f e c t i v e ，h i g hd i s p e r s i o nv a l u e ，t h e r e b ys h o w i n g t h em o s tp o w e r f u la n da p r o m i s i n gw a yf o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n w es t r i c t l yu s e dc o u p l em o d et h e o r yt h a td e s c r i b et h ep r i n c i p l eo f f i b e rg r a t i n g sf r o mm a x w e l le q u a t i o n a n da n a l y s i st h ep r o p e r t i e so f c h i r p e df i b e rg r a t i n g t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ed e l a yl i n e a r i t yo f f i b e rg r a t i n gw i t h o u ta p o d i z a t i o ni sb a da n dt h ec u r v eo fd i s p e r s i o ni s n o ts m o o t h ，s oi t sd i f f i c u l tf o rt h i sk i n do ff i b e rg r a t i n gt ob eu s e di n d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns y s t e m w h e nw eu s e dt h ef i b e rg r a t i n gw i t h c o m ek i n do fa p o d i z a i o nw ec r e a t e d ，i t s p r o p e r t i e s i n c l u d i n g r e f l e c t i o n - d e l a yl i n e a r i t ya n dd i s p e r s i o n ，h o w e v e r - b e c a m e o p t i m i z e d a sad i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e “q u a l i f i e df o r b e i n gu s e di nf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i i i p q z 1 人7 坤i 学位论史 i nt h i st h e s i s ，b yu s i n gt h ec h i r p e df i b e rg r a t i n g ，t h e o r e t i c a l l ys t u d y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a v e b e e nm a d eo f ft h ec o m p e n s a t i n g d i s p e r s i o np r o p e r t yo fc h i r p e ds u p e rg a u s s i a np u l s e st r a n s m i t t i n gi n t h ef i b e r t h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e rt r a n s m i t t i n gs o m ed i s t a n c e si na f i b e r ，t h ep u l s e sw i l lb e c o m eb r o a d e n e db e c a u s eo fd i s p e r s i o n ，a n d t h es u p e rg a u s s i a np u l s e sw i l lb eb r o a d e n e dm o r eg r e a t l y c o m p a r e d w i t hg a u s s i a np u l s e s b e s i d e s tt h eb r o a d e n e dp u l s e sh a v eal i u l c m o d u l a t i o nf o ro r i g i n a l l yc h i q dp u l s e s b yu s i n gt h ec h i r p e df i b e r g r a t i n g ，t h ed i s p e r s i o no fg a u s s i a np u l s e sc a nb ew e l lc o m p e n s a t e d w h i l et h ec h i r p e ds u p e rg a u s s i a np u l s e sw i d t ha p p r o x i m a t et ot h e o r i g i n a lp u l s e sw i d t h ，b u tt h es h a p eb e c o m ed i s t o r t e d ，a n dt h ep u l s e s h a v eal i t t l es i d es l o b i na d d i t i o n ，t h em a x p o w e ro fp u l s e sh a v e s o m e t h i n gt od ow i t ht h eo r d e ra n dt h ec h i r pc o e f f i c i e n to fo r i g i n a l p u l s e s a tl a s tw ea n a l y z e dt h a tw h e nu s i n gc h i r p e df i b e rg r a t i n gw i t ht h e a p o d i z a t i o uo fp a r a b o l as q u a r e df u n c t i o n tp u l s e sc a n b cc o m p e n s a t e d w i t ht h er e s u l t t h a tt h ew i d t ho fp u l s e si sm o r en a r r o wa n dt h e m a x - p o w e ro fp u l s e si sh i g h e rt h a nw h e nu s i n gc h i r p e df i b e rg r a t i n g w i t ht h ea p o d i z a t i o no f g a u s s i a nf u n c t i o n ，t h o u g ht h ep u l s e sh a v ea d i s t o r t i o na f t e rb e i n gc o m p e n s a t e d a n dw h a t sm o r e ，t h ed i s t o r t i o ni s o p t i m i z e d ，c o m p a r e dw i t ho t h e rk i n d so f f i b e rg r a t i n g f r o mt h i sp a r t o f v i e w ，w ec a l lc o n c l u d et h a ta sad i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e ， t h i sc h i r p e df i b e rg r a t i n gw i t ht h ea p o d i z a t i o no fp a r a b o l as q u a r e d f u n c t i o ni st h et 圮s t k e yw o r d s ：c h i r p e df i b e rg r a t i n g , d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，s u p e r g a u s s i a np u l s e s ，p a r a b o l as q u a r e d 蛐川人擘鳓卜学位论文 第一章绪论 1 ，l 光纤通信的发展” 光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输媒质( 信道) 的新氆 通信方式光通信采用的载波位于电磁波谱的近红外区，频率非 常高，因而通信容量极大目前，光纤通信已成为通信颁域最为 活跃的技术，它与卫星通信、移动通信形成现代通信技术的三大 主要发展方向 要实现光纤通信，还需要在激光器和光纤性能上有重大突破。 1 9 6 6 年，英籍华人高锟博士，就光线传输的静景发表具有重大意 义的论文，论述了造成光纤损耗的主要原因，并从理论上分析： 如果能去处玻璃上的杂质，就可能使光的传输损耗大大降低，可 降低到每公单2 0 d b 左右1 9 7 0 年，美国康宁公司成功研制出了传 输损耗每公飘2 0 d b 的光纤同年，美国贝尔实验室成功研制出能 够在室温下连续工作的半导体激光器，频率稳定而且方向性好， 射入光线后能够封闭在光纤中进行传播，因而它就成为光通信的 理想光源 由于7 0 年代的重大突破，因此人们把7 0 年代成为光纤通信 的元年此后，光纤通信受到各国重视，磅究工作竟相展歼。到 1 9 9 0 年，光纤通信已经历几次更新换代，其中主要是由多模光纤 过渡到单模光纤；由短波长过渡到长波长。信息传输的容量和速 率大大提高光纤通信迅速占领了世界各国的电信市场。长途电 信网和市内电话的中继线已经基本上放光纤组成的光缆代替，它 已经成为“信息高速公路”的基础 光纤通信虽然为人们提供过去难以想象的巨大通信容量和超 高速率，但它的巨大潜力却远远没有发挥出来光纤低损耗带宽 为1 3 1 0 - - 1 5 7 0 n m ，约2 5t h z ，若一根光纤只传输一个波长的光信 号是很浪费带宽的波分复用嘲( 臀嘲) 技术的出现正是为了充分 川人擘顾l 擘位论空 利用光纤带宽特性，它根据不同波长光波在同一搬光纡中传播时 相旺独萨、吒不下扰的原理，用于光纤的低损耗窗门的誉f d 波长 作为4 i 嗣信道信号的载体，从而在一报光纤中可实现多路光信号 的复 l 】传输，提高光纤通信系统的容量近年来，以粕m 为孳础 的高速宽带光纤网络的研究在国际上已形成热潮。全光网络以其 良好的透明性、兼容性和可扩展性，已经成为下一代高速宽带网 络的酋选，具有良好f ； 景 i 2 光纤光栅简介 1 2 1 光纤光栅发展 1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心的也0 h i l l 及其同事首次 在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏特性啪，并采用驻波法制成世界 上第一只光纤光栅。h i l l 的光栅是采用4 8 8 n m 氯离子激光的驻波 在光纤纤芯中制成的避一步的研究发现，这种内写入法的曝光 过程是一个双光予过程，其写入效率很低。另外，采用内写入法 所形成光栅的周期受光源波长的限制，即为光源波长的一半 一 - _ - 。叶 图1 1 驻波法( 内写入法) 潮作光纤光栅示意图 出于上述原因，在光纤光敏性被发现后的十年内来引起太大 的注意，直到1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g i e l t z 等人利用 高强度的紫外激光所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光来 产生光纤纤芯中的折射率调制硼。即形成光纤光栅紫外曝光给出 了一个单光子过程，其光敏度是在用可见激光情况下的上百万倍 此外，横向曝光技术允许在光纤任何位置制作出任意布拉格响应 2 l i i l 川人学磅i 学位论文 波长的光纤光栅。采用不同的曝光长度及光束形状可以控制布拉 格共振谱的特性后来的测试表明，光子诱导所致的光纤光栅是 永久性的，这种光栅是由微小的折射率变化造成的，并且在光纤 通信带宽波长内无吸收或散射损耗 横向写入法的发明使得光纤光栅技术取譬导了突破性的进展， 此后的十多年里，光纤光栅成为光纤通信和光纤传感领域的研究 热点到目静为止，人们对光纤光橱的研究己取得飞跃发展，光 纤掺杂元素从单纯的g e 元素发展到p ，b 、 1 、e r 、c e 等元素；所 用紫外光源也从四倍频n d ：y a g 激光器的2 6 6 舳到a r f 准分子激光器 的1 9 3 r i m 都有应用：光纤光栅的写入法有相位掩模法、逐点写入法、 振幅掩摸法等等；用来研究光波在光纤光栅中的传输理论也多种 多样。主要有耦合模理论、r o u a r d 理论、b l o c h 理论等等；有关光 纤光栅在滤波辩、色散补偿删、增益均衡m 侧等方面的研究成 果更是硕果累累 1 2 2 光纤光棚的特性 从光发送、光放大、光纾色散补偿到光接收，都将受到这一 重要器件的革命性的影响特别是在密集波分复用系统中，光纤 光栅作为解复用器已受到人们的极大青睐 光敏光纤布拉格光栅( f b g ， f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 的原理是 由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一 定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱 对该波长出现奇异性光纤芯区造成折射率周期变化是利用光纤 中的光敏性而制成的，在光纤光援技术中。锗掺杂光纤纤芯玻璃 所具有的光子光敏性有着重要的价值目前，其详细的折射率变 化过程未被全部揭开，但几乎可以肯定是与色心相关的m e l t z 等 人认为，2 4 5 n m 色心吸收带的光子漂移是导致可见光和近红韩区折 射率改变的起因。 光纤光栅的一个很重要特性，就是在b r a g g 波长处的窄带反射 蚪川人学颤卜掌位论史 特性。光纤光栅的绝大部分应用也是基于这一特性对f 这性 质的研究，理论分析己趋于成熟实验研究也己取得了很大成果 1 2 3 光纤光栅的分类 光纤光栅玎丁以广泛地分为两类：光纤南拉格光栅( 又称为反射 型光栅或短周期光搋) 和传输型光纤光据( 又称为长周期光纤光 栅) 布拉格光栅中的祸合发生在反向传播的模式之间，而长周期 光纤光栅中的耦合发生在同向传播的模式之h j ，这一点是由两模 式之间发生耦合的相位匹配条件决定的。光纤中传播的两模式之 日j 发生耦合的相位匹配条件为细1 1 # a 一韪= 竿 ( 1 1 ) 几 式中a ，晟分别分别为模式l 和模式2 的传播常数， 为光栅周期。 由式( 1 1 ) 可知，光栅周期的长短将决定传播常数差的大小，即参 与耦合的两模式的传输方向一致与否。当光栅周期较短时，正向 传播的纤芯导模与反向传播的纤芯导模之间发生耦合；当光栅周 期较长时，正向传播的纤芯导模与正向传播的包层模之问发生耦 合。 1 3 光纤光栅的各种制作方法 1 3 1 光纤布拉格光栅( f b g ) 的常用制备方法 a 相位掩模法1 将光敏光纤固定于相位掩模板的一边，使其轴向与掩模板的 周期条纹相垂直，且距掩模板非常近u v 光从另一边垂直入射， 经掩模衍射后产生士l 级衍射光( 零级光被抑制，能量约占总能量 的5 左右，士l 级衍射光各占总能量的4 6 左右) ，然后再相互干涉， 从而在纤芯中形成干涉条纹，u v 干涉条纹会诱发光纤中折射率的 周期性分布，即形成布拉格光栅。图i 3 给出了相位掩模法的示意 图位糨掩模法制作f b g 的优点在于：制作的光纤光栅的周期与书 写光的波长无关，因而对光源稳定性和相干性要求降低：另外实验 i 所川庀作少装置调校容易，提高了光栅制作的稳定性、可靠性 和重复性缺点是一块相位板原则上只能制备一种波k i 蟹 l f s , t ；相 位掩模法与扫描技术相结合，能制备出比相位板还长的光纤光栅， 尤其是需要长度远远大于光斑尺寸的光栅时，这种方法显得非常 有用 图1 2 相位掩模法制备f 示煮图 b 横向全息法 横向全息法曝光是沿两条路径传播后重新以夹角口相交形成 干涉图案，从而 能在光敏光纤的纤芯上刻写光栅。全息曝光法对光源的相干性和 环境的稳定性要 求较高，从丽使光栅制作的稳定性、可靠性和重复性变差。 i 3 2 啁啾光纤光栅的制备方法 啁啾光纤光栅的周期是随其长度变化的，变化形式较多，如 有线性变化的， 按平方率变化的t 甚至随机变化的等等针对啁啾光纤光栅的特 点，人们提, - h - t 许多制作啁啾光纤光栅的方法，分述如下： a 直接横向侧面曝光法 州川人学豫i 毗位论文 一束平行u v 光和一束发散的u v 光分别经过焦距不等的两个丰t 面镜后于涉，则在空阿形成的干涉条纹具有啁啾性质：即在于涉平 面内干涉条纹的b j 距是随空问位置变化的。通过第三个柱面镜的 会聚后在光纤的横向侧面上就会形成强度较大的啁啾干涉条纹， 从而在光敏光纤内部就刻写上了啁啾光纤光栅图1 3 2 给出了该 方法的原理图 嗽光歼光橱 图1 3 直接横向侧面曝光法原理图 用该方法制备的凋啾光纤光栅已见报道嘲，其反射带宽可达 4 4 r i m ，带宽内的平均反射率为8 0 此方法的优点是可通过调节 透镜的位置。来改变光栅的啁啾量的大小从而可获得任意带宽 的啁啾光纤光栅由于光的于涉条件比较苛刻，所以柱面镜问的 相对位置和角度必须精确控制，任何微小的外部扰动都可能破坏 光的于涉条件，无法形成光敏光纤侧面曝光所需的u 、，干涉条纹， 故该方法的重复性较差 b 弯曲法 图1 4 为该方法的原理图角口所对应的弧长为s ，r 为孤的半 径， ，为u v 光等距干涉条纹自周期，则光栅的周期 。，可表示成： l l l ij i f 人擘颤i 学位论空 小等 c o s r 对于不i 司的光栅长度，s 是一变量，放光栅的周期a 髓光栅的 长度改变，即为啁啾光栅 图1 4 弯曲法制作啁瞅光纤光栅原理示意图 文献“”报道了用该法制备的啁啾光纤光栅，其反射带宽为7 5 n m ， 峰值反射率为9 9 由于光纤和光的干涉条纹呈一定的角度，故 用该法制备的光栅具有一定的闪耀性，导致了辐射损耗的增加。 为了减少辐射损耗，有人使用了强导光纤，但效果不理想。若使 用含光敏包层的特种光纤，可大大抑制其辐射损耗 c 直接相位掩模法 在刻写光栅之前，给光纤沿纵向施加应力，刻写后再释放应 力，则布拉格波长会发生漂移利用这一性质，b y r o n 和r o u r k e 用 如下所谓在线应力释放法制作了啁啾光纤光栅：用2 姗长的u v 光束 分1 5 步扫描等周期的相位掩模板，在相位掩模板的后面放上已施 加拉力( o 6 ) 的光敏光纤，u v 光束每扫描一步，光纤上的拉力就 被释放0 0 4 ，结果获得了长度为3 0 m m ，反射带宽为l o m n 的啁啾光 纤光栅1 7 川人擘鳓i 学位论立 d 透镜调节法 榴位掩模法制备等周期的布拉格光纤光栅时，般将u v 光束 通过柱面透镜会聚在掩模板上用改法制备阶跃明啾光纤光栅时 关键是确定透镜与掩模板之f b j 的距离对光栅周期的影响，莞在制 备过稃q ，精确地控制透镜与掩模板之日j 的距离变化用次法他们 己制备出了长为5 0 咖。啁啾量为l n m 的阶跃啁嗽光纤光栅 1 4 光纤光栅传感器 1 4 1 光纤光栅传感器原理 光纤光栅上的应变或温度的变化能够引起光纤光栅布喇格波 长变化，因此光纤光栅传感器的工作原理就是借助某种装置将被 测参量的变化转化为作用于光栅上的应变或温变引起光纤光栅佰 喇格波长变化，并通过标定光纤光栅的应交或温交与被测参量变 化关系，就可以由光纤光栅稚喇格波长的变化，测量出被测量的 变化 1 4 2 光纤光栅传感器的应用 出于光纤光栅传感器自身具备许多不可替代的优越性，它可 埋入构件或与其接触，通过实时传感信息，如应变、温度和振动， 完成健康监视，碰撞探测、形状控制 a j 光纤光栅传感器在民用工程中的结构检测中的应用 基础结构的状态、力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、 商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 b 航空航天业是一个使用传感器密集的地方 l 州川人学碗i 。学位论立 一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架 状，奈、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，敏感组件( 光栅) 制作在纤芯中，从尺寸小雨i 霞基轻的优 点来讲，几乎没有其它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常重视，仅波音公司就注册了近十个光纤光 栅传感器的技术专利使用先进的复合材料来制造航宅航天结构 ( 如机翼部件) 是一个必然的趋势。 1 5 光纤光栅在光通信中的应用 光纤光栅对从光发送、光放大、光纤色散补偿到光接受的几 乎每个方面都将产生重要的影响 a 色散补偿和脉宽压缩 普通光纤的零点散点位于1 3 1 o n ，在1 5 5 p m 处有约有 1 7 p s k m 咖的色散。利用啁啾光纤光栅对常规光纤的色散进行补 偿，具有低插入损耗和高补偿率等特点，由于体积小，它可以很 容易地安装于现有的传输系统中。 优点：器件的体积小，补偿效率高，能够很方便地对已经敷 设的光纤线路进行扩容和升级据报道，用单波的啁啾光纤光栅 可以补偿4 0 0 k m 的常规单模光纤所造成的色散另有报道，一种长 度为l m 的啁啾光纤光栅具有3 0 h m 的带宽，可以补偿8 0 k m 常规单模 光纤产生的色散 b 上下( a d d d r o p ) 话路复用器和滤波器 由于光栅具有良好的波长选择性用它可以方便的实现波分 复用光纤通信系统的全解复用及上下话路技术上下话路复用器 能保证在其它信道不变的前提下，在b w g t l 网络节点上加减一个或 几个信道，利用它可以方便的实现上下话路功能利用b r a g g 光 栅和一个光环行器可以构成一个上下话路复用器 c 波分复用解复用器 州川人学颤卜学位论文 波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，d w d m 系统中 的复h i 解复用器也叫合分波器它实现了在一根光纤中传输多 个波长的信道，并且在终端将不同的波长分解出，传给不州的用 户因此对复用解复用器提出了很高的要求以t i - z 干涉仪和 b r a g g 光栅共同构成的器件可以实现对传输线路的波长信道复用 解复用 1 6 啁啾光纤光栅的应用 a 在光纤色散补偿系统中的应用 在掺铒光纤放大器成功解决高速率、大容量、长距离的光纤 通信系统中的损耗之后，人们面临要解决的问题就是光纤色散补 偿与其他方法相比，利用啁啾进行色散补偿能够与标准单模光 纤完全兼容，体积小。色散补偿量大，而且制作成本低。 b 在掺铒光纤放大器中的应用 在掺铒光纾放大器中采用一支宽带啁啾光纤光栅作为反射 镜，将一次通过铒光纤的残余泵浦光反射回去，使其再次通过铒 光纤起泵浦作用，提高了泵浦效率 1 7 国内外对于光纤光栅研究状况 紫外写入光纤光栅技术是九十年代发展起来的新兴光纤无源 器件技术在光纤通信领域有着重要而广泛的应用实用化的光 纤光栅极其衍生光无源器件将成为下一代高速大容量光纤通信系 统中不可缺少的关键光纤器件国际上有许多著名的电信研究机 构都在进行光纤光栅器件技术的研究，主要包括：加拿大通信研究 中心( c r c ) 、加拿大j d su n i p h a s e 公司，美国l u c e n tt e c h n o l o g y ， 美国联合技术公司，翱特种光纤公司，c i e n a 公司、c o m i n g 公司， 英国电信实验室、阿斯顿大学、法国电信实验室、澳大利亚电信 研究中心等针对各种实用化光纤光栅器件的研究和开发，他们 在一些关键技术上取得了突破国内虽然对光纤光栅的研究起步 l o 川川人擘峨l 学位论文 较晚，但由于投入了一定的人力物力，形成了一个光纤光栅研究 丌发的热潮浙江大学等单位都相继刀：展了紫外写入光纤光栅的 研究，并取得了一些有意义的研究成果，目前正出初期的探索研 究阶段过渡到关键技术突破和实用化产品丌发的阶段 州川人掌琐f 学位论史 第二章光纤光栅理论分析 光纤q ，波的传播是通过在的边界条件下，求解m a x w e l1 方程得 到的通常在假定弱导条件下。波动方程可以大大被简化，我们 可以把光纤中的模式分解成相互正交的横向激化模式m 通过求 解可以得到束缚模式和辐射模式在光纤中的基本场分钿，在没有 扰动的情况下这些模式之b j 不会发生相互之日j 的耦合但如果波 导有一个周期性的相位或是幅度扰动，并且相位常数接近于两个 模式传播常数的和或差，这两个模式便会发生耦合。我们通常通 过祸合模理论来解决此类问题。”，它假定；在一定的微扰发生条 件下。波导中的模场分稚是和未加微扰条件下样调制在折射 率调制和周期都为常数的情况下，b r a g g 光纤光栅是具有解析解 的更复杂的光栅可以被认为几个光栅的拼接，每个光栅都具有 不变的折射率调制和周期 2 1 波动方程 我们从最基本的关系式开始： d = 岛e + p b = p o h 式中岛为真空中的介电常数：鳓为真空中的导磁率电激化强度尸 为： = z ? ) 罾 线性磁化率筋0 ) 是一个二阶张量，与介电常数毛有一定关系，而且 具有相同的脚标 白= l + 神 假定波导中是无源的而且没有磁体物质，便有： v 面；0 伽川人学碗i 学位论文 v 占= 0 电场町以表示为： i = 圭k 似钆i m 庳】 利用m a x w e l l 方程： v x 罾：一塑 a f v 。耳：一塑+ 了 一 a 式中了是位移电流，这里了：0 ，通过推导得出： v 2 罾岛雾 下面接着是把光纤中传输的模式带入到波动方程中光纤中 的模式可以被认为是n 个分离的传输模式a j , ( z ) 和连续的辐射模式 彳，g ) 的叠加，它们的传输常数分别为成和乃： e = 三薹k ( z 战唧( f 妇一成。) ) 】+ 砟g 蛾e x r ( f 缸一形z 眦 式中厶和厶分别是横向的第阶传输模和第p 辐射模，t 表 示横向的激化方向由正交条件： 三巳也蛔= 三l 鲁l 厶蛐= 保证了第阶模式所携带的功率为l 厶r 式中巳是z 传播方向 上单位矢量，吒。是狄拉克函数。当= d 的时候为单位常量，否 则为零当正交条件用于弱导情况时，纵向分量远远小于横向分 量，因此，横向的磁场分量为： 川人学颤i 学位论文 悒固l 巳扣 经过计算可以得到光纤光栅的纤芯传播的模式为j b e s s e l 函 数，在包层中传播的模式为k b e s s e l 函数第h 阶模式( 激化在x 方向) - 叮以表示为： 六= 。以( ”三 c 。s 伊 ) 或六= 巳厶( 三 s i n 缈 ) 卟- - 黯o e e i 相应的包层中的模式可以表示为： 六= 畦貅( 搿扣胛六2 巳嵇q 卜三j 如5 胛 或六= 砖篙以( 廿n 胛 卟n 呵黯i 式中参数分别为： p = 孕瓯 h = 孕厍可 m 2 = d 2 一“2 。= 6 ( 警 + 1 这里n 玎称为模式的有效折射率，参数6 = 母2 l u 2 ，另外假设 只有一个激化方向。y 方向上的激化强度为：= 日。= 0 归一化 常数c 。可以表示为： “ 州川人学硕i 学位论文 甓f 高 这驻在基摸条件下即= 0 的时候，e ，= 2 通过配合边界 条件，通过求解以下本征方程便可以求解波导中的模式： 制= 铹葡跏葛两 2 2 光纤光棚的传输特性分析 2 2 i 耦合模理论 为了得到耦合模方程，我们必须在以上讨论的基础上引入微 扰，这里仍然假定波导中的基本模式是不发生改变的。我们从麦 克斯韦方程出发来推导出耦合波方程，对于周期均匀的光纤光栅 可以得到解析解 光纤光栅的纵向非均匀性表现为沿z 方向上波导截面上折射 率分布对理想波导缓慢和微小偏离 考虑弱导理想波导和纵向非均匀波导： a 对于理想波导：波导的折射率分布n 。0 ，v ) ，且波导模式的 场分布虬0 ，v ) 和相应的传输常数以均为已知，满足： v ，2 + ( 七；，一群知，- = 0 ( 2 2 1 ) b 实际波导：波导的折射率分布为n ( - ，z ) ，波导内的场分 布为0 ，v ，z ) ，满足： v 2 + 碍n 2 缈= 0 ( 2 2 2 )