（光学工程专业论文）基于fp标准具的色散补偿器件的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着光纤通信的迅速发展，用户对通信容量的需求日益增加，信道速率不断提 升。光纤损耗对系统的传输距离不再起主要限制作用，色散便上升为首要限制因素之 一。本文论述了f p 标准具对色散进行补偿的基本原理，在此基础之上设计了一种基 于f p 标准具的色度色散补偿器件，并给出了该器件对系统进行补偿的结果。为进一 步深入研究色度色散补偿打下一定基础。本文对基于f - p 标准具的色散补偿器进行了 理论和实验研究。全文主要内容如下： ( 1 ) 介绍了光纤色散的成因，以及当前国际国内在色度色散补偿研究方面的现状及 其发展趋势。比较各种色散补偿方案，提出了一种结构简单、成本低的f - p 标准具色 散补偿技术方案。 ( 2 ) 分析了f - p 标准具产生色散的原理，利用多光束干涉的理论，建立了f - p 标准 具的色散补偿理论模型，并分别分析了反射型和透射型的输出光强分布、时延和色散 特性，并做了对比。 ( 3 ) 设计并实现了基于反射型f p 标准具的色散补偿器。阐述了该器件的设计思 路，分祈了组成元件准直器对器件损耗的影响，以及f p 标准具的参数对色散曲线的 影响，确定了比较合理的结构参数，并制各出实际器件。 ( 4 ) 利用2 5 g b i t s d w d m 系统进行了色散补偿实验，测试结果与理论计算比较接 近，达到了预期的补偿效果，从而验证了理论分析的正确性和设计方案的可行性。 ( 5 ) 分析现有的f p 标准具色散补偿器存在的不足，提出了f p 标准具色散补偿器 需要考虑的性能参数，并提出改进意见。 关键词；光通信色度色散补偿f - p 标准具 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d 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 ，t h er e q u i r e m e n tf o rc o m m u n i c a t i o n c a p a c i t yi su n l i m i t e d ，a n d t h ec h a n n e lr a t ei si n c r e a s e dc o n t i n u o u s l y d i s p e r s i o ni so n eo ft h e m a i n l yl i m i t e df a c t o r st o t h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e i nt h i sp a p e rt h eb a s a lt h e o r yo ft h e d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n b a s e do nf - pe t a l o ni sd i s s e r t a t e d ak i n d o fa p p a r a t u sf o r c h r o m a t i c d i s p e r s i o nb a s e do nf - pe t a l o i li si n t r o d u c e da n dt h ec o m p e n s a t e dr e s u l t so f t h i s a p p a r a t u s a r ep r e s e n t e d t h i s p a p e r i s af o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hi nc h r o m a t i c d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o rb a s e do n f pe t a l o na r ep r e s e n t e d m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e c a u s eo f t h ef i b e rd i s p e r s i o ni sd i s c u s s e d t h el a t e s td e v e l o p m e n ti n d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n i sr e v i e w e d ak i n do f c o m p e n s a t o rb a s e do nf pe t a l o nw i t h s i m p l e c o n f i g u r a t i o n a n di o wc o s ti sp r o p o s e d ( 2 ) t h ec a u s eo ft h ed i s p e r s i o na r o s e db yt h ef - pe t a l o nw a sd i s c u s s e d am o d e lo n d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o no f f - pe t a l o ni sd e r i v e df r o mt h et h e o r yo fi n t e r f e r e n c eo f m u l t i p l e b e a n s t h el i g h ti n t e n s ep r o f i l eo f o u t p u tb e a m s ，t i m ed e l a ya n dd i s p e r s i o np r o p e r t i e so f t h e r e f l e c t e de t a l o na n dt r a n s m i t t e de t a l o na r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ( 3 ) t h ec o m p e n s a t o rb a s e do n r e f l e c t e de t a l o ni sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h ed e s i g no f t h ec o m p e n s a t o ri ss t a t e d t h el o s sm o d e lo f c o l l i m a t o r si sd e m o n s t r a t e d t h el o s sa r o s e db y t h ec o l l i m a t o ri sd i s c u s s e d t h ei m p a c to f p a r a m e t e ro f f pe t a l o nf o rt h ed i s p e r s i o nc u r v e 讧 a n a l y z e d t h er e a s o n a b l es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ec h o o s e d a n dt h ed e v i c ei sm a d e 。 ( 4 ) t h ec o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n ti st e s t e do nt h e2 5 g b i t sd w d ms y s t e m ，a n dt h e c o m p e n s a t e d r e s u l t sa p p r o a c h e st ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s k i n do f c o m p e n s a t o r c a l ld ow e l li np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ( 5 ) t h eq u a l i t yf a c t o r s ，w h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e d ，o ft h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r b a s e do nf - pe t a l o na r el i s t e d t h ed i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e da n d i m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n s a r e p r o p o s e d k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc h r o m a t i c - d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n f pe t a l o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：如务 日期：渺炸5 刖2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密叵(在上年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：辛妒 日期：劲悔f 月皿目 拇溯签名嗣翻对 日期守一箨妇o n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着信息社会的日益临近，用户对通信容量的需求日益增加，未来每一用户的通信 容量需求将超过1 0 0 m b i t s 。在这种需求的推动下，作为现代长途干线通信主体的光纤 通信一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。在单信道速率不断提升( 现已发 展到1 0 g b i t s ，正向4 0 g b i t s 甚至1 6 0g b i t s 发展) 的同时，密集波分复用技术( d w d m ) 也已日趋成熟并商用化i i j 。 从技术的角度来看，限制高速率信号长距离传输的因素主要包括光纤衰减、非线性 效应和色散。掺铒光纤放大器( e d f a ) 的研制成功，使光纤衰减对系统的传输距离不再起 主要限制作用，色散便上升为首要限制，因此色散补偿研究已成为光纤通信实现超长距 离、超高速传输的关键问题之一口j 。 对于2 5g b i t s 、光脉冲宽度为2 0 0 p s 的系统，信号在g 6 5 2 光纤中可以传输4 0 0 k r n 至6 0 0 k m 雨无需色散补偿，但对于1 0 g b i t s 、光脉冲宽度为5 0 p s 的系统则由于色散 的原因只能传输4 0 k m 。g 6 5 2 光纤的色散问题已成为对已有光纤通信系统进行升级的 主要障碍，如何解决g 6 5 2 光纤的色散补偿问题也就成了举世瞩目的研究课题f 3 l 。 目前人们已经提出了一些可能的技术方案来解决这一问题，包括使用色散补偿光 纤( d c f ) 、线性啁瞅光纤布拉格光栅、预啁啾( p r e c h i r p ) 、频谱反转、光孤子传输等。补 偿效果不仅与补偿措施密切相关，也受数据信号格式、脉冲占空比等的影响。调制形式 和脉冲占空比会影响色散引起的脉冲展宽和补偿后的剩留色散容限。 目前有学者将光纤非线性与色散补偿结合为系统色散管理。而且随着系统的自动 化和智能化的提高，这种色散管理需要向自适应色散管理方向发展。毫无疑问，这个 自适应色散管理应包括对色度色散的管理。由此可以预测近两年的研究重点应该是放 在色度色散的补偿上，并力争在“色度色散、非线性和偏振模色散共同作用时对高速 波分复用系统传输性能的影响”这一研究方向的理论研究和实验技术上有所突破。 相对于光纤通信系统容量的快速增长，对光纤通信系统的管理维护显然相对滞 后。目前国内对于色度色散补偿的商用化产品有仅限于色散补偿光纤，而色散补偿光 纤并不能完全的解决色散补偿的问题。对于更好的实用化的补偿产品的开发，我国仅 华中科技大学硕士学位论文 停留在实验室研究阶段，几乎还没有这方面的商业化产品。从高速光纤通信系统的发 展趋势来看，国内自主研究色散补偿技术已势在必行。 总而言之，色度色散补偿技术是当前高速光纤传输系统研究的重点问题之一。我 国正处于通信事业大发展的时期，光纤传输网的发展尤为迅猛，下一代单信道传输速 率为1 0 0 b i t s 及4 0 g b i t s 的波分复用系统的研制开发和已有线路的改造升级是指日可待 的事情。因此，重视色散问题，深入开展对它的研究和寻找出解决问题的对策将对提 高我国光纤通信技术的水平和满足通信业务需求的不断增长具有重大意义 4 】。 1 2 色散成因以及对系统的影响 1 2 1 色散产生的原因 色散是由于在光纤中传输的光信号所包含不同成分的时间延迟不同而产生的一种 物理效应【“。由于光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同频率分量，脉冲的不同 频率分量将以不同的群速率传输，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，即光纤色散 吼 光纤色散包括模间色散、材料色散和波导色散。 ( 1 ) 模间色散f 7 】 模间色散也称为模式色散或模色散，存在于多模光纤中。模间色散是由慢速模和 快速模的传播时间差引起的。在多模光纤中，即使同一波长的光，不同的模有不同的 群速度，它们在光纤中传播时的渡越时间也就不一样。同一波长的输入光脉冲，不同 的模将先后到达输出端，在输出端叠加形成了一个展宽了的脉冲波形，其脉冲展宽量 为最快的模与最慢的模之间的渡越时间差。一般多模光纤中，模间色散是主要的，而 材料色散和波导色散相对较小。 ( 2 ) 材料色散 材料色散是由于光纤折射率随波长变化产生的。实际光源不是纯单色光，有一定 的谱宽。所以光脉冲中不同波长的传输速度不同。当光脉冲沿光纤传输时，就会被展 宽。这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。 由材料色散引起的群延时差毛与光源谱宽敞有关，l ：一生磐觑，因此， c a l 材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即折射率随波长的非线性变化。因此， 华中科技大学硕士学位论文 不是折射率随波长变化就一定导致材料色散。如图l l 所示的是石英光纤材料折射率n 以及材料色散a t 6 3 随波长厶的变化曲线。在厶 o ，材 料色散小于零，称为正常色散：。在厶 1 2 7 a n 波长区，d 2 n d 2 2 0 ，材料色散大于 零，称为反常色散；在 。1 2 7 , u r n 时，材料色散等于零。有的材料色散随波长分布 曲线与图1 1 中曲率相反( 即曲线曲率左凸右凹) 。则其色散曲线将与( b ) 中曲线极性 相反。 针 s 球 k 轻互 饕 1jj 波长u m )波长q a n ) ( a )( b ) 图1 - 1 纯石英材料折射率及色散( a ) 折射率( b ) 色散 ( 3 ) 波导色散 波导色散是由于波导结构，或者说是由于波导的结构参数与波长有关产生的。因 为光纤也就是一种光波导，只不过在结构方面和矩形波导、平板波导不同，它的结构 是圆柱形的。不论何种波导，都会由于波导结构的原因引起波导色散。波导色散不同 于材料色散，即使光纤是由无材料色散的玻璃制作( 材料色散不存在) ，而我们又只考 虑光纤中传输的一个模式( 无模间色散) ，不同波长的光分量在光纤中传输仍然会引起 色散，造成脉冲展宽，这就是波导色散。若在无材料色散的光纤中某一个模的传播常 数是口，当d2 p d 2 2 0 时，就会引起波导色散，使所传输的光脉冲信号展宽。 华中科技大学硕士学位论文 在单模光纤中，材料色散和波导色散的综合效应称为色度色散( c h r o m a t i c d i s p e r s i o n ) ，常简称为色散。本文中所讨论的色散也是指的色度色散。 对于石英芯单模光纤，材料色散和波导色散随波长的变化如图1 2 所示。该图还给 出了材料色散和波导色散同时存在时的总色散。从图中可以看出，在某特定波长下， 材料色散和波导色散互相抵消，总色散降为零。 ； _ 蔷i 童 图1 - 2 作为波长的函数的材料色散和波导色散 ( 4 ) 偏振模色散 对于标准单模光纤，除了色度色散之外，还存在偏振模色散。单模光纤中，基模 ( h e l 】) 由两个互相垂直的偏振模组成。只有在理想圆对称光纤中两个偏振模的时间延 时才相同，因而简并为单一模式吼由于实际光纤的纤芯存在一定椭圆度，在短轴方向 的偏振模传输较快，在长轴方向的偏振模传输较慢，因而造成色散，这种色散称为偏 振模色散( p m d ) 。因此，即使零色散波长单模光纤，其带宽也不是无限大，而是受到 p m d 的限制。 1 2 - 2 色散对系统的影响 光纤色散对通信系统的性能影响主要表现在对传输中继距离和传输速率的限制。 由于接收端总有一定的噪声，当色散引起光信号脉冲的展宽大于o 3 倍的输入脉宽时， 就有可能使得达到接受端的前后两个脉冲无法分辨开，使得光接收灵敏度急剧下降、 均衡困难、误码率增加，影响通信质量。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就 华中科技大学硕士学位论文 不得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。另外色散随着传输距离的增加将越来 越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。 目前全世界所铺设的光纤8 0 以上是g 6 5 2 光纤，而我国所铺设的绝大部分也是 g 6 5 2 光纤。g 6 5 2 光纤在1 3 1 0 n m 处色散系数接近零，损耗大都在o 3 0 6 d b k m 之 间。衰减在1 5 5 0 n m 处达到最低，损耗典型值是o 2 2 d b k m ，色散系数d 为1 5 1 7p s n m k m 。从减少损耗的角度看，应当选用1 5 5 0 r i m 通信窗口，但是1 5 5 0 r i m 处色散比较大， 这对高速率数字传输是不利的。当系统采用内调制，即直接调制d f b 激光器时，其不 受色散限制的最大中继距离由( 1 1 ) 式给出i 9 j ： 1 k 珥衰 式中b 为系统码速率。d 为系统的色散参量，盯，为光源脉冲的均方根频谱宽度， 对于直接调制d f b 激光器系统，其典型值为o 1 5 n m 。由( i 1 ) 式可知，当采用g 6 5 2 光 纤的系统码速率达到2 5 g b w s 时，其最大的中继距离只有4 2 k i n 。 当系统采用外调制时，脉冲的初始频率啁啾可阻减小到几乎为零，这时系统不受 限制的最大中继距离由( 1 2 1 式给出： 1 上m a x r ；时，反射率月。越低，时延和色散的峰值越小，色散带宽 越大；反射率尺越高，时延和色散峰值越大，色散带宽越小。时延值为正，在谐振波 长附近，小于谐振波长时标准具产生正色散，大于谐振波长时标准具产生负色散。 ( 3 ) 当r ： r 时，在谐振波长附近，小于谐振波长时标准具产生负色散，大于谐振 波长时标准具产生正色散。 2 - 3 透射射型f p 标准具的色散原理分析 2 3 1 透射型f p 标准具的光场分布 在图2 - l 中，设标准具透射出来的各光束振幅依次为 r ：爿”， f f ；4 ”， ( e ) 2 f i f ；爿“，犍) 3 ，l 呓一“口8 1 同2 2 1 节的推导可以得到透射场分布 a “) _ 若生i a “ (211)1 一州e x p ( i 8 ) 反射光在p 点的光强度为 华中科技大学硕士学位论文 ) - 爿( f ) 4 ( f ) ：! 塑0 1 1 二型) l 一2 置1 r 2c o s 8 十r l r 2 下面我们讨论几种情况下的光场分布： ( 1 ) 当r 2 = o 9 9 ，蜀分别为o 3 、o 5 和0 7 时， 很大的时候标准具透射的能量损失是很非常大的。 1 1 09 0 8 07 i l f 0 6 量i 2 ( x ) 0 5 1 3 ( 九) 04 03 02 0 1 0 0 ( 2 1 2 ) 曲线如图2 - 8 所示。可以看出，r ： i 。j i i 矗。l1 厶， 5 4 81 5 4 8 51 5 4 91 5 4 95l5 5 0 1 5 4 8 波长( 单鑫：n m ) 1 5 5 0 ，( 露= 0 3 )一j ：( 矗，= o 5 )j 3 ( j r i = o 7 ) 图2 - 8 透射型f - p 标准具在r 2 = o 9 9 ，r l 不同的情况下的光强分布曲线 ( 2 ) 考虑r 2 = 0 7 ，r 分别为0 3 、0 5 和0 7 时，曲线如图2 - 9 所示。 1 09 08 07 i l ( x ) 0 6 翼1 2 ( 丸) o 5 1 3 ( x ) 04 03 02 0 1 0 0 f in玎 jj 1 i f ，、，飞 f xlx# 廖强；a p _ t ： 燃| |j ，f 珀澎 班j 、nj；! 强 i i j f i j_ 1 i ? r 。时，r 越大，时延峰值 和色散峰值也越大，色散带宽也越窄，能补偿的范围也越小；反之兄越小，时延和色 散的峰值也会降低，色散带宽变宽，能补偿稍微大一点的范围，在谐振波长附近，小 于谐振波长时标准具产生正色散，大于谐振波长时标准具产生负色散。当r ， r ，时， 在谐振波长附近，小于谐振波长时标准具产生负色散，大于谐振波长时标准具产生正 色散。尼越小，反射光能量越小。 对于透射型标准具，r ，一定时，冠越小，标准具的时延峰值和色散的峰值越小， 色散带宽越大；r 越大，标准具的时延和色散峰值越大，色散带宽越小。在e 相同的 情况下，见越小，标准具的透射光能量越大，标准具的时延峰值和色散的峰值越小， 色散带宽越大。 同时，我们发现，在月。和r ，相同的情况下，透射型f p 标准具的色散峰值与时延 峰值均小于反射型的色散峰值和时延峰值。如果使反射型结构和透射型结构达到相同 的色散峰值，反射型结构的光能量损失要小于透射型。 华中科技大学硕士学位论文 3 基于f p ( 法布里珀罗) 标准具的色散补偿器件 3 1 基于f p 标准具色散补偿器件的组成结构 通过第二章的分析。我们综合考虑反射型f p 标准具和透射型f p 标准具的光强分 布以及色散特性，认为在达到相同的补偿效果的前提下，反射型f - p 标准具的损耗小 于透射型，从器件的紧凑性考虑。反射型比透射型紧凑，如图3 - 1 所示，透射型器件用 一对准直器实现光束的入射和接收功能，反射型器件用一个准直器实现光束的入射和 接收功能，透射型器件的光路长度是反射型器件的2 倍。 ( b ) 图3 1 基于f - p 标准具的色散补偿器件的两种结构示意图( a ) 反射型( b ) 透射型 本文中我们采用的色散补偿器如图3 - 1 ( a ) 所示的结构，从单模光纤中出来的输入光 线通过一个单光纤准直器来准直光束入射到标准具上，在标准具中经过多次反射，反 射光耦合回准直器，用一个环形器将入射光与反射光分开。 3 2 环形器的性能分析 环形器是一个n 端光学器件，有多种结构，图3 - 2 是其中一种3 端口的结构。它由 偏振分光器( p b s p o l a r i s i n g b e a m s p l i t t e r ) 、反射棱镜、双折射晶体、法拉第旋光片 ( f a r a d a yr o t a t o r ) 、相位波片组成p 9 j 。 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 2 环形器光路示意图 我们选用的是福州康顺公司产的k s c g a 一1 5 5 0 0 3 9 0 0 l y 型号的，参数如表3 1 所示。 表3 一l 环形器参数 参数单位指标 插入损耗 1 2d b0 6 4 ( i l )2 3d bo 5 8 偏振相关损耗 1 2d b0 0 6 ( p d l )2 呻3d b0 0 6 回波损耗 1 一ld b4 5 ( r l ) 2 2d b4 7 隔离度 2 斗1d b5 7 ( i s o ) 3 呻2d b5 1 方向陛( d i r e c t i v i t y ) l 一3d b6 0 我们可以看到环形器的插入损耗是比较小的，光从l 一2 再由2 3 这一过程中日 入的损耗为1 2 2 d b 。 3 3f p 标准具的制作 3 3 1f p 标准具的参数设计 ( 1 ) 折射率 我们研究一下折射率对时延色散曲线的影响。腔长设定为i m m ，尺。取0 5 ，折射 率分别为1 、1 5 、2 时f p 腔的色散曲线如图3 - 3 所示。折射率变大的时候，周期变 小，时延和色散曲线的峰值变大，带宽变窄。结合实验室的条件，我们选择石英做标 准具的基片，折射率为1 4 6 。 3 2 华中科技大学硕士学位论文 1 0 0 1 0 0 8 0 t l ( 丸) 善r 2 0 ) 苫 r 3 0 - ) 4 0 2 0 0 0 i 暑 岂 _ 划 褂 v 描 衄 2 0 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 d l f 5 0 0 d 2 f 0 d 3 ( l ) 一5 0 0 n f i ，、 l ： jl “ i 1 f ， 。 j | h | j r 。 k 一卜2 一 k 。k 、 5 4 8 1 5 4 8 1 5 4 9 波长( 单位：n m ) f 2 ( = 1 5 ) ( a ) 5 5 0 5 5 0 ，1“外 ，! 一，i ，j ，“ ， 一 ! ，圹 ， i 。 。 f ji f 嘶 d ，印= 2 ) 5 5 0 5 5 0 图3 - 3 不同折射率下f - p 标准具的时延和色散曲线( a ) 时延( b ) 色散 ( 2 ) 标准具厚度 本文介绍的色散补偿器件是反射型的f p 标准具结构，通过第二章的分析，我们 知道f - p 标准具的参数与系统的信道间隔有关。在以下的计算中，我们均考虑1 0 0 g h z 的信道间隔的情况。i t u t 规定了应用于g 6 5 2 光纤的8 个波长1 4 0 1 。 由于f ( ) 中f p 腔的厚度d 的值由频率间隔a v 确定。由此则可根据实际系统中的 a v 来确定厚度d 。 吼 n = 脚如咖 长 一 吣 涨 一 华中科技大学硕士学位论文 由f 2 1 ) 式得知，考虑正入射或者如射角比较小的情况下，相邻两束光的光程差为 = 2 n d ，设兄对应的干涉级次为( i n + 1 ) ，相邻干涉级次m 对应的谐振波长为 ( 五+ 五) ，= 2 n d = ( 肼+ 1 ) 兄= m ( 五+ 兄) ，因此m = 等，由此可以得至o m 2 n d = 寻( + 五) ( 3 - 1 ) 而击= 古，所以有2 槲= 击( 从m ) = 古肚古 可以得到： 拈赤(3-2 当频率间隔a v 为1 0 0 g h z 时，可以计算出厚度d = 1 0 2 7 r a m 。 由第二章的公式可知，色散曲线的周期为4 m a d c o s 0 丘= 2 m 丌( m 为整数) 。腔长 和倾角的变化会引起曲线周期和曲线位置的变化，如果是微小的变化，对曲线周期的 影响将会很小，但是对曲线位置的影响会非常大。 当倾角不变，且保持准直入射时，标准具厚度分别增加o 1 a m 和0 2 p m 时对应的时 延和色散曲线如图3 - 4 所示。由于我们的f - p 标准具的厚度是固定的，那么如果厚度与 理论值有偏差，会使整个色散曲线产生比较明显的平移，而我们实验中采用的标准具 厚度的加工精度达到0 2 肋z ，也就是说，我们的色散曲线最大漂移量约o 3 m m 。 6 0 6 0 & t 1 0 0 4 0 舞叫) 裂篡! 2 0 0 0 l 九 ，、 lil f l l 八 j ， ： ： ： ! 黛 j 一- j j 、一一 5 4 81 5 4 851 5 4 91 5 4 951 5 5 0 1 5 4 8x l5 5 0 波长( 单位：r i m ) q ( d l = 1 0 2 7 m m )一f 2 ( d 2 = d l + o 1 u m )3 ( d 3 = d l + 0 2 p m ) ( a ) 华中科技大学硕士学位论文 1 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 o4 0 0 巷d 1 ( x ) 2 0 0 舀d 2 0 , ) 0 芑一d 3 ( l ) 一2 0 0 描 q- 4 0 0 - 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 - 1 0 0 0 1 ， 5 4 8 1 5 4 8 d 1 ( d = 1 0 2 7 r a m ) 1 5 4 9 波i 圭( 单位：n m ) d 2 ( d 2 = d l + 0 1 a n ) 5 5 0 5 5 0 d 3 ( d 3 = d i + o 2 a r m ) 图3 - 4 不同厚度对应的时延和色散曲线( a ) 时延曲线( b ) 色散曲线 ( 3 ) 标准具倾斜角 如图3 5 所示，当厚度保持不变，倾角由分别为0 。、o 5 。和1 。时对应的时延和 色散曲线。放置f - p 标准具的调节架角向精度为o 0 2 度，色散曲线不会产生明显的漂 移。 6 0 6 0 t l ( 釜t 2 ( x ) h j r 3 ( k ) ，、 f 1 小：洲 i l f 【 ?洲 f t l 髟心 一，j i 以， l tl 、 ，7 二。i l 弋 、壬一一 q ( o i = 0o ) 1 5 4 9 波长( 单位：n m ) 一f 2 ( 0 2 = 0 5 。)r 3 ( b = 1 。) ( a ) 1 5 5 0 1 5 5 0 华中科技大学硕士学位论文 1 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 名400 鼍d t o ) 2 0 0 画d 2 0 ) 0 珊 一d 3 f a l 2 0 0 蔷- 4 0 0 - 6 0 0 - 8 0 0 一】0 0 q 1 0 0 0 刖 ；lhf ； f 州 ? ；j v 一7 。 耕 j ： ，l1 ；l 乡 ，下 ，7 一 7，7? i j i i |， j if ： l 。 ? ?i 。 川 ? 1 1i 7 d ( 0 1 = 0 。) 波| 支( 单位：i i i t i ) 一d 2 ( 岛= o 5 。) d 3 ( 0 3 = 1 。) ( b ) 图3 - 5 不同倾角对应的时延和色散曲线( a ) 时延曲线( b ) 色散曲线 ( 4 1f p 标准具的反射率 基片加工完毕之后，我们分别对f - p 标准具的两面镀膜。通过计算适当折射率的 膜层结构和膜层的数目，可以精确的设计膜系结构，以达到控制入射光波的频谱特 性、相位差等特殊功能h “。通常为了达到较高的反射率，采用多层高反膜。如图3 - 6 所示，当膜层两侧介质的折射率大于或小于膜层的折射率时，若膜层的诸反射光束中 相继两光束的相位差等于石( 光程差等于五2 ) 3 8 】，则该波长的反射光获得最强烈的 反射。图3 - 6 所示的膜系正是使它包含的每一层膜满足上述条件，所以入射光在每一膜 层上都获得强烈的反射，经过若干层的反射之后，入射光就几乎全部被反射回去。 第一面 ( 入射面) r 第二面 ( 反射面) 且 图3 - 6 厶4 膜系的多层高反膜示意图 图3 7f - p 腔的镀膜示意图 结合第二章的分析，我们兼顾f p 标准具的光谱特性和色散特性，我们将反射面 镀高反膜，入射面镀适当的反射率的分光膜。 华中科技大学硕士学位论文 在d = 1 0 2 7 m m 这个厚度下，当月，= o 9 9 ，马分别等于o 3 ，0 5 和0 7 时的时延和 色散曲线如图3 - 8 所示。 反射面的高反膜采用的膜系的介质的折射率分别为”。= 1 9 4 ，”，= 1 4 5 ，镀3 1 层，膜层结构为g h l h l h h a ，实际反射率r 2 达到0 9 9 9 7 ，中心波长为1 5 5 0 r i m ， o 5 d b 带宽为3 2 0 m n ，1 4 0 0 1 7 0 0 r i m 的范围内保持高反射率。 1 2 0 1 2 0 1 0 0 t lr 柚8 0 舞t 2 ( k ) 6 0 崔it 3 ( 九) 髻一4 0 2 0 1 r 7 ri少 l 少kl k么犍埝 r 。( 蜀= 0 3 ) 4 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 薹d i ( l ) 1 0 0 0 疽d 2 ( l ) 0 甜一 基删o o 如 - 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 - 4 0 0 0 1 5 4 9 波长( 单位：r i m ) 一f 2 ( r 1 = 0 5 ) ( a ) 1 5 5 0 1 5 5 0 l ( 置= o 7 ) “ _ ： j m j j ， ， ，厶、h 、。r，一 一 zl l j l ? 5 4 81 5 4 85 1 5 4 8 d ( 马= 0 3 ) 1 5 4 9 波长( 单位；r i m ) 5 5 0 5 5 0 d 2 ( r l = 0 5 )d 3 ( 马= o 7 ) ( b ) 图3 - 8f - p 标准具的入射面镀不同反射膜时的时延和色散曲线( a ) 时延曲线( b ) 色散曲线 华中科技大学硕士学位论文 我们实验中所用的光纤约为1 1 0 k i n ，按照1 7 p s k i n n l n 的色散系数计算，色散量为 1 8 7 0 0 p n m ，根据第二章的分析，冠- o 8 6 时，色散峰值可以达到1 7 7 5 0 p s r i m 左右， 但是色散带宽为仅o 0 1 2 n m ，我们考虑到实际测量中，仪器的不稳定性和测量精度，光 源中心波长的漂移大约为o 0 1 n m ，f p 标准具的色散带宽也不能太窄，如果波长偏移 一个微小量，色散值就改变很大。综合各个因素考虑之后，我们选择镀o 5 的分光膜， 如图3 - 8 所示，色散峰值为1 5 6 0 p s l n m ，色散曲线的带宽( 半幅全宽) 为o 0 3 8 r i m 。 对于月，为0 5 的分光膜，实际在1 5 5 0 n m 附近的反射率为0 5 1 o 0 1 5 ，膜层结构 为g h l i h l h a ，n h = 1 9 4 ，”= 1 4 5 ，月l ，= 1 4 5 。 3 - 3 _ 3f p 标准具的损耗分析 f p 标准具的损耗曲线如图3 - 9 所示，与我们在第二章分析的光强分布曲线的规律 是完全一样的。在谐振波长处的损耗最大。r 越大顶部越平坦，图中是r = 0 5 时的损 耗曲线。 口 纠 蒋 v 耀 疆 + 、p 厂 f ve呵 3 4 准直器的性能分析 3 4 1 光纤准直器的选用 5 4 8 51 5 4 9 1 5 4 9 5 波长( 单位：n m ) 图3 - 9f p 标准具的损耗曲线 1 5 5 0 l5 5 0 光纤准直器是光纤通信和光纤传感系统中的基本器件，般是由透镜和单模光纤 组成，其用途是对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤与光纤间的耦合效 华中科技大学硕士学位论文 率。由两个光纤准直器构成的准直器耦合系统中可以有较长的间距，可以插入光学元 件h2 1 ，因此被广泛的应用于连接器、转换器、衰减器、隔离器、波分复用器等无源器 件中。 现有的光纤准直器一般可以分为自聚焦透镜( g r i n ) 准直器和球透镜f c l e n s ) 准直 器。这两类准直器各自可以分为单纤准直器和双纤准直器。 近几年出现的球透镜( c l e n s ) 准直器比自聚焦透镜( g r i n ) 准直器的成本低，而且比 较适合长工作距离，在无源器件的制作中得到了广泛的应用。下面我们对球透镜( c 1 e n s ) 准直器进行分析。 3 4 2 单光纤球透镜( c 1 e n s ) 准直损耗分析 单光纤球透镜准直器结构简图如图3 - 1 0 所示： 图3 - 1 0 单光纤球透镜准直器结构图 两个准直器耦合时，准直器之间的失配会使单模光纤问产生附加损耗，如图3 1 1 所示，由发送球透镜和接收球透镜之间的位置失配引起的，也是由以下三种位置失配 引起的【4 2 f 4 3 1 ：( a ) 透镜横向偏离，( b ) 透镜端面之间的纵向间距，( c ) 透镜纵轴之间的角向 倾斜。 ( a ) 尾纤南h ( 酽 旦皿f l 口 透镜i i透镜 口扩 ! 竺1 ：i ：弘一一一一一一一一一一一一一 图3 - 1 1 几种重要的位置失配因素( a ) 横向偏离( b ) 纵向间距和( c ) 角向倾斜 华中科技大学硕士学位论文 理论计算和实验研究均表明： r a ) 横向偏离：增加两光纤准直器的横向偏离距离，光纤准直器的耦合损耗值也增 加，而且横向偏离小于o 0 5m m 时，改变横向偏离值，光纤准直器的耦合损耗值变化 不大。当横向偏离大于0 1 m m 时，耦合损耗与横向偏离几乎呈线性关系。 ( b ) 纵向间距：由于准直器之间传输的光在一定距离内为平行光，准直器耦合对一 定范围内的轴向间距不太敏感。 ( c ) 角向倾斜：光纤准直器耦合系统的耦合效率对角向倾斜非常敏感，稍微给准直 器一个偏离角，耦合损耗即发生很大变化。当两准直器偏角为o 1 度时，耦合损耗就达 5 7 d b 。因此在进行光纤耦合器的耦合时，应该特别注意两准直器角度是否匹配。 我们选用的是福州康顺公司生产的k f c l a 9 0 0 t - 1 5 5 0 一y 一3 0 0 一c - y ( f c p c ) 型号 的准直器。参数如表3 2 所示，最佳工作距离为3 0 0 m m ，两个准直器对调的损耗值随 准直器间距改变的曲线如图3 1 2 所示。 表3 - 2 准直器参数 参数单位指标 工作距离( w d ) m m3 0 0 中一t l , 波长( ) m m1 5 5 0 插入损耗( a , c 2 3 c ，最大值) d b0 5 回波损耗( 最小值) d b6 0 光束发散角( 最大值)d e g r e e o 1 光斑束腰( 最大值) o 9 勺 丑 甚 耀 嘱 05 01 0 0 15 02 0 02 5 03 0 0 准直器间距( 单位：m m ) 图3 1 2 准直器插入损耗图 华中科技大学硕士学位论文 下面分析准直器的和f p 标准具的来回光路中的损耗。入射光经过准直器入射到 f - p 腔反射，再返回准直器。f p 标准具的损耗曲线已在3 3 3 节中给出，我们现在单独 考虑准直器的光路耦合损耗。我们将标准具看作一个反射镜，认为其光路可以等效两 个准直器对调的光路，如图如3 一1 3 所示。在这个等效模型中，基本上不会有横向偏离 引入的插损，引入耦合损耗最主要的因素就是角向倾斜，即当标准具偏离与入射光垂 直的位置时，引起的耦合损耗。如图3 1 4 所示，我们将这种情况引入的损耗等效为两 个准直器对准时由角向倾斜引起的损耗。由前面的分析我们知道，这一因素引入的损 耗对器件影响很大，我们在实际的调试中，应当尽量保证标准具与入射光垂直。 f - p 标准具 e 口 _ 二二岳| | 剖 叫二二削p - 一一堕，i 图3 - 1 3 损耗等效光路图 幽3 1 4f p 标准具倾斜引起的损耗等效光路图 3 5 器件的光路调试与装配 我们按照图3 1 搭建光路，所用主要仪器如下： ( 1 ) 宽带光源：光通公司产宽带光源( l i g h t c o m ma s el i g h ts o u r c e ) ，波长范围覆盖c + l 波段，总输出功率约7 d b m 。这是一种稳定、高功率的宽带光源，广泛应用于光纤 无源器件的生产与测试，操作简单，测试精度高。 ( 2 ) 光功率计：美国n e w p o r t 公司产光功率计( o p t i c a lp o w e rm e t e r ) ，型号：m o d e l 1 8 3 0 一c 。工作波长1 2 0 0 - 1 6 0 0n l t l ，最大输入功率3 d b m 。用来检测器件的插入损耗、 偏振相关损耗等指标。 ( 3 ) 光可变衰减器：武汉邮科院产可调谐衰减器，型号：w r io a t v 一1 3 1 - f c p c ， 调节范围o - - 4 0 d b 。 ( 4