（光学工程专业论文）用于色散补偿的光纤光栅特性研究及应用设计.pdf

摘要 本论文内容主要分为三大部分：光纤光栅光学特性的研究、用于色散补偿的 光纤光栅优化设计以及光纤光栅的制作。光纤光栅类型的色散补偿器件以其诸多 优点成为目前光通信系统中应用最广泛的色散补偿方法。已有的研究都没有给出 光纤光栅的各种结构参数对其最终补偿能力的共同影响关系，论文针对光纤光栅 的特性与其结构参数之间的关系方面做了深入研究，其中包括切趾函数的选择以 及结构参数的选定，给出了优化曲面图，并可根据使用需要选择适当的参数，为 色散补偿光纤光栅的设计与制造提供了理论依据与参数选择的参考。 首先论文利用耦合模理论对光纤光栅的光学特性进行了详细的分析，在对比 了龙格库塔法和传输矩阵法这二种常用的分析方法的基础上，选择传输矩阵法着 重研究了光纤光栅长度、啁啾系数、耦合系数以及各种切趾函数与其反射谱谱宽、 反射率极值、时延、色散等特性的相互关系及影响。提出了几种不同的切趾函数 形式，由此得出了最佳的切趾函数形式，可以较好地替代目前通常采用的高斯函 数形式。同时论文还讨论了光纤光栅的另外一种形式相移光纤光栅，通过模 拟计算设计过程提出了自己的新观点，修正了许多文献中的错误观点。接着，论 文讨论了光纤光栅用于补偿光纤传输系统的色散现象。对线性啁啾光纤光栅的主 要参数( 光栅长度、啁啾系数和切趾系数) 进行了详细的优化设计，计算得出几 组直观、明了的优化曲面分布图。还进一步分析讨论了运用普通均匀光纤光栅作 为传输型器件补偿色散这一个新的方案，可使插入损耗大大减小，且光栅的制作 简单。最后论文讨论了光纤光栅的制作，分析了掩膜板后干涉光场的分布，指出 了掩膜板制作应该尽量实现零级抑制，且在系统调试中，光纤要尽量靠近掩膜板 放置这一重要结论，在此基础上利用现有实验设备制作出了光纤光栅，研究了不 、 同曝光条件对光栅制作的影响，并利用实验分析了光栅的温度稳定性。) ， 关键词：光纤光栅耦合模理论切趾函数线性啁啾色散补偿相位掩膜板 a b s t r a c t t h i st h e s i ss u m m a r i z e dm yr e s e a r c hr e s u l t si nt h ep a s tt w oy e a r s ：a n a l y s i s o ft h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so faf i b e rg r a t i n g , d e s i g no ff i b e rg r a t i n gf o r d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n df a b r i c a t i o no ff i b e rg r a t i n g t h ed a t ar a t eo ft h e f i b e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r kw o u l db ep r o h i b i t e dd u et ot h ed i s p e r s i o nw i t h i nt h e 1 5 5 0 n ml o wl o s sw i n d o w d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nc a nb eu s e dt oo b t a i nt h e o u t s t a n d i n gi m p r o v e m e n t o ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t o r s m a d eb yf i b e rg r a t i n g sa r el o wl o s s ，c o m p a c t ，p o l a r i z a t i o n i n s e n s k i v e ，a n dr e l a t i v e l ys i m p l ea n df e a s i b l et of a b r i c a t e i nt h i st h e s i s ，t h e s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa f i b e rg r a t i n ga r ea n a l y z e db yu s i n gt h ec o u p l e dm o d e t h e o r y t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u ss t r u c t u r a lf e a t u r e ss u c ha st h el e n g t h ，c h i r p ， c o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n da p e r d i z a f i o nt ot h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e d n u m e r i c a l l yw i t hat r a n s f e rm a t r i xm e t h o d t h er e f l e c t i v es p e c t r a lr e s p o n s e sf o r f i b e rb r a g gg r a t i n g sw i t hd i f f e r e n ta p e r d i z a t i o na r ea n a l y z e d ，a n dt h eo p t i m a l a p e r d i z a t i o ni so b t a i n e d t h ep h a s e - s h i f t e df i b e rg r a t i n gw a sa n a l y z e dt o o t h e n ， n u m e r i c a la n a l y s i so nd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fl i n e a r l yc h i r p e r f i b e rg r a t i n g sw a sc a r r i e do u ta n dt h em a i np a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d i n t r o d u c e dan e ww a yf o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni nt r a n s m i s s i o nu s i n g u n i f o r mf i b e rb r a g gg r a t i n g s a tt h el a s t , t h ea n a l y s i so ff l b e rg r a t i n gp r o d u c t i o n w i t hap h a s em a s kw a sc a r r i e do u t b a s e do nd i f f r a c t i o na n di n t e r f e r e n c e t h e o r i e s ，w ea c c e s st h en e a r - f i e l do p t i c a li n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n sp r o d u c e db ya p e r i o d i cm a s ka n dd r a wt h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o nt h a tw em u s tp u tt h em a s k n e a rt h ef i b e ra sw ec a ni nt h ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，c o u p l e d - m o d et h e o r y ，a p e r d i z a t i o n ，l i n e a rc h i r p e d ， d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，p h a s em a s k 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着现代科学技术的迅猛发展，人们对信息的需求量日益增大，对信息服务的需求也更 加迫切。近年来，各国相继制订的“信息高速公路”发展计划正是为了迎接这一场信息革命 浪潮而展开的。以s d h 为基础的高速光传输网技术是建设“信息高速公路”的主要技术支 撑之一。在过去的十年里面，光纤通信系统实际使刚的传输容量每年增人一倍，预测在未来 的十年中，它仍将以同样的速度增加。目前实际使用系统的最高数字传输速率为g b i t s 培级， 预计到2 0 1 0 年将增加一千倍，达到t b i t s 量级。然而，当传输速率达到每秒数干兆比特的 时候，基本上己接近了电子处理线路的响应极限，这使得通信系统的高速化遇到难以逾越的 障碍。 目前光纤通信已成为传输信息的主要手段之一。随着全球信息化的步伐不断加快，各 种通信技术如b i s d n 、a t m 传输、压缩编码赢清晰度电视等要求现有的光纤通信网提高传 输速率、增加中继距离舍容量。众所周知，限制扩容的主要| l 】素是光纤的损耗和色散。光纤 的损耗导致光能随着传输距离的增加而减小，限制了中继距离；光源啁啾年| | 光纤色散| l ! l j 造成 传输光脉冲的展宽甚至畸变，引起码间干扰，导致误码，从而限制了传输速率的提高，也制 约了无中继传输距离。因此，在光纤通信系统中必须设置对光脉冲进行放人雨再生的中继器。 现有光通信系统的中继技术实质上是十分成熟的电中继技术的移植，它在电中继的前后加上 光电转换和电光转换，构成一种“光一电一光”的中继模式。这类中继站存在着很人的缺陷， 不仅结构复杂庞大，而且造价昂贵，另外受到电子转换速率的限制，系统单通道的传输述率 一般不超过几个g b i t s ，远不能满足未来的具有极高传输速率的宽带综合业务网( b i s d n ) 的要求。 由于光子的响应速度远快于电子，因此为了克服电子转换速率限制这一瓶颈，必须发 展以光子技术为基础的全光信息处理技术，真止发挥川“光”米传输信息的优势。 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现使得光纤损耗的影响变得次要，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。如今已 经埋设的单模光纤大多是一阶色散零点位于1 3 1u m 波| 殳处的常规单模光纤，在此波长上传 输可以便考虑一阶色散的影响。然而由于1 5 5u m 是4 i 英光纤3 个低损耗窗口中损耗最低的 旃3 “ 浙江大学磺士学位论文 一个，疆显e d f a ( 掺锤光纾放大器) 巍是工作东北波长上，这馊德入 】矮囱予载捌l + 5 5p m 簸的波长，在就波长处常瓣先纤酌色散系数约为l ? p s ( n m k i n ) t 闲我色散游蘸裁缀突出。 从汝远来看，随着人们对信惠豢需求的增加，要求通信系统筢够在较宽波段范闹肉i ：作，波 段资源的开发必然对色散补偿提出更高的要求。 1 2 消除光纤色散技术的概述 1 2 1 色散概述 色散是光纤的传输特性之一。光信号在光纤中传输圆其不同频率或不同模式成分的群 速度不同而引起色散因此，色散反应了光信号淞光纤传播时的展_ 叠i 。光纤的色散现豫对光 纤通信极为不利。它使得光信号脉冲展宽、强度f 降，从i i i i 增加误码奉，影峋通信质姑。光 纾数字遵信传输螅是一系列脉冲码，光纤在铸输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲之间发生 重囊觋象，鞠产生7 鹳闼- t - - 拭，扶 嚣形成抟输玛勰失误，造成差错。为避免误玛出现，裁鬻 拉辣；唪闰难，等致传输速率降低，获蔼减少了遴信弈鼙。另一方瑟，先纤躲冲瓣襞宽秽疫 随献杌罐上分析，光纤的色敌包括材辩色散、波箨色散、揆式醺涟楚及偏振龟敌。榜$ ； 色散、 波导色散与光源相对带宽旯( 或频宽，) 有关，减小a 五或( ，) 宵利- j - 减, j 、色散；模 式绝数仪在多模光纡中占主导地位，它主要墩决于光野的扳射率分赢；偏振包散与光妻手的烈 折羹事搴鸯关。 在数学上，光纤的色散效应可以通过在中心频率d 处展开成模式传播常数的寨勒级 数米解决”3 ： 芦( 妫一瓣( 妫詈= 热崩一) + 圭多：( 国一搿。) 2 + 一 ( 2 。) 溅成2 矧( 一o ，l ，弘 当参量屈对应予脉冲展宽时，脉冲包络以群速度( v 。；1 届) 移动参拱届，屈和 辑瓣率n 存哭。它们瓣关系可由下嚣静式予褥到 屈= 争国期= 等= 毒 ：剖 棼4 哎 浙江大学硕士学位论文 ( 1 2 3 ) 式中行g 是辑析射翠，屈是辑愿厦色散糸数，是决足脉冲展览晌主婴系，逋雨也州色 散参数d 来表示色散，它与屈之间的关系为d = 一之芋厦。 l 在a = 1 5 5 x m 处，2 = 一2 0 p s 2 k m ，且在1 3 1um 附近改变符号。 除了一阶色散的补偿之外，高阶色散的补偿也是一个值得研究的问题，冈为它对丁 4 0 g b i t s 以上的传输速率有很大的影响。光纤在1 5 5 0 n m 窗e l 的色散可表示为： 扯a 面d 帆) + 竽嘉眠) + ( 1 2 - 4 ) 2 0 为脉冲的中心波长，其谱宽为a a ，a t 为色散宽度。，( 厶) = i _ l v ( x 。) ，其中i 笛丁 链路k 度，v ( 2 0 ) 代表光以t o 传输时的群速度，上式义可写成： 扯2 d ( 2 0 ) + 竿f d j ( + ”( 1 2 - 5 ) 其中( 一阶) 色散d ( t 。) 和色散斜率( 也n l i 二二阶色散) d ( 厶) 可表示为 哪加丢岗州 z 舢 d ( 九) = 刍【d ( 五) l 。厶( 1 2 - 7 ) 在1 5 5 0 n m 窗口，对标准单模光纤来说： d 1 7 p s i ( n m 白们d 0 0 6 p s i ( n m k m ) 。 1 2 2 消除光纤色散技术 光信号在光纤中传输因其不同频率或不同模式成分的群速度不同而引起色散，它使得光 信号脉冲展宽、强度下降，从而增加误码率，影响通信质最。从机理上分析，光纤的色散包 括材料色散、波导色散及偏振色散。材料色散、波导色散与光源相对带宽五( 或频宽厂) 有关，减小五或( a f ) 有利于减小色散：模式色散仅在多模光纤中1 1 i 主导地位，它土要 取决于光纤的折射率分布；偏振色散与光纤的舣折射率有关。 第5 贝 堕拼生彬 堕掰一c 堕掰 生如 汀孔 = 展 浙江大学硕士学位论文 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。当色散 引起光信号脉冲的展宽大于0 3 倍的输入脉宽时，便使得光接受灵敏度急剧f 降、均衡凼雉、 误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就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i 止通 信质量。经推导，光纤通信系统不受色散限制的临界传输速率且，= 1 1 4 c r ( w a ) ( 口根据 光纤的质量在0 5 i 0 之间取值) ，最大中继距离为l 。= c 2 d b 2 五2 ( 这里盯为光纤色 散的均方根脉冲展宽) 。所以，采取适当的色散补偿，减少甚至抵消盯、d 的影响，就可以 使得瓦、三一得以改善。 光纤的色散补偿得以广泛地研究和实验，已形成负色散光纤。蜩啾光纤光栅法、光孤子 传输、预啁啾技术、色散支持法、频谱反转法、多电平编码、相干光检测( 电均衡法) 以及 集成m a c h z a h n d e r 干涉法、时延线光均衡器等色散补偿方案。下面，对其中主要的色散补 偿方案进行分析【3 l 。 1 2 2 1 负色散光纤 研究光纤材料、掺杂浓度、芯径大小及结构等与色散的关系，我们得知纯f 漠材料在 i 2 7 a m 波长上不存在色散，并称之为零色散波k 。不同掺杂的i 英材料可产生不同的材料 色散，使其零色散波长向长波长方向移动。改变光纤结构参数，如减小芯径、不同掺杂浓度 等可增大其折射率，使零色散波长移至大于i 5 5 ：u n 波艮的何置，从而在i 5 5 a m 处得剑 较大的负色散。具有这种特性的光纤称为色散位移光纤。 光纤的色散定义为 为 d m ) 一1 d r g 、7 三以 ( 1 2 8 ) 式中f 。使光脉冲在光纤中传输距离l 后的群延时，它与光纤的传播常数有关，可表示 铲一三丢( 篑) 山 这里五，是光源的中心波长，c 。是真空中的光速。 ( 1 2 9 ) 由于光源有一定的光谱宽度五。，光脉冲在光纤中传输距离l 后的展宽姑可由r 式给山： 第6 贝 浙江大学硕士学位论文 忙( 渤丑- d ( 桃似( 1 2 - 1 0 ) 设传输光纤的零色散波长为厶，补偿光纤的零色散波长为，要求光源中心波长旯，在 九和a 。之间。于是，传输光纤和补偿光纤的色散符号在波长丑，处正好相反。光脉冲通过 第一段传输光纤后，由于光纤色散而发生展宽，然后将展宽的光脉冲经过一段补偿光纤传输， 当满足以下条件的时候，光脉冲的宽度又回复到初始值： d ( 丑) 上+ 见( ) 。= 0 ( 1 2 - i i ) 式中d ( t ) 和l 分别是传输光纤的色散和k 度，d 。( 五，) 雨i l 。分别是补偿光纤的色散核k 度。 研究光栅折射率剖面结构与色散补偿能量的关系，得到三包层光纤阶跃型光纤、w 型 光纤具有更大的负色散。通常考虑光纤损耗影响，刚品质因数( 色散与损耗之比) 衡蚓：负色 散光纤的补偿能力。用于基模的负色散补偿光纤的目前研制水平己达到5 0 0 p s k m i 3 m = 而川 于高次模的负色散补偿因采用近三角形剖面结构，其负色散值达到- 6 0 0 p s k m n m 。但其- 镐质 因数智能达到1 0 0 p s k m d b 的水平。 负色散光纤是一种无源器件，它可放在光纤传输网中任何1 _ ；z 簧，使心灵活、方便、可靠。 易丁光纤传输网的升级和扩容，且具有足够人的带宽。其不足之处在丁光纤成本较高当传 输速率和距离进一步提高时，其非线性影响就突山了。 1 2 2 2 啁啾光纤光栅法 在光纤上制成折射率非周期变化的啁啾光栅，就形成一个宽带滤波器，它的不同何置对 应于不同的b r a g g 反射波长当光脉冲信号通过这种蜩啾光栅( 周期从人剑小tk 度为l 。) 时，其长、短波长分量分别在光纤的头、尾部反射，这样短波艮分茸比睦波k 分姑多走2l 。， 距离，两波长分量之间产生时延差f = 2 l g v x ，从而补偿了由丁群速庳不同而导致的色 散，起到压缩光脉冲的作用。 利用严格的耦合波理论分析啁啾光栅色散补偿机制，求山其b r a g g 波长、带宽、时五正率 等并利用r u n g e - k u t t a 数值方法求桶啁啾光栅的反射谱特性。啁啾光栅的k 度、啁啾苗、 b r a g g 带宽、反射谱特性等参量决定了它的色散补偿能力。设计、研发高质黯的啁啾光栅是 实现这种色散补偿技术的关键。 、 第7 负 浙江大学硕士学位论文 采用无源光纤光栅进行色散补偿，具有体积小、插入损耗低、与光纤兼容性好、波1 支选 择性好、易于集成等优点，利用多个光纤光栅级联可以提高色散补偿能力，光纤光栅还便丁 系统使用和维、其成本低、可升级性好、可靠性高、受非线性效应影响小、级化不敏感，具 1 2 2 3 预啁瞅技术 在光纤传输系统中，光脉冲信号受到辨速度的色散影响，其i 茼频成分将逐渐集中剑脉冲 的前沿，低频成分将逐渐集中于脉冲的后沿，两者之间的时筹逐渐增人，脉冲也就被展宽。 预啁啾技术就是在强度调制直接探测系统中对光源加一个止弦调制，使得光脉冲前、后沿频 率交换，再经过一段距离的传输后，脉冲的频率分布基本恢复剑初始状况，这就是在一定科 度上补偿了色散的影响。对两个独立的预啁啾归零信号再实施偏振复_ e 技术，还产生了改进 以附带有线性啁啾的高斯形光脉冲为例，其幄度可以表示为 们= e x 一半( 寺 2 ：加， 式中c 为啁啾因子，t o 为脉宽。 经过预啁啾处理后的光脉冲在光纤中传输距离z 后，脉冲宽度t 变为： m ) ：地建型 z 椰， 式中屈是光纤传播常数关于角频率的二阶导数。频率啁啾是通过人为手段附加剑光脉冲 上的。由式( 1 2 - 9 ) 可见，若屈c 0 ，则啁啾光脉冲比无啁啾光脉冲展宽得更加快：若 声2 c 0 时，光纤色散引起的啁啾与光脉冲的初始蜩啾特性止好相反，两种啁啾 的作用在传播过程中相互抵消，从而使光脉冲压窄。光脉冲的晟小宽度发生在两种啁啾完全 抵消处。当传输距离继续增加，光纤色散引起的喟啾开始，i 主导地忙，光脉冲重新开始展宽。 预啁啾技术补偿色散的特点是无需对传输雨i 接收的没备及线路作改动只需往发送激光 器上加一个额外的正弦调制即可。但是它要求激光器的调频特性较好。预啁啾技术已经较成 1 2 2 4 色散支持传输法 第8 贞 浙江大学硕士学位论文 色散支持传输法需利用激光器的调频特性，在光纤传输系统中先对激光器进行直接( 内) 调制，由于不同频率的信号在光纤中的传插速率不同在接收端产生信号交叠。对纯粹的 移频键控( f s k ) 来说，光功率在两种频率的光强重合处为最高峰，在两频率的光强错开之 处为低谷。控制频率调制的大小使得不同波长的光经过l 距离屙所产生的时延著 a r = a a d l = l b ( b 为传输速率) ，于是调频信号就变成了调幅信号，通过低通滤波器进 行判决即可；对于有残余幅度调制的f s k 来说，在接收端产生四数值光功率可在判决电路 之后利用低通滤波器或一个两门限判决器，从而得到同复的初始信号。 此方法结构简单，技术成熟，且不必使用外调制器，造价低。但是必须使州f m 性能较 好的激光器，且在接收时必须根据激光器的光纤传递函数，合理地设计滤波器等，以克服由 于啁啾和寄生调幅所造成的影响。 1 2 2 5 频谱反转法 在非线性介质中，当输入频谱为国1 0 3 2 ，吐的光( 波矢分别为k i ，k 2 k 3 ) 足 够强的时候，发生三阶非线性极化。当满足相位匹配条仆j ( = k + k ，+ k + k = 0 时， 就会产生四波混频并输出频率为珊= ，+ ，+ 魄，波久为k 的光，其中f ，女= 12 ，3 j 芋k 在信号光( 频率为0 9 s ) 传输一段距离之后，加入光功率足够强的泵浦光( 频率为珊。) ， 且使其满足相位匹配条件，产生四波混频效应，这样输出光中有频率为= 2 甜。一甜、的成 分，它使得，的高频分量转换为的低频分量，而。的低频分最转换为的高频分姑。 在继续传播过程中，原相位超前的光频率相位便逐渐落后，原相位超前的光频率相位便逐渐 落后，原相位落后的光频率相位便逐渐超前，从而减小直至抵消原有的色散。 频谱反转色散补偿的方法可实现大容量| 殳距离的色散补偿且损耗较d i 。心、r 导体器仆 可实现相位匹配四波混频，它与其他光器件集成还可川丁全光网，但对所川的人功率泵浦光 波提出一定要求，这些相关技术有待进一步研究。 1 2 2 6 光孤子传输 光孤子传输法是利用光的三阶非线性效廊来补偿色散。当光纤中的光能姑足够人时，将 产生自相位调制，其作用与色散作用恰恰相反，这就使得光脉冲的宽度在传输过科中保持不 变，形成光孤子传输。 笫9 负 浙江大学硕士学位论文 当光纤材料s i 0 2 的折射率与光脉冲的场强呈线性关系时，不同强度的脉冲分鼙的相速 相同，在传输过程中产生不同的相移。这种现象称为自相位调制( s p m ) ，结果会造成脉冲 频谱的变化。对于高斯脉冲，自相位脉冲，自相位调制导致脉冲前沿谱下降( 称为谱红移) ， 后沿谱上升( 称为谱蓝移) ，其他形状的脉冲也有类似的结果。在反常色散( 咖。d 0 ) 的情况下，脉冲的高频分量运动速度高于其低频分姑，臼相位调制导致脉冲前沿由丁谱红移 而减缓了运动速度。反之，脉冲后沿由于谱蓝移而加快了运动速度。冈此竹线性效麻在反常 色散区对于脉冲的作用趋势刚好与色散对脉冲的扩散作用相反，肖满足一定条什，这两种作 用在数量上达到平衡时，脉冲就可以保持形状不变，变成光孤子。 光孤子传输系统通常采用色散位移光纤，并在链路中加入人耸的掺饵光纤放人器补偿足 够的能量以维持其非线性效应，因此系统的造价昂贵。另外，组成系统的各模块技术尚不成 熟，这都影响光孤子传输色散补偿的广泛应用。 1 2 2 7 比较与结论 以上讨论了不同的色散补偿方案的特点，f 面讨论各种方案在全光通信网中的麻川特 征。 若采用色散补偿光纤，对于“域网来说，负色散光纤方法效果较好，实施i ：艺业不雉。 但对丁城域网来说情况就有所不同。首先必须使两个仃点之间的总色散为零。即使州一段标 准单模光纤另外加一段负色散光纤，负色散光纤比标准单模光纤有更人的损耗，而且由丁芯 径不同，两种光纤在连接处有较大的损耗。由于在全光网络中必须进行功率控制以平衡整个 网络的功率，因此，负色散光纤的加入会给功率控制造成困难，对光通信质晕带来严重的劣 化影响。 预啁啾技术对于局域网来说非常有效，但是对于城域网币l 广域网来说它的补偿距离不 能满足要求。 对于本地网来说，由于：管点之间只有儿千米或更短的距离，如果网络本身不是太复杂， 即使传输速率是l o g b i t s 也可以不必使用色散补偿。如果网络较为复杂使州负色散光纤就 不是一种好办法，应当使用其他的色散补偿方法。 相比之下，实现光孤子、频率反转及预啁啾技术在目前都具有一定的难度，对丁光源 要求苛刻，实施工艺复杂，不易实现。在实腌过程中不仅j ：程造价高，而且色散补偿效果也 不适丁= 灵活多变得全光网络且引入的噪声降低了系统的传输质苗。 在过去的数字系统中，尤其是当再生器之间的距离相对较短、数据传输速率较低时， 第1 0 砸 浙江大学硕士学位论文 偏振模色散( p m d ) 的影响并不十分显著。近来随着光纤系统的改进，例如，w d m 系统和 光放大器的使用，p m d 已经日益成为长距离、多信道高速率系统瀚在地限制因素。p m d 是 由光纤截面微小的不对称引起的色散。这种不对称性引起两个相互垂赢的基本偏振模以不同 的速度传播，因此产生了色散。p m d 取决于烈折射率和模耦合。p m d 随着舣折射率的增加 而增加。模耦合发生在光能的快速模与慢速模相互传递之处( 如熔接处) 。由丁是些随机的 变化，一段光纤的p m d 可能会与另一段光纤的p m d 叠加或者抵消，从而引起p m d 任意移 动式的积累。内在于外部的因素都能引起模耦合和坝折射。内在冈素包括预制棒或折射率分 布的不对称性、熔凝过程的控制、拉丝张力的不对称和光纤自然耦合点：外部冈素包括诸如 光缆制造、铺设过程中的侧向挤压、扭曲和弯曲。目前对p m d 色敞补偿器1 ，| ：及技术措施i l 处在研究中，所以应该在光纤制造过程中对光纤不圆度有更加严格的要求，以减小p m d 指 标。 啁啾光纤光栅被业内人士认为是目前最为实川的一种色散补偿方式。它具有带宽宽、 插入损耗和高补偿率等特地。由于体积小，可以很容易地安装- r 现有的传输系统中，可以很 方便地进行全光通信的一维集成。技术稳定性蚶，产品可靠性高。由丁啁啾光纤光栅是反射 器件，在系统中使用时。需配以环形器方可实施。这种方案会引入附加损耗平增加i ：氍造价， 但目前环形器的制造技术已比较成熟，这种无源器件的性能指标如插入损耗等亦比较理想， 引入系统中不会对网络性能产生大的影响。与前儿种方案相比，实施l ：艺简单，造价亦不高， 且可根据传输距离或所需补偿量来设计、选择器件。这种方案灵活方便，补偿效果好，可控 制性也好。如果所设计和加工的光纤光栅的周期是均匀的增加或者说是线性很蚶的啁啾光纤 光栅，并仅以频宽2 n m 的半导体激光器发出的1 0 0 p s 的脉冲为标准，那么在理论上可以得 出这样的结论：啁啾光纤光栅可以使得系统在全光通信条件f 传输距离扩人3 个以上数域 级。刚光纤光栅补偿色散的作用就如同_ e f j 光放火器补偿损耗。因此啁瞅光纤光栅的研制硐l 麻 用对实现i ；速率、大容量、氏距离的全光通信有重人意义。 1 3 光纤光栅简介 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次报道了光纤的光敏现象“，之后，人们对其特性进行了人姑的 理论分析和实验研究。随着紫外写入制作技术的日趋成熟，光纤光栅在光通信中的应州也越 来越广泛，各种光纤光栅器件纷纷问世。从光发送、光放火、光纤色散补偿剑光接收，都将 受剑这一重要器件的革命性的影响。特别是在密集波分复川系统中，光纤光栅作为解复h j 器 第1 l ! ；f 浙江大学硕士学位论文 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 r b r a g g g 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，导致一定波欧的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱年反 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。所谓光敏性，是指哇虽激 光通过掺杂光纤时光纤的折射率将随光强的空间分布发生相麻的变化，变化的人小与光强 成线性关系。如用特定波长的激光干涉条纹( 全息照相) 从侧面辐 ；c 掺锗光纤，就会使其内部 折射率呈现周期性分布，并被保存下来，成为光纤光栅i 。这种光栅在人约5 0 0 c 以f 稳定 不变：但用5 0 0 以上的高温加热时就可擦除。 在光纤光栅技术中，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人未被全部揭开，但儿乎可以肯定是于色心相关的。m e l t z 等人认 为，2 4 5 n m 色心吸收带的光子漂白是导致可见光合近红外谱隈折射率干变的起冈。 目前，人们认为在光栅形成的动力学过程中，包括一种以上的形成机理，其中包含辐射 是玻璃结构中的某些键断开，如在锗掺杂硅材料中氧空穴缺陷释放了一个臼由电f ，并被结 构的某出色心所俘获。而在紫外光谱部分，新的光子俘获改变了锗掺杂的吸收性质，进步 来说，在吸收谱中，正的净变化通过k r a m e r s - k r o n g 关系，导致了折射率的增加。这种观点 称为色心模型。 其他一些效应也在诱导折射率变化的过程中起着重要的作州。诸如当光纤在制造过科中 引入了赢利。在吸收波长为2 4 0 n m 附近的紫外光后，所产生的热鼙是光纤局部应力释放造 成光纤纤芯区密度的增加，从而增大了其折射率，这种结构模型有实验事实的支持。 总之，光纤光栅的光致机制目前由多种解释，以上是被广泛接受的儿种观点。 b g e 光纤通过掺如硼材料可以减小光纤的数值孔径，从而容许增人锗含茸，达剑增人 光敏性的作用。 氢载光纤氢分子改变了原来的s i o g e 键而形成了s i o h 键，此时j 它的折射率变 化不仅靠g e 0 2 中的g e o 振动的位置，而且还依靠由于氢氧根与锗作川的每一个锗的何置。 由于当掺氢光纤被紫外线照射时，可使每个锗原子都与紫外光发生反应，所以折射率变化明 显提高，可能超过l o 。对于任何通行用的锗硅玻璃光纤来说。特别是氧化锗含带很低的锗 硅玻璃光前，通过该技术也能得到高反射率的光纤光栅。 光纤光栅的一个很重要特性，就是在b r a g g 波良处的窄带反射特性。光纤光栅的绝人部 分应川也l e 是基丁这一特性。对丁这一性质的研究，理论分析已趋丁成熟，实验研究也已取 第1 2 “ 浙江大学硕士学位论文 得了很大成果。 光纤光栅的另一个特性，就是在禁带( p h o t o n i cb a n dg a p ) 附近的极强的传输色散特性 ( 一般要比普通光纤介质大出几个数量级) 。尽管这一强色散区域存在的频带很窄，但其独 特的性质还是引起了人们的关注。在国内，人们对于光纤光栅的研究往往局限丁研究其反射 特性( 即光脉冲在禁带内的性质及其受光纤光栅构造参数、外力应变及温度变化的影响等) ： 但在国外，对光纤光栅的传输色散性质的理论探讨和实验研究已经取得了很人成果。有人提 出利用这种强色散特性进行色散补偿，较其它色散补偿方案更易实现，且具有更高的补偿效 率。实验上已成功实现了在7 2 公里的光纤中利川光纤光栅在1 0 g b i t s 信号无误传输时的色 散补偿”1 。最近。人们又提出级联光纤光栅的构想，利州它可以在密集波分复川系统中实现 多信道色散的同时补偿。 1 4 光纤光栅在光通信中的应用 光纤光栅对从光发送，光放大，光纤色散补偿剑光接受的儿乎每个方面都将产生重要的 影响。 1 4 1 色散补偿和脉宽压缩 普通光纤的零点散点位于1 3 1um ，在1 5 5h 1 1 1 处有约】? p s k m n m 的色散利州啁 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，由丁体积小， 它可以很容易地安装于现有的传输系统中， 原理：由于不同波长在啁啾光栅中传| 罱时，在不同位置发生反射，经过光纤传输后的 入射光脉冲中的长波长分量( 低频分量) 位丁脉冲的后沿，使其在光栅的起始端就被反射， 而短波长分羹位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射这样艮短波k 之间产生一个时 延差，从而便会使脉冲重新压窄于是就补偿了色散效应使脉冲被压缩共至被还原。 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平 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。男 有报道，一种长度为i m 的啁啾光纤光栅具有3 0 n m 的带宽，可以补偿8 0 k m 常规单模光纤 产生的色散。 缺点：目前一般的啁啾光纤光栅的带宽有限，难以同时补偿多路波分复川信号，只能 补偿单波的情况，以及对温度的敏感性等，使得它离真止的实际i ：科麻州有一定的距离。 第1 3 蜓 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 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_ l _ i j 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r ，在d w d m 网络h 点上加减一个或几个信道，利用它可以方便的实现上。f 话路功能。利朋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。 四个波长进入光纤传输时，由于光纤光栅对于b r a g g 波k 的光有着良好的反射作州，将 被反射并从环行器输出，实现下话路：同理可以实现上话路。利用不同b r a g g 波长的光纤光 栅可以实现不同波i 受信号的上下话路。如果应刖多端口的光环行器，则可以实现多话路的 上f ，大大提高了系统的灵活性。研究表明通过精确的波k 调整和光纤设计可以在信道阆 隔为0 3 n m 的情况下无串话。 利用b r a g g 光栅优良的选频特性，可以对光纤透射谱中的任一波长进行窄带输出冈此利 用b r a g g 光栅可以制成各种性能优异的滤波器。_ l i jtd w d m 网络中作为波艮选择器。这种 滤波器的中心波长由光栅控制，滤波器的带宽可通过改变光栅调制强度或稍微改变光栅周期 的啁啾量来得到。 1 4 3 波分复用解复用器 波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，d w d m 系统中的复川解复川器也 叫合分波器。它实现了在一根光纤中传输多个波k 的信道，并且在终端将不同的波 ：= 分解 出，传给不同的用户。因此对复用桶复用器提出了很高的要求。以m z 干涉仪雨ib 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川解复川。 光纤光栅具有很好的选频作用所以它可以被用作密集波分复刚系统的解复州器，光纤 光栅波分复用解复用器由在光纤马赫曾德干涉仪的两个干涉臂上具有两个完全相同 的布拉格光纤光栅组成。经波分复用后若干个波长的信息流( 假设有从 l j x2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ) 端口1 输入。若光栅的共振波艮为 4 则由丁：光栅的反射作h j ，波艮为 4 的光源将在端口2 出现。而其余的光将在端口4 输山。理想情况f ，干涉仪的两个臂完全平 衡，则端口3 不会有光输出。由丁复用和解复用的同有对称性，可以使川这种器什作为波分 复用器。此时， 4 波长的光从端口3 输入，与从端口1 输入的己复川的其它波k 的光复川， 从端口4 输出。如果放置具有不同共振频率的成对光栅丁干涉臂上则可以同时插入或解山 第1 4 , j l 浙江大学硕士学位论文 多个不同的波长的信道。该复用解复用器与输入光波偏振态无关，且在15 5 0 r i m 处对信道 间隔为1 0 0 g g h z 的信号进行有效的复用解复用。光纤光栅的波分复用解复_ i = i j 器有较低的 插入损耗。现在欧美有些厂商可提供5 0 g h z 、1 0 0 g h z 的8 1 2 0 通道的光纤光栅波分复州 器。插入损耗指标低于同类产品。 1 4 4 光纤光栅在激光器中的应用 光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源。近年米由丁光纤制造i ：艺的 进步。紫外写入光纤光栅等技术的日益成熟以及各种激光器，特别是、h 导体激光器技术的发 展。目前已研制出多种光纤光栅激光器。光纤光栅的出现使光纤激光器的没计和制作变得十 分简单，大大降低了光纤激光器的成本。它的损耗降低剑极小，输出波长可以精确地选择并 通过改变光纤的温度和应力实现连续可调激光器的线宽极窄，并与光纤具有良好的匹配性： 利用光纤光栅作为选频元件的外腔i 导体激光器具有波k 稳定好雨l 可控性好等优点。 1 ) 光纤激光器 d b r 光纤光栅激光器 d b r ( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s ) 光纤光栅激光器如图14 1 所示。利川一段稀十掺 杂光纤和一对光纤光栅( b r a g g 波长相等) 构成谐振腔，刚9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 泵浦激光激发， 饵离子就会产生增益放大。在于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输山 单频率光。再经过光隔离器即能输出线宽窄、功率高平噪声低的激光。 泵浦隔离器 有光栅的掺e r 光纤光栅 图i 4 - 1d b r 光纤激光器结构示意图 另外用两个或多个d b r 激光器串联，可实现多波长输出激光器。每个d b r 激光器确 定一个波长，可以分别进行调谐。s v c h e m i k o 等刚串联的耦合腔结构获得了间隔5 0 g h z 线宽1 6 k h z 的双波长激光输出。这种结构的缺点是需要多段掺饵光纤，多对b r a g g 波k 相 同的光栅来构成谐振腔，使整个激光器尺寸较人。 、 浙江大学硕士学位论文 d b r 光纤光栅激光器面临的主要问题有由于谐振腔较短，导致对泵浦的吸收效率低， 谱线较环行激光器要宽；三能级系统固态激光器普通存在的白脉动行为住光纤光栅激光器中 也存在，即模式跳变现象。 d f b 光纤光栅激光器 d f b ( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ) 光纤光栅激光器如图1 4 - 2 所示，利朋直接在稀十掺杂光纤写 入的光栅构成谐振腔，有源区和反馈区同为一体。d f b 光纤光栅激光器优越1 - d b r 光纤光 栅激光器之处主要是只用一个光栅来实现反馈和波长选择冈而频率稳定性更好，还避免了 掺铒光纤与光栅的熔接损耗。同时用多个单频i ：作的d f b 光纤光栅激光器串联也可实现多 波长输出。这种激光器的缺点是掺饵光纤纤芯含锗少或没有，光敏性著。冈而写入光栅尉雉。 衮浦隔离器 有光栅的掺e r 光纤 图1 4 2d f b 光纤激光器结构示意图 外腔半导体激光器 除全光纤激光器外若把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射镜，也可以 制出性能优异的光纤光栅d f b 激光器。这种激光器不仅输出激光的线宽窄易丁光纤耦合， 而且通过对光栅加以纵向拉伸或改变l d 的调制频率就能控制输山激光的频率和模式。 随着光纤通信向大容量、高速率方向发展，特别是w d m 、d w d m 的发展迫切需要 发展一种多波长且波长及波长间隔符合i t u t 标准的光源。利川光纤光栅制作的光纤光栅 激光器较容易满足这些要求，并且光纤光栅激光器与通信系统的光纤相兼容。冈而光纤光栅 激光器是光纤通信系统一种很有前途的光源。 1 4 5 光纤光栅在e d f a ( 掺铒光纤放大器) 中的应用 掺铒光纤的增益谱具有很大的不平坦性，这对t - e d f a 在多波艮光纤系统中的廊川是 十分有害的。t a p 型光纤光栅( 包层发生渐变的光纤) 对丁入射光具有一定的损耗特性。冈 此可以根据掺铒光纤的增益谱用多个t a p 光纤光栅构成一具有特定形状的损耗谱从而使 e d f a 的增益平坦化。实验上已经实现用八个不同的t a p 光纤光栅使e d f a 在3 3 n m 的带宽上 第1 6 贝 浙江大学硕士学位论文 增益波动小于o 3 d b 。此外单模光纤中的长周期光纤光栅也是一个具有波长选择性的损 耗器件。因此也可以用于e d f a 的增益平坦化。实验与理论研究表：应j _ f jk = 周期光纤光栅进 行e d f a 的增益谱平坦化可以获得极为满意的效果。这种器件对于e d f a 住密集波分复h j 系统中的应用具有十分重要的意义。有人j e ；i 妖周期1 4 7 4um 的光纤光栅制作了增黼均衡器， 使e d f a 在大于3 0 n m 带