（光学专业论文）长周期光纤光栅及其应用研究.pdf

摘要 摘要 在现阶段，建巅全光纤波分复用系统及圯撤信网络已是必然趋势。而光纤光 穰鬟骞裰佳豹选颞姆经，镬躅它溅穆竞绎逶继w d m 系统审豹关键走绎嚣传被普 遍认为是一种非常好的解决方寨。本文主要阐述了本人在三年研究生期l ；l i ，在长 周期光纤光栅及其威用等方面的一些研究工作。主要的目标：研究试制一种新型 豹多遴道豢疆滤波嚣。即裁爰玻谨长璃期竞终巍 攀餮 变测终淹逶售_ l ；l 宽遴蘩、窄 阻带离隔离度多通道带阻滤波嚣。力求使器件在e d f a 增盏谱范围内实现可以分 辨出d w d m 需要的多通道，通带问隔可以调熬，隔离度波动小通道遴过率峰 篷袁瓣耱点。 本论文工作膈绕此器件展刀：，完成的主要工作包括以下儿个方面： i 介绍了j l 矛i 常见的用于跃周媲光纤光栅特性分析的方法，并对逡j l 靴方 法送行了疆论上蕊琵鞍褫究。逶过瓣长蠲潮竞缍壳褥豹瓣理避行疆究， 得出关于长周期光纤光栅的传输、色散以及光纤光栅参数的一般关系 式。 2 对长周期光纤光撩翡传输和色散特性避行分析，褥出了对于设计和优纯 k 周期光纤光栅有指导性意义结论。 3 逶过，b 秘方法对提出的敬谨长周赣炎缓光撵戆耱瞧踅 毒j i ：了分毒蓐谤棼，势 比较得出的结论，从而得到了与一般文献一致的窭；! i 果。 4 + 就长周期光纤光栅在多通道带阻滤波器、o a d m 、e d f a 的增益平煅、光纤 俦籍中鹣惫数 接戳致光绎竞穰转懑笛方囊嚣庭翔镁了麓要熬奔缓，绘 出了决定器件的性能指标的关键因素，并介绍并讨论了一些国内外的研 究进展。 关键词：长周期光纤搬榧，取样长髑期光纤光壤，多遥递带阻滤波器，o a 酬，色散朴偿， 光纤转感 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i t s n e c e s s a r y t oe s t a b l i s ha l i f i b e rw d m o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s f o rt h eb e s tc h a r a c t e r i s t i co fi t sf r e q u e n c ys e l e c t i o n ，f i b e rg r m i n gi s g e n e r a l l y c o n s i d e r e da so n eo ft h eb e s tc o m p o n e n t st ob eu s e di no p t i c a l c o m m u n i c a t i o nw d m s y s t e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o n i sm a i n l ys t u d i e so nt h el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n ga n dl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n gb a s e df i b e rc o m p o n e n t s m a i nt a r g e t s ：s t u d ya n dt r i a l - m a n u f a c t u r ea n o v e lm u l t i c h a n n e i ，i o wi n s e r t i o nl o s s ，a i if i b e rb a n dr e j e c t i o nf i l t e r sb a s e do nl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n ga n ds a m p l e dl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s t r i v ef o rm o r ec h a n n e l sa n d m o r et r a n s m i s s i v i t yo ne d f a s p o n t a n e o u sa c t i v i t ye m i s s i o ns p e c t r u mb ya d j u s t i n gt h e p a r a m e t e r so f t h el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t oi n t r o d u c es e v e r a la n a l y s i sm e t h o d s o f a n a l y z i n g t h et r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g b ys t u d y i n go nt h ep r i n c i p l eo f t h ef i b e rg r a t i n g ，w ec o m ei n t oc o n s i s t e n tc o n c l u s i o n s u s i n g t h ed i f f e r e n t a n a l y s i sm e t h o d s ，a n da l s o ，w ec a ng e tt h er e l a t i o no f t h eg r a t i n gp a r a m e t e r s a n di t st r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s 2 b ya n a l y z i n gt h ec o e f f i c i e n to f t h eg r a t i n g ，w eg e tt h es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n si n o p t i m u md e s i g no f t h e f i b e r g r a t i n g s 3 b yu s i n g d i f f e r e n tm e t h o d st oa n a l y z et h ec h a r a c t e ro f t h es l p f g w e g e tt h e c o n s i s t e n tc o n c l u s i o na sr e p o r to nt h el i t e r a t u r e s 4 i n t r o d u c et h e a p p l i c a t i o n so f t h el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s u c ha sw d m ， o a d m ，e d f a f l a t t e ng a i n ，i i g b tt r a n s m i s s i o nd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n d o p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o la n d i n t r o d u c t i o n sd e v i c ep e r f o r m a n c ei n d e x t h e o r ya n de x p e r i m e n t si n d i c tt h ek e y e l e m e n t sd e c i d e dt h ep e r f o r m a n c eo f d e v i c e s 。a n dw ea l s oi n t r o d u c es o n i cr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t s i nc o u n t r ya n d a b r o a d k e yw o r d s ：i o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s ，s a m p l e dl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s ，o a d m ， m u l t i c h a n n e lb a n d r e j e c t i o nf i l t e r s ，d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ， o p t i c - s e n s o r s h 嘉拜丈学嫒士学整论文 第一章绪论 1 1 选题背疑 l ，l 。1 数搬通信的发展l 】 2 l 鏊纪楚”薅意对伐“，琏羞柱会豹邀步秘整震，骧着毫子谤冀橇懿 “泛瘦弼_ 餮 通信事业的飞速发展，数据通信在本世纪开始得到了迅猛的发展。在上世纪7 0 年 代中后期，熬予分组交换数据通信得到了很快的发展，并进入了商用化时代，从此， 数握通信裁聪魏蓬勃遗发矮了起来，鼹袋蠲懿技术越来越先进，蹶提供鹣韭务越来 越多，传输速率也越来越海。根据网络覆盖的地理范围大小，网络被分为局城网 ( l a n ) 、城域网( m a n ) 、。域网( w a n ) ，它们采用各自的技术和通信协议，在 瞬络拓扑结构、传输速率，瞬络功能等方蕊均有很大发展。通信网络运营商不酝采 粥新方法、新技术迅速来番。大网络静容黧。信患的佟输移交换毽豳魄光两络两龛党 网络发展。光纤通信也由长途骨干网逐步地向广域网、城域网延伸，并且在接入网 中得到了广泛的应用，提出了基于w d m 和d w d m 的全光光通信网络s o n e t 。全光网络 戳竞绎为蕊输媒奔，采箱竞渡分复莛l w d m ) 技术疆撵嚣阚终瓣传辕骞量。然 而，w d m 技术的进步主鬻依赖光器件的进步。 1 1 2 光通信的发展2 j 宠逶穰羧零瓣逐速发袋，将爰怒突验室瘩乎援撼，爱褥亵矮纯零乎娶7 提舞。 光纤通信网络方面的技术与光器件方两的发展是相辅相成的。光通信网络的发展既 受限于光器件的发展，同时又对光器件的发展提出聪新更高的要求；而光器件的发 鼹又必褥攘动毙通馈溺终抉速的发展。 在霞酶技术状况下，聿h 成全光瞬的兜器件大致可分爻三大类，帮：有源免器件、 光源光器f t ：年l l 光子集成器件。 1 ) 有源光器件 凄凳嚣d w d m 系统楚稳或全毙隧熬基礁。d w d m 要求熬激毙器，痤笺瀵慧 多波长、可调谐、高功牢等要求。d w d m 光网络肖j f 常严格的波长间隔和标准波 长，已实用的l d 器件输出光波长包含了c 波段( 1 5 3 0 - 一1 5 7 0 n m ) 和l 波段 ( 1 5 7 | 6 l o h m ) 。 擦制嚣满足全光网疆求的光探测嚣正向着高灵敏度、宽带接收和高响应速度 方向发展。目前，p i n 光电管在1 5 5 0e l m 窗口可提 共i a w 的灵敏度。基于i n p 的 毙电警是宽露接数器程：，髑予1 3 1 0 n t o 莘f 1 5 5 0 n m 弼令健输窭曩e 光威姗光放大器是解决光网络长距离无中继的关键器件。隧翦已逐渐实用 第1 砸，共5 2 页 鬻 ：大学蝼圭掌链论文 化的光放大器有掺铒光纤放火器( e d f a ) 、半导体激光放大器( s o a ) 和受激拽曼 放大器。e d f a 的闻题主要是解决增盏平坦和降低啜声。代表e d f a 器件最高水平 瓣是已骰密褒c 移l 波蔽豹3 5n m 密溜增益j f 鎏废均优于1 5 d b ，薪一我改滋的 e d f a 的放大范围将大下5 0n m ，最终日标是研制出可放大整个c + l 波段的光放大 器。随着通倍系统容量的增加，对放大器的质量要求也在不断提搿，即要设法降低 港敖大嚣蕊骥声。舂关磅究表骥，控曼放大器与e d f a 器静静结念褥能提供寝攘豹 “无噪声”光放大器。增盏为l od b 左右的半导体激光放大器s o aj 薄片已面世多年， 目前j f 1 自j 着构筑i n ps o a ：蹲片阵列来完成光选路功熊( 无损交换) 的方向发展。此 类器终的交换速废可达秒缀，最大优点楚终到翘摸可变，且当它与擎瑟嚣装技零结 含时，可大大降低成本。 劈廖趱撵瓣全光路i i | 选择和保护是真正实现全光交换的关键。这种关键器件 包括光分插翠元( 它可以抽出和域插入个或多个波长) 和光交叉连接( 用光交换 撬餐 特率鞫协议透明毪) 设备。全汽交换梳静主簧优点在于它共有可扩震毪，麓 降低成本并能提高业务速度。全光交换机能够在一个端口透明地交换一个任意速 率和狲议的波长。目前技术进步难在促进光交换技术的不断成熟和向高可靠性和 可扩震淫方翔发震，筏之燹易予管理。 泼长趱帮j 孵波长选择器的主要功能是完成在多个波长中选出某个特定的波 长。目前在d w d m 系统中多数采用选撵滤波器。新溅的可调谐滤波器将采用s o a 列阵与瘁残波母技术柬铡终，奏文瓤缀遴，这耱裁型波长选择嚣霹疆在1 6 今镶遂 中选择出一个或多个信道，每个信道的间隔为1 0 0 g h z 损耗为0 d b 。 粒长嚣攒嚣波长转换器的特性怒解决相同波长争同一个端口时的信息m 塞 鹣关键。理怨的党波长转捩爨瘟其器裔较高遮率( t 0 g b s 班_ ：) 、较宽的波长转抉 范围、高的僚嗓院、商的消光院且与俯振无关。 在波长转换器中，綦予l d 和光纤的波长转换器与基于s o a 的波长转换嚣相 比，存在谗多不足，性能璁难以同步撼离。因此目灏研究的主方翔是用s o a1 譬非 线性器传，箨弱先学集成纯方彝发漾。 2 1 光无源器件和光予集成 在全光湖络中，光无源器件包括光连接器、光耦含器、光开关、光滤波器等器 搀。萁中，瓣予铸辕秘跷逸w d m 绩琴憋毙滤波器疆籍e 嚣发逡寒翡这类器释蠢疆 下四种。 多叠朦介质滤波器； 毙终必壤滤波器； 列陈波导滤波器； 第2 页戴5 2 页 南开太学硕士学位论文 法珀微光脏滤波器： 疆饕平萄光波等技术、光纤光跚及其先子集成技术的出现，使应用于w d m 系 统的仝光网络的光学器件朝着全光纤化和系统集成化方向发展。 目前用于光纤通信系统中，出，乜纤光栅构成的光学器件密：光纤激光器、光纤 羧丈耩、必纾调制器、先纾滤波器、巍纤选颓藕合器、可调谐滗绎滤滚器疆及c h i r p 光栅色激补偿器等。 利用光纤光栅可以制成具有备种功能的全光器件，如果褥将这些器件集成在一 蔽毙纾e p ，羧霹捣或蹙毒耱关注筑夔光予器释或毙子系统，这羧是全毙纾一维毙子 集成。这是一种具有响应速度快、信息容量大、功能全、效率商以及可超微型化、 能与光通信光纤兼容、无插入损耗锋一系列优辩特性的全光耋千器件。 可以淡，光纡光糍、全光绎光予嚣捧、平露波导器馋及疑嶷成的出现怒兜绥逶 信发展史上的一个重臻晕程碑，在泰来的光通信、竞计算及藏开始实施酌镲息离速 公路计划中将有广阔的应用前景。 l 。2 光纾光栅魄历史鸳景及市场预测 1 2 1 光纾光栅发展的历史背聚 光纾光栅的研究怒从h i l l 等人于1 9 7 8 年首次观察到掺锗石英光纤的光敏性开 始的，织是童到1 9 8 9 年m e l t z 等人成功的用紫外侧面曝光的方法写出光终光壤之 看( f b g ) ，才开始邋獯麴发震起来i 2 。l ，这给巍学器件家族漤添了薪鲍重簧豹成员。 光纤光栅是在光纤纤芯中的折射率尾周期性分粕的光纤器件。光波在光纤中传播的 传播模式发生改变，因此可以看成鼹固化在光纤中的窄带带邋( 带阻) 滤波器件。 蘧着巍终竞撵残掇技术豹曩蓑或熬，宅在竞续逶谖移竞经转戆等镶壤豹反糯瞧越来 越广泛。 光纤光栅作为一种新型的光器件，在光通信、光传感等领域有广泛的成用。按 毙纾蠢瓣瓣溺颓汝簸翅努爵塔分菇涎耱，一耱怒短躅颓务控格必撵 f b g ) ，这耱 光栅的周期一般有零点l 微米，鼹接于光纤中i 三向导模和葳向导模之剃耦台的光 栅，其特点是对某一特定波长的光波有很高的反射率：另一种是长周期光纤光栅 ( l p f g ) ，长周期竞终党穰的属期般有几百微米，这秘光终光搬是基于终芯中鲍 基模和嗣向传输的色艨模之间藕合，这是话者的不同之处。 长周期光纤光栅( l p f g ) 是：i 黩印来出现的一种新型光纤秃源器件，已在e d f a 的增益甲坦化、多波长激光器以及多通道带阻滤波器和光纤健感等领域开鼹了应用 研究附+ 捌。出于其其蠢矮入损耗低，便予帮其德毙纤设备蓬瓣等撬熹，鸯耱缀努静 的应用前景。 第3 页戴5 2 页 南歼大学硕士学位论文 1 2 2 市场预测 c l r ( c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r yr e s e a r c h e r s ) 公霹餐赞藏精研究豢誊鬻爨l 注雄， 未来在淞器件领域将余有大的发媵机会，这些器件包括光交换机、可调谐激光器和 光连接器锝。在未来一铝业务提供商将加快光交按机和光交叉避接设备的成爆。c i r 硬诗，在集液竞契决方案瞧难动下，烈饕薛年荚鬣鲢竞交换器髂鞍子系统市场将 会献现在的2 4 7 亿美元增加到2 0 亿美元。可测谐激光器是光器件市场中的另一个 充满机遇的领域。d w d m 和全光设备的发展会使所有的光逡撼器生产商都得到大 的发展枕懑。 蚤类裔嚣窝无滚毙魄子器释是构成吝静蠢纾愆蘩秘络设胬豹綦穑窝棱心。疑全 球范围澍，光纤通信元件市场是从1 9 7 5 年开始必起的，当筚的总销售额仪为2 4 9 万美元。据国际著名侉询机构( 美嘲r h k 公司) 预测，到2 0 0 3 筚将达到2 3 1 亿美元。 最近荑鬻e l e c t r o n i c a s t 公罨通过辫蘸2 苹枣场发震过程静鼷赣，爨望了今螽2 5 年的光纤通信元件市场，指出在备激光纾通信元件的市场中，光无源器件的年增长 率将位腻黼位。光无渊器件在过去 ；f 勺2 5 年里，市场份额始终根小，2 0 0 0 华也只存 ，爨巍夸嚣熬2 5 年基它蒋畜强懿瓣堰长，2 0 2 5 年夔审场份额港达到1 9 。 光纤光源器件包错连接器、猫念器分路嚣、滤波器和光开关等。有关数据表 明今后2 s 年内各擞无源器件的平均年增长攀均达到两位数，尤其是滤波器和光 开关，1 9 9 5 - - 2 0 0 0 年嘲瓣平均年增长零分鼷达戮5 3 t n5 6 ，淹疆美在2 0 0 0 - 一2 0 0 5 年翔继续黻3 6 弱年增长率增长。 我豳光纤无源器件的发展与幽外相比，一般晚5 一l o 年。幽前，我国光纤无源 器 牛市场燕要是连接撩、耦合器。艇用器鳃复粥器，滤波器秘光开关竣零撩还有 籍逶一疹鹣渡震。 1 ) 老影奠刍毙器绺近年来我国搬纤连接器的总需求量不断扩大，前几年的平均 增长率谯3 0 9 6 以上。擞掘我国今后光纾通信发展的要求和国外光纤连接器的市场顼 溪，话诗在令基一l 。年肉，我国竞纾连接器翁需求鬃乎趣军壤长拳海盔3 0 龟鑫。预 计到2 0 0 5 年我国光纤连接器酌销俦量将达9 2 8 万套，2 0 1 0 掷为3 4 4 5 万套。关于 光纤连接器的品种，则会改变目前的单调隋况，形成多品种的局丽。 2 ) 秘套器秘复缀辫蹲麦r 碍器在我藿巍嚣源器终孛，还嚣一类采磺嫡融褪镬 法颟造豹器件，包括各耱耩台器褪囊厢器解菱掰器，已经掰减一定豹求赫。但这 类器件的市场总量不大。 投撼垒球光绥无源器佟的毒场满凝，复熙嚣解复建器豁露场总量大约燕巍终 连接器瓣巍努之一。髓饕毙绎寿线耄襁懿发震，渡努复臻技术鞠巍纾藏大器蕊馥霜， 树型耦器和复用器解复用器的黼求最将迅速上升。这类器件的增长速率也与光 繁4 贾，共s 2 燹 南开大学硕士学位论文 纤连接器相近，大约以3 0 的年增长率在增长。估计2 0 0 5 年为1 3 9 万只，2 0 1 0 年 为5 1 7 万只。 3 ) 光开关莉 自劫 器光开关在国内光无源器件市场所占份额较小，随着全光 通信网络系统的丌发、应用，国内市场需求量将会大幅度增长。对于国内厂商而苦， 是难得的机遇，更是巨大的挑战。关于滤波器，由于国内密集波分复用器的研究刚 刚丌始所以我国当前少数的密集波分复用系统中所用的滤波器主要是进口的。 1 2 3 光纤无源器件的发展趋势 随着半导体制作技术的飞速发展，光集成器件不断涌现。大部分集成光器件， 都是采用半导体工艺，在某种衬底上制作出光波导，再利用电光、磁光、声光、热 光效应或f r a n z k o l d y s h 效应以及斯塔克效应来达到对光的相位、强度、方向、波 长等进行控制的目的来制作的。除此之外，直接利用光纤这种光波导对光进行控制 也可以构成某种程度的光集成，最为典型的就是光纤光栅。 光纤光栅是一利新型的光纤无源器件。它是在光纤中建立起一种空问周期性的 折射率分和，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。它的作用相当于在光纤中 制作成一反射镜，其反射率是可以精确控制的。基于光纤光栅的光无源器件具有反 射带宽范围大、附加损耗小、体积小、性能稳定，器件微型化、能与光纤很好地耦 台、可与其他光纤器件兼容成一体、不受环境尘埃影响等一系列特殊优异性能。使 用光纤光栅可制成光纤波分复用解复用器、波长转换器、光纤滤波器、光开关、 色散补偿器等高性能光纤无源器件，目前正向实用化方向发展。它们将在当前的高 速宽带光通信、d w d m 技术、光纤传感器及未来的全光化系统中发挥重要作用。因此 光纤光栅这一技术有很大的开发研究价值，是光无源器件的又一发展方向。它的研 究发展十分迅速，并成为全球性的技术热点。鉴于上述形势，对基于光纤光栅的光 无源器件的研究是非常必要和迫切的。 总之，新型光器件的出现将促进全光网络的快速发展而全光网络的实用化又 将给光器件的发展带来机遇。我们有理由相信，2 l 世纪是信息h , t t - 1 ：，也必将是光信 息时代。 1 3 光纤光栅器件的分类 l _ 3 1 均匀周期b r a g g 光纤光栅i i l ( f b g ) 均匀周期的布拉格光纤光栅是一种最简单、最为普遍的光纤光栅类型，布拉格 光纤光栅的周期一般只有零点几个微米到几个微米，在单模光纤中的工作原理是某 一特定波长的前向基模和反向基模间的耦合使某一特定波长反射。其折射率调制 深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向相一致。折射率分布为： 第5 页，共5 z 页 南拜大学磺圭学餐论文 ”( z ) = + c o s ( i 2 z c z ) ( 1 3 1 ) 蒺中悔是毙终缮芯懿毒效瓠瓣率，a 楚悫稼靛鼹蘩，a n 菝袈枣壤臻涤凄。奄教貉 光纤光栅的传输谱特性取决于光纤光栅的折射率调制深度以及折射率调制的分布 方式、光纤光栅的参数以及光栅的长度等等。典型的b r a g g 光纤光栅的折射率调制 方式蟊图1 。3 。l a 瑟示，爱瓣港疆及毪毅健输特经魏强t ，3 。l b 获承。 t 舯 i b ) w 州i n 卅i u m ) 罔i3 ib r a g g 光纤光栅的折射率调制以及艇射图i f l + 3 。2 均匀爝翅长溺麓竞纾是援1 32 1 ( l p f g ) 长周期光纤光栅的结构与布拉格光纤光栅一样，只是周藏一般为几百个激米， 煅大可以到几个毫米。k 周期光纤光栅的工作原理与椰拉格光纤光栅的原理完全不 鞠，它是基予怒缍纾芯翦翻基摸和同商n 除毽层模之渊购藕合。出予包层摸难戳维 持稳定的导模所以藕合刘饶层的光很快瓣变为衰蘧垂波辐射摔，在巍穗的传输谱一t 袭 王见为某一些满足相位匹配条件的波长附近产生一系列的损耗峰。长周期光纤光栅的 谐振波长满飕棚位匹配条传：a = 2 r e ，( 屈。一瑶) ( 1 3 + 2 ) 其中成，成分别为纤j 黪模和i 阶包鼷模的传输常数：坩6 乡t - ，长周期光纤光糯选 择不同的周期，发生谐振的波长也可能不同，典型的l p f g 的传输谱图如图1 3 2 a ， b ，蕊示。鬻a 惫冀型豹攀吸歉瓷，圈b 为典型鹣多灏牧酶结构。 怍 恻i3 2 陡崩期光纤光栅的折射半调制以艇邂射图i f 1 3 。3 稠嗷竞纾走撵郾3 4 1 ( c h i r pf i b e rb r a g gg r a t i n g ) 啁啾光栅是折射率调制幅度不变，周期沿光栅轴向变化的光栅，其折射率分布 形式为： ”( z ) = n o + a n ( 2 ) 1 + c 。s 【鲁z + 伊( 列) ( 1 3 3 ) 第6 戚。共5 2 页 # # ” # # _t#s 蠢牙天学矮士学整论文 如图1 3 3 a 所示，图b 所示的光谱特性说明啁啾光栅有较宽的带宽，其反射谱舆 鸯缀大麴波魂憋。这秘波动性熬产生殿鞠与均匀光栅的一样，也不剃予实际应鲻。 遴过适当秘掺燕据瓣率蕊数分鸯，繇采麓蠢绎走褥蘧端辑射率诲巷g 度逐薅逮减静变 逊光栅，则埘改善这种波动性带来的不利影响。 埘w “自b 霭1 3 ，3 孵曦b r a g g 巍野搬猎嚣辑辩率调裁强爱爱瓣匿灌 喟啾型光栅可以用作w d m 系统巾的浅带滤波器，用来进行色散补偿和产生超短 脓冲。还被广泛应翅于掺铎悲纾放大器约增益平坦化釉光纡激光器驰性能优化等方 蕊。 1 3 4 搬迹光纤光栅 t 3 s l ( t a p e r e df i b e rg r a t i n g ) 其折射攀羚窃：”弛) 。悔+ a 辩( 0 ) c o s 2 ( 等z ) c 。s ( 譬2 ) ，( 一告g s 专) ( 1 ，3 4 ) 鲤澄| 3 。4 a 辑示，这耱髭瓣静舞臻折射率变纯逐澎递减至零，潜滁了薪瓣率突交， 从而使它的殷射谱不存在旁瓣，如图b 所示。其消除旁瓣的功能使得其在制作光纤 光栅多通道滤波器上有报好的应用前疑。 t a p e r 塑巍撵蘸筏裁浚营竞谱将糕，霹穆袋莠耪滤渡器、波长转换器魏疆努笈 阉器；多个t a p e r 型光纤光栅复合还可制成具有特淋性能的滤波器，如m i c h e l s o n 激光纤滤波器、m a c h - 一z e h n d e r 滤波器鼯。还有一种新型的正弦调制t a p e r 型光栅， 咖 襁i * m 姆h 狮e i 鬟 i 3 , 4 切趾光纤光栅的折射率调制以艘_ 陵射困潜 具有多个反射峰。可用于光纤环形腔激光器中，使其能同时输出多个波长。 l 。3 5 莫尔( m o i r e ) 型竞努竞携q m o i r e 光纤光栅的拼辩率分布是一种其有馒交包络的快变缩构，如匿1 3 ，5 a 所 示；反射光谱如图1 3 5 b 所示，具有骷通性。 第7 擞，共5 2 页 南开大学硕士学位论文 驴 三。 蠹 争s 04 厂夕 帕jd r g i i z 幽i3 5 焚尔光纤光棚的折穿f 牢调制以及反射图i 这种结构不仅可以有效抑制布拉格光纤光栅反射谱中的旁瓣效应，而且可以在 反射阻带中打开一个或多个透射窗口，实现多带通滤波的作用。同时，m o i r e 光纤 光栅带通的位置及带通宽度可通过控制写入条件灵活改变。其折射率分布为 心) = n o + a n ( 0 ) s i n ( 孚小o s ( 和( 一争 ( 1 3 5 ) 利用这种m o ir e 光纤光栅可制成带通或梳状滤波器等。利用这种光纤光栅制作 的滤波器和单纯的布拉格光纤光栅带通滤波器相比较，克服了布拉格光栅必须与耦 合器、环路器等器件联合使用的缺点。 1 3 6 闪耀( b l a z e d ) 光纤光栅1 3 7 】 闪耀光纤光栅是在光栅制作过程中将紫外侧写光束与光纤轴线构成一个小角 度而形成的。其折射率分布为： n ( z c o s o ) = f 0 + a n 1 + c o s ( 2 州人o ) ( z c o s o ) 】 ( 1 r 3 6 ) 式子中，人。为折射率变化所形成的栅面垂直距离；0 为其栅面法线z 与光纤轴向= 的夹角，如图1 3 6 a 所示。由图1 3 6 b 可知它的光谱特性类似于均匀光栅的情况， 也有旁瓣。 蚤o 宝 扣 8 委“ ( b ) d r g h z 图i3 6 闪耀光纤光棚的折划率调制以发反射l 兰| 聃 利用1 1 j 耀光栅可对一定带宽范围内的光功率进行衰减，从而可实现光放大器的 增益平坦化等。 l - 3 7 取样光纤光栅【1 3 8 1 ( s a m p l e df i b e rg r a t i n g ) 第8 页，共5 2 页 南歼太学硕士学能论文 取样光纤光栅是| 斥射率正弦调制的光纤布喇格光栅上加了一个调制函数。亦可 敬穗其嚣作楚对竞绎东溺格巍赣按照一定翁裁稼在空闽上遂褥取样豹结巢。取样竞 纤光栅艇有一组分立的反射峰( 遴射) ，它具有反射( 透射) 率高、幅度均匀、反 t b ，m w - r 即”w 剿l3 。7 敷转竞鲜悲耩熬辑謇| 誊潲剿琢蠢整秘逢瓣嚣 射峰间隔( 对应光波分复用的波道间隔) 稳定殿谱宽窄等光谱特性。在制作梳状滤 波器以及多波l 毛激光器中具有重要的应用价值。蛰对啁啾光栅进行取样，聊用于光 缍中麴瞧数幸 缮，势爨羯一个取搀冁嗷光纾巍掇胃酸实瑗多令薅遂戆嚣辩 镶，因 此取样和拉格光纤光栅在光纤波分簸用系统中商潜潜在的应用前景。 1 3 8 相穆( p h a s es h i f t ) l t t l 39 1 0 】 楣移必绥竞撵鹣爨在一壤竞纾必攘中弓l 入一个或者多令穗移，一般楚彩4 豹整 腓m 删腓 ( b ) w m 常伊1 i u m l 匿1 38 棚穆光鳝竞摊| 蓐射率挣布匿以及彬2 耜移l p f g 的遐甜避 鼗穑。这样鹃竞纤光橱有特殊戆帮邋或反射特浚，其琢理裁怒发生耦合静光波由于 存在位相差，发生干涉的结果。由于相移光纤光栅的这一特憔使得它被广泛的应用 于光纤滤波器和光纤激光器中。 1 4 巍纤光耱的制作方法与工艺 光纤光栅的制作依赖于光纤纤芯折射率的周期性调制的特性。可以通过一系列 的方法对光纤缍芯物理结构破坏来达到捉射率周期性永久性凝纯在光纡纤芯中。这 释辑瓣窭褥期牲调制豹实现方法淑褥成功豹蠢：紫箨照翱篝入法h l 、离子注入 法 l 45 1 、红外飞妙激光照射写入法6 1 、c 0 2 激光器照射写入f 1 4 7 埘、纤芯杂质扩散 法i i 49 “4i o l 、机械应力释放法1 4 1 t l 、电弧放电应力释放法1 2 3 1 等。机械成栅的可 馥逶遭瓣瓷纾或者憩溢逡行程 率帮翔继等方式安褒。建耱，逐露竣逶避锭瑗c 0 2 激光器泉热处理光予晶体光纤中的礼洞，使得光予晶体光纤的有效折射率沿光纤轴 繁菱，共s 2 疑 0 ” ” 撵砗 evjtt；t； 南歼大学硕士学位论文 向呈周期性的分布的方法来实现光予晶体光纾光栅【1 4 1 4 。 美予宠纾燹撵翡裁 蕈国雨舞靛掇道捷蘩了缀多方法，零文裁鬻蠲戆死释翱箨竞 纤光栅的方法作一下简单的介绍。 1 ) 紫外曝光侧面写入法 絮矮霉天法懿典凝疫溺是在掺镶露英走缂中餐翊波陡为1 9 3 n m 帮2 6 6 n m 豹激光 侧灏照射写入实现的 1 , 4 1 5 l 。这怒目前最实异j 且应用最广泛的的成栅方法。这种 方法的成栅原理照通过紫外照射破坏了掺锗石英光纤中的物理结构来实现折射 率周期性变化的。毯耱，为了罐藏戍搬光野的毙敏特性，逶露采用稍蜷夏掺兜 纤簸氯处理，表达到光纤的离光敏特性。瑟基采用相位掩模法热徽棱镜阵列聚 焦可以一次性写出整条或者多袋光栅，重复行好、一致悭好。 2 1 点点写入法 魏羚紫舞铡瑟写入法霹戮实现赢点写天，邋耱方法灵活褥基实弱5 4 聪l ；点煮写 入滋需要配合精密的机械以及控制系统来控制光栅的写入过程，要求精度高， 可以写出任何满慰噩求的光栅周期并可以控制折射率调制深度。 3 乏擎麴锤法i 4 - l 化学刻蚀法是利厢化学方法对光纤的外包层或者纤芯进彳予周期性的蚀变，导致 在光纤中传输的光发生选择性的衰变，比如褶皱光栅、波导等。 4 ，电激致应力释放 2 l 电弧致应力释放方法是剥糟光纤在受到补界应力的时候，折射率发叠三微小变纯 的原勰来制作光栅的。当光纤在发生微小弯曲的时候，在光纤的弯曲处将产生 拆瓣率的微小变他。这时用呶弧对弯曲处避据加热，使褥这一部分的艨力得以 释敬，采蠲适当鹅方法调整簸电尺1 ，黧翱热豹周期就碍戳褥羁稻我瘸期靛巍 纤光栅，这种方法只限于制作长周期光纤光栅，而且制出的光栅很粗糙一致 性麓、要求精度简的场合晕将涎法得到满足。 5 ) 螺纹瘫力毙绎毙穰 这慰一种机械成力制作光栅的：l 二艺，原理怒；采用周期性齿状硬模扳，模板的 齿周期固定，将一根拉直的光纤放在硬砧板上或者v 形椭中，将模板放在光纤 一1 3 ，燕嬲不同款蔗力，裁霹淡褥裂稳应溺期鹣竞摆，这穰装到结枣冬篱攀，调整 灵活。通过简擎的计算就可以大概估计出光栅的参数，但是成栅粗糙，精度只 能构满足一般的威用。 对于光纤光瓣鲍性能测试，其嵬源采爝越荧光光源，或者是超发光二极管， 并翻先谱分机仪簸测全部的写入过程中巍纾光栅的铸输谖静特性变纯。 繁l o 贾，共s 2 茭 南歼丈学硕士学彼论文 第二章长周期光纤光栅理论分析 2 1 引言 长周期光纤光栅( l p f g ) 的理论分析方法主要是建立在傅立时分橱法和波导 藕合搂毽论豹基础之上，然矗再配台波导传输缒簿法敬及多滋貘等模垄来蹲光纾竞 栅进行数值计算来进行传输特性分析。 就制作的光纤光栅本身来蜕，它是一个同心圆对称三层波导的结构1 2 1 j ，纤芯 是裹辑麓率豹波导毒季褥，癸毽瑟楚获射率稿鼹较小懿波导毒砉糕，终瑟剜是鬻予空气 中或是根掘实际需要而涂上的涂鬣屡。当纤芯慕模和同向传输的包层模在波长z 处 满足相位匹配条件时，光栅周期和谐振中心波故有如下的关系： 盖= f 锄盖) 一“( 磊) 】a ( 2 。1 1 ) 其中( 丑) 是波长为丑的光波在光纤纤：薛中传输时的有效折射率，h k ( ) 是该 波陡数急波第i 除毽滋模豹套效辑辫率，a 是长周甥竞终巍撩糟f g 翳爱麓。 l p f g 损耗带的最小透过率可袭达为：z = l s i n 2 ( 一工) ，篡中l 是光栅的长度， t 为光栅的缂芯模剃i 阶包层模之问的互耦合聚数。耦台系数的大小取决于两个模 场在光纾横截强上煎变叠区域的大小，鄂交叠系数豹大小，以及模传输常数豹静周 期性调制幅度大小。 由于包层半经较大，所以它可以支持巨大数霪的包层模2 1 。由理论分析显示， 纤蕊模秘包罄模之澜豹有效藕合只有在两个模式翡模场具餐丈静交叠区域辩才能 实现。然而能够和纤芯模发生耦合的只有圆对称的奇数包层模。这是因为觎层的偶 数模在纤芯中的能量分椎非常低，而奇数模的能照分稚在纤蕊巾有一个峰德分布。 辩l p f g 逶行建模，要隶葫籍l p f g 瀚缍蕊模豹有效辑瓣率馥及i 除氛层模豹 有效折射率，由此求确定损耗波带的谐振中心波长。通过计簿光纤中模式电场的分 布图来确定光栅的耦念强度以及传输的光谱特性。纤芯传输波导的有效折射率计算 主要盛蠲g l o g e 魏弱波导运经采确定田弱。在藏绘爨了麓鼙豹三层波导模爨下诗翼 包层模商效折射率的方法，由此可以初步的确定耦合发生的中心波长。然丽，为了 得到精确的仿真结果，纤芯的有效折射率和包层的有效折射率差是不能够被忽略 鳆。 2 2 博立叶分析2 2 1 】 繁1 1 燹，共s 2 趸 毒嚣大学磺士学整途文 傅立叶分析方法是建立程弱反射基础之上的一种：i 琏似分析方法。l p f g 属于弱 发射型光纤光栅，可以利用傅立时分析方法对l p f g 的传输特性进行近似分析。根 毯2 2t 取栉光纤光糍船拼辫率调测承惑糕 猴阔2 2 i 光栅透射窗的透射函数表达式为： 出面卜s c 争 c 争 汜： 其中a n 折射率平均调制深度，a 光栅的周期，是光栅的长度；对( 2 2 1 ) 忒作傅立时变换【2 2 1 ，得到如下的频谱滋数： ( 2 2 2 ) 式得出的结果，就怒分前j 在o ，矗 “h ： ； - 睾： v 第1 2 碱。共5 2 页 ”汜 们 鼢 删 + 。 确 u 恤 唧 l j 姗 卜 册 双 五 h w 脚 u m b：。峭o p 嗍 五卜，一 f i f 南开大学硕士学饪论文 中耦合可以发生在正交的同阶极化模之问。在长周期光纤光栅中，如果光纤横断 面上的折射率调制分布是均匀的，则耦合可以发生在纤芯的导模和包层模之间。这 利光栅可以将纤芯中的导模耦合到包层模或者辐射模。 i 剽23l 光波砷：k 用期光纤光栅的耦台过程不意图 对于理想的均匀光波导，纤芯和包层中存在的各阶模式是相互正交的，不存在 模式的耦合。根据耦合模理论，当光纤中写入光栅时，原本的波导光学一致性遭到 了破坏，产生了介电的微扰。这种沿着光纤轴向周期性的扰动，使得各模式在纤芯 和包层中相互耦合，此日寸，光纤中任一个模式u ，受到其他v 个模式的影响可以由 咀下关系式表达出来1 2 3 2 1 ： 宅笋= 莓4 如) ( k ：+ ) e x p f ( 屈，一只加 + 霉e 如) ( e e ) e x p 【_ f ( 鼠+ , a o 加】( 2 3 1 ) 警- - i z ，4 ( = ) ( k ：一样) e x p f ( p v + 岛j ) z + 莩臣( z ) ( k ：+ 鬈) e x p 卜f ( 鼠一风加】( 2 3 2 式中，爿( z ) ，口( z ) ，爿。( z ) 和b ，( z ) 分别是模式模场j 卜z 向、负z 向的轴向分量；鼠， 成分别是v 和u 两个模式的传播常数；k ：，k ：分别为模式v 和u 的耦合系数轴向 和切向的分量。一般切向的分量比轴向的小卜2 数量级，可以忽略。 横向耦台系数： k ：( z ) = 詈f ”d 妒f ，d r s ( r ，z ) 巨，( ，妒) 日，( ，妒) ( 2 3 _ 3 其中，珊为光波的角频率；e l ，乓为模式v 和u 的横电矢量；折射率扰动程度为： sz 2 0 。o n a n ，a n 为折射率指数变化量，折变量只在纤芯巾，包层中没有a 对于横 向调制均匀的光纤光栅，光栅的纤芯折变量可以描述为： a n ( r ，z ) 一。盯( z ) 1 + c o s ( 2 州人z ) ( 2 3 4 ) 对于长周期光纤光栅来说，其模式耦合表现为纤芯导模与同向的各阶次包层模式之 间的耦合。对于非倾斜的长周期光纤光栅来说，只存在同阶模式的耦合，即只有前 向传播的纤芯导模( h e l l ) 与6 向传播的一阶各次包层模式间的耦合2 3 3 1 并忽略 包层模式之间的耦合作用( 相对纤芯导模与一阶各次包层模式的耦合。耦合作用极 弱) 根据( 2 3 i ) ( 2 3 2 ) ，可得长周期光纤光栅的模式耦合方程： r 第1 3 页。共5 2 页 南开大学硕士学位论文 警= 瞄篙如+ ，；j i n h d - 。c 0 4 v 。e x p ( - f 2 d c 篇z ) ( 2 3 5 ) 莓 警刊爷褂唧( m 黜z ) 眩，舢 相位匹配因子：点d ，一- 器；：( 雕一雕一i 2 1 - ( 2 3 7 ) 式中，以，为纤芯导模正z 向幅值分量；彰为一阶u 次包层模式正z 向f 嚼值分量 配- 0 1 是导模和一阶“次包层模式间的解调参量：卢并，础分别是导模、一阶p 次包 层模式的传播常数；瞄焉? ，一c + l - c 。”分别称为纤芯导模自耦合常数和导模与一阶各次 包层模式互耦合常数耦合常数与横向耦合系数的关系有下式定义 e ( z ) = k ( z ) l l + , c o s ( 2 # z a ) i 由此，并根据纤：占导模模场分和【2 3 2 1 可以推导小自耦合系数 ( 2 3 8 ) 稚，= 掣m 啦| 2 + 蚓h 办等志i | + 犏卜m 式中0 1 为纤芯半径；五为光波波长：，分别为纤芯包层折射率指数 = ( 吒一h j ) 2 吒是归一化纤芯包层折射牢差；e r c ”，譬分别为纤芯导模电场横向分 量、幅角分量；山，j 分别为0 阶、1 阶第一类贝塞尔( b e s s e l ) i 疆i 数；定义 矿= 等q 小i - - g 了l c l ，称归一化频率，其中q - 定义同上；定义b 为模式的 归一化有效折射率指数6 = ( n 硝2 一t 2 ，, , t 2 一。2 ，) 其中为模式有效折射率。 而根据纤：薛导模模场及一阶各次包层模模场分布可以求出互耦合系数： k 0 1 1 - 0 i ( z ) = 半了d 伊卜办( 酽一蟛譬+ ) = 盯( z ) 等 惫倒啪肛一汁嬲一t v 4 i - j 帕一m - 3 第1 4 页共5 2 页 南开大学硕士学位论文 式中，z o = 厮= 3 7 7 q 是真空中的电磁阻抗，f ”，蟛+ 分别与酽，蟛共轭， ，掣为以一阶u 次包层模式的电场径向和幅角分量，础为包层模场归化常量 详见文献1 2 3 3 l ，此外： l 知2 一 仃， 旷等a = 等，= 壶一扣= 虿1 + 虿1 j ：! 曲 ，i ( i i i 1 ) k ：! 坐1 2 1 k k l ( h 2 ) p ( r ) = j i ( “2 r ) n i ( u 2 a 1 ) ( “2 a i ) j 1 ( “2 r ) g ( ，) = j i ( “2 r ) n i ( u 2 1 ) - y ；( u 2 a 1 ) m ( “2 r ) r ( r ) = j ：( “2 r