（光学工程专业论文）基于磁光光纤布拉格光栅的全光时钟再生研究.pdf

摘要 摘要 全光3 r ( r e a m p l i f y i n g ，r e - s h a p i n g ，r e - t i m i n g ) 技术可以用来克服信号传输 过程中由于衰减、噪声、串扰和非线性积累引起的信号恶化问题。全光3 r 中的关 键技术是全光时钟提取，同时它也是全光网的关键环节，对实现光网络的级联尤 为重要。 本文利用耦合模理论研究磁光光纤布拉格光栅的主要特性，并在o p t i s y s t e m 6 0 平台中实现全光时钟再生仿真。主要工作内容与创新点有： 1 根据磁光光纤布拉格光栅的理论模型研究了它的传输特性。研究发现磁光 光纤布拉格光栅受外界磁场的影响时，会在布拉格波长两边出现一对半透带， 并且在半透带边沿产生一对尖锐谱线。利用该尖锐谱线可以实现磁光光纤布 拉格光栅的带通滤波。此特性可以运用于全光时钟分量的提取。 2 利用仿真软件o p t i s y s t e m 6 0 实现4 0g b p s 全光时钟再生的仿真。在 o p t i s y s t e m 6 0 软件中用m a t l a b 元件库实现磁光光纤布拉格光栅的滤波功能， 并结合法布里珀罗滤波器和半导体光放大器构成全光时钟再生的仿真系统， 并比较是否采用磁光光线布拉格光栅滤波器的两种情况时钟提取质量的变 化。仿真结果显示，所设计的基于磁光光纤布拉格光栅滤波器的时钟再生仿 真平台可以恢复出较高质量的时钟信号，同时模拟了法布里珀罗滤波器不同 精细度对全光时钟提取的影响，为今后的实验奠定了一定的基础。 关键词：磁光光纤布拉格光栅，全光时钟提取，光子带隙，法布里珀罗滤波器， o p t i s y s t e m 6 0 仿真 a b s r a c t a b s t r a c t a l l o p t i c a l3 r ( r e - a m p l i f y i n g ，r e s h a p i n g ，r e - t i m i n g ) r e g e n e r a t o r sw i l lp l a ya l l i m p o r t a n t r o l e i n f u t u r e l a r g e - s c a l ep h o t o n i cn e t w o r k sb e c a u s et h e yc a l la v o i d a c c u m u l a t i o no fs i g n a ld i s t o r t i o nc a u s e db yd i s p e r s i o n , n o n l i n e a r i t ya n dn o i s ei n t r a n s m i s s i o nf i b e ra n dn e t w o r k i na l l - o p t i c a lr e g e n e r a t o r s ，a 1 1 - o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yi s t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yt os i g n i f i c a n t l ye x t e n do p t i c a ll e n g t h s i nt h i sp a p e r , w eu s et h ec o u p l e dm o d e t h e o r yt or e s e r c ht h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a g n e t o o p t i cf i b e rb r a g gg r a t i n g ，a n dr e a l i z et h ea 1 1 o p t i c a lc l o c kr e g e n e r a t i o n s i m u l a t i o ni no p t i s y s t e m 6 0p l a t f o r m ，n l em a i np o i n t so ft h ew o r ka n di n n o v a t i o na s b e l o w ： 1 b a s e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h em a g n e t o o p t i cf i b e rb r a g gg r a t i n g ，w e g e ts o m e r e s e a r c ho ft r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s t h e nw ef i n dt h a t t h e m a g n e t o o p t i cf i b e rb r a g gg r a t i n gw i l le x i s tt w op h o t o n i cs e m i t r a n s p a r e n tb a n d s c o r r e s p o n d i n gt ot h es u b b a n d g a p s ，a n dt w ot r a n s m i s s i o ns p e c t r a ll i n e so ft h e i n c i d e n to rm o d e 。c o n v e r t e dl i g h ta r es y m m e t r i c a la b o u tt h eb r a g gw a v e l e n g t ha n d c o r r e s p o n dt ot h ei n n e ro ro u t e rb o u n d a r i e so ft w os e m i t r a n s p a r e n tb a n d s w ec a n u s et h e s et w ot r a n s m i s s i o ns p e c t r a ll i n e sa sab a n d - p a s sf i l t e ri na 1 1 o p t i c a lc l o c k r e c o v e r y 2 w eu s et h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo p t i s y s t e m 6 0t oa c h i e v e4 0g b p sa l l o p t i c a l c l o c kr e c o v e r y t h ef i l t e r i n gf u n c t i o no ft h em a g n e t o o p t i cf i b e rb r a g g g r a t i n gi s r e l i z e db yt h em a t l a bc o m p o n e n ti nt h es i m u l a t i o np l a t f o r m t h e nw ec o m b i n et h e f a b r y p e r o tf i l t e ra n ds e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r st oc o n s t i t u t ea l l - o p t i c a l c l o c kr e c o v e r ys y s t e m w ec o m p a r et h er e c o v e r e dc l o c ks i g n a li n c o n d i t i o n s w h e t h e rt oa d o p tt h em a g n e t o - o p t i cf i b e r b r a g gg r a t i n gf i l t e r 1 1 1 es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mw h i c hb a s e do nt h em a g n e t o o p t i cf i l t e rb r a g g g r a t i n g w i l lr e c o v e rh i g h e rq u a l i t yo ft h ec l o c k s i g n a l ，a n dd i f f e r e n tf i n e s s eo ft h e f a b r y 。p e r o tf i l t e rw i l la f f e c tt h er e c o v e r ds i g n a l s t h e s ew o r k sl a yac e r t a i n f o u n d a t i o nf o rf u t u r ee x p e r i m e n t so f a 1 1 o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：m a g n e t o - o p t i c f i l t e r b r a g gg r a t i n g ，a l l - o p t i c a l c l o c k r e c o v e r y , f a b r y - p e r o tf i l t e r , o p t i s y s t e m 6 。0 i i i 图目录 图目录 图1 1 光3 r 再生结构简图3 图1 2 电时钟提取原理图4 图1 3 光纤锁模激光器时钟提取结构图5 图1 - 4s p l d 锁模时钟提取技术6 图1 5f o p o 时钟提取6 图1 - 6 基于法布里珀罗谐振腔的时钟提取框图7 图2 1 磁光光纤布拉格光栅的理论模型1 2 图2 2 磁光光纤布拉格光栅的色散曲线16 图2 3 用传输矩阵分析法分析光栅1 7 图2 - 4 光栅透射和反射特性18 图2 5o = 0 5 时磁光光纤布拉格光栅的透射和反射特性1 9 图2 - 6 厂f = 1 时磁光光纤布拉格光栅的透射和反射特性2 0 图2 7 ，r = 1 5 时磁光光纤布拉格光栅的透射和反射特性2 0 图2 - 8 厂r = 3 5 时磁光光纤布拉格光栅的透射和反射特性2 1 图2 - 9 透射光谱的尖锐谱线随变化图2 2 图3 1 基于磁光光纤布拉格光栅的全光时钟再生系统图2 4 图3 2o p t i s y s t e m 6 0 平台的仿真装置图2 5 图3 3f p 原理图一2 6 图3 - 4 法布里珀罗滤波器的透射谱2 6 图3 5 反射率r 与精细度f 的关系2 7 图3 4m a t l a b 元件库2 8 图3 5 输入光信号结构示意图3 1 图3 - 6 输出光信号示意图。3 1 图3 7m a t l a b 元件库主界面3 2 图3 8i n p u t 参数设定3 2 v i 图目录 图3 - 9o u t p u t 参数设定3 3 图3 1 0o u t p u t 参数设定3 3 图3 1 1m a t l a b 程序的添加3 3 图3 1 2 白噪声输入仿真平台装置图3 4 图3 1 3 输入白噪声光谱3 5 图3 1 4 白噪声输入时的反射光谱。3 5 图3 1 5 白噪声输入时的透射光谱。3 5 图3 1 6 高斯光脉冲输入仿真平台装置图。3 6 图3 1 7 输入高斯脉冲光谱3 6 图3 18 高斯光脉冲输入时的反射光谱3 7 图3 1 9 高斯光脉冲输入时的透射光谱一3 7 图4 1 仿真平台参数( 1 ) 。3 9 图4 2 仿真平台参数( 2 ) 。4 0 图4 24 0g b sr z 信号时域波形图4 1 图4 34 0g b sr z 信号频谱图4 2 图4 44 0g b sr z 信号频域光功率分布图4 2 图4 5x 偏振的透射光功率4 4 图4 6y 偏振的透射光功率4 4 图4 7y 偏振光透过法布里珀罗滤波器后所得频谱4 5 图4 8y 偏振光透过s o a 后所得频谱4 6 图4 - 9 再生时钟信号时域图4 6 图4 1 0 不采用磁光光栅布拉格光栅滤波器的再生时钟信号4 7 图4 1 1 采用磁光光栅布拉格光栅滤波器的再生时钟信号4 8 i 缩略词表 英文缩写 m f b g e d f a o a d m p c f f p s o a l e d p d h s d h o l t o a d m o x c f t t h f t t c w d m s p m x p m f w m g v d a s e s p l d d f b f o p 0 英文全称 缩略词表 m a g n e t o o p t i cf i b e rb r a g gg r a t i n g e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r f a b r y p e r o tf i k e r s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s l i g h t e m i t t i n gd i o d e p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y o p t i c a ll i n et e r m i n a l o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t o r f i b e rt ot h eh o m e f i b e rt ot h ec u r b w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g s e l f - p h a s em o d u l a t i o n c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n f o u r - w a v em i x i n g g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n s e l f - p u l s a t i n g l a s e rd i o d e d i s t r i b u t e d f e e d b a c k f i b e r - o p t i cp a r a m e t f i co s c i l l a t o r i x 中文释义 磁光光纤布拉格光栅 掺饵光纤放大器 光分插复用器 光子晶体光纤 法布里珀罗滤波器 半导体光放大器 发光二极管 准同步数字体系 同步数字体系 光线路终端 光分插复用器 光交叉互联器 光纤到户 光纤到路边 波分复用 自相位调制 交叉相位调制 四波混频 群速度色散 放大自发辐射 自脉动激光二极管 分布反馈 光纤参量振荡器 缩略词表 n a l m n o l m r z f s r f w h m n o n l i n e a ra p l i f y i n gl o o pm i r r o r n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r r e t u mt oz e r o f r e es p e c t r a lr a n g e f u l l 、肼d t hh a l fm a x i m u m x 非线性放大循环镜 非线性光学循环镜 归零信号 自由光谱范围 半高全宽 独创性：声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：主l 盘签名：兰：l 啦 日期：加可年6 月j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第一章绪论 第一章绪论 进入二十一世纪以来，互联网的飞速发展已对人们的生活方式产生了深远的 影响，持续增长的网络增容需求促进了高容量光纤网络的发展。在光纤通信传输 距离和速率不断提高的现代通信中，交换节点间的光电光中继变换处理方式使得 系统复杂，成本较高，同时也因为电子瓶颈的问题制约了系统的速率。在光纤线 路上对光信号进行直接处理，研究全光的信息处理器件和信号处理技术对于全光 网络发展有着重要的意义。 1 1光纤通信的发展 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介 质的光纤又比同轴电缆的损耗低得多，故与电缆或微波通信相比，光纤通信具有 很多独特的有点：1 、容许频带很宽，传输容量很大；2 、损耗很小，中继距离很 长且误码率很小；3 、重量轻，体积小；4 、抗电磁干扰性能好；5 、泄露小、保密 性好；6 、节约金属材料，有利于资源的合理使用等。依赖于这些优点，光纤通信 技术得到了广泛的关注并在过去三十多年中快速发展。 1 9 6 6 年，英籍华裔学者高馄( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o c k h a m ) 发表了 关于传输新介质概念的论文，开创性地预见到光导纤维可作为传输介质实现光纤 通信，奠定了现代光通信的基础。1 9 7 0 年，光纤研制取得了重大突破，美国康宁 ( c o m i n g ) 公司研制成功损耗2 0d b k m 的石英光纤。作为光纤通信用的光源也取 得实质性的进展，美国贝尔( b e l l ) 实验室、日本电器公司( n e c ) 和前苏联都研 制成功室温下连续振荡的镓铝砷( g a a i a s ) 双异质结半导体激光器，为半导体激 光器的发现奠定了重要的基础。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实 用光纤通信系统的的现场实验，标志着光纤通信从基础研究发展到商业应用的新 阶段，从此揭开了光纤通信应用的序幕。自此之后，光纤通信发展非常迅速，技 术不断更新换代，通信能力不断提高，应用范围不断扩大。其发展大致经历了一 下三个阶段 1 - 6 ： 电子科技大学硕士学位论文 第一阶段( 1 9 6 6 1 9 7 6 ) ：从基础研究到商业应用的开发时期，实现了短波长 ( o 8 岬) 低速率( 4 5m b s 或3 4m b s ) 的多模光纤通信系统。 第二阶段( 1 9 7 6 1 9 8 6 ) ：是提高传输速率和增加传输距离的大发展时期。光 纤通信从多模光纤向单模光纤发展，波长从0 8g m 发展到1 3l a m 和1 5g r n ，光源 从发光二极管( l e d ) 发展到激光器( l d ) ，实现了无中继传输距离为5 0k m 1 0 0 k m 的光纤通信系统。 第三阶段( 1 9 8 6 1 9 9 6 ) ：以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术 研究的时期。敷设了第一条跨大西洋光缆，基于准同步数字体系( p d h ) 的产品 得以大力开发，同步数字体系( s d h ) 的产品也日渐成熟。 随着技术的发展，光纤通信由最初的点对点通信，逐步向网络互联方向发展。 第一代光网络用光纤取代铜缆，以便获得更好的容量，第二代光网络靠着在网络 内部进行路由控制和波长变换，来提供线路交换光学通道，几种关键的光器件如 光线路终端( o l t ) 、光分插复用器( o a d m ) 和光交叉互联器( o x c ) 的成熟 制作技术使得光网络构建智能光网络成为现实。目前，光纤通信技术领域的发展 热点【卜1 1 】，主要有超高速传输系统、超大容量波分复用系统、光联网技术、新一代 的光纤、i po v e rs d h 与i po v e ro p t i c a l 以及光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 、 光纤到路边( f i b e rt ot h ec u r b ，f t t c ) 的接入网技术。 1 2全光3 r 再生技术 光纤通信技术在过去的二十年来一直保持高速持续发展，但迅速发展的各种 新型业务要求通信网络具有更高的传输速率和更大的通信容量，以及对网络节点 能够灵活、可靠地对高速数据进行实时处理。在单根光纤中使用多个波长传输的 波分复用( w d m ) 技术使光网络的传输容量得到了很大的提高。高速率信号处理 技术则因受到“电子瓶颈”的限制，发展明显滞后。目前电信号能够实现的最高 速率为4 0g b p s ，已接近了电子器件的速率极限。所以，采用全光信号处理技术成 为光纤通信技术发展的必然。另外，建立下一代高速率全光网络的呼声日益高涨， 尤其是i po v e rw d m ，i po v e ro p t i c a l 等技术的提出，使得对高速率的全光信号 处理技术的要求变得日益紧迫，全光信号处理也成为通信界关心和研究的热点。 在高速大容量的全光网络中，光信号经过带有e d f a 的长距离光纤线路的传 输和中间节点的光处理后，由于光纤的非线性效应，即自相位调制( s p m ) 、交 2 第一章绪论 叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) ，与群速度色散( g v d ) 的联合作用会 导致光信号脉冲的形状和频谱发生畸变；光放大器的自发辐射噪声( a s e ) 与群速 度色散的联合作用引起的孤子脉冲定时抖动的积累；所有这些因素造成了信号的 严重损伤，限制了网络节点级联的能力，最终限制了系统和网络的传输速率和距 离。全光2 r 再生( r e - a m p l i f y i n g ，r e - s h a p i n g ) 可以明显抑制信号的幅度噪声，提 高信号的消光比，但由于没有再定时功能，定时抖动的积累最终限制了其级联能 力【1 2 】。全光3 r 中继技术( r e a m p l i f y i n g ，r e s h a p i n g ，a n dr e - t i m i n g ) 是解决上述问 题的最有效方法。它可以用来克服信号传输过程中的衰减、噪声、串扰和非线性 积累，扩展信号的传输距离。而在未来的全光网络中，光网络的交叉互联和不同 节点的交换过程加大了网络的复杂程度，必须采用信号再生技术来保证网络的灵 活性和可扩展性。因此，全光3 r 再生技术被认为是未来全光网络的重要技术。光 信号的全光3 r 再生变得十分必要【i 引。 全光3 r 再生的关键技术是时钟提取技术和光判决技术，3 r 再生器的基本结 构如图1 1 所示。 号 图卜l 光3 r 再生结构简图 全光时钟恢复是全光再生技术中的关键技术，是对信号进行定时、整形的基 础，是未来光网络发展的重要技术之一。在全光3 r 再生系统中，输入的光信号被 分成两路，一路信号进入时钟提取模块，进行时钟提取，以恢复出输入信号的时 钟。另一路信号经光纤延迟线并用e d f a 放大后，作为光判决门的控制光，同步 与提取出的时钟脉冲进入光判决门中，完成光信号的再定时，从而实现对光信号 的再生。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 3主要时钟提取技术 时钟提取可采用光或电的方式实现，包括电时钟提取方式【1 4 1 ，光锁模技术【1 5 。1 8 】 或光锁相环技术( o p l l ) 1 9 - 2 0 】。由于光网络速度的快速发展，电处理速度远远不 能满足高速系统的要求，所以在全光3 r 再生中，必须采用光时钟提取技术。 1 ) 电时钟提取 传统的电时钟提取是把接收到的光信号经光电转换后变为电信号，经放大后 注入一个高q 滤波器或者电锁相环( p l l ) 中，得到位时钟或帧时钟信号，再经 放大后得到以射频( i 强) 形式输出的电时钟信号。如图1 2 所示。 业，叁且由，量占王 高q 滤波器电对舒 7 e ，l 百可巳l 百弓 光电转换 1 锁相环 1 微波放大器微波放大器 图1 - 2 电时钟提取原理图 电的时钟提取方法利用了电子和微波技术在信号处理上的成熟性与灵活性， 提取出的时钟有着较高的质量。考虑到系统的稳定性和成本，一般认为电的时钟 提取适用于低于1 0g b p s 的系统中。 2 ) 光锁模时钟提取技术 锁模技术是时钟提取最常用的技术。锁模技术是将多纵模输出的激光束，经过 特殊的调制，使数个纵模之间具有确定的位相关系，相互叠加后形成窄脉冲输出。 时钟提取采用的是注入锁模技术，即利用注入的光信号对激光器形成调制，产生 锁模光脉冲输出。时钟提取中采用的锁模激光器一般分为光纤锁模激光器【1 6 】、半 导体锁模激光器【17 】以及自脉动激光二极管( s p l d ) 的锁模技术1 8 】等。 a ) 光纤锁模激光器进行时钟提取 锁模激光器时钟提取技术主要是利用s o a 的交叉增益调制( x g m ) 1 2 1 1 或交 叉相位调制( x p m ) 2 2 1 特性，将输入信号直接注入s o a ，调制环行腔激光器的腔 内损耗或相位，在腔长匹配的情况下，可以形成锁模。其作用相当于主动光纤锁模 激光器的调制器，结构如图1 3 所示。 4 第一章绪论 图卜3 光纤锁模激光器时钟提取结构图 该时钟提取方案的优点是：结构简单、所采用的器件全部是商用器件，易于 连接和实现。而且由于在光纤环路中使用s o a ，输出波长可大范围调节，系统对 偏振不敏感。这种方案的缺点在于：由于长环腔结构所限，时钟的建立时间比较 长。 b ) 半导体激光器的锁模技术 用于时钟提取的半导体激光器一般采用单纵模的分布反馈( d f b ) 激光器型 和光栅外腔型。d f b 激光器是一种在激光器的电泵浦部分带有沟纹结构的二极管 激光器，通过将被选波长的光波反射到有源层来实现波长选择。采用d f b 型的半 导体激光器进行时钟提取，目前实验报道可实现4 0g h z 信号的时钟提取1 1 引。 对于半导体锁模激光器，无论是单纵模的d f b 型和光栅外腔型的都具有系统 简单、集成度高的优点，但它们共同的问题在于器件的工艺性和稳定性都比较差。 另外，它们只能工作在固定的信号速率上，无法实现码率灵活的时钟提取。 c 1 自脉动d f b 激光器的锁模时钟提取 自脉动现象是指半导体激光器在注入电流保持不变时其光功率发生周期性变 化。这种现象在具有饱和吸收体的多段f p 腔激光器和没有饱和吸收体的多段d f b 激光器都能发现2 3 1 。像任何振荡器一样，自脉动能够在某种条件下锁定在输入的 强度调制周期信号上，这一特性可以用来提取光传输系统中的时钟信号，办法是 使自脉动频率与时钟频率同步。当输入光信号的功率足够大，而且输入信号频率 和自脉动d f b 激光器的固有频率之差不很大，则激光器的输出将锁定在输入信号 的频率【2 4 五7 】。 5 电子科技大学硕士学位论文 图卜4s p l d 锁模时钟提取技术 3 ) 基于非线性光学环镜振荡器的时钟提取 光纤参量振荡器( f o p o ) 用于时钟提取是一种较新的方案【2 8 。2 9 1 ，主要利用非 线性光学循环镜( n o l m ) 的动态增益调制和非线性放大循环镜( n a l m ) 的孤子 特性。从整体结构上来看，n o l m 和n a l m 构成一个f p 腔，n o l m 作为一个调 制器，提供动态增益和相位调制，n a l m 用来作为放大器。工作时，分别调整偏 振控制器p c i 和p c 2 ，使n o l m 处于最大反射状态，n a l m 处于最大传输状态即 全透射的状态。初始时调节n o l m 为最大反射状态，n a l m 为全透射，此时实际 上没有形成f p 腔。而当信号注入n o l m 后，在n o l m 中形成参量增益，对腔内 的信号进行调制，此时n a l m 也对脉冲信号形成反射。这样，当f p 腔的长度适 合的情况下，锁模振荡就形成了，最终形成时钟脉冲输出，通过调整e d f a 的增 益和p c 2 可得到强而清晰的锁模脉冲。 图卜5f o p 0 时钟提取 该方案的优点在于可用于比较高速的系统。缺点是：( 1 ) 由于采用了三个p c ， 不仅需要大量的调节，而且增加了不稳定因素。( 2 ) 由于n o l m 和n a l m 构成 的f p 腔比较长，而且没有相应的腔长稳定措施，同样会带来不稳定因素。 4 ) 基于法布里一珀罗谐振腔的无源时钟提取 6 第一章绪论 u tc l o c k 图1 - 6 基于法布里一珀罗谐振腔的时钟提取框图 法布里珀罗( f - p ) 谐振腔是一种梳状滤波器【3 3 1 ，具有结构简单、捕获时 间短等特点，其结构如图1 - 6 所示，它利用一个无源f a b r y p e r o t 谐振腔从光信号 中提取时钟成分。由于采用无源结构，通过减小谐振腔长度可以达到超高比特率 ( - t b p s ) 工作，目前有实验报道称已完成4 0g b p s 时钟提取【3 l 】。 1 4光纤光栅在光通信领域的发展和应用概况 光纤光栅是1 9 7 8 年加拿大的k o h i l l 等人在研究掺锗光纤的非线性特性时发 明的。最初发明的光纤光栅是采用内写入法( 也称驻波法) 制作的，由于制作方 法比较困难，使得实际应用受到制约，因此光纤光栅在发现后的较长时间内并未 引起大的关注。1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g e r r ym e l t z 等人利用紫外光侧 面写入技术成功的制作出了反射谱在可见波段的光纤布拉格光栅( f b g ) 。1 9 9 3 年，l e m a i r e 等人采用载氢技术增加了光纤的光敏性，在标准光纤通信光纤中写入 了高反射率的光纤光栅。1 9 9 3 年，k e nh i l l 等人提出了相位掩模制造法，使光纤 的批量生产成为可能【l 。 光纤光栅是由紫外光直接写入到光纤纤芯的衍射光栅，纤芯折射率变化大致 呈周期性分布。其作用是在纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤波器。光纤光栅 不仅继承了光纤的诸多优点，比如传输损耗低、不受电磁干扰及易于光纤系统集 成等，还可以用来控制光在光纤中的传输行为，如改变传输方向、变化传输模式 等，在光纤通信领域有很广泛的应用【l 0 1 。 1 4 1 光子晶体光纤光栅 全光开关是解决“电子瓶颈 问题，实现全光网络的核心技术。大量研究结 果表明：高开关阀值、低消光比、低开关速率是阻碍全光开关迅速发展和应用最 主要的三大障碍。近年发展迅速的光子晶体光纤( p c f ) 具有无截止单模特性、可 控的色度色散、极好的双折射效应等特点。通过减小光强模场面积，可增强光纤 7 电子科技大学硕士学位论文 的非线性效应，从而使光子晶体光纤同时具有强非线性和快速响应特性，成为3 r 再生器的实现新方案【3 引。p e t r o p o u l o s 等人利用光子晶体光纤中s p m 的频谱展宽 效应，通过可调窄带滤波器实现了2 r 再生和全光开判3 6 】；s h a r p i n g 等人利用高非 线性光子晶体光纤( h n p c f ) 做s a g n a c 非线性光纤环镜，通过x p m 产生非线性 相移实现光开关功能【3 7 】；l a r s e n 等人通过在光子晶体光纤的空气孔中填充液晶， 实现了光开关功能【3 8 】；s a l g u e r i o 和z h e l t i k o v a 分别提出利用光子带隙光纤的k e r r 效应和双芯光子晶体光纤耦合器也实现了光开关的功能【”】。 传统的光纤光栅已经在通信和传感领域得到了非常广泛的应用，这些领域的 发展也为光纤光栅的性能和灵活性提出了更高的要求。光子晶体光纤及其器件的 研究是一个新兴的研究领域，它不仅有可能成为比普通光纤更加优异的光传输介 质，而且可以用来制作各种前所未有的、新奇的光电子器件。光子晶体光纤的出 现同样也促使光纤b r a g g 光栅进入一个新的研究领域【4 0 1 ，在光子晶体光纤中写制 的布拉格光栅( f b g ) 与普通的光纤b r a g g 光栅相比，具有一些独特的性质【4 m 2 】。 光子晶体光纤和传统的光纤光栅技术结合为制造新型的光纤光栅提供了条件，同 时也扩展了p c f 在通信和传感器件等领域的应用。 光子晶体光纤具备普通光纤所不具有的一些特点，比如通过改变空气孔的大 小、排列或填充不同材料的聚合物可以灵活改变p c f 的特性。在此基础上，光子 晶体光纤光栅具有一些明显的优点，比如写制方法可以采用传统的相位掩模技术， 包层模可以控制并具有较高的耦合系数以及对于温度和应变等物理参量更加敏感 等，因而具有更高的性能和灵活性，同时也扩展了p c f 在激光器、通信器件以及 传感等领域的应用【4 1 1 。 1 4 2 磁光光子晶体光纤光栅 通过填充磁性材料，可以得到一种新型具有磁光效应光子晶体光纤【4 3 1 。其纤 芯的材料由纯石英掺杂增大折射率的g e 0 2 和增加法拉第磁光效应的稀土n 3 + 、 a 1 3 + 离子组成；气孔包层的材料是由对称六角形规则排列的光子晶体结构毛细石英 管组成毛细管包层，而保护层为支撑石英管。这种磁光效应光子晶体光纤，解决 了一直困扰人们的光纤磁光效应低、温度敏感性大的难点问题。该光纤不仅提高 磁光效应的v e r d e t 常数，而且还使它的热稳定性比常规掺铽光纤提高一到两个数 量级。 8 第一章绪论 由磁光效应光子晶体光纤制作的磁光光栅，具有比常规光栅更多的特性。磁 光光纤所产生的法拉第效应，可以控制传输光的偏振面旋转，比传统的使用线偏 振光做器件更具优势。现今运用的圆偏振光纤圆振双折射光纤( c b f ) 作为一 种新颖的光纤，在非线性波长转换的时候，可以作为一种极佳的同向光纤。根据 光纤x p m 原理，加入了一组圆偏振探测波，成功实现了1 6 0g b p s 偏振无关波长 转换瞰】。磁光子晶体光纤的可控偏振面特性，同样可以运用于高速非线性全光再 生器件的设计。 在利用非线性光学效应进行光信号处理的研究中，发现采用半导体光放大器 的非线性与饱和特性来实现全光信息处理受限于载流子恢复时间，在高速的光信 息处理上就显得力不从心。而光纤的非线性响应在更高的f s 量级，可以满足高速 信息处理的要求。同时填充磁性材料的磁光光子晶体光纤，通过写入布拉格光栅， 具有比传统光栅更丰富的特性：其高非线性、带隙可调性、可控偏振面等，都给 全光3 r 再生器的设计，带来一条新的思路。 1 5本文的主要研究内容 本文主要对光纤光栅的特性进行了分析，并且结合它的特点提出了在全光开 关及可调滤波器方面的应用。论文由五章组成。 第一章为绪论。概述全光信息处理中的关键技术，介绍目前全光3 r 再生的主 要关键技术，并简要介绍了磁光光纤布拉格光栅非线性效应的研究情况，说明论 文的主要研究内容。 第二章是磁光光纤布拉格光栅仿真模型的建立。对单路及双路输入下的耦合 模方程进行了推导，介绍了目前常用的仿真方法，对本文采用的仿真模型进行了 阐述，并对光纤布拉格光栅光谱特性的简单分析。 第三章是全光3 r 时钟再生仿真平台的实现。主要介绍了法布里珀罗滤波器 的主要滤波性质，磁光光纤布拉格光栅在仿真平台的实现，以及o p t i s y s t e m 6 0 和 m a t l a b 平台混和仿真的实现。 第四章是对基于磁光布拉格光纤滤波器的全光3 r 时钟再生平台实验数据的分 析。并比较是否利用磁光光纤布拉格光栅时得到的时钟信号品质，显示磁光光纤 布拉格光栅在时钟再生系统中的作用。 9 电子科技大学硕士学位论文 第五章为全文总结。 1 0 第二章磁光光纤布拉格光栅模型的建立 第二章磁光光纤布拉格光栅模型的建立 2 1磁光光纤布拉格光栅的理论模型 光纤光栅的基本特征是一个反射式光学滤波器，具有体积小、插入损耗低， 以及与普通通信光纤良好匹配等特点。光纤光栅可以影响从光发送、光放大、光 纤色散补偿到光接收的几乎每个方面。利用光纤光栅对波长的良好选择性和基于 光纤光栅的各种器件和技术可以很方便地在光纤线路上实现超高速数据的波分复 用和全光解复用。因此，光纤光栅将是下一代高速光纤通信系统中不可缺少的重 要光纤器件。 1 9 7 8 年，加拿大渥太华通信研究中心的k o h i l l 等人探测到了光纤的光敏性 4 5 4 6 1 ，光纤中相对传输的两束光相干涉形成了周期分布的驻波，从而导致光纤的 折射率呈周期性分布。光纤光敏性的发现，提供了在纤芯中直接写入稳定折射率 周期分布的方法，为光纤技术开辟了新的研究领域。1 9 8 9 年，美国联合技术研究 中心的g m e l t z 等人【4 7 】以倍频氩离子激光器输出的2 4 4n n l 紫外光为光源，用分振 幅干涉的方法在掺锗石英光纤上写制出第一支波长位于通信窗口的布拉格光纤光 栅。从此，利用紫外光从光纤侧面直接在光线材料芯区写入轴向布拉格光纤的技 术一直受到人们的广泛关注。随着光纤光栅写入技术的日趋成熟，光纤光栅的种 类也逐渐多样化，功能更为丰富，在全光通信网络中的应用也更为广泛。 传统光纤布拉格光栅的作用是对入射光波中相位匹配的频率产生相干反射， 形成一个窄带的滤波器。本文所涉及到的磁光光纤布拉格光栅，可以通过在光纤 布拉格光栅中掺入稀土元素或在拉制的y i g 光纤上写入光栅等方法获得【4 3 。光纤 光栅中磁性材料的添加，使得在光纤光栅中存在导波光的法拉第磁光效应，这是 传统光纤布拉格光栅所不具有的特性。通过调节外加磁场，可以控制光纤光栅中 偏振光的模式转换效应。在磁光光纤布拉格光栅中，光纤布拉格光栅的作用是使 同一偏振、不同传播方向的导波光在光栅中发生耦合，而法拉第效应使同一传播 方向的导波光之间发生偏振模式转换。本文研究的磁光光纤布拉格光栅中，存在 沿纤芯正向和反向传播的两对偏振方向相互垂直的线偏振光，理论模型如图2 1 所示： 电子科技大学硕士学位论文 巧 图2 - 1 磁光光纤布拉格光栅的理论模型 2 2磁光光纤布拉格光栅的耦合模方程 对光脉冲的耦合情形，本文主要考虑光纤光栅以及偏振转换效应对附加介电 系数张量的贡献，忽略材料色散和光纤非线性效应对光脉冲的影响。将单模光纤 光栅中总光场表示为如下形式： ，( ，f ) = b f ( x ，y ) ( z ，t ) e i ( s # s z 吲 ( 2 1 ) 其中s = 1 分别表示导波光沿z 轴正向和反向传播，p = x ，y 表示偏振方向，多为 偏振方向单位矢量，尾= 州人，人为光栅周期，( 0 0 为光载波参考频率，f ( x ，y ) 和 彳了( z ，f ) 分别为横向和纵向分布。在考虑微扰情况下4 8 1 ，将( 2 1 ) 代入微扰波动 方程【4 9 1 ，可得 v 2 e 一7 1 可0