（光学工程专业论文）光纤光栅特性及其应用的研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生毕业论文 摘要 目前传统的光纤通信网正在向着下一代全光通信网快速演避，全光通信网 将是未来信息高速公路的主要物理载体，光子器件的发展是实现全光网的关键。 光纤光栅作为国际上一种新兴的在光纤通信中有着广泛应用前景的基础性光纤 器件，对其进行研究和开发一直是研究工作者重点关注的课题。 本课题根据光波导中的耦合模理论，理论分析讨论了不同光纤光栅的光学 特性，为光纤光栅的实际应用提供理论依据；通过数值仿真，分析讨论了光纤光 栅各种结构参数对其光谱特性的影响，获得了一些有益的结论，以便指导设计符 合性能要求的光纤光栅产品；光纤光栅具有灵活、无源，插入损耗小以及偏振相 关小等优点，是一种很有应用前景的光无源器件，本论文对光纤光栅的应用进行 了深入的探讨。 本论文内容主要分为： 1 详细推导了用于分析光纤光栅特性的耦合模方程，同时分析比较了各种 不同的数值计算方法，并对其中的主流算法给予了详细的说明。 2着重研究了光纤光栅的各种参数( 切趾函数、光栅长度、啁啾系数、折 变量等) 与其反射谱谱宽、反射率峰值、时延、色散等特性的相互关系 及影响，为光纤光栅的设计与制作提供了理论依据与参数选择的参考。 3光纤的色散是阻碍光纤通信系统性能进一步提高的关键因素之一。本文 分析讨论了运用均匀光纤光栅作为传输型器件补偿光纤色散这一新的 补偿方案，可使插入损耗大大减小，且光栅的制作简单，并根据均匀光 栅的特点提出了利用级联的方法用于多信道色散补偿的设想；利用侧向 压力使光纤光栅产生双折射的调谐原理，设计了可调谐的啁啾光纤光栅 用于光纤链路的自适应偏振模色散补偿： 关键词；光纤光栅、传输矩阵法、色散补偿、光分，插复用器 南京邮电学院磺士研究生毕业论文 英文摘要 a b s t r a c t a l lo p t i c a ln e t w o r k ( a o n ) w i l lb et h em a i np l a y s i c a lc a r r i e rt r a n s p o r t i n g e n o r m o u ss e r v i c e ss u c ha sd a t a , v i d e o ，a u d i oa n di m a g i n ee t ca sa ni d e a lg o a lo f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s m e a n w h i l ei ti sp a r a m o u n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o p o p t i c a ld e v i c e st od e p l o yt h ea o n o nt h eo t h e rh a n d ，f i b e rg r a t i n g sa r ea t t r a c t i n g m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r st ow o r ko nt h e mb e c a u s eo ft h e i rb r i g h tp r o s p e c t si nt h e o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s a p p l i c a t i o nu s i n gt h ec o u p l i n gt h e o r yo fl i g h tw a v e g u i d e ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e sm a i nc h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rg r a t i n g st h e o r e t i c a l l ya n d p r o v i d e ss o m ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a l r u l e sf o r t h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n g s p r o d u c t s n u m e r i c a l l yw ed i s c u s sv a r i o u sp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ea t t r i b u t e so ff i b e rg r a t i n g s a n do b t a i ns o m ei n t e r e s t i n gc o n c l u s i o n s w h a t si m p o r t a n t , c o n s i d e r i n gs u c hs o m e a d v a n t a g e sa sf l e x i b i l i t y , p a s s i v e , l o w - c o s ta n dl o wp o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s se t c ， p e o p l ea r ep o p u l a r l yu s e df i b e rg r a t i n g sa so p t i c a lp a s s i v ed e v i c e s ，t h e r e f o r et h e a p p l i c a t i o n so ff i b e rg r a t i n g sa r es t u d i e d t h eo u t l i n eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ec o u p l i n g m o d e le q u a t i o n so fo p t i c a lf i b e r g r a t i n g s i si n t r o d u c e d t h e o r e t i c a l l yi nd e t a i l ，a n dv a r i o u sn u m e r i c a la l g o r i t h m sa r ec o m p a r e da n dt r a n s f e r m a t r i xi so n e & t h eb e s ta l g o r i t h mt or e s o l v et h ec o u p l i n ge q u a t i o n s s e c o n d l y , s o t f i e m a i np a r a m e t e r so fo p t i c a lf i b e rg r a t i n g sa r ed i s c u s s e da f f e c t i n gi t sa t t r i b u t e ss u c ha s f u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ( f w r m ) o ff i b e r g r a t i n g ss p e c t r a ，t i m ed e l a ya n d d i s p e r s i o na d d i t i o n a l l y , s o m ei n t e r e s t i n gr e s u l t sa r ep r o v i d e d ，t h i r d l y ，w ed i s c u s s d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nu s i n gu n i f o r mg r a t i n gw i t hg o o da t t r i b u t e sn e a ri t sp h o t o n i c b a n d g a p a n d d e s i g n n o v e lc a s c a d e g r a t i n g s f o rm u l t i c h a n n e l d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n m e a n w h i l e ，w ed i s p l a yt h e n o v e ls e l fa d a p t i v ep o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n ( p m d ) c o m p e n s a t i o nm e t h o d sw i t hh i g hb i r e f r i n g e n c ec h i r p e df i b e r g r a t i n g f o u r t h ，w ed i s c u s sf i b e rg r a t i n g s a p p l i c a t i o ni nt h ed e s i g no f t h eo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) o w i n gt of i b e rg r a t i n g s a d v a n t a g e sa n dd e p l o y m e n tt h e n o v e lo p t i c a la c c e s sn e t w o r k ( o a n ) s u c ha sw d m p o na sw e l l k e yw o r d ：f i b e rg r a t i n g s ，t r a n s f e rm a t r i x , d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，o a d m 南京邮电学院学位论文独创性声明 、7 6 5 0 6 9 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 含为获得南京邮电学院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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名： 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 光纤通信技术的飞速发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和 传输质量，也使得传输成本大幅度下降。作为当代通信领域的支柱技术，光纤通 信技术正以每1 0 年增加1 0 0 倍的速度发展，预计这一发展还可以持续l o 年。目 前光纤通信技术的发展主要集中在以下几个方面：波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术、光纤接入网技术和全光通信网( a l lo p t i c a ln e t w o r k , a o n ) 等技术t 1 3 扪。 w d m 系统是在s d h 网上进行的点到点的扩容，这是目前较为广泛的一种 做法，采用w d m 技术，实现了光域上的传输，解决了传输过程中的“电子瓶颈” 问题。但网络节点仍是电子的，对信息的处理仍然受到限制，信息交换是线路的 电子交换，仍存在着“电子瓶颈”的制约，其传输速率很难高于4 0 g b s ，电子 的线路交换在交换规模、交换速率以及交换信息的类型、格式等方面均受到限制， 难以实现高吞吐量的、无阻塞的透明网络。这种要求特有的信息格式、速率和线 路交换方式难以使网络升级，难以使网络性能得到进一步的提高和满足宽带的全 业务的i p 服务1 2 , 6 】。 匝圃区圃 1 0 磅田 二 区国区画 图111 全光核心网的发展过程 全光网的传输方式是全光方式，在网络节点上实现全光路由和交换。但鉴 于光信息处理困难，在光交换、光存储等技术尚未取得突破性进展前还难于实现 基于口分组的全光交换，目前还不能做到实用化的、完全的全光网。从现有的 光纤通信网演进到全光交换，将有一个发展过程。图1 1 1 给出了全光核心网的 发展过程，从在点到点的w d m 光纤系统基础上采用光分插复用器和光交叉连接 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章绪论 光节点的w d m 光传送网，发展到在光域上传输和交换的全光分组交换网。 众所周知，光纤色散是限制光纤通信系统传输性能的主要因素之一，色散 包括色度色散和偏振模色散( p m d ) 。色度色敝是指光纤中由于组成光源光谱的 不同波长的不同群速度引起的光脉冲展宽，它会导致数字传输系统的误码性能的 劣化，从而限制系统传输速率和中继距离。为了降低色散对传输系统性能的影响， 人们研究了各种色散补偿技术，如预啁啾法、光纤光栅色散补偿法、色散补偿光 纤法等，目前一些方法已得到了应用，取得了良好的色散补偿效果。偏振模色散 ( p m d ) 是指单模光纤中的两个正交偏振分量之间的差分群时延。它在数字传 输系统中使光脉冲展宽，从而引起误码。与色度色散不同，光纤的p m d 瞬时值 随波长、时间、温度和状态等因素的变化而变化，是一个随机变量，服从一定的 统计规律，这使定量计算p m d 对系统性能的影响以及p m d 的补偿变得复杂。 一般而言，在光纤通信系统中，特别是单模光纤色散接近于零时，p m d 成为限 制传输速率和中继传输距离进一步提高的主要因素之一。 光纤光栅是2 0 世纪9 0 年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等 光电子处理领域有着广泛应用前景的光无源器件。光纤光栅的出现是光纤通信技 术及其相关领域的一次革命性的飞跃，使得人们重新考虑光纤通信的每一个环节 的设计，特别是目前传统的光纤通信网正在向着下一代全光通信网快速演进，系 统正在朝着高速率大容量的方向迅猛发展，尤其是4 0 g b s 以上的光通信系统在 使得传输容量和速度都得到很大提高的情况下。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制成的，在蓝光或紫外光谱区的强激光照 射下，石英光纤的光学特性可以发生永久性的改变。实质上是在纤芯内形成一个 窄带的( 投射或反射) 滤波器或反射器，利用这一特性可以构成许多性能独特的 光纤无源器件。实现全光网络要求以高速的全光器件进行无瓶颈的高速传输，并 且提出了全光集成的方向。光纤光栅将精密光学功能元件植入小型、坚固的基于 光纤的组件中，为通信和传感系统设计提供极大的优势。此外它插入损耗小，不 受电磁干扰，耐高温、抗腐蚀，适用于较为恶劣的外界环境工作。目前光纤光栅 在光网络中的应用几乎涉及光发射、光放大、光滤波、光交换和光吸收以及色散 补偿等各个领域。由于光纤光栅良好的滤波特性和紧凑结构，人们一直在不断挖 掘光纤光栅的应用潜力。在全光通信网的演进过程中，光纤光栅正成为不可或缺 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章绪论 的无源器件，得到了国际上的广泛关注和深入研究。 1 2 光纤色散及补偿技术 1 2 1 色散的基本概念 当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介质的响应通常与光波频 率脚有关，这种特性称为色散，它表明折射率门( 劫对频率的依赖关系。一般来 说，色散的起源与介质通过束缚电子的振荡吸收电磁辐射的特征谐振频率有关， 远离介质谐振频率时，折射率与赛尔迈耶尔( 8 e l l m e i e r ) 方程很近似( 7 l ： 矿( c o ) - - 1 + 委格 ( 1 2 z ) 式中，是谐振频率，b ，为j 阶谐振强度，方程( 1 21 ) 中的求和号包含了所 有对感兴趣的频率范围有贡献的介质频率。对光纤而言，用与纤芯成分有关的方 程并取m = 3 ，与试验测褥的色散曲线相拟合，求得b 和哆。由于不同的频谱 分量对应于由c n ( d o ) 给定的不同的脉冲传输速度，因而色散在窄脉冲传输中起 关键作用：甚至当非线性效应不很严重时，由色散引起的脉冲展宽对光通信系统 也是有害的。 在数学上，光纤的色散效应可以通过在中心频率处展开成模传输常数尸 的泰勒级数来解决： 风动= “功詈= 屈+ 屈p 一) + 三层p 一) 2 + ( 1 2 2 ) 热以= 筹b 沏= 0 ，l ，2 ) 。 当参量反对应于脉冲展宽时，脉冲包络以群速度以= 1 层) 移动。参量届和 尼与折射率n 有关。它们的关系可由下面的式子得到： 属2 廿缈等等= 亡 n z ， 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 尼= ； z 瓦d n + 剖a 詈等* 告警 z 式中，是群折射奉，屁是群速度色散，是决定脉冲展宽的主要因素，值得注 意的是，卢：在波长1 2 7 0 r i m 附近趋于零，对更长的波长则变为负值。反= o 处的 波长称为零色散波长旯。 通常也用色散参数d 来表示色散，它与应的关系为： d = 鲁一等晟一鲁等 z ，s ，。 根据色散参量屈或d 的符号，光纤中的非线性效应表现出显著不同的特征。 因为若波长五 o ) 。在正常色散区，光脉冲的较 高的频率分量( 蓝移) 比较低的频率分量( 红移) 传输的慢。相比之下，： 五。) 时， 石英光纤表现出反常色散。 色散使得光信号脉冲展宽，从而增加误码率，影响传输质量。光纤数字通信 传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲之间发生 重叠现象，即产生了码闻干扰，从而形成传输码的判决误差。为了避免误码出现， 就要增大脉冲的间隔时间，导致传输速率降低，从而减小了通信容量。另方面， 从引起光脉冲展宽的机理上分析，光纤的色散包括材料色散、波导色散、模式色 散以及偏振模色散。材料色散和波导色散与光源谱宽丑( 或频宽v ) 有关，减 小a 2 ( 或，) 有利于减小色散影响；模式色散仅在多模光纤中占主导地位，它 主要取决于光纤的折射率分布；偏振模色散与光纤的双折射有关。 1 2 2 色散补偿技术 在此介绍几种最为常见的色散补偿技术1 ”。 ( 1 ) 采用低色散值的新型光纤 解决色散最直接的方案是在新敷设的系统中采用合理色散值的新型光纤。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章结论 在w d m 系统中采用何种光纤最为适宜，一直是研究工作者致力的课题，由于 g 6 5 3 光纤( 色散位移光纤d s f ) 在1 5 5 0 n m 处的优良特性而成为人们首选的光 纤。但是进一步的研究发现：虽然d s f 在单波长，长距离通信中具有很大的优 越性，但当用于w d m 系统中时，在零色散波长区会产生严重的非线性效应，特 别是“四波混频( f w m ) ”现象，对系统影响很大。为了有效的遏制f w m ，必 须在传播波长有一个很小的色散，所以i t u t 又推荐了新的非零色散位移光纤 g 6 5 5 。其特点是将d s f 的零色散点进行了移动，使1 5 4 0 一1 5 6 5 n m 范围内色散 值保持在1 0 - 6 0 p s k m n m ，避开了零色散区，但又保持了较小的色散值，零色散 点可以设置在1 5 5 0 r i m 以下或以上的较小波长范围内( 如1 5 2 0 r i m 或1 5 7 0 n m ) 。 同时在工作波段内，仍可以保持损耗很低，即o 2 5 d b k m 左右。为了进一步扩大 工作波长的范围，满足d w d m 和c w d m 系统部署的需求，i t u t 又最新定义 了g 6 5 6 光纤用于宽带传输系统【9 1 ，可利用的波长范围为1 4 6 0 一1 6 2 5 n m ，同时 保持低色散值和低偏振模链路设计值p m d o 为o2 0 p s | b 霄，以此来减小p m d 对传输系统的影响。 ( 2 ) 色散补偿光纤 目前，光纤通信发展迅猛，大量己敷设的是常规单模光纤g 6 5 2 。这种光纤 虽然在1 31 0 n m 处色散几乎为零，但是损耗较大，而在1 5 5 0 n m 处损耗最低，人 们迫切希望能够充分利用这一窗口。近年来工作在1 5 5 0 n m 的掺饵光纤放大器 ( e d f a ) 的出现，更使得1 5 5 0 r i m 窗口成为长距离、大容量光纤通信系统的优 选窗口，但是g 6 5 2 光纤工作在1 5 5 0 n m 的色散较大，达到了1 7 p s n m k m 。为了 克服这种波长色散的影响，需要一定的色散补偿技术。利用具有大的负色散的色 散补偿光纤( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r , d c f ) 是一种很有效的方法。即在 已建的g 6 5 2 光纤传输线中，每隔一定的距离插入长度调整好的色散补偿光纤对 色散进行补偿，使整个传输线路的总色散为零。色散补偿光纤在1 5 5 0 r i m 波长， 具有很大的负色散，可以分为单模和多模光纤两种。单模色散补偿光纤的色散量 高达3 0 0 p s n m k m ，在线路中与g 6 5 2 的长度比约为l ：1 5 。但色散补偿光纤的损 耗较大，约为o 5 d b k m ，可以通过e d f a 来放大。目前，又研制出来色散补偿 量达- 7 7 0 p s k m n m 的双模色散补偿光纤，但其要引入将基模转换为高阶模的模式 转换器，实现起来比较复杂，损耗也比较大。用d c f 进行补偿时，其与g 6 5 2 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 光纤从长度上必须良好匹配，一经确定，不易改变。此外，由于色散补偿光纤的 模场直径较小，引起非线性效应的门限低，对抑制系统非线性效应也是不利的。 同时色散补偿光纤的色散补偿量也偏低，且价格较高，色散补偿光纤在器件小型 化和加大传输距离方面也有许多弱点，因此会在很大程度上增加了系统的成本。 尽管存在着各种缺点，色散补偿光纤仍是对原有g 6 5 2 光纤进行色散补偿与管理 的主流商用方案。 ( 3 ) 光纤光栅色散补偿 光纤光栅是近年来出现的光无源器件，由于光纤光栅的优良的滤波和时延 特性，非常适合于色散补偿。光纤光栅色散补偿的基本原理是：普通单模光纤在 l5 5 0d r t 3 工作窗口的色散系数为正值，表明中心波长在15 5 0n m 附近的信号光 通过光纤时，红移分量( 长波长成分凡1 ) 比蓝移分量( 短波长成分入s ) 传得慢，因 而经历的时延大。若使信号光从光栅周期大的一端入射，由于光栅工作在反射状 态，因耦合而引起谐振反射，使得红移分量经过较近的距离就能被反射，而蓝移 分量要经过较远的距离才能被反射，即红移分量比蓝移分量经历的时延要小。可 见，光栅以这种方式放置时的色散特性正好与常规单模光纤的色散特性相反，从 而实现色散补偿。补偿方法分为传输型色散补偿和反射型色散补偿。 采用无源光纤光栅进行色散补偿，具有插入损耗低、体积小、成本低并与 光纤系统兼容性好和可提供任意可调谐的高色散等优点，利用多个光纤光栅级联 可以提高色散补偿能力，光纤光栅系统使用和维护方便，成本低、可升级性好、 可靠性高、受非线性效应影响小，极化不敏感，具有很好的实用性。因此光纤 光栅色散补偿的研究己成为目前研究的热点之一。 ( 4 ) 其他色散补偿方案 其他的色散补偿方案还有中途谱反转技术、光孤子技术，以及在电域范围 内辅助解决包括光源预啁啾、放大器及光纤诱导啁啾等技术。 中途谱反转技术也是一种被广泛研究的，在全光的范畴内解决色散补偿问 题的方法。它利用光学相位共轭原理，对光脉冲在传输距离一半的位置上作频域 变换，使前段因色散而展宽的光信号在后半段传输中被压缩，在接收端恢复为发 射端的脉冲形状。这个方法不但可以补偿色散，还可以补偿四波混频与自相位调 制等非线性效应的影响。其中的中途谱反转装置需要； b j j n 较强的泵谱光，需要非 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章绪论 线性介质，包括色散位移光纤或半导体放大器，设备比较复杂，而且必须在中点 进行补偿，目前还不成熟，正在研究中。 光孤子通信是近期非常热门的一个研究课题，其工作机理是在光纤的反常 色散区，用光纤非线性自相位调制( s p m ) 来产生与光纤色散有互补关系的光波 啁啾效应，使光纤中的光脉冲逐步形成一种类似钟形的稳定形状，最终到达只与 脉冲幅度有关的平衡态。理论上，若能忽略损耗压缩，光孤子脉冲可以保持形状 传输任意远，从而彻底克服色散的负面影响。 色散补偿也可以在电的范围内辅助解决，主要包括光源预啁啾，放大器及 光纤诱导啁瞅等技术。这些技术都是要在光脉冲进入光纤之前产生一个正的啁 啾，使后沿的频率高于前沿的频率。由于g 6 5 2 光纤在1 5 5 0 n m 处色散值为正， 光载波的群速度预载波频率成正比，高频分量传播速度快，所以后沿比前沿传播 速度快，可以压缩脉冲宽度。双二进制编码等特殊编码技术也可以提高色散限制 距离。这些方法都不是补偿色散，而是采用对色散不敏感的信号形式进行传输， 虽然可以在定程度上提高色散限制距离，但都只能作为辅助手段。 1 2 3 结论 以上介绍了不同的色散补偿方案的特点，我们不难得出各自有其不同的优 点和不足。其中光纤光栅色散补偿被业内人士认为是目前晟为实用的一种色散补 偿方式。它具有带宽宽、插入损耗低和高补偿率等特点。由于体积小，可以很容 易地安装于现有的传输系统中，可以很方便地进行全光通信的一维集成。技术稳 定性好，产品可靠性高。因此光纤光栅的研制和应用对实现高速率、大容量、长 距离的全光通信有重大意义。 1 , 3 光纤光栅概述 衍射光栅构成了标准的光学器件，通常用于各种光学仪器，如光谱仪。2 0 0 多年以前，其基本原理就己经被发现。从实用的观点出发，衍射光栅定义为能对 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 入射光振幅或相位产生周期性的任意光学元件。显而易见，折射率周期性变化的 光学介质就是光栅，因为当光通过时将产生相位的周期性变化。这样的光栅称为 折射型光栅( i n d e xg r a t i n g ) 。 自从1 9 7 8 年k o h i l l 等人首次利用驻波写入法在掺锗石英光纤上成功制成 世界上第一个光纤光栅以来，光纤光栅就对光纤通信和光纤传感技术产生了重大 影响，使各种全光纤器件成为现实，并促使入们重新考虑光纤通信系统中各种光 学元器件的构成与设计。光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域中的里程碑作用已 被世人认可，成为光纤通信和光纤传感等技术领域必不可少的基础性元件。 1 3 1 光纤的光敏性和光纤光栅 所谓光纤的光敏特性是指光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化 的特性。光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，可保持永久性不变，因丽利用 紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光纤中形成光纤型光波导器件。光纤 光敏特性的动力学机理现在尚未完全研究清楚，较为普通的观点是【4 i ：由于诱导光 ( 紫外光) 的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产生的自由电子进入光纤材料 的色心陷阱中，从而改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现折射率的变化； 另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放诱导应力以及构形的畸变等也导致了 折射率的变化p l 。这种光折变效应主要发生在近紫外波段，最初光致折射率变化 出现在掺锗光纤中，后来研究发现，具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷 或硼，并不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显，有时根据需要为了加 大折射率的变化程度，就会选用高掺杂的光纤。 光纤光栅( o f b g ) 就是利用石英光纤的紫外光敏特性，用特殊工艺使得光纤 纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的，能对波长满足布喇格反射条件的入 射光产生反射的光纤波导器件，如图13l 所示。由于光纤布喇格光栅直接制作 在光纤纤芯上，体积小、牢固耐用，因此适合当前光纤技术发展中的需要。光纤 布喇格光栅将促进光纤通讯系统和光纤传感系统每一环节的重新设计，是继光 纤、光纤激光器和光纤放大器之后的又一重要技术突破【6 】。当前光纤布喇格光 栅的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 反射光 4 1 - - - - - 呻 入射光 辐射光 l ， i li l川川i l 卜i 透射光 1 图1 3 1 光纤光栅的模型 需要强调的是。到目前为止，对光敏性的物理机制的确切理解并不完全， 而且其中涉及的机理也不止一种。局部加热也能影响光栅的形成。例如，对于强 耦合型光纤光栅( 折射率变化高于o 0 0 1 ) ，在光学显微镜下可以观察到光栅中损 伤的痕迹，这些损伤是由纤芯区域吸收紫外光产生的几千度的局部高温造成的， 在这样的高温下，非晶石英的结构由于熔化而产生显著的变化。 1 3 2 光纤光栅的制作方法 1 3 2 1周期性光纤光栅的制作方法 目前，制作周期性光纤光栅的方法大致可分为4 类：纵向驻波干涉法、横向 全息曝光法、点光源写入法、位相母板复制法i ”i 。 1 )纵向驻波干涉法 这是加拿大通信研究中心的ko h i l l 等人首次发现光纤光敏性的方法。它 利用注入光纤的入射光和从光纡另一端面返回的反射光在光纤内形成驻波，经过 一定时间曝光后使光纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅，驻波干涉法 制作光纤光栅的优点是装置较简单，缺点是b r a g g 反射波长仅由写入光波长决 定，而且写入效率低，光栅很长( h i l l 的实验中光栅长为1 1 ) 。 2 )双光束全息干涉横向写入法 这是1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研究中心的gm e l t z 等人首先实现的。 将一小段掺锗光敏裸光纤在两束相干紫外光束交叠区域所形成的干涉场中曝光， 引起纤芯折射率的周期性扰动，从而形成光栅。与纵向驻波干涉法相比，该写入 法写入效率大大提高，并且可以通过改变两干涉光束之间的夹角来调整光栅的周 飙易于获得所希望的b r a g g 反射波长。但这种方法也有其缺点：一是对光源的 相干性要求较高，二是对系统的稳定性要求较高。 3 ) 点光源写入法【8 这种方法是利用一点光源，沿光纤长度方向等间距地曝光，使光纤芯的折射 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章绪论 率形成周期性分布而制成光纤光栅。这种方法的优点是灵活性高，周期容易控制， 可以制作变迹光栅；对光源的相干性没有要求。缺点是由于需要亚微米间隔的精 确控制，难度较大，而且受光点几何尺寸限制，光栅周期不能太小，适于写入长 周期光栅。 4 ) 相位母板复制法【9 】 这种方法是姆光敏光纤贴近位相光栅母板，利用位相光栅母板近场衍射所产 生的干涉条纹在光纤中形成折射率的周期性扰动，从而形成光纤光栅。用相位母 板复制法制作光纤光栅的优点是：工艺简单，重复性好，成品率高，便于大规模 生产；光搬周期与曝光用的光源波长无关。缺点是母板制作成本较高，一块母板 只能制作一种固定周期的光纤光栅，但用光学系统放大或拉伸光纤的办法也可制 作周期稍有不同的光栅。 1 3 ，2 2非周期光纤光栅的制作方法 非周期性光纤光栅又称为啁嗽光栅( c h i r p e dg r a t i n g s ) ，其反射带宽比均匀周 期的布拉格光栅宽很多。可用于光通信中超高速率色散补偿、超短脉冲压缩或光 栅传感器中。啁啾光栅的制作方法常见的有以下几种 1 0 ，1 1 】： 1 ) 两次曝光法 这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。第一次曝光在光纤 上并不形成光栅，而是仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第 一次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应迭加便构成了一个c h i r p 光 栅。这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使得制作方法大大简化。 2 ) 光纤弯曲法 这是在均匀光栅中引入光纤的机械变形，形成c h i r p 光栅的一种方法。由于 光纤的弯曲角度渐变，造成光栅的周期渐变。这种方法引入的c h i r p 量不能过大， 否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成包层模而造成附加损耗。 3 ) 锥形光纤法 这是利用锥形光纤形成c h i r p 光栅的一种方法，可在锥形光纤两端施加应力 发生形变，然后写入均匀周期的光栅，应力释放后，由于锥体各部分的伸长形变 不同，造成光栅周期的轴向发生均匀变化，形成c h i r p 光栅；也可先在锥形光纤 上写入均匀光栅，然后再施加应力得到相同的效果。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 4 ) 应力梯度法 与锥形光纤法原理相同，只是应力大小是通过将光纤粘在底座上的胶含量来 调节。其优点是可以分别调节中心波长和光栅的带宽。这对于制作高性能的色散 补偿器具有重要的意义。 5 ) 复合c h i r p 光栅法 将一列不同周期的均匀光栅顺序写在光纤上，它最大限度地应用了制作均匀 光纤光栅的工艺简单性，具有很大的灵活性。 6 ) c h i r p 光栅的全息干涉法 这种制作c h i r p 光栅的基本原理是通过在双光束全息光路系统中加入柱面 镜，使两束光的干涉角度沿着光纤轴向发生连续变化，从而造成光纤的纤芯折射 率发生周期性渐变，形成c h i r p 光纤光栅。此外，用相位母板法也可制作啁啾光 栅，曝光时使光纤与相位母板之间成一倾斜角，从而使光纤光栅的周期沿光纤z 轴方向变化，形成啁啾光栅。也可以在制作母板时使其周期不均匀，用这样的母 板也可制作啁啾光栅。 近年来，国内外还报道了一些新的光纤光摄制作方法：直接写入法、在线 成栅法、光纤刻槽拉伸法、微透镜阵列法、用聚焦二氧化碳激光器写入长周期光 纤光栅法、移动平台法、用聚焦离子束写入光纤光栅等。 1 3 3 光纤光栅的调谐技术 光纤光栅的可调谐特性，使其成为实现o a d m 的最佳选择。光纤光栅作为 激光器的选频器件和波长锁定器件时，为了获得准确的波长定位，也需要对光纤 光栅进行调谐和控制。在波长调制型传感器方面，光纤光栅的可调谐特性也十分 有用。所以光纤光栅的调谐技术是一个深受关注的研究热点之- - 1 儿1 。 对光纤光栅波长的调谐有多种方法，如用压电陶瓷( p z t ) 使光纤光栅发生应 变，热调谐，对光纤加侧应力进行调谐，基于悬臂粱的光纤光栅线性调谐。用压 电陶瓷调谐最早出现在单模掺铒光纤激光器的波长调谐中。据文献【l 】报道，p z t 形变量达到9 0 l am 时，波长调谐范围达到o7 2 n m 。文献 2 】是利用光纤光栅的布 喇格波长对温度的敏感性，通过控制外界环境的温度而对光纤光栅进行温度调 谐。文献 3 】报道了对光纤加侧应力进行调谐的方法，此方法加大了调谐范围。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章绪论 与文献【3 中简支梁调谐技术不同，文献【4 】提出了悬臂粱调谐技术，利用附着其 表面的光纤光栅的应变与自由端外力大小成线性关系，实现其反射谱中心波长的 线性调谐。且调谐范围增大。调谐过程中全部格栅的布喇格反射波长发生了变化， 从而使光纤光栅的峰值波长变化，同时不同格栅间变化程度不同，造成带宽增加， 出现啁啾现象。在o a d m 系统中，光纤光栅反射谱的带宽增加会引起信道间的 串扰，使传输信号失真。文献【3 ，4 1 的方法采用外加机械力，调谐速度慢，不能满 足实际应用的要求。 1 3 4 光纤光栅在光纤通信网中的应用 ( 1 ) 光纤光栅在激光器中的应用刮 1 ) 光纤光栅在半导体激光器中的应用 b r a g g 光纤光栅在半导体激光器中可以作为反射镜，即引入了一个反馈腔。 之所以利用光纤光栅作为夕 腔，有三个目的；是使半导体激光器处于稳定单模 工作，甚至做至日波长可调谐；二是利用夕 腔调谐产生锁模脉冲激光；三是产生所 谓的“相干失配”，用以稳定半导体激光器的波长及功率。 2 ) 光纤光栅在光纤激光器中的应用 紫矫写入光纤光栅的出现为光纤激光器提供了一种插入损耗低、波长选择 性非常好的光纤共振腔，光纤光栅的采用大大简化了以前单模光纤激光器的结 构，同时提高了激光器的性噪比，窄化了线宽，也使得压缩或拉伸光纤腔进行 的波长连续诵节变得非常容易，调节范围达到4 0 r i m ，而且调谐过程中无跳模现 象发生。 3 ) 光纤光栅在r a m a n 激光器及r a m a n 放大器中的应用 当较强的光子入射光纤时，含锗光纤中光子相互作用形成了前向受激拉曼 效应，即负s t o c k e s 能级序列。这些s t o c k e s 能级序列会使输入能量分散于无用 的波长区域，适当限制及利用这些能量就可以形成r a m k r l 激光器及r a m a n 放大 器。如果该系统引入反射率较高的光纤光栅，就可以将无用的s t o c k e s 能量限制 在有效作用区内，使其能量向需要波长能级转化，以提高泵浦光转换效率。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章绪论 ( 2 ) 光纤光栅在掺饵光纤放大器( e d f a ) 中的应用 对于e d f a 系统，e d f a 的稳定性是衡量其性能的重要参量之一，也是在低 噪声高速率光纤通信系统充分发挥其直接光放大的基本要求。e d f a 泵浦的波长 稳定是决定放大器的稳定性的重要因素之一。光纤光栅对掺饵光纤放大器泵浦系 统的作用主要有两个方面：一是对e d f a 泵浦源进行稳频和稳波长，二是提供 掺饵光纤尾端泵浦反馈，提高泵浦源的光功率转换效率。 光纤光栅在e d f a 中还有一个重要应用是对掺饵光纤放大器增益谱进行平 坦化。由于e d f a 增益谱一般可用带宽在1 5 3 0 1 5 6 0 n m 之间约3 0 n m 。然而 1 5 3 2 n m 和15 5 0 n m 处有两个明显峰值，致使其平坦区域仅约为1 0 r i m 左右，这对 于充分利用光纤1 5 5 0 n m 附近窗口进行波分复用是不利的，因此必须对e d f a 的 增益谱进行平坦化。光纤光栅在这方面具有很大的性能价格优势。作为增益平坦 化的光纤光栅可以是闪耀光纤光栅，也可以是长周期光纤光栅，两者都是选择型 损耗滤波器，通过精确的控制工艺制作的光纤光栅可以滤除e d f a 增益谱中比较 强的光谱成分，使其增益于较弱部分均衡化。 ( 3 ) 在无源光网络中的应用 在w d m 无源光网中，波长路由器温度的偏移将使路由器通频带和信号波 长之间产生偏移，从而导致信息丢失和串话，因此温度的稳定性在w d m 系统中 起至关重要的作用。 任何光纤的物理特性的改变，象应力、温度、极化都能导致光纤有效折射 率门。，和光栅周期人的变化，从而使反射波长厶发生改变。根据光纤光栅的这个 特性通过在光纤远瑞放置光纤光栅，将探测信号反射回控制中心，获得波长的变 化，从而检测出温度的微小偏差。这样就可以调谐激光器的温度使得w d m 信号 波长和路由器通频带之间保持一致。通过这个控制环路可以自动进行波长管理， 同时对实际信道又不产生影响。 ( 4 ) 在色散补偿中的应用 光纤光栅色散补偿的基本原理是：普通单模光纤在1 5 5 0n m 工作窗口的色 散系数为正值，表明中心波长在1 5 5 0n l n 附近的信号光通过光纤时，红移分量( 长 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 波长成分丑) 比蓝移分量( 短波长成分丑) 传得慢，因而经历的时延大。若使信号 光从光栅周期大的一端入射，由于光栅工作在反射状态，因耦合而引起谐振反射， 使得红移分量经过较近的距离就能被反射，而蓝移分量要经过较远的距离才能被 反射，即红移分量比蓝移分量经历的时延要小。可见，光栅以这种方式放置时的 色散特性正好与常规单模光纤的色散特性相反，从而实现色散补偿。 ( 5 ) 在波分复用系统中的应用 在波分复用( w d m ) 光通信网中，复用器将各路光信号合波在一起，通过光 纤传输到终端，再通过解复用器将合波信号分开，然后分别进入接收器。复用器 可以是如阵列波导型的波长选择器件，也可以是象1 ：n 型环路器一样的与波长 无关器件，更可以是多路光栅复用器。相反，解复用器必须具备低串话、高隔离 度特点，阵列波导光栅、干涉滤波器合多路光栅可以作为解复用器。 1 4 本课题的主要工作 在实现高速全光通信的进程中，光纤光栅作为个关键的无源器件，起到 了重要的作用。本课题就是以此为主线，系统、全面的研究了各种光纤光栅的特 性，并且利用光纤光栅进行色散补偿和波分复用系统的设计。 本论文主要包括以下内容： 第一章为绪论部分，概述了光纤通信的发展过程，以及光传输系统的主要限 制因素之一：色散，并且比较了各种色散补偿技术；概述了光纤光栅的基本概念、 制作技术以及在光通信系统中的应用。 第二章为光纤光栅的光学基础，介绍了光纤光栅的耦合模理论模型、比较了 各种不同的数值计算方法，并给出了几种主要算法。 第三章通过数值仿真首先分析了常见的几种光纤光掘的特性，然后讨论了光 纤光栅的各种参数对光栅光谱| 生能的影响，包括：切趾技术、啁啾系数、光栅折 射率变化量等参数。 第四章通过数值仿真分析了光纤光栅在色散补偿中的应用。主要利用了均匀 光栅和线性啁啾光栅对光纤传输系统中的色度色散和偏振模色散进行了分析。 第五章分析了光纤光栅在光通信网中的应用。具体讨论了磁调谐光纤布拉格 光栅的全光纤型多路分插复用器的设计 第六章对本课题的研究进行了简要的总结。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一耄绪论 本章小结： 本章属绪言部分，首先介绍了光纤通信的发展，以及光传输系统的主要限 制因素之一：色散，并且比较了各种色散补偿技术；概述了光纤光栅的基本概念、 制作技术以及在光通信系统中的应用。 参考文献： 【1 】 gab a l l ，ww m o r e y c o n t i n u o u s l yt u n a b l es i n g l e 2 m o d ee r b i u mf i b e rl a s e r j o p tl e t t ， 19 9 2 ，1 7 ( 6 ) ：4 2 0 4