（光学工程专业论文）光纤光栅的特性及其在高速光纤传输系统中的应用.pdfVIP

直塞鲣电太堂殛班荭生堂位论奎 埴要 摘要 目前，光纤通信网正在向着下一代全光通信网快速演进，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。光纤光栅是2 0 世纪9 0 年 代出现的一种新型光无源器件，具有灵活，无源，插入损耗小以及偏振相关小等优点，对 光纤通信技术的发展有着重要的影响，是当前的一个研究热点，本课题主要研究光纤光栅 的特性及其在高速光纤传输系统中的应用。 论文首先综述了光纤光栅的现状和发展以及光纤光栅的光敏性、光学特性和制作方 法；讨论了光纤光栅的耦合模理论，分析比较了各种不同的数值计算方法的原理和特点， 并选定传输矩阵法作为本论文数值仿真的主要方法。 接着，数值分析了线性啁啾光纤光栅的特性，得到了光栅参数对光栅特性影响的规律： 结合实例，设计出了在单信道色散补偿传输系统中和光分插复用器中应用的啁啾光栅的参 数，并给出了实现方案。 然后，数值分析了均匀取样光栅和啁啾取样光栅的特性，得到了光栅参数对取样光栅 特性的影响规律；结合实例设计了1 6 信道d w d m 传输系统中宽带色散补偿用的啁啾取样光 栅；设计了同时上下8 个波长o a d m 中的均匀取样光栅，并给出了具体的实现方案。 最后，数值分析了长周期光纤光栅的特性，得到光栅参数对长周期光纤光栅特性的影 响规律：根据e d f a 的增益谱特性，提出了采用长周期光纤光栅的增益均衡方案，并分别 设计出了用于e d f a 增益的单个长周期光栅和级联长周期光栅实现e d f a 的增益均衡。 关键字：传输矩阵法级联长周期光栅取样光栅光分插复用器 a b s t r a c t c u r r e n t l y , a l lo p t i c a ln e t w o r k ( w i l lb et h em a i np h 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 l li d e a lg o a lo fo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n s f i b e rb r a g gg r a t i n g ，an e wt y p eo fo p t i c a lp a s s i v ed e v i c e ，w h i c he m e r g e da t 2 0 t hc e n t u r y9 0 s ，h a s f l e x i b l e ，p a s s i v e ，s m a l li n s e r t i o nl o s sa n ds m a l lp o l a r i z a t i o n - r e l a t e d a d v a n t a g e sa n di m p o r t a n ti m p l i c a t i o n si no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 。m e a n w h i l ei t i sc u r r e n t l yar e s e a r c hh o t p o t t h em a i nr e s e a r c ht o p i c so f t h i sp a p e ri st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i b e r b r a g gg r a t i n ga n di t sa p p l i c a t i o ni nh i g h - s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s f i r s t l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e dt h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n to ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ，a s w e l la st h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o d u c t i o nm e t h o d s ；i ta l s od i s c u s s e df i b e rg r a t i n g st h e c o u p l e d - m o d et h e o r y , a n a l y s e da n dc o m p a r e dd i f f e r e n tm e t h o d so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h e p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds e l e c t i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o da st h ep r i m a r ym e a n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ft h i st h e s i s t b e n , i tn u m e r i c a l l ya n a l y s e dl i n e a r l yc h i r p e df i b e rg r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，g a i n e d t h e l a wo ft h eg r a t i n gp a r a m e t e r so nt h eg r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m p a c t ；w i t he x a m p l e s ，t h e t h e s i sa l s od e s i g n e dt h ec h i r pg r a t i n gp a r a m e t e r si nt h es i n g j e - c h a n n e ld i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa n do p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x e ra p p l i c a t i o n , i nt h ee n do ft h et h e s i si t g a v et h ep r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n a 峨t h et h e s i sn u m e r i c a l l ya n a l y s e dt h e u n i f o r ma n dc h i r p e dg r a t i n gs a m p l i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，g e tt h er e s u l to f t h el a wo f t h eg r a t i n gp a r a m e t e r so nt h es a m p l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ； 、i 也e x a m p l e s ，id e s i g n e d16 - c h a n n e ld w d m t r a n s m i s s i o ns y s t e m s 埘t l lb r o a d b a n dd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o no fc h i r p e ds a m p l e dg r a t i n g ；a n da l s od e s i g n e dt h eu n i f o r mg r a t i n gu s e di no a d m w h i c hc a nd r o pa n d a d d8w a v e l e n g t h sa tt h es a m et i m e ，a n da tl a s t , g a v et h es p e c i f i cp r o g r a m i m p l e m e n t a t i o n a tl a s t , t h et h e s i sn u m e r i c a l l ya n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i n g l el o n g - p e r i o d g r a t i n g ，g o tt h er e s u l to ft h el a wo ft h el o n g - p e r i o dg r a t i n gp a r a m e t e r so nt h el o n g - p e r i o dg r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s ；p r o p o s e dt h ep r o g r a mo fg a i nb a l a n c eo f t h ee d f aw i t ht h el p g ；a n dd e s i g n e d as i n g l el o n g - p e r i o dg r a t i n ga n dc a s c a d e dl o n g - p e r i o dg r a t i n g sf o rg a i n e q u a l i z a t i o no fe d f a k e yw o r d s ：t r a n s f e rm a t r i xm e t h o dc a s c a d el p g s a m p l eg r a t i n g o a d m 南京邮电大学学位论文原创性声明 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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盘望盘日期：亟颦：垒：旦 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：盔璺& 导师躲鲢吼幽：兰3 1 1 引言 第一章绪论 从1 9 6 6 年有人首次提出光纤可用于通信的“神话”预言，到目前光纤通信的应用已遍 及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等领域。其发展速度之快，应用范围之广，规 模之大，涉及学科之多( 光、电、化学、物理、材料等) ，是以前任何一项新技术不能与之相 比的。现在光通信的新技术仍在不断涌现，显示出了强大的生命力和广阔的应用前景。它 将成为信息高速公路的主要传输手段，是将来信息社会的支柱。光纤通信的新技术主要有： 光器件技术、光放大技术、光接入技术、光同步数字传输技术、光w - d m 技术、相干光通 信技术、全光通信技术等。中国的光通信技术的发展，经历了许多曲折和困难，目前已掌 握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐步走迸了国际光通信的先进行列。特别是 在主要技术上，都有自己的特色和创新。如i b i h 光线路码形，自己特色的网络管理系统， 能够构成自愈环的准同步数字序列( p d 均设备，自行设计的全套同步数字序列( s d h ) 专用 芯片，在线升级的s d h 设备，通过l a p s 实现的i po v e q t s d h 等，都形成了自己的知识产权， 为进一步发展打下了良好的基础。总的来说，由于微电子技术、光电子技术和计算机技术 的发展，为光通信的发展创造了非常好的条件，使得光通信在高速大容量方面和宽带、综 合、低成本接入方面迅速发展。光纤通信技术的发展趋势主要有如下几个方面。 1 向超高速系统的发展 高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长。目前，商用系统的速率已从4 5 m b i t s 增加到1 0 g b i t s 。其速率在2 0 多年时间里增加了2 0 0 多倍。目前1 0 g b i t s 系统已开始大批 量装备网络。全球已敷设了5 0 0 0 多网元。不少电信公司已开发出4 0 g b i t s 的系统，2 0 0 1 年 底己实现实用化。1 6 0 g b i t s 速率e t d m 和6 4 0 ( 3 b i t s 速率o t d m 的传输试验也已获成功， 前者已经在新一代的低色散斜率真波光纤上传输了2 0 0 k m ，但离实用化尚有较长距离。目 前，光纤通信的容量以每9 个月增加一倍的速度发展，预计在今后的l o 年内，光纤通信的 传输速率将提高1 0 0 倍，这意味着可以为用户提供几乎无限的带宽。 2 潜力巨大的w d m 和d w d m w d m 技术出现以来，迅速得到了广泛的应用。2 1 世纪初，商用的d w d 系统传输容量 已达4 0 0 0 b i t s ，1 6 t b i t s 和6 a t b i t s 的d w d m 系统投放市场。同时，w d m 技术复用的 1 亩塞整曳太堂亟班究生堂僮监奎箍二重结论 波段由常规波段( c ) 向长波段( l ) 波段和短波段( s 波段) 拓展，1 0 0 个波长通道的传输设备已 经商用，2 0 0 1 0 0 0 个波长通道的传输系统正处于开发中。w d m 和d w d m 的市场也非常看 好，2 0 0 5 年达到了1 2 5 亿美元。特别是最近几年，w d m 技术的不断成熟，并显示出巨大的 发展潜力，近两年来，超大容量的d w d m 系统的发展不仅彻底发掘了无穷无尽的光纤传 输链路的容量，而且也成为m 业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传输网灵活光节点的基 础。 3 光纤接入网 实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入 部分更是关键，光纤接入网是高速信息流进入千家万户的关键技术。 目前应用于接入网的光传输技术主要4 种：s d h ，p d h ，p o n ( 无源光网络) 和e p o n 。 s d h 技术能为用户提供高质量、高可靠性的支持，接入网的网管和维护易于实现，但要应 用于接入网还要进行改造。p d h 具有廉价特性和灵活的组网功能，使其可以大量应用于接 入网中，将s d h 概念引入p d h 系统，可进一步提高系统的可靠性和灵活性，因此，p d h 技 术还将得到广泛应用。p o n 是一种很有吸引力的纯介质网络，减少了线路和外部设备的故 障率，提高了系统的可靠性，节省了维护成本，同时其拓扑结构又极大地节省了光纤的成 本，是比较典型和发展比较迅速的接入网传输方式，也是电信部门长期期待的技术。由于 采用无源分光器件，从光线路终端到光网络单元之间的整个光分配网是无源的，便于维护， 便于实现光纤到户。p o n 可以提高带宽利用率，便于采用w d m 方式扩展下行带宽，预 计2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 万线。e p o n 以其高带宽、低成本、易安装、易维护、可扩展、标 准化和广泛的商用软硬兼施件支持特点有可能最终成为压倒一切的2 层技术。作为这两种 技术的结合e p o n 技术被认为是下一代网络( n g n ) 中主要的宽带接入技术。而p o n 的趋势 是向宽带a p o n 方向发展。 4 全光网的发展前景 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶级，也是理想阶 级。目前，光传输速率不断提高，预计在未来1 0 年还将提高1 0 0 倍，在这种超高速网中， 如果继续采用原有的网络节点设备，将使整个网络变得庞大复杂难以实现，采用电信号处 理信息将给高速传输带来电子瓶颈，超高速带来的经济效益将被转接费用的升高抵消，因 此实现全光联网是唯一的出路。从发展趋势看，形成一个真正的、以w d m 技术及光交换 技术为主的光网络层，建立纯粹的全光网，消除光电瓶颈已成为光通信发展的必然趋势， 它完全符合传送网的分层化，在电路d x c 和a d m 之下提出了一层新的光网络层，简化了 2 直塞鲣电太堂硒亟究生堂位监塞筮= 童绪监 网络结构，提高了网络可靠性，并且与业务和承载信号无关，具有重要的现实和长远意义。 总之，从光纤通信问世到现在，光传输的速率以指数增长，光传输的速率在过去的1 0 年中大约提高了1 0 0 倍。层出不穷的光通信新技术将成为市场复苏的源泉，而人类对通信 容量的无止境需求将是市场恢复的原动力。我们有理由相信，在不远的将来，光纤通信将 又一次呈现出蓬勃发展的新局面。 1 2 光纤光栅的分类及其在高速光纤传输系统中的应用 基于高速光纤通信系统的大容量，长距离，高质量，高可靠性，我们可以预见它将是 宽带通信网未来的发展目标，而要实现这样的目标需要靠先进的光子器件及技术来保证。 光纤光栅作为一种新型的光子器件，从一诞生就引起了人们的广泛关注。随着研究的深入 以及制作技术的不断提高，其独特的光谱特性及良好的应用前景越来越引起光通信领域的 关注。掺杂硼、锗等材料的石英光纤具有紫外光敏特性，即利用紫外光对其曝光时，光纤 的折射率发生永久性的改变。目前，人们通常采用横向全息紫外写入法或者相位掩模紫外 写入法在光敏光纤的纤芯内写入周期性的折射率调制，即光纤光栅。根据光栅的周期大小 和藕合方式，光纤光栅通常被分为短周期的光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。光纤布拉 格光栅的空间周期大小通常不超过几百个纳米( 珈哟，而长周期光纤光栅的空间周期通常不 低于几百个微米m ) 。不同的周期大小决定了光栅内不同模式的耦合。短周期光纤布拉格 光栅将前向的光纤纤芯导模耦合到反向传输的光纤纤芯导模中，而长周期光纤光栅则是将 前向的光纤纤芯导模藕合到前向传输的光纤包层模中。 利用紫外光侧面曝光使掺杂石英光纤的纤芯折射率产生周期性或非周期性的变化， 可形成各种类型的光纤光栅。现已成型的有：均匀布拉格光纤光栅( f b g ) 、变迹光栅 ( a p o d i z e df i b e ro r a n g ) 。啁啾光栅( c h i r p e df i b e rg r a t i n g ) 、渐变光栅( t a p e r e df i b e rg r a t i n g ) ， 闪耀光栅( b l a z e df i b e ro r a t i n g ) 、摩尔光栅( m o i r ef i b e rg r a t i n g ) 、相移光栅( p h a s es h i f t e d f i b e rg r a t i n g ) 、超结构光纤光栅( s u p e rs t r u c t u r ef i b e ro r a t i n g ) 、长周期光纤光栅( l o n gp e r i o d f i b e ro r a t i n g ) 等。在光纤光栅中折射率的分布反映了光纤光栅的周期、折射率调制深度等 结构参量，这些参量又决定了光纤光栅的反射光波长或透射光波长、带宽和反射率等特性， 从而使不同折射率及不同结构的光纤光栅具有了不同的功能，形成了不同的光纤光栅器 件。如下简单的介绍了四种典型的光纤光栅。 1 均匀光纤光栅 这是最常见和最基本的一类光栅。假设光纤为理想的纤芯重掺锗阶跃型光纤，并且折 3 直塞噬直鑫堂亟班荭生堂焦j 盆塞 爱= 重缓监 射率沿轴向均匀分布，包层为纯石英，此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生 永久性变化，对包层的折射率没有影响。利用目前的光纤光栅制作技术生产的光纤光栅大 多数为均匀周期正弦型光栅。 当光栅的折射率调制周期为常数人。时为均匀光栅，其折射率分布为： 心) 2 7 + 叼c o s ( 和 ( 1 2 1 ) 式( 1 2 1 ) 中，为紫外曝光前的有效折射率；疡够为在整个光栅周期内折射率变化的平 均值；v 为折射率调制系数，通常取1 ：a 。为光纤光栅折射率的调制周期；z 为光纤光栅 轴向方向的位置坐标。 2 啁啾光栅 在啁啾光栅中光栅的调制周期人沿光栅的长度方向z 变化。其折射率分布为： 2 + - 【l 咖秀抖枷 ( 1 2 2 ) 啁啾光纤光栅的周期通常可以表示为： 相位啁啾：矽( z ) = 钿9 2 + 口一：9 3 ； ( 1 2 3 ) 周期啁啾：a ( z ) - a 。( 1 一c l z c a 2 2 2 ) ； ( 1 2 4 ) 其中z 表示沿光栅轴的长度变化：l 为光栅的长度：c 一、c ，2 ( 无量纲) 分别表示光栅相 位啁啾的线性和一阶非线性啁啾系数：c m 、c a ：分别表示光栅周期啁啾的线性和一阶非线 性啁啾系数，单位分别为c m 一、锄。0 i 、勺：或c l 、靠2 的不同变化可以用来表征啁啾 光栅的不同特性根据靠和c 2 取值，我们可以把周期啁啾光栅分为以下4 种：c 。卸； c 2 ：0 时为均匀光栅；靠i 不为零，c ：- - 0 时为线性啁啾光栅；c a l = o ：c a ：不为零时的非 线性啁啾光栅；c a l 、a ：都不为零时的非线性啁啾光栅。 3 取样光栅 取样光栅，也叫做光纤光栅梳状滤波器，即对均匀光栅按照一定的规律在空间上进行 采样，设长度为a 的部分为光栅区，长度为b 的部分为非光栅区。取样啁啾光栅的周期p = a + b ，占空比t = a p 。光栅a 段的折射率分布可表示为： 4 直瘟邮电太堂亟研究生堂位论交簋= 童缝i 金 以( z ) = + _ 【i + v c o s ( - 八关l 纠z + 九) 】 ( 1 2 5 ) 对于长度为b 的非光栅区，光束在其中自由传播，对传输模式的影响仅仅造成相位延迟， 传输矩阵为： e = e 文半) 0 0 d 等) ( 1 2 6 ) 式( 1 - 2 6 ) 中，冬= 兰竽6 ；因此，长度为p 的一个光栅周期内的传输矩阵为f 巧。若整 以 个取样啁啾光栅有n 个周期，则其长度为l = np ，整个光栅的传输矩阵可表示为： ( f xe ) 。取样光栅的特点是在一个光纤光栅中就可以实现多信道工作，特别适用于波 分复用系统。 4 长周期光纤光栅 长周期光栅被用来耦合光纤基模与高阶模，对于单模光纤，高阶模在包层中传播并被 称为包层模。长周期光纤光栅的周期远远大于一般的光纤光栅，可达到几百微米。长周期光 纤光栅是一种性能优异的波长选择性损耗元件，可以通过选择适当的光栅周期，使得光栅将 一定波长的光耦合进包层而迅速损耗掉，并且不存在反射。因此长周期光栅是光放大器增 益平坦的理想元件。另外，它也可以作为一种带阻滤波的传输型全光纤器件，可应用到光分 插复用器或光交叉互联单元等波长路由器件中。它的另一个重要应用是作为应力或温度传 感器，它比f b g 有高得多的温度和应力灵敏，而且也可以将级联的长周期光栅作为传感器 阵列进行多参数分布式测量。 因具有着可以灵活设计的优良滤波特性和对外界环境的敏感特性，光纤光栅被广泛应 用于高速率长距离的光纤传输系统中为光纤传输系统中光源、光放大、色散补偿、光终端 复接器、o t d m ( 光时分复用) 、o x c ( 光交叉连接) 等等关键部件提供优秀的解决方案。 1 光分插复用器中的应用 光分插复用器( o a d m ，o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 作为w d m 全光网的关键器件之 一，它的功能是从传输设备中有选择的下路( d r o p ) 通往本地的信号，同时上路( a d d ) 本地用 户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输，也就是说o a d m 在光域 内实现了传统的s d h 设备中的电分插复用器在时域中的功能。相比较而言，它更具有透 壶塞篚出太堂亟圭班究生堂位论塞筮二童缝监 明性，可以处理任何格式和速率的信号，这一点比电的a d m 更优越，使整个光网络的灵 活性大失提高。 一般来说，o a d m 包括解复用、分插控制滤波单元及复用单元。在解复用单元中并不 意味着所有波长都要从光纤中解复用下来，一般地，o a d m 节点用解复用器解复用需要下 路的光波长。同时把要上路的波长经过复用器复用到光纤上传输。用不同的方法实现解复 用和复用就构成不同的o a d m 结构。目前也有多种0 a d m 方案，但总的说来可以分为可 重构和非重构型两种。前者主要采用复用器懈复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节 点上下固定的一个和多个波长，也就是说节点的路由是确定的。后者采用光开关、可调谐 滤波器等光器件，能动态调节o a d m 节点上下话路的波长，从而达到光网络动态重构的 能力。相比较而言，前者缺乏灵活性，但性能可靠且没有延时，后者结构复杂且具有延时， 但可以使网络的波长资源得到良好的分配。从9 0 年代提出光上下话路开始，到目前为止， 人们提出了很多种o a d m 方案，这些方案很大程度上取决于光的新器件的开发和研制， 特别是无源光器件，这些器件的性能最终决定o a d m 的一些主要性能参数，比如插入损 耗、信道之间的隔离度以及上下路的延迟时间等。光纤光栅具有插入损耗低，对偏振不敏 感，全光纤构造易于与普通光纤耦合，优异的光谱响应特性并且可动态控制等特点：同时 随着光纤光栅制作技术进一步提高，光栅的制作时间短，制作成本低；这些特点决定了基 于光纤光栅型o a d m 在众多o a d m 方案中占有很大的优势。 由于光纤光栅构成的o a d m 有各种不同的构造，按功能结构分类如下： ( 1 ) 基于光纤光栅和光环型器的o a d m 基于光纤光栅和环形器的o a d m 的方案有许多种，图1 2 1 所示的方案是目前较为普 遍采用的一种o a d m 结构，输入w d m 信号经开关选路，送入一个光纤光栅。每路的光 栅对准一个波长，被光栅反射的波长经环形器下路到本地，其他输入的w d m 信号波长通 过光栅经环形器与本地节点的上路信号波长合波，继续向前传输。这个方案同样可以根据 开关和光栅来任意选择上下话路的波长，但对开关的使用带来的缺点，即延时和损耗问题。 对图1 2 1 方案进行简化，也就是不使用开关，只做单个固定单波长的上下话路就有很好 的性能，整个光路在上下话路的过程中是没有断路的，几乎没有延时，缺点是没有调谐能 力。 6 图1 2 1 基于光纤光栅和光环型器的o a d m 图1 2 2 温度和应力调谐光纤光栅组成的可重构o a d m 上述o a d m 使用开关实现光通道的上下载，人们还可以通过温度和应力调谐光纤光 栅的办法来得到可重构的o a d m o k a y a m a 提出用四头的光环行器，对每一组上下载信道 使用一对相同的光纤光栅，如图1 2 2 。r l f 4 固定波长的光栅分别对应与四个不同w d m 信道。上面组l 的r 2 ，f 4 的光栅是温度可调的，下面组2 的r l ，r 3 光栅也是温度可调的， 当组l 的r 2 可调光栅与组2 固定波长的r 2 从光栅中心波长一致时，r 2 的信号将由光栅反 射在下载端口输出。当组l 的r 2 可调光栅与信道波长不一致时，r 2 的信号将穿越第一组 光栅，经过第二个环行器，从第三头进入第二组光栅，被固定的也光栅反射，从输出端口 输出。对于上载端口，也有同样的分析。该装置插入损耗4 d b ，由于实验中光栅是未光学 切趾的( 1 4 d b 的旁瓣，9 5 的反射率) ，串扰严重，k i l n 等人采用更为简单的构形，利用压 电陶瓷伸长光栅的应力方法，可以上下载4 个波长，装置插入损耗4 5 d b ，下载端信号隔 离度 2 0 d b ，利用温度来调谐光栅的中心波长，由于升温、平衡等过程，方法本质上是较 慢的( 约秒的数量级) ；利用压电陶瓷应力方法，在原理上，调谐时间可以小于l a 。 ( 2 ) m a c h - - z e h n d e r 干涉仪型光纤光栅的o a d m m a c h - - z e h n d e r 干涉仪和光纤光栅型的o a d m 是在平衡的m a c h - - z e h n d e r 干涉仪的 两干涉臂上写入均匀的光纤光栅构成的。如图1 2 3 所示。如果这个器件十分理想，从“i n p u t 1 3 输入的信号光，与光纤光栅波长一致的光全部从 d r o p ”口解复用下来，其余波长的光无 损耗的从 t h o u g h 口通过。从“a d d 口输入的与光纤光栅波长一致的信号光全部被复用到 7 直立酆虫太堂硒班窥生堂僮趁塞蓥= 童缝论 t h o u g h ”口输出。这就是这种结构的全光分插复用器的解复用和复用过程，实现了本地波 长信号的上下路。与环形器结构的o a d m 相比，由于它仅仅有光纤组成，故它损耗低、 体积小，且允许有高的输入功率。 专 啪 七 t 凡 厂t a d , 扛：八m 八t 1 t r o n l t h 一 m 亨 图1 2 3m a e h - - z e h n d e r 干涉仪型光纤光栅的o a d m 光纤光栅型o a d m 还包括双芯型，耦合器型、偏振束分器型等。总之，o a d m 以其 良好的性能、简单的结构、相对低的成本以及灵活的组网方式，吸引着人们的注意力。虽 然现在很难做到像s d h 设备那样在不同等级上灵活的交叉和分插，但在目前情况下，实 现传统的点对点w d m 干线中间的上下业务，o a d m 仍然是一种很好的选择。越来越多的 研究成果不断的向人们表明，使用以光纤光栅为滤波单元制作的o a d m 是w d m 系统的 最佳选择特别是对于全光纤d w d m 系统，o a d m 与多波长光纤激光器使用的光纤光栅可 以同时制作，易于控制复用解复用两端波长的一致性。同时，由于光纤光栅的调谐十分简 便，加之光纤光栅具有性能稳定可靠、与光纤兼容、易于与光纤集成等诸多优异特性，因 此其他形式的o a d m 无法与之比美。 2 光波分复用器和解复用器中的应用 光波分复用器和解复用器是w d m 技术中的关键部件，将不同光源波长的信号结合在 一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器，反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分 解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。从原理上说，该器件是互易的( 双向可逆) ， 即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器，因此，复用器和解复用器 是相同的( 除非有特殊的要求) 。 光波分复用器和解复用器在超高速、大容量波分复用系统中起着关键作用，其性能的 优劣对系统的传输质量有决定性影响。其性能指标主要有插入损耗和串扰。因此，w d m 系 统对光波分复用器和解复用器的特性要求是：损耗及其偏差小；信道间的串扰小；通带损 耗平坦；低的偏振相关性等。 w d m 系统中用的光波分复用器和解复用器主要有介质膜滤波器、各种光栅、星形耦 合器等形式，本论文主要介绍光栅型光波分复用器 3 色散补偿技术中的应用 由于信号在光纤中是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率 8 直塞邮虫太堂硒班宜生堂僮论塞蕴= 童绮i 金 成分和模式成分有不同的传播速率，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度去 理解，也就是说光脉冲在通过光纤传播期间，其波形随时间发生展宽，这种现象称为光纤 的色散。 目前，人们已提出一些可能的技术方案来解决这一问题，包括色散补偿光纤( d c f ) 、 激光预啁啾、中点光谱反转、色散管理传输和啁啾光纤光栅( f b g ) 等。在已提出的这些技 术中，一种常用的方案是采用色散补偿光纤d c f 色散管理来解决这一问题，d c f 的应用简 便，但其价格昂贵、损耗较大，利用其色散补偿时，往往还需增加掺铒光纤放大器来补偿插 入损耗。此外，d c f 的纤芯半径很小容易产生非线性，d c f 不能完全消除高阶色散，并且 偏振模色散( p m d ) 通常较大。 另一种发展比较成熟的技术是利用f b g 色散补偿，这是应用前景最好的一种方案。因 为f b g 与现有的光纤系统兼容性好、具有较低的传输损耗和插入损耗、色散补偿量大、能 够实现光纤色散和色散斜率的同时补偿，且价格低廉、易于大批量生产。可以说f b g 技术 是光纤通信领域继光纤放大器之后的又一个里程碑，由此产生的全光纤光子线路及其集成 将对光纤通信的发展产生重大的推动作用。 4 功率均衡技术中的应用 对于长距离的光通信传输系统，全光放大器起着非常重要的作用，光放大器主要用于 补偿长距离光纤链路的传输损耗和各种接入设备的接入损耗。目前适用于光通信的光放大 器主要有光纤放大器、半导体光放大器和拉曼光放大器三种类型，其中光纤放大器中的掺 饵光纤放大器的使用最普遍。 e d f a 的结构原理如下： e d f a 主要由泵浦源和掺饵光纤( e d f ) 组成。泵浦源用来提供能量；e d f 作为有源介质， 提供反转粒子；波分复用器( w d m ) 的作用是将泵浦光和信号光混合，然后送入e d f 中，对 它的要求是能将信号有效地混合而损耗最小；光隔离器0 s o ) 的作用是防止反射光对e d f a 的影响，保证系统稳定工作；滤波器的作用是滤除e d f a 的噪声，提高系统的信噪比( s n r ) 。 在d w d m 系统中，掺饵光纤放大器( e d f a ) 的增益谱线沿波长具有一定的不均匀性： 在含有多个掺饵光纤放大器的d w d m 系统中，这种不均匀性的积累会对输出端造成很大 的影响而大大减小掺饵光纤放大器的可用带宽，限制了d w d m 系统的可用通道数。通过 对e d f a 增益谱线的平坦化，可以大大增加其可用带宽。 一种可行的方法是通过级联一个带阻滤波器来平坦增益谱线中的驼峰。光纤光栅作为 常用的滤波器，具有良好的光学性能，尤其是其中的光纤b r a g g 光栅( f b g ) 与长周期光纤 9 直塞邮电太堂亟班究生堂位纶塞篡= 童鸶盈 光栅( l p g ) 。现有的光纤b r a g g 光栅带宽较窄，达到了0 1 n m 数量级，而长周期光栅的透 射谱带宽较大，但需要控制其滤波范围。可以通过级联多个光纤光栅，利用各种光纤光栅 不同的优点来得到更宽的光源带宽( 约4 0 n m ) 与更平坦的信号功率分布。因此，研究级联光 纤光栅系统，对于e d s f s 与e d f a 增益谱的平坦化方面有着重要的实用价值。随着e d s f s 与e d f a 的研究与发展，光纤光栅的数值分析将成为系统设计中不可或缺的部分，级联光 栅的理论将使光纤光栅的应用更加灵活。 1 3 本课题的主要工作 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研究发现，光纤光栅具有插入损耗 低、对偏振不敏感、与普通光纤接合简便、光谱响应特性( 光谱形状、带宽、反射率) 的动 态可控制等特点，还具有优良的窄带、平顶的光谱响应特性，在光纤通信系统中应用极为广 泛，如激光器波长稳定器、拉曼放大器、传感器、光分插复用器( o a d m ) 、波分复用中解复 用器、色散补偿器、e d f a 增益平坦滤波器等。 本文主要研究光珊特性及其在高速光通信系统里的应用，着重对啁啾光栅，取样光栅，长 周期光栅的特性进行数值分析；并研究它们在高速光通信系统中的应用，本论文的内容如下： 第一章为绪论部分，概述了光纤通信技术的发展趋势，简单介绍了光传输系统的主要 部件和设备，如色散补偿器，e d f a 放大器，o a d m 光分插复用器，讨论了光纤光栅在这 些部件和设备中的应用。 第二章介绍了光纤光栅的基础理论，包括光纤光栅的光敏性、光学特性、制作方法以 及可调谐技术；重点分析了光纤光栅的耦合模理论，比较了各种不同的数值计算方法的原 理和特点，并选定传输矩阵法作为本论文计算机仿真的主要方法。 第三章采用传输据阵法编写仿真程序，数值分析了线性啁啾光纤光栅的特性，研究光 栅结构参数对光栅特性的影响，结合实例，设计了在单信道色散补偿传输系统和同时上下 4 信道分插复用器中应用的啁啾光栅的参数，并给出实现方案。 第四章数值分析了均匀取样和啁啾取样光纤光栅的特性，研究光栅参数对取样光栅特 性的影响，结合实例，设计了1 6 信道d w d m 传输系统中宽带色散补偿用的啁啾取样光栅， 设计出同时上下8 个波长o a d m 中的均匀取样光纤光栅，并给出了具体的实现方案。 第五章数值分析了长周期光纤光栅的特性，研究光纤光栅参数对长周期光纤光栅特性 的影响；根据e d f a 的增益谱特性，提出了采用长周期的增益均衡方案，并分别设计了用 l o 题基鲤电太堂亟班宜生堂位坠塞 差= 童结论 于e d f a 增益均衡的单个长周期光纤光栅和级联长周期光栅的参数。 第二章光纤光栅的耦合模理论及其数值计算方法 2 1 光纤光栅的光敏性和光学特性 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，因而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 1 ：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【5 】。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2 1 1 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 1 。当前光纤布拉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。 反射光 1 - 一 - 入射光 辐射光 ， l l l l “止 透射光 图2 1 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0 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 1 2 悫壶鲣曳太堂亟班塞生堂僮监塞箍三童卷红迸赶的握金燕堡途厘墓堑值筮赶友鎏 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。 对光纤材料光敏性的机理提出了以下两种解释模型： 1 色心模型 光纤材料光敏性的色心模型是山h a n d 和r u s s e l l 于1 9 9 0 年提出的。在i 紫外光的照 射下掺锗石英光纤材料中的缺氧锗缺陷将发生电离，所释放出的光电子陷落在附近位置上 形成新的缺陷中心。这种色心缺陷粒子数的变化将永久性地改变光纤的紫外吸收谱。根据 k r r m g r s k r o i n g 的因果关系，这种山于缺陷数目的变化而导致的紫外吸收谱改变可以在掺 锗石英玻璃中引起折射率的改变。折射率改变的具体数值可以用下式计算： 扣专劬 叫) 式子中a a ( ；) 为吸收谱的变化。色心模型认为，在紫外光照射下电子在不同位置上的重 新分布是掺锗石英光纤中折射率改变的主要原因。如果发生光致吸收谱变化的区域远离感 兴趣的波长2 ，并且可以表示为一系列高斯吸收带的叠加，则上式可近似表示为 缸2 丽1 午而a a , 她 式中， 为第i 个吸收带的中心波长；她为峰值吸收改变量；她为该吸收带的半最大 值全宽( f w h m ) 。 色心模型物理结构清晰，并得到很多实验事实的支持。它可以给出正确的光致折射率 改变的数量级。但这一模型目前还很不完善，尚需要进行大量细致的理论和实验研究才能 给出完整描述。 2 结构模型 光纤材料光敏性的许多实验表明，在紫外光照射下光纤材料中的局部应力和密度将发 生变化。由于掺锗石英玻璃的折射率与其密度呈线性变化关系，因此这种应力和密度的变 化被认为是光纤材料中光致折射率改变的一种可能的机制。 由于光纤芯区和包层材料的热膨胀系数及熔点不同，在光纤预制棒的沉积和光纤的拉 制过程中将不可避免地引入应力。光纤材料吸收紫外光后将使某些不合理的键被打破并产 生大量的热量从而使光纤局部发生不可逆的应力释放过程。这一过程造成光纤材料局部的 密度增大。因此折射率也相应增加。 结构模型也有大量实验事实支持，但目前还不能利用这一模型对光纤的光敏性问题进 直塞鲤鱼太堂亟硒究笙堂僮论塞 簋三童卷红光趟的揭金基理论丛甚錾值筮扳友