（光学专业论文）取样光纤光栅的应用及理论研究.pdf

中文摘要 中文摘要 光纤光栅在光通信的各个领域都起着关键的作用，为将来实现易升级、可重 构的智能全光网络提供了保障。本文围绕取样光纤光栅的特性研究及其作为半导 体激光器的外腔展开了深入的理论研究，建立了理论分析模型。本论文主要囊括 以下几方面内容： 利用耦合模理论、传输矩阵法与傅立叶变换法分析取样光纤光栅，并利用传输 矩阵法模拟了取样光纤光栅的光谱特性。从中知道样光纤光栅的反射率并不均衡， 其反射谱的包络函数为一个s i n c 函数。 为解决取样光纤光栅反射谱不均衡的性质，引入了s i n c 取样光纤光栅( 即s i n c 切趾) 。s i n c 取样光纤光栅的光谱除了具有普通取样光纤光栅光谱的基本特性外， 还能消除取样光纤光栅的旁瓣，并能选择光谱的信道数目。 研究了取样光纤光栅做为外腔的半导体激光器，并首次用计算机分别模拟了 以普通取样光纤光栅和s i n c 取样光纤光栅作为外腔的半导体激光器，获得了它们 的输出功率随波长变化曲线。最后分析了s i n c 取样光纤光栅外腔半导体激光器输 出功率谱随调谐温度的变化。由于仅对半导体激光器的外腔进行了替换，所以模 拟结果的可靠性很高。 本文的研究结果对认识取样光纤光栅外腔半导体激光器的输出特性具有一定 的意义，预期对今后理论及实验研究取样光纤光栅外腔半导体激光器给予一些帮 助。 关键词：取样光纤光栅；s i n c 取样光纤光栅：外腔半导体激光器 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i b e rg r a t i n g sh a v ep l a y e dak e yr o l ei nv a r i o u sf i e l d so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n st o e n s u r ee a s y t o u p g r a d e ，r e c o n f i g u r a b l ei n t e l l i g e n ta l l - o p t i c a ln e t w o r k si nt h e 向t u r e 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nh a sl a u n c h e da ni n d e p t ht h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s a m p l e df i b e rg r a t i n g sa n dt h ec a s ei nw h i c ht h e ya r eu s e d2 l st h ee x t e m a lc a v i t yo fa s e m i c o n d u c t o r l a s e r t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o u o w i n ga s p e c t s ： t h ec o u p l e dm o d et h e o r y ，t h et r a n s f e rm a 踊xm e t h o da n df o u r i e rt r a n s f o n n m e t h o dh a v eb e e n u s e dt o a n a l y z es a m p l e d f i b e r g r a “n g s a n dt h e i r s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ns i m u l a t e d ，f r o mw h i c hi ti sl m o w nt h a tt h er e f l e c t i o ns p e c t r u m o fs 踟p l e df i b e rg r 乏l t i n g si sn o tb a i a n c e da n di t se n v e l o p ei sas i n c 向n c t i o n i no r d e rt os o l v et h i sp r o b i e m ，as i n cs a r n p l e df i b e rg r a t i n g ( i e s i n ca p o d i z i n g f u n c t i o n ) i si n t r o d u c e d t h es p e c t r ao fs i n cs 锄p l e df i b e rg r a t i n gn o to n l yh a v eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so fs p e c t r ao fc o m m o ns 锄n p l e df i b e rg m t i n g s ，b u ta l s oc a ne l i m i n a 上et h e s i d e l o b e so fc o m m o ns 觚1 p l e df i b e rg r a t i n g s ，a n dc a nc h o o s et h en m l b e ro fs p e c t r a l c h a n n e l s t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r s 埘t hs 锄p l e df i b e r 伊a t i n g sa l si t se x t e m a lc a v i 够h a v e b e e ns t u d i e d a n ds e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t hac o m m o ns 锄p l e df i b e r 舀a t i n gc a v i t y a n das i n cs 锄p l e df i b e rg m t i n gc a v i t yh a v eb e e ns i m u l a t e dw i mac o m p u t e rf o rt h e f i r s tt i m er e s p e c t i v e l y t h ew a v e l e n 昏hd e p e n d e n c e so ft h e i ro u t p u tp o 、v e rh a v eb e e n g a i n e d f i n a l l y ；t h et u n i n gt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fo u t p u tp o w e rs p e c n ao fa s e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t hs i n cs a m p l e dn b e rg r a t i n gc a v i t yh a sb e e na n a l y z e d b e c a u s e o n l yt h ee x t e m a lc a v i t ) ro fs e m i c o n d u c t o r1 2 l s e r si sr e p l a c e d ，t h es i m u i a t i o nr e s u l t sa r e r e l i a b l e t h er e s u l t so ft h i sp a p e rc a u l p r o v i d ea ni n s t m c t i v ei n s i 曲ti n t ot h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fs 锄p i e d 舶e rg r a t i n g sa n da l r ee x p e c t e dt og i v es o m eh e l pt ot h em t u r e a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ns e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t hs a m p l e df i b e rg r a t i n g c a v l t y k e y w o r d s ：s a m p l e dn b e rg r a t i n g ，s i n cs a m p l e d 行b e rg r a t i n g ，e x t e m a lc a v i t y s e m i c o n d u c t o rl a s e r s 黑龙汀大学硕十学位论文 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，也不包含为获得墨蕉堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： = ； 5 奴 签字f _ | 期：力口占年莎月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部i 、】或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉塑盔堂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、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 辛微 导师虢石劭雷 签字日期： g 年莎月，日签字日期：力矿纷月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 光纤b r a g g 光栅l 】( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，简称f b g ) 是光通信系统中的一种 重要的无源器件。由于它体积小、成本低、与光纤系统兼容性好、插入损耗低、 对偏振不敏感、易于集成等优异的光学特性，其在激光调谐、光纤传感、色散补 偿、光分插复用器等领域都已获得广泛的应用。随着紫外光写入光栅技术的迅速 发展，各种非均匀光纤光栅、变迹及各种其它结构的调制的光纤光栅都呈现出不 同的反射谱特性，由这些结构的光栅构成的新型光子学器件在现代的大容量高速 率波分复用( w a v e l e n 伊hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称w d m ) 光纤通信网中有着极好 的应用前景。 通常我们采用色散补偿光纤( d c f ) 和啁啾光纤b r a g g 光栅( c f b g ) 来对色 散进行补偿。线性啁啾光纤光栅进行色散补偿对单信道地非常有效，但其较窄的 带宽限制了它对多波长信道的色散补偿。取样啁啾光栅【5 j 具有周期性的波长结构， 所包含的各信道间的反射谱和时延谱特性基本相同，光栅的大小与单信道啁啾光 纤光栅相当，因而是实现多信道密集波分复用( d e n s ew a v e l e n 垂h d i v i s i o n m u l t i p l e x e d ，d w d m ) 系统色散补偿的一个很好的选择。 取样光纤光栅1 6 】是折射率沿光纤光栅方向被一个取样函数周期性调制的光纤 b r a g g 光栅。当给定了取样周期工后，取样光纤光栅各反射峰之间的间隔 名2 协：2 玎形上j 也随之确定。公式中五日是光栅的中心波长，玎。矿是光纤光栅的平 均有效折射率。实际应用中，通过调整取样周期就可以改变各信道的间隔。 由取样光纤b r a g g 光栅构成的波分复用解复用器件是未来大容量高速率密集 型波分复用( d w d m ) 光纤通信网络中的关键器件。这对于利用光纤频带资源，扩 展通信系统的容量具有重要意义。 黑龙汀大学硕士学位论文 1 2 光纤通信技术的发展 光通信技术的发展，为综合传送各种信息提供了必要的带宽秆1 传输质量，也 使传输成本大幅度的下降，使通信技术最终成为与传输距离儿乎无关的技术。近 年来，作为现代通信领域的支柱技术，光通信技术币在以每1 0 年增长1 0 0 倍的速 度发展，预计这一发展速率还可以持续1 0 年之久。目前光通信技术的发展主要集 中在以下几个方面：光纤接入网技术、密集波分复用( d w d m ) 技术和全光通信 网( a o n a 1 1o p t i c a ln e t w o r k ) 技术等。 目前，光纤传输速率不断提高，在这种高速网络中，如果继续采用原有网络 节点设备，将使整个网络变得庞大、复杂而且难以实现，成本增加；采用电信号 处理信息将给高速传输带来小便，超高速传输所带来的经济效益将因转接费用的 升高而抵消。因此实现全光通信网【7 j 是唯一解决方法。所谓全光通信网是指由光接 入网、光复用器、光传输系统、光交换系统等纯光网络元组成的未来通信网。全 光通信网将是未来信息通信的主要物理载体。全光通信网有着很多优点：超大容 量、网络可扩展；允许网络节点数和业务量不断增长；系统网络可以重构：允许 混合不同体制、不同格式和速率的信号；能够快速恢复等等。当然实现一个理想 意义上的全光通信网还需要一个很长一段时间。 光纤光栅是2 0 世纪9 0 年代以来国际上一种新兴的在光纤通讯、光纤传感等 领域有着广泛应用的基础性光纤器件。在光纤光栅技术的发展过程中，加拿大的 k o h i l l 等人首先在1 9 7 8 年发现了掺锗光纤紫外光敏特性，并展示在光纤芯部形 成光棚的可行性。k o h i l 的早期光栅是采用4 8 8 n m 可见光波长的氩离子激光耦合 入光纤，由光纤的两端射入，这两道相反方向传播的光线在光纤中干涉形成驻波， 通过双光子吸收造成纤芯的折射率发生周期性变化从而形成了光纤光栅。在这种 条件下，曝光生成的光栅表明是一个双光子的过程。由于制作工艺上的困难，很 难重复制作出相同的光纤光栅。直到1 9 8 9 年美国的g m e l t z 等人利用高强度紫外 光源所形成的干涉条纹对光纤进行横向侧面曝光制作技术，给出了一个单光子过 程，其写入技术与可见激光相比，光敏性增加了数百万倍，这才推动了光纤光栅 第1 章绪论 技术进步发展。随后又发展了相位掩模制作方法以及在光纤拉制过程中在线光 纤光栅制作方法，从而使得这种光纤器件具有了可重复性与规模制作的现实性。 光纤光栅是通过改变光纤纤芯区折射率，产生小的周期性调制形成的。它的折射 率变化通常仅在1 0 1 0 d 之问。将光纤詈于周期性空间变化的紫外光源下就可以 在纤芯中产生这样的折射率变化。 光纤光栅利用掺杂光纤致折射率变化特性，用特殊1 ：艺使得光纤纤芯的这项 折射率发生永久的周期变化而形成，对波长满足b r a g g 反射条件的入射光产生反 射。光纤光栅的长度、周期与折射率调制深度决定其在一定的波长范围内的反射 率高低和带宽大小，从而决定它能否构成光纤通信系统中的波分复用器、光纤色 散补偿器、光纤激光器、光纤传感器等。光纤光栅是一种折射率变化的光波导， 是光通信重要的无源器件之一，它的出现促使人们必须重新考虑光纤通信与网络 系统中的每一个环节的设计。 实现d w d m 全光网要求以高速的全光器件进行无瓶颈高速传输，并且提出了 光集成的方向。光纤光栅将精密的光学功能元件植入小型、坚固的基于光纤组件 中，为电信和传感系统设计提供了极大的优势。此外它还不受电磁干扰，且耐高 温、抗腐蚀，适合于暴风雨及雷电环境下工作。在这种情况下，光纤光栅以它无 可比拟的优势，得到了国际上的广泛关注与深入研究。光纤光栅在未来光网络中 的作用就如二极管、三极管在半导体电路中的作用一样不可或缺，在光纤光栅这 重要无源器件发展的基础上，将实现全光通信。 通常人们熟知的光纤光栅都有着严格的周期结构，而把不具有此性质的另一 类光纤光栅称之为非均匀的近似周期性光纤光栅，近年来这类非均匀周期光栅的 制作和应用得到迅速发展，逐渐成为光纤光栅研究领域的一个技术上的热点。本 文所研究的取样光纤b r a g g 光栅( s a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g ，简称s f b g ) 也是 非均匀周期光栅的一种。本文研究了取样光纤光栅的独特反射谱特性及其作为光 学器件在光纤通信中应用的理沦探讨。通过调整取样光纤光栅各参数，如：光栅 长度、折射率平均变化量等，我们可动态调整取样光纤光栅反射谱的特性。通过 编写的程序结果分析，知道了取样光纤光栅具有很好的波长选择性，在它的反射 黑龙汀大学硕十学付论文 谱图巾可得到精细的阻带和通带相【j j 排列的谱特性，信道多而且信道问隔稳定， 带通窄，在光信号处理中有重要的应j 1 】。这些特性对通信系统设计者很有吸引力。 这类器件的优点很多，它本身就是一段光纤，体积小，器件微型化，信道f 分均 匀，可以避免在熔接和丌关选择过程中的许多损耗与误差的产生，易于集成，易 于与光纤系统连接，在生产中便于设计制造。在设计时我们应综合考虑多方而因 素，掌握光栅各参数的变化对取样光纤光栅反射谱特性影响的规律对于我们设计 具体实用的取样光纤光栅时有一定指导意义，为基于取样光纤光栅构成的新型光 子学器件在未来的仓光通信网中的应 3 提供重要理论依据。 1 - 3 光纤光栅的基本概念 1 3 1 光纤光栅的原理 光纤光栅是一种利用光纤材料的光敏性制成的纤芯折射率呈周期性或者非周 期性变化的光波导，它足光通信网中一种重要的无源器件，广泛用于光通信系统 中。所谓光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤折射率随光强的空间分布 发生变化，变化的大小与光强成线性关系。这种线性关系之所以可以被永久保持 下来，实质上是因为在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波镜或反射镜。 利用这种特性可构成许多性能独特的光纤的无源器件。 由于光纤光栅的折射率的周期性变化，其纵向折射率变化将引起不同光波模 式之间发生耦合，光栅及其传播常数之间关系如下： 屈一及2 2 万人 ( 1 一1 ) 式中：彳是光栅周期，届、殷分别是模式1 和模式2 的传播常数。光栅周期刀可 以小于l p m 也可以大于l 肿，当光纤光栅的a 人即： m 。 岛z 钆一专著 s 萨：紫 海3 。， 式中，g = e x p 【2 识g ) ，版= + ，a g 2 是场在间隙中的复传播常数，包含了损耗。 由式( 5 2 9 ) 可以得到巨：s 。巨+ s ：e ：，另外在左侧腔中，传播方向相反的两个 电场满足e ：e x p ( 2 瞩厶) 巨7 ：f 巨。从而得到： ( 1 一p 。) 巨= ，l 邪： ( 5