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相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 中文摘要 多通道布拉格光纤光栅在制作密集波分复用系统( d w d m ) 中引起了人们的越 来越多的关注。由于采样光纤布拉格光栅在多通道中的滤波、色散补偿等方面的特 性非常适合于国际电信联盟标准，所以采样布拉格光纤光栅可以用于多通道设备的 制作。采样布拉格光栅可以通过用周期的振幅采样函数或者相位采样函数对光纤的 折射率进行调制来得到。在这种结构中，梳妆滤波器的自由光谱范围( f s r ) 仅仅 依赖于采样光纤光栅的周期p 。近来研究发现，当光纤光栅中光栅周期发生啁啾变 化，其啁啾系数和光栅采样周期满足一定的条件下，便出现了振幅型光纤光栅的 t a l b o t 效应，这时自由光谱范围不仅仅取决于光栅的周期，而且还决定于光栅的啁 啾变化。振幅采样光栅中的t a l b o t 效应在光纤的设计和光纤能量效率利用方面提供 了很大方便，促进我们更进一步的认识了解光纤光栅的内部结构。 由于振幅采样光纤光栅在能量利用率和折射率调制方面内在的不足，相位采 样光纤光栅以其高的能量利用率、平坦的反射通道的独特优势引起光学研究者的极 大兴趣。但在相位采样光纤光栅中，要通过对光纤折射率的相位调制来达到所要求 的多通道，对光学设计者和实验制作来说是一件比较困难的事。美国j e r 等人首 先在实验上制作了4 5 通道、8 l 通道的相位采样光纤光栅。然而，对制造相位采样 光纤光栅来说，如何利用一个采样周期中使用最少的相位变化而产生最大可能的通 道数，一直是设计者追求的目标。 本文主要研究了在相位采样光纤布拉格光栅中，通过对光纤折射率的相位采样 调制，光栅周期发生线性啁啾，发现了相位采样光纤光栅中的t a l b o t 效应。通过 附b o t 效应，实现了光谱通道间隔的任意调节，以及宽频域、信道密集、通道隔离 好的光谱特性。相比于同类均匀相位采样光纤布拉格光栅，可以实现在一个采样周 期中改变最少的相位变化采样点来实现多个反射峰通道的效果，并在二元相位采样 光纤光栅和多级相位采样光纤光栅中得到证实。在此基础上，通过理论研究，进一 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究中文摘要 步给出了任意啁啾形式下实现光栅t a l b o t 效应的条件，并给出计算机仿真结果。针 对在t a l b o t 效应条件下，增加相位采样光纤光栅的长度，反射率偏低且饱和的问题， 论文提出了级联型相位采样光纤布拉格光栅周期结构，提高了能量的利用率。这些 研究为以后设计高能量效率的相位采样光纤布拉格光栅和多通道宽频域的波分复 用器提供了一个好的思路，也为以后的研究提供了良好的理论指导和实践基础。 关键词：光纤布拉格光栅；t a l b o t 效应；相位采样；多通道；滤波器 作者：陆玉玲 指导教师：王钦华 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 a b s t r a c t s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fp h a s e - o n l ys a m p l e d f i b e r b r a g gg r a t i n g s a b s t r a c t m u l t i c h a n n e lf i b e r b r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) h a v ea t t r a c t e dg r e a t i n t e r e s t si n d e n s e - w a v e l e n g t h - d i v i s i o n - m u l t i p l e x e d ( d w d m ) s y s t e m s as i n g l es a m p l e df b g c a l l s h o wh i g hp e r f o r m a n c ei nt h eo p e r a t i o nf o rf i l t e r i n ga n d o rc h r o m a t i cd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o ns i m u l t a n e o u s l yi nm u l t i p l ec h a n n e l s s u e hs a m p l e dm u l t i c h a n n e lf b g sc a n b ei m p l e m e n t e db ym o d u l a t i n gt h es e e d i n gg r a t i n g sw i t he i t h e rap e r i o d i ca m p l i t u d eo r p h a s es a m p l i n gf u n c t i o no rb o t h i ns u c hs t r u c t u r e s ，t h ef r e es p e c t r a lr a n g e ( f s r ) o f t h e c o m bf i l t e ri ss o l e l yd e t e r m i n e db yt h es a m p l i n gp e r i o dp r e c e n t l y , i th a sb e e ns h o w n b o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yt h a t ，i na na m p l i t u d es a m p l e da n dc h i r p e df i b e r g r a t i n g ，as p e c t r a lt a l b o tp h e n o m e n o na p p e a r si fc e r t a i nc o n d i t i o n sb e t w e e nt h eg r a t i n g p e r i o dc h i r pa n dt h es a m p l i n gp e r i o da r es a t i s f i e d w i t ht h et a l b o te f f e c t ，t h ef s rc a nb e a r b i t r a r i l yt u n e db yc h a n g i n gt h eg r a t i n gc h i r pf o ra f i x e ds a m p l i n gp e r i o d t h es p e c t r a l t a l b o te f f e c tp r o v i d e sg r e a tf l e x i b i l i t yi nf i b e rg r a t i n gd e s i g n sa n da d v a n t a g e si ne n e r g y e f f i c i e n c y e n h a n c e m e n tc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a la m p l i t u d es a m p l e du n i f o r m g r a t i n g s c o m p a r e dw i t ht h ea m p l i t u d es a m p l e df b g s ，p h a s e - o n l ys a m p l e df b g ss h o w i t s a t t r a c t i v ef e a t u r e sd u et oi t sm u c hh i g h e re n e r g ye f f i c i e n c yt h a nt h a to ft h ea m p l i t u d e s a m p l e dc o u n t e r p a r td u et ot h el i m i t e dd u t yc y c l eo ft h es e e d i n gg r a t i n go v e rt h es a m p l i n g p e r i o di nt h ea m p l i t u d es a m p l e df b g s h o w e v e r ，t h ef a b r i c a t i o no ft h ep h a s em o d u l a t e d r e f r a c t i v ei n d e xi sac h a l l e n g i n gw o r k j e r e ta lf i r s td e m o n s t r a t e da4 5 一a n d 81 - c h a n n e lp h a s e o n l ys a m p l e df b g s h o w e v e r ，t oo b t a i nc h a n n e ln u m b e r sa sm a n ya s p o s s i b l ew i t hp h a s et r a n s i t i o n sa sl e s sa sp o s s i b l ei nas a m p l i n gg r a t i n gp e r i o di sa l w a y s t h ea i mo fr e s e a r c h e r s u i 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 a b s t r a e t i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s e dan o v e lm e t h o dt h a tu t i l i z e st h es p e c t r a lt a l b o te f f e c ti nt h e p h a s e - o n l ys a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g st oo b t a i nt h eb r o a d b a n dh i g h - c o u n tc h a n n e l sw i t h p o s s i b l ym u c hl e s sp h a s et r a n s i t i o n s s p e c i f i c a l l y ，w ef i r s td e m o n s t r a t et h et a l b o te f f e c ti n t h el i n e a r l yc h i r p e dp h a s e o n l ys a m p l e df b g s ，i nw h i c hi n t e g e ra n df r a c t i o n a lt a l b o t e f f e c ta r eo b s e r v e di nb o t hd a m m a n na n dm u l t i l e v e lt y p eo fp h a s e o n l ys a m p l e df b g s t h eo p t i m i z e dl o c a t i o n sa n dt h e p h a s es h i f t sa r ei m p l e m e n t e db yu s i n gs i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h ms u c ht h a ta na r r a yo fs p e c t r a lc h a n n e l sw i t he q u a la n dm a x i m a l r e f l e c t i v i t ya p p e a r s i ti ss h o w nt h a tt h et a l b o te f f e c tb a s e do np h a s e o n l ys a m p l e df b g s i s c a p a b l eo fg e n e r a t i n gs u p e r i o rh i g h - c o u n td w d mc h a n n e l si nt e r m so fc h a n n e l b a n d w i t h , c h a n n e ln u m b e r ，c h a n n e lu n i f o r m i t ya n de n e r g ye f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，t h e t a l b o te f f e c tc a nb ei m p l e m e n t e di np h a s e o n l ys a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) w i t h a na r b i t r a r i l yc h i r p e dg r a t i n gp e r i o d w ed e r i v e dt h eg e n e r a lt h e o r e t i c a lc o n d i t i o n sa n d m a d es i m u l a t i o n su s i n gt h et r a n s f o r mm a t r i xm e t h o du n d e rw h i c hs p e c t r a lt a l b o t p h e n o m e n o no c c u r s c a s c a d e dc h i r p e da n dp h a s e o n l ys a m p l e df i b e rb r a g gg r a t i n g sh a v e a l s ob e e np r o p o s e dt oe n h a n c et h ec h a n n e le n e r g yw h i c hi sl i m i t e db ye n e r g ys a t u r a t i o n u n d e rt a l b o tc o n d i t i o nw i t l lt h eg r a t i n gl e n g t h a l lt h es t u d i e sp r o v i d en e wt e c h n i q u e sf o r i m p r o v i n gt h ed e s i g nf l e x i b i l i t ya n dt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h et a l b o te f f e c tb a s e d m u l t i c h a n n e lc o m bf i l t e r s k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；t a l b o te f f e c t ；p h a s e o n l ys a m p l i n g ；m u l t i c h a n n e l ；f i l t e r i v w r i t t e nb yl uy u i n g s u p e r v i s e db yw a n gq i n h u a 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：丝至：垄日期：! ! ! z ： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心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一致。除在保存期内的保密论文 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) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名：日期：塑仝：篁 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第一章绪论 1 1 光纤光栅发展概况 第一章绪论 用光进行传递信息，这种通信方式可谓由来已久。早期主要是视觉通信，如烽 火台、灯语、旗语等。现在的光通信指的是运用光作为载体而传送信息的所有通信 方式的总称。其中，最主要的是以光纤作为媒质来传送信息光纤通信。 早在1 9 世纪，科学家们在研究中发现光波在光导纤维中传播遵从的基本原理 是全内反射，这一原理的发现为光纤光学奠定了基础。2 0 世纪初，h a n s e l l 和l a m m 等人成功研制出了无包层的玻璃纤维，几十年后，人们发现了今日的普通光纤的基 本结构，即在裸光纤外包裹一层保护层，不仅对光导纤维起保护作用，还明显地改 善光纤的光学性能。随着光纤结构的完善和对其光学性能的进一步了解，开辟了新 的光学分支光纤光学。 初期的光纤，由于制作工艺以及石英材料的纯度等因素的影响，传输损耗非常 大。直到2 0 世纪6 0 年代中期，优质光纤损耗仍然高达1 0 0 0 d b k m ，只能用于短距 离传输( 主要用于医学中传像) 。1 9 6 6 年7 月，出生于上海的英籍华人高锟( k c k a o ) 博士就光纤传输的前景发表了一篇具有重大历史意义的论文，指出光导纤维的高损 耗不是玻璃纤维本身固有的，而是由材料中所含杂质引起的；并且还预言，只要能 设法降低玻璃纤维中的杂质和改进工艺，就可使光纤的损耗从1 0 0 0 d b k m 降低到 2 0 d b k m ，甚至更小。 1 9 7 0 年，美国康宁玻璃有限公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地 制成了世界上第一根传输损耗低至2 0 d b k m 的光纤【l 】，同年该公司又使砷化铝镓 ( g a a i a s ) 半导体激光器在室温下连续运行，这二项关键技术的重大突破，使光纤通 信开始由理想变为可能。1 9 7 4 年，美国贝尔研究所发明了使光纤传输损耗降低到 l d b k m 的低损耗光纤制作法一v d 法( 汽相沉积法) ；1 9 7 7 年，贝尔研究所和日 本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达l o 年左右( 1 0 0 万小时) 的半导体激光器， 从而有了真正实用的激光器；而到1 9 7 9 年，通信光纤在1 5 5 0 n m 附近的传输损耗已 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第一章绪论 经降到0 2 d b k m 的水平。随着光纤传输损耗的不断下降，光纤的应用已从最初的 的传像功能逐步扩展到通信、传感和光信息处理领域。 1 2 光纤布拉格光栅发展应用 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形 成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗低、全 兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓 度等外界环境的变化比较敏感，因此在光学信息处理、光纤传感和光纤通信领域得 到了广泛的应用。 1 2 1 光纤布拉格光栅在光学信息处理领域的应用 在光学信息处理领域，光纤光栅可用于光纤相位调节器( o p t i c a lf i b e rp h a s e c o n j u g a t o r ) 2 3 】，光学傅立叶变换器( o p t i e sf o u r i e rc o n v e c t o r ) d ，和相位阵列天线 ( p h a s e a r r a ya n t e n n a ) 5 等。 1 2 2 光纤布拉格光栅在传感领域中的应用 光纤传感器技术是利用光纤作为载光的媒介和调制光的调制器，对光的某一性 质根据被测物理量的变化而被调制，并检测出来的技术。而光纤光栅传感技术源于 1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人用全息干涉法以侧写技术在掺锗石 英光纤上研制出第一个布喇格波长位于通信波段的光纤光栅【6 】，该项技术不但促进 了全光纤通信技术的发展，而且在光纤传感领域另辟出新的重要分支光纤光栅 传感。但光纤光栅的发明源于光纤光敏特性的研究。1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究 中心的k o h i l l 等人第一次报道了用氩离子激光器产生的二束可见光在光纤芯中曝 光而产生干涉图样，从而可以形成折射率周期变化的光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ， 缩写为f b g 7 - 1 0 】。 f b g s 在传感网络应用中与传统的传感器相比具有非常明显的技术优势，其中 2 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第一章绪论 最重要的就是f b g s 是数字式的，其传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长的 调制来获取传感信息的，这是一种波长调制型传感器，所以与普通机械、电子类传 感器相比，光纤传感器具有以下优点 1 3 1 7 - ( 1 ) 抗干扰能力强。不受电磁场作用的影响，又具有很高的绝缘特性，这在电力 工业高压传感中有着广泛的应用前景。光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机 起伏以及耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性。 ( 2 ) 光纤光栅是自参考的。可对外界参量进行绝对测量( 在对光纤光栅进行标定后) 和动态相对测量，不像基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 ( 3 ) 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径与光纤等同) ，适于多种应用场合，尤其 是智能材料和结构。 ( 4 ) 便于构成各种形式的光纤传感网络。光波导介质的连续性决定了该类传感器 便于进行分布式传感，可进行大面积的多点测量。 ( 5 ) n 量结果具有良好的重复性。 ( 6 ) 测量精度高。 ( 7 ) 该类传感器的信息载体是光，不会像电磁传感器那样产生危险火花，它可以 用在特殊场合对某些物理量进行安全地监测，如煤气旁、矿井下、油田及油罐周围。 ( 8 ) 光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产( 商品化) 。 1 2 3 光纤布拉格光栅在通信领域中的应用 光纤布拉格光栅的出现为人们盼望已久的全光通信网的实现创造了极好的条 件，因此许多国家已投入大量的人力和物力集中对光纤布拉格光栅及其在全光通信 网中的应用进行研究。在1 5 5 0 n m 波长范围附近，现存的商用w d m 光通信系统已 经实现了在一根光纤传输8 、1 6 、3 2 、6 4 路的信道，每个信道传输2 5 g b i t 、1 0 g b i t 甚至4 0 g b i t 的信息。现在人们又在研究每个信道更高的信息传输率，而许多光器件 都是在光纤布拉格的基础上设计出来的。光纤布拉格光栅具有许多独特的光学特 性，其在通信领域中的应用主要表现在以下几个方面： 3 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究第一章绪论 ( 1 ) 光纤激光器 光纤布拉格光栅的窄带反射特性和全兼容于光纤的优点，使其特别适合用于光 纤激光器中。利用f b g 的波长选择性可将其用作光纤激光器的腔镜，实现模式选 择和窄带反馈的单频激光器，与半导体激光器相比，该类激光器具有波长连续可调、 调谐范围大、线宽窄、损耗较低和对环境扰动不敏感的优点，以及适合密集波分复 用系统( d w d m ) 中使用工作波长固定或可调谐的低噪声激光器阵列的要求【1 8 - 2 0 1 。 图1 1 所示为常见的单波长光纤激光器的两种结构：( a ) 是分布布拉格反射 ( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s ，d b r ) 光纤光栅激光器，其是一段稀土掺铒光纤( e d f ) 和一对均匀f b g 构成谐振腔；( b ) 是分布反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 光纤光栅 激光器，其是利用直接在稀土掺杂光纤( 如e d f ) 写入的均匀光栅构成谐振腔。 p u m p i s o l a t o rf b ge d f ( a ) p u m p i s o l a t o re d fw r i t t e nw i t hf b g ( b ) 图1 1 光纤光栅激光器结构原理图：( a ) d b r ( b ) d f b 近几年来，以光纤光栅为反馈元件的外腔激光器( f i b e rb r a g gg r a t i n g - e x t e m a l c a v i t yl a s e r , f b g - e c l ) 成为研究的热点 2 1 2 3 ，其是利用光纤光栅的选频特性来 实现半导体激光器的单纵模工作，并稳定工作波长，是理想的d w d m 通信光源。 f b g - e c l 的结构如图1 2 所示。用f b g 作外反馈的外腔半导体激光器由一个半导 4 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第一章绪论 体激光- 器r ( l d ) 管芯和含光栅的光纤耦合而成，l d 的内端面镀有增透膜，以减小f p 模式。整个外腔激光器的光学谐振腔由三部分组成：l d 芯片、空气间隙和光栅前端 的光纤部分。光纤光栅用来选模，由于它极窄的滤波特性，激光器工作波长将控制 在光栅的布拉格反射峰带宽内。 n 一一l d 1 u d e t e c t o r ( 2 ) 光纤放大器 a i rl a y e r 图1 2 光纤光栅外腔半导体激光器结构示意图 光纤放大器在光纤通信系统中有着非常重要的地位，它的出现推动全光通信的 发展。影响光纤通信向长距离和高速率方向发展的两个主要因素是损耗和色散，其 中损耗问题自从e d f a 产生后己得到解决。然而掺铒光纤放大器( e d f a ) 具有增 益不平坦性，将会导致不同波长的光信号增益不相等，严重影响着光信息的传输质 量。利用闪耀光纤光栅的反射谱与光纤放大器增益谱具有很好的相似性。因此，闪 耀光栅的透射谱可恰好对光纤放大器增益峰的光功率进行衰减，从而可实现光放大 器的增益平坦化，很好地解决了光纤通信中的损耗问题 2 4 】。此外f b g 在e d f a 中 的应用还包括：用于使透过的泵浦光返回泵浦区，提高泵浦功率以及抑制e d f a 的自 发辐射等。 ( 3 ) 色散补偿器 单模光纤中阻碍通信系统性能提高的一个主要问题就是色散，它使得一个数据 脉冲中的不同波长成分以不同的群速度传输，这就会导致信号脉冲的展宽及误码率 的增加。在1 5 5 u m 区的光纤损耗很低，但是色散却相当大，啁啾光纤光栅补偿色 5 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究第一章绪论 散引起的脉冲展镣a 2 5 ，2 6 】，避免了这一问题。它的工作原理是把宽脉冲内不同波 长的光在光栅的不同位置反射回来。如图1 3 所示为啁啾光纤光栅色散补偿原理图。 i n p u t o u t p u t ( 4 ) 波分复用解复用器 图1 3 啁啾光纤光栅色散补偿原理图 光纤w d m 系统在一路光纤中传输多个波长的信号，要进行不同波长信道的分 插复用，因此需要波分复用解复用器。插入损耗低、集成度高和波长稳定性好是系 统对此器件的要求。光纤光栅与耦合器、环行器、光开关等有机结合，可制成波分 复用解复用器 2 7 ，2 8 。如图1 4 所示为光纤光栅型波分复用器原理图。 图l - 4 光纤光栅型波分复用器原理图 6 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第一章绪论 ( 5 ) 光纤滤波器 带通滤波器是多波长光网络中最基本的器件之一。f b g 就其功能本质来说，就 是一种滤波器，依靠对特定波长的反射，让一些光通过，让另一些光不通过或衰减。 使用f b g 做滤波器的优点是，能对光纤透射频谱中的任一波长进行窄带滤出。随 着光纤通信和光纤传感技术的迅速发展，光纤光栅滤波器在光纤通信领域的作用越 来越重要。f b g 可以直接作为带通滤波器 2 9 3 2 1 ，也可以和其它光器件结合构成干 涉带通滤波器。 a ) 、3 d b 耦合器同侧的两个端口各接一个布拉格波长相同的f b g ，可构成迈克 尔逊干涉结构【3 3 】。如图l - 5 ( a ) 所示。 b 1 、一只3 d b 藕合器同侧的两个端口与另一只3 d b 耦合器同侧的两端口中间用 相同波长的两个f b g 串接，可构成m z i 型干涉滤波器 2 7 2 8 1 。 c ) 、一只3 d b 耦合器同侧的两个端e l 各与一根光纤的两段相接，另- - f 贝u 的一端 接一个f b g ，可构成s a g n a c 型干涉滤波器 3 4 - 3 5 】。如图l 一5 ( b ) 所示。 i n p u t ( a ) o u t p u t ( b ) f b g 图1 5 基于f b g 两种干涉型滤波器：( a ) 迈克尔逊滤波器( b ) s a g n a c 滤波器 7 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究第一章绪论 光纤b r a g g 光栅通信器件的特点总结如表l l 所示。 表l 一1 光纤b r a g g 光栅光器件及其特点 器件名称器件特点 d f b 光纤光边模抑制比和频率稳定性均优于d b r ；稳定的功率输出；可以构成 栅激光器多波长激光器 d b r 光纤光可获得比d f b 更高的模式选择性，便于严格控制波长，获得稳定 栅激光器 的单模运行；输出功率高；稳定的功率输出；商用化最好的可调谐激 光器 光纤光栅外极低的温度依赖性；极低的阈值电流；很高的边模抑制比；极低的啁 腔激光器 啾量；可获得窄线宽的稳定激光输出 光放大器 稳定泵浦光源的输出激光波长；使e d f a 的增益平坦化；抑制e d f a 的a s e ( 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 ) 噪声；能够提高e f d a 的 泵浦效率 色散补偿器非线性啁啾光栅可产生非线性的时延曲线，实现高速通信系统上 的p m d ( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ) 补偿；可同时补偿波分复用 器所有信道的色散；色散斜率补偿理想 波分滤波器与输入光的偏振态无关：插入损耗低；中心反射波长可得到精确控 制；光栅反射带宽可任意选择；易进行温度补偿，对外界温度不 敏感 光滤波器 对光纤透射频谱中的任一波长进行窄带滤出；易调谐；低损耗；容易 与光纤系统耦合具有很高的消光比 8 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第一章绪论 1 3 论文的主要工作 论文主要研究了在相位采样光纤光栅中，通过对光纤折射率的调制，设计新的 优化算法，发现了相位采样型光纤布拉格光栅的t a l b o t 效应。光谱的通道间隔可以 任意调节，并且通道密度在没有增加采样周期的情况下可以增加，达到了所要求的 宽频域、信道密集、通道隔离好的光谱特性。相比于同等要求信道的均匀相位采样 光纤布拉格光栅，可以实现在一个采样周期中改变最少的相位变化采样点来实现多 个反射峰通道的效果，并且同时在二元相位采样光纤光栅和多级型相位采样光纤光 栅中得到证实。在此基础上，通过理论研究，论文进一步给出了任意啁啾形式下， 即任意非线性啁啾，实现光栅t a l b o t 效应的条件。针对在t a l b o t 效应条件下，增加 相位采样光纤光栅的长度，反射率偏低且饱和的问题，论文首次提出了在相位采样 光纤光栅中采用级联型光纤布拉格光栅周期结构，有效提高了能量的利用率。这些研 究设计为我们以后设计高能量效率的相位采样光纤布拉格光栅和多通道宽频域的 波分复用器提供了一个新的思路。 9 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第二章光纤布拉格光栅基础 第二章光纤布拉格光栅理论基础 光纤光栅的出现是光纤通信技术及其相关领域的一次重大突破，光纤通信网正 在向着下一代全光通信网快速演进。在目前已经实现的2 5 g b i t 、1 0 g b i t 、4 0 g b i t 传 输容量下，系统正在朝着高速率大容量的方向迅速发展，1 0 0 g b i t 的传输系统研究 已经提上日程，对光纤光栅应用领域的研究是很有使用价值和意义的。而研究光在 光纤光栅中的传输特性，对于正确理解光纤光栅的传光机理和光纤光栅的性质，从 而合理应用光纤光栅的独特功能是十分重要的。本章将主要从常用来分析光在波导 介质中传播规律的理论一耦合模理论 1 2 ，3 6 ，3 7 ，分析光在布拉格光纤光栅中的传 播规律，推导出布拉格光纤光栅所满足的布拉格条件以及反射率和透射率公式，并 介绍使用传输矩阵理论 1 2 ，3 8 分析光在光纤光栅中传播规律的基本方法。 2 1 光纤布拉格光栅结构 光纤光栅是利用光敏光纤【3 9 】的光致折射率变化，把光纤放置于紫外光形成的 空间干涉条纹中曝光而形成的空间相位光栅。布拉格光纤光栅的折射率受到周期性 调制，其原理图如下图所示： ( b ) 图2 1 ( a ) 光纤布拉格光栅的结构；( b ) 纤芯中折射率周期性调制 1 0 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第二章光纤布拉格光栅幕础 光纤布拉格光栅的纤芯折射率变化方程可表示为： = 瓦 1 + s c o s - - 罢咖( z ) 】) 协- ) 其中：s 是折射率调制的条纹可见度，a 为光栅的布拉格周期，伊( z ) 描述光栅啁啾或 相移，惭( z ) 表示直流有效折射率变化( 即一个光栅周期内的平均有效折射率变 化) 。 光经过光纤布拉格光栅时，在每个周期的折射率变化处都会有一小部分入射光 发生反射。当强耦合模式反射时，某特定波长的反射光就会汇聚成一强反射光，这 就是布拉格条件，这个发生反射的特定波长为布拉格波长。只有满足布拉格条件的 波长才会产生强反射，入射光的反射率将在布拉格波长处达到峰值。下图用输入光 波的反射谱和透射谱很直观地说明了这个问题。 e o 卜 重 龟 疗 - j - a 董 厶一蜊二7 亭二i i i 工i = 圭 八蛔 图2 - 2 光纤布拉格光栅光谱特性说明 u罡-警拄妻茁 e乏蒌 矗差 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第二章光纤布拉格光栅基础 2 2 耦合模理论 = 等 ( 2 - 3 ) 警刮莩4 ( + 峨嘱) z + i e 。岛( 一矿“ 蹦2 ( 2 - 4 ) i 警一z 等4 ( 一嗥矽峨帆k 一莩吃( + 矿h 耻= ( z ) 2 詈g 占( x , y , z ) e r q ( 姗伽) 姗 ( 2 - 5 ) 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究第二章光纤布拉格光栅基础 c 易( z ) t ( z ) ，可忽略。 在许多情况下，紫外光照射后的折射率变化a n ( x ，y ，z ) 在纤芯区近似均匀而在 包层可以忽略，定义两个新的耦合系数 1 2 - 白( z ) = 缈等石i ( z ) ( x ，y ) t ( x ，y ) d x d y 。 c 0 8 ( 2 6 ) ( z ) = 主厶( z ) 式中岛( z ) 是自耦合系数，0 ) 是互耦合系数。因此，横向耦合系数可写为： ( z ) = ( z ) + 2 ( 加。s 警z + 矽( 列 ( 2 _ 7 ) 对于光纤布拉格光栅，耦合主要发生在布拉格波长附近波长相同的两个正、反 向传输模式之间，假设它们的振幅分别为彳纠和b p ，则( 2 - 4 ) 式可简化为： 摩 + 彳+ 0 ) + i t c b + ( z ) = 一+ b + ( z ) - i r a + ( z ) ( 2 8 ) 式中，a + ( z ) = a ( z ) e 峨z - $ 1 2 ) b + ( z ) = b ( z ) e 一毛外班) ，f + 是自耦合系数，定义为 r = 蟊+ f j 1 石d ( o ( 2 9 ) 式中，磊是与z 无关的相对于布拉格波长的失谐量，定义为 彩吵吴嘲劭【去一旁 僖 这里如= 2 恸人是光纤布拉格光栅的布拉格波长( 也称为初始谐振波长) ，为有效折 射率调制无限小( _ o ) 的弱光栅的谐振波长。复系数f 的虚部用于描述光栅产 1 3 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第二章光纤布拉格光栅基础 生的吸收损耗，损耗系数由a = 2 i i i l ( f ) 给出。对单模布拉格反射光栅，有简化的关 系式 1 2 - f ：竿瓦 九 ” r 。= 署s 瓦 ( 2 1 1 ) 对均匀周期光纤布拉格光栅，恸是常数，d ( a d z = o ， 所以r 、f 和r 也是 常数。这就将式( 2 - 8 ) 简化为全部常数因子一阶模式耦合的普通差分方程，当边界条 p=篙=面丽-丽rsinhff舞(al)z-(一+l)2 协 r ：p ：_ 霉塑垒墨兰兰三竺 ( 2 1 3 ) 一! 丁ec o s h 2 ( 础) 2 一( f + ) 2 r = t a n h 2 ( 以) ( 2 1 4 ) 最大反射率出现在f + = 0 ，其峰值波长为 k ：( 1 + 垃) 厶 ( 2 1 5 ) 劭 f b g 的带宽为谐振波长两侧反射率第一个为零的波长间距 1 2 】，由式( 2 1 5 ) n - j 得 1 4 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究第二章光纤布拉格光栅基础 丛：s a n 明, k 7 谤 在光致折射率变化很小时，即s 非常小，s 如三，因此 丛_ 玉：三 k ln九麟，锄l ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中，n = l a 是光栅栅格的总数，所以弱光栅的带宽主要决定于其长度，长度越 大，带宽越窄。 然而，在强光栅中，厂毛三，因此 丝一垃 ( 2 1 8 ) 旺7 锄 因此，在强光栅的限制中，光不能透过光栅的全长，因此，其带宽独立于光栅的长 度，但却比例于相对折射率的变化。 2 3 传输矩阵法 耦合模方程( 2 8 ) 是研究光纤光栅光学特性的基础，方程最常见的解法是：龙格库 塔法和传输矩阵法。对于均匀光栅，耦合模方程可以直接求解。对于非均匀光栅， 光栅参数沿光纤方向发生变化，从耦合模方程不能得到反射系数和反射率的解析 解。龙格库塔法虽然可进行求解，但十分繁琐且计算很耗时。基于耦合模理论的传 输矩阵法是一种快速数值模拟非均匀光纤光栅光学特性的方法。矩阵法是将非均匀 光栅分成很多小段，认为每一段是均匀光栅在这种方法中对每一段均匀光栅解耦合 模方程，得到和这一段光栅相联系的矩阵，然后把这些矩阵相乘。矩阵法实现很容 易，计算速度快而且精确。下面对仅介绍传输矩阵法。 传输矩阵法就是把非均匀光栅分成许多小段，每一小段都看成是均匀光栅，每 段都用一个2 x 2 的矩阵来表示。这样整个非均匀光栅就可表示为一系列2 x 2 矩阵的 乘积，利用这个矩阵就可以求出光栅的反射系数，时延和色散等参数。假设把光栅 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第二章光纤布拉格光栅基础 m2n够(2-19) 光栅，初始条件是： r = r ( l 2 ) = l ，s o = s ( l 2 ) = 0 ，通过求解可得 r ( - l 2 ) = ，s ( - l 2 ) = 。第1 段的传输矩阵为： 阱z 酬 协2 。) rc 。s h ( j 沪f 坐s i n h ( j ，) 一f 兰s i n h ( j ，) 耻【 尚i n j ： 盯，c 。二越i n h ( s 1 ) _ j q - 2 1 ) l f 兰s i n h ( 盯)c o s h ( “) + f 坐s _ j ，是第i 段的光栅长度，有s = ( h 2 一筇2 ) ，j 为与折射率条纹有关的可见度， 阡弛母z 圈 2 2 ， p ：s m ( - l 2 ) ( 2 2 3 ) p 2 而 旺。 1 6 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究 第二章光纤布拉格光栅基础 r - - i p l 2 同时我们定义反射系数相位角、时延、色散分别为力，b ，表示如下： 2 4 本章小结 ( 2 2 4 ) 以= a r g ( p ) 铲孕：一竺堕(2-25)2- = l = 一一- i p 抓2 7 r cd 丸 啡= 嘉 本章首先给出了光纤b r a g g 光栅的基本结构，接着从耦合模理论出发，推导出 了均匀f b g 的反射率公式，并给出了一种求解非均匀光栅的简单有效的数值方法 一一传输矩阵法。后续章节中关于相位采样光纤布拉格光栅的研究设计均是采用该 方法进行数值模拟的，模拟结果与理论计算相符合。 1 7 相位采样光纤布拉格光栅的光谱特性研究第三章相位采样光纤布拉格光栅的理论分析及仿真 第三章相位采样光纤布拉格光栅的理论分析及仿真 光纤光栅是光通信系统和光传感系统的基本元件。由于采样光纤布拉格光栅在 多通道中的滤波、色散补偿等方面的特性非常适合于国际电信联盟标准，所以采样 布拉格光纤光栅可以用于多通道设备的制作 3 9 4 1 。采样布拉格光栅可以通过用周 期的振幅采样函数或者相位采样函数对光纤的折射率进行调制来得至u 4 2 4 7 1 。在这 种结构中，梳状滤波器的自由光谱范围仅仅依赖于采样光纤光栅的周期尸。近来， 当光纤光栅中光栅发生啁啾变化和光栅周期变化满足一定的条件下，便出现了振幅 光纤光栅的t a l b o t 效应，这时自由光谱范围就不仅仅取决于光栅的周期，而且还决 定于光栅的啁啾变化 4 8 5 3 。振幅采样光栅中的t a l b o t 效应在光纤的设计和光纤能 量效率利用方面提供了很大方便，促进我们更进