（电磁场与微波技术专业论文）基于温度灵活调整啁啾光纤光栅色散特性的研究.pdf

北京交通人学坝f 。学位论殳 摘要 随着单信道传输速率( 4 0 g b s 或更高) 的提高和传输带宽的增加， 色散已成为光纤传输系统中非常突出的问题。虽然现在已有多种补偿 高速传输系统色散的方法，但是仍然存在着大量的残余色散。另外由 j j 系统运行环境的变化而导致色散的变化在很大程度上降低了系统 的性能，如光放大器的增益谱线不平坦、环境变量的改变( 如温度梯 度的改变) 、网络的动态重构等。为了解决上述问题，动态地调节色 敖值以获得优化的系统性能，可调的色散补偿器成为高速通信系统 ( 如4 0 g b s ) 中急需研制的器件。 啁啾光纤光栅( c f b g ) 作为种光尤源器件，具有反射带宽范围 大、插入损耗小、体积小、能与光纤很好的耦合等优异性能。基于上 述原因，c f b g 已经发展成为最具潜力的一种光纤色散补偿器件。但 是，光纤光栅的布喇格波k 会随所处环境温度的变化及所承受的应力 应变的改变而发生漂移，这也是实际、训日中首要解决的问题。 本文提出了一种通过调协温度灵活改变线性啁啾布喇格光纤光栅 的色散，从而实现一定范围内灵活可涮的色散补偿的新方法。论文中 对啁啾光纤光栅时延和色散特性，影响光栅色散特性的温度、应力、 切趾的参数，温度、应力，廖变刳光纤光栅特性的润节原理，温度沿 光纤纵向的扩散模型等方面做了深入的理沦研究，并在此基础上提出 了上述的可调的色散补偿的新方法，剐时进行了多种温度分布情况下 光栅特性的数值仿真和具体实验研究，证实了此方法的可实施性。 关键词：啁啾布喇格光纤光栅( c f b g ) ，温度控制，色散补偿，剩 余色散 北京交通人学坝l 学位论史 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ep e 卜c h a n n e lt r a n s m i s s i o nr a t e ( 4 0 g b sa n d b e y o n d ) a n dt h ei n c r e a s eo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h ，d i s p e r s i o n i sb e c o m i n gf a i r l yh i g h l i g h t e dp r o b l e mj na no p t i c a l 脚) e rc o m m u 出c a t i o n s y s t e m a l t h o u g h t h e r ea r e m a n ys o l u t i o n s t ot h e d i s p e r s i o n i na h i g h s p e e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，am o u n t o fs u r v i v a ld i s p e r s i o ns t i l le x i s t s t h ev a r i a t i o ni nd i s p e r s i o nd u et o 幽ec b a n g i n go p e r a t i n gc o n 出t i o n so ft h e s y s t e m sc a ng r e a t l yd e g r a d et h es y s t e mp e r f b m a l l c e ，e s p e c i a l l yi n h i 曲- s p e e ds y s t e m s ( e g ，4 0 g b ，ss y s t e m s ) ， s u c ha st h eu n e v e ng a i n p r 0 矗l e so fc h ej n - i i n ea m p i m e r s ，e n v i r o n m e n t a lv a r i a t i o n ss u c ha sc h a n g e s i nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e ， d y n a m j cr e c o n f i g u r a t i o n so fan e t w o r kt o o v e r c o m et h e s ep r o b i e m s ，t u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r sa r en e e d e d e s p e c i a i i yf o rh j 曲s p e e ds y s 把m s ( e g ，4 0 g b ，s ) t od y n a m i c a l l ya d j u s tt h e d i s p e r s i o nm a pi no r d e rt oa c h i e v eo p t i m u ms y s t e mp e r f o r m a n c e a d v a n t a g e so ff i b e rg r a t i n g so v e rc o m p e t j n gt e c h n o l o g i e si n c l u d ea l l - f i b e r g e o m e t r y l o wi n s e r t i o n1 0 s s ，h i g hr e t u r n1 0 s so re x t i n c t i o n ，a n dp o t e n t i a l l y l o wc 0 5 t f o rt h e s er e a s o n s ，t h ec h i r p e df i b e rg r a “n gi sc l e v e l o p e di n t oo n e o f 【h em o s tp o t e n t i a ld i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r s b u ti t i sw e l lk n o w nt h a t v a r i a t i o no ft e m p e m t u r eo rs t m i nj n d u c e ss h i f ti nt h eb r a g gw a v e l e n g t ho f af i b e rg r a t i n 昌w h i c hi st h ep r o b i e mt h a tn e e dt os o i v ef i r s t l yi np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lt e c h n i q u ef o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n d s u r v i v a id j s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb ya d j u s t i n gt h ec e m p e r a t u r ef i e x i b ly i n o r d e rt oc a r r yo u tc o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o nw i t h i nac e r t a j n s p a n i t 北京交通人学坝l 。学位论文 a n a l y z e s c h ec h a r a c t e r i s t i co fd e l a y g r a t i n g ，a n dc h ep a r a m e t e r sa f 凫c t i n g a n dd i s p e r s i o no ft h ec h i r p e df i b e r t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg r a t i n g ，s u c h a s t e m p e r a t u r e s t r e s s ，a p o d i z i t i o n ，a n dt h ed i s t r i b u t i n go ft e m p e m t u r e a 【o n gt h ef i b e r ，a n dt h e ni ts i m u 【a 把s 山ec h a r a c t e s t i c so ft h ec h i r p e d n b e rg r a c i n gi nk i n d so ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n g f i n a l l y ，i ta p p r o v e st h e p r a c “c a l i yo f h em e 出0 db ys e r j e so fe x p e “m e m s k e y w o r d s ：c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n t s u r v i v a ld i s p e r s i o n 2 儿京交通人学埘j 学位论文 第一帝绪论 第一章绪论 第一节引言 随着社会的发展，人仃j 对信，心、的需求呈指数的上升，全球数据业 务昂几乎半年左右就要翻一番。例蛔，l p 网络( i n t e r n e t ) 从2 0 世纪9 0 4 代歼始进入了一个大发展的时代，其团户数以1 6 5 的年增艮率在全 球手展，到2 0 0 0 年上网用户数己达3 一j 亿左右，成为当前网络通信业 务的主要增蚝因素。光纤通信作为2 0 世纪最伟大的发明之一，自本 世纪? 0 年代初第一根实用化光纤问吐以来，就得到了非常迅猛的发 腱，沣对人类社会生活产生了巨大的影响。人类社会正迈步进入信息 时代，光纤无可质疑地成为信息交换中最重要的传输媒介。2 0 世纪8 0 年代光纤通信技术已逐步走向成熟并广泛应用，已经和正在为信息的 扩容和i p 网络的发展起着巨大的推动作用。面对广大用户对通信网络 容最提出更高的要求，即为了满足数据通信大容最传输的要求，最佳 的方案就是利用光纤给我们提供的约：j o t h z 的巨大潜在带宽资源，将 信息进行无阻塞的传输和交换。促使光纤通信的发展速度不仅超过了 由摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度，而且也超过了数据 、l k 务的增k 速度，而成为支撑通信、1 k 务麓增加最重要的技术。 目前，对光纤通信系统的要求己越来越高，大容最、长距离、超 高速已经势在必行。扩大光纤通信网络传输容量的有效技术途径是广 泛采用波分复用技术( w a r e l e n g t hd iv i s jo nm u 王t i p l e x i n g ，w d m ) ， 特别是密集波分复用技术( d w d m ) ，它也逐渐成为现代长途通信干线网 的主体j 。目前1 6 4 8 通道的d w d m 系统i e 广泛应用，t b s 容量和超过1 0 0 通道的系统也有报道。如2 0 0 0 年6 月，日本富士通在北美地区推出全 北京交通人学坝i 。学位论史第一章绪论 球最大规模的1 7 t b s 的d w d m 系统，n ( ) r t e l 公司w d m 网络容最更达到了 6 4 ，r b s 。随着掺饵光纤放大器( e r b i u md ( ) p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 的 i 现，光纤的损耗问题已经基本得到了解决。但是，由于光纤材料 的色散特性：“光脉冲的不同频率分节在光纤中传输时的群速度不同， 则到达传输终点的时间不同，脉冲会发生展宽，使时间间隔相邻的信 号发生能量重替，引起误吗。而且，单信道传输速率越高，问题越严 重。凶此，解决d w d m 系统的色散问题就成为提高信道容量的一个重要 涮题。同时，由于不同波长信道的色散值不同，在接收端还会存在一 定的残余色散未得到补偿。匿l 此可行的可凋的色散补偿问题成为提高 d w d m 传输系统容黾和距离的最丰要刚题之，同时已经成为国内外 的一个研究热点。 第二节色散问题的解决方案 1 2 1 色散概述 色散是光纤的传输特性之一。光信号在光纤中传输因其不同频率 或不同模式成分的群速度不同而引起色散。因此，色散反应了光信号 沿光纤传播时的展宽。光纤的色散现象对光纤通信极为不利。它使得 光信号脉冲展宽、强度下降，从时增d n 误码率，影响通信质量。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m 吲球冲之间发上重餐现象，即产：牛了码问干扰，从而形成传输码 的失误，造成差错。为避免误码山现，就要拉长脉冲间距，导致传输 逑率降低，从而减少了通信容量。另方面，光纤脉冲的展宽程度从 机理上分析光纤的色散包括材料色散、波导色散、模式色散及偏振 北京交通人学颂i j 学位论文 第一帝绪论 包散。材料色散、波导色散与光源州对带苋( 或频霓f ) 囟关，减 小 ( 或f ) 有利于减小色散：模式色散仪在多模光纤中占主导地 位，它t 要取决于光纤的折射率分布：偏振色散与光纤的双折射率有 关。 在数学上，光纤的色散效应可以通过在中心频率纵，处展开成模式 传播常数口的泰勒级数来解决“： ( 山) ：n ( 珊) 竺：屁+ 屈( 甜一q ，) + ；压( 甜一) ：+ ( 卜1 ) 避风2 剖，o n o ，u 卜 当参量屈对应于脉冲展宽时，脉冲包络以群速度( p ；= l 屈) 移 动。参量属，压和折射率n 有关。它们的关系可由下面的式子得到 属= 弘甜斟等= 古 z ， 压= z 老+ 甜筹卜詈筹= 刍筹 s ， 式中n 。是群折射率，屈是群速度包敝系数，是决定脉冲展宽的主要 凶素，通常也用色散参数d 来表示色散，它与厦之i 司的关系为 d 一等腹a 在五= 1 5 5 胂处，屈= 一2 0 p s ：，k m ，且在1 3 l 舯附近改变符号。 除了一阶色散的补偿之外，高阶色散的补偿也是一个值得研究的 衍i 题，因为隹：对丁4 0 g b i t s 以匕的传输速率有很大的影响。光纤在 北京交通人学坝i 。学位论文第一常绪论 l j j ( ) n m 面口的色散司表不为： 拈五击似) + 竿嘉h a ， 。为脉冲的中心波长其谱宽为五，t 为包散宽度。t ( 五。) = l 矿( 五。) ， 其中1 1 ：链路长度，v ( 矗，) 代表光以五。传输时的群速度，上式又可写成： 出：伽d ( ) + 筚( ) + ( 1 其巾( 一阶) 色散d ( 也) 和色散斜率( 也叫：阶色散) d ( 五) 可表示为： 姒护着 志l s ， 训= 击 d ( 五 ( 1 - 7 ) 在l j j o n m 窗口，对标准单模光纤来说： d 等1 7 p s ( ，i ，盯j m ) ，d 。o 0 6 p j ( 门川j i ) 光纤包散对通信系统的性能影响j i 要表现在对传输中继距离和传 输速率的限制。当色散引起光信号脉冲的展宽大于o 3 倍的输入脉宽 时使使得光接收灵敏度急剧下降、均衡困难、误码率增加。另外色 散随着传输距离的增加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通 信质鼍。 1 2 2 色散解决方案 光纤的色散i h 偿得以j 泛地研究和实验，已形成负色散光纤。啁 啾光纤光栅法、光孤子传输、预啁啾技术、色散支持法、频谱反转法、 4 北京交通人学坝i 。学位论文 第一章绪论 多电平编码、相干光检测( 电均衡法) 以及集成m a c h z e h n d e r 干涉法、 时延线光均衡器等色敞补偿方案。下面，时其中主要的色散补偿方案 进行分析【。；1 。 1 2 2 1 负色散光纤 研究光纤材料、掺杂浓度、芯径人小及结构等与色散的关系，我 们得知纯石英材料在1 2 7 脚波k 上不存在色散，井称之为零色散波 | j = = 。不同掺杂的石英材料可产生不司的材料色散，使其零色散波长向 k 波k 方向移动。改变光纤结构参数，如减小芯径、不同掺杂浓度等 可增大其折射率，使零色散波k 移至大f 1 j 5 m 波长的位置，从而 在lj j m 处得到较大的负色散。具有这种特性的光纤称为色散位移 光纤。光纤的色散定义为 叫) = 圭著 8 ) 式中r 使光脉冲在光纤中传输距离l 后的群延时，它与光纤的传播常数 有关，可表示 嚎 2 履l 以： 这里五。是光源的中心波长，c 是真空中的光速。 由于光源有一定的光谱宽度 ，光脉冲在光纤中传输距离l 后的 展宽量可由下式给出： 岍。棚、_ d ( 五五、 ( 1 - l o ) 北京交通人学顾f j 学位论殳第一章绪论 设传输光纤的零色散波长为 ，补偿光纤的零色散波长为五。，要 求光源中心波k 五、在厶和_ 。之m 。：二足，传输光纤和补偿光纤的色 散符号在波 。处l e 好相反。光脉冲通过第一段传输光纤后，由于光纤 色散而发生展宽，然后将展宽的光脉冲经过一段补偿光纤传输，当满 足以下条件的时候，光脉冲的宽度又同复到初始值： d ( 、) l + d 。( ，i 、) l 。= o ( 卜l i ) 式中d ( ) 和l 分别是传输光纤的色敞和k ：度，d 。( 五；) 和l 。分别是补 偿光纤的色散和长度。 研究光栅折射率剖面结构与包散i 卜偿能鼍的关系，得到三包层光 纤阶跃犁光纤、w 型光纤具有更人的负包散。通常考虑光纤损耗影响， 用品质因数( 色散与损耗之比) 衡量负包散光纤的补偿能力。用于基模 的负色散补偿光纤的目前研制水平已达到5 0 0 p s k m n m ；而用于高次 模的负色散补偿因采用近三角彤剖面结构，其负色散值达到 一6 0 0 p s k m ，n m ，但其品质因数智能达到l ( ) ( ) p s k m d b 的k 平。 负色散光纤是一种光源器件，它可放在光纤传输网中任何位置， 使用灵活、方便、可靠。易于光纤传输网的升级和扩容，且具有足够 大的带宽。其不足之处在于光纤成本较高当传输速率和距离进一步 挺高时其非线性影响就突山了。 1 2 2 2 啁啾光纤光栅法 在光纤上制成折射率非周期变化的啁啾光栅，就形成一个宽带滤 波器，它的不同位置对应于不同的b r a g g 反射波长。当光脉冲信号通 北京交通人学删j j 学位论史 第一章绪论 过这种啁啾光栅( 周期从大到小，k 度为l ) 时，其长、短波k 分量分 别在光纤的头、尾部反射，这样娥波k 分景比长波长分最多走2l 距 离两波k 分肇之间产生时曼亚差f = 2 l 。从而补偿了由于群速 度不同而导致的色散，起到压缩光脉冲的作用。利用严格的耦合波理 论分析啁啾光栅色散补偿机制，求山其b r a g g 波长、带宽、时延率等， 并利用r u n g e k u t a 数值方法求解啁啾光栅的反射谱特性。啁啾光栅的 民度、啁瞅量、b r d g g 带宽、反射嘴特性等参量决定了它的色散补偿 能力。设计、研发高质量的啁啾光栅是实现这种色散补偿技术的关键。 采用无源光纤光栅进行色散补偿，具有体积小、插入损耗低、与 光纤兼容性好、波长选择性好、易j j 集成等优点，利用多个光纤光栅 级联可以提高色散补偿能力，光纤光栅还便于系统使用和维、其成本 低、可升级性好、可靠性高、受非线性效应影响小、级化不敏感，具 有很好的实用性。 1 2 2 3 预啁啾技术 在光纤传输系统中，光脉冲信号受到群速度的色散影响，其高频 成分将逐渐集中到脉冲的前沿，低频成分将逐渐集中于脉冲的后沿 两肯之间的时差逐渐增人，脉冲也就做展宽。预啁啾技术就是在强度 调制商接探测系统中对光源加个d ：弦凋制，使得光脉冲前、后沿频 率交换，再经过一段距离的传输后，脉冲的频率分布基本恢复到初始 状况，这就是在定程度上补偿了色散的影响。对两个独立的预啁啾 归零信号再实施偏振复用技术，还产生了改进型预啁啾技术。 以附带有线性啁啾的高斯形光脉冲为例，其幅度可以表示为 北京交通人学柳f 。学位论义 第一常绪论 巾，扣唧降( 圳 式中c 为啁啾因子，i ，为脉宽 经过预啁啾处理后的光脉冲存光纤中传输距离z 后脉冲宽度t 变 为： r = 篮学 式中磊是光纤传播常数关于角频率的阶导数。频率媚瞅是通过人 为手段附加到光脉冲上的。由式( 1 - 9 ) 可见，若反c o ，则啁啾光脉 冲比尢啁啾光脉冲展宽得更加快；若声，c o ，则光脉冲在传输过程 中将会出现脉宽减小的现象。这是由于当初始啁啾光脉冲满足关系 ! c 0 时，光纤色散引起的啁啾与光脉冲的初始啁啾特性正好相反- 两种啁啾的作用在传播过程中相互抵消，从而使光脉冲压窄。光脉冲 的最小宽度发生在两种啁啾完全抵消处。当传输距离继续增加，光纤 色敞引起的啁啾开始占主导地位，光脉冲重新开始展宽。 预啁瞅技术补偿色散的特点是无需列传输和接收的设备及线路作 改动，只需在发送激光器上加一个额外的止弦调制即可。但是它要求 激光器的调频特性较好。预啁啾技术己经较成熟，具有一定的可升级 1 2 2 4 色散支持传输法 色散支持传输法需利用激光器的涮频特性，在光纤传输系统中先 对激光器进行直接( 内) 调制，由于不同频率的信号在光纤中的传播速 北京变通人学坝i 擘位论文 第一章绪论 相位便逐渐超前，从而减小直至抵消原有的色散。 频谱反转色散补偿的方法可实现大容量k 距离的色散补偿，且损 耗较小。用半导体器件可实现相位匹配四波混频，它与其他光器件集 成还可用于全光网，但对所用的大功率泵浦光波提出一定要求，这些 牛u 关技术有待进一步研究。 1 2 2 6 光孤子传输 光孤：f 传输法是利用光的三阶非线性效应来补偿色散。当光纤中 的光能最足够大时，将产生自相位调制其作用与色散作用恰恰相反， 这就使得光脉冲的宽度在传输过程中保持不变，形成光孤子传输。 当光纤材料s i o ! 的折射率与光脉冲的场强呈线性关系时，不同强 度的咏冲分最的相速相同，在传输过程中产生不同的相移。这种现象 称为自相位调制( s p m ) ，结果会造成棘冲频谱的变化。对于高斯脉冲， 自相位调制导致脉冲前沿谱下降( 称为暗红移) ，后沿谱上升( 称为谱 监移) ，其他形状的脉冲也有类似的结果。在反常色散( d 。d 山 o ) 的情况下，脉冲的高频分量运动速度高：其低频分量，自相位调制导 毁脉冲前沿由于曙红移而减缓了运动速度。反之，脉冲后沿由于涪蓝 移而加快了运动速度。因此非线性效应在反常色散区对于脉冲的作用 趋势刚好与色散对脉冲的扩散作用相反，当满足一定条件，这两种作 刖在数晕上达到平衡时脉冲就可以保持彤状不变，变成光孤子。 光孤子传输系统通常采用色散位移光纤，并在链路中加入人最的 掺饵光纤放大器补偿足够的能晕以维持其非线性效应，因此系统的造 价昂贵。另外，组成系统的各模块技术尚不成熟，这都影响光孤f 传 输包散补偿的广泛应用。 北京交通人学坝i ：学位论文 第一章绪论 1 2 2 7 比较与结论 以：i 寸沦了不同的色敞补偿厅案的特点，下面讨沦各种方案在全 光通信网中的应用特征。 若采用色散补偿光纤，对1 二j 一域网来说，负色散光纤方法效果较 好实施一 艺不难。但对于城域网东 兑情况就有所不同。首先必须使 心个竹点之间的总色散为零。即使刖一段标准单模光纤另外加一段负 色散光纤，负色散光纤比标准单模光纤宵更大的损耗，而且由于芯径 不同，两种光纤在连接处有较大的损耗。由于在全光网络中必须进行 功率控制以平衡整个网络的功率，因此，负色散光纤的加入会给功率 控制造成困难，对光通信质量带来，8 重的劣化影响。 预啁啾技术对于局域网来说非常有效，但是对于城域网和广域网 来说它的补偿距离不能满足要求。 对于本地网来说，由于节点之州只有几千米或更短的距离，如果 网络本身不是太复杂，即使传输速率是1 0 g b i t s ，也可以不必使用色 散补偿。如果网络较为复杂使用负色散光纤就不是一种好办法，应当 使玎其他的色散补偿方法。 相比之下，实现光孤子、频率反转及预啁啾技术在目前都具有一 定的难度，对于光源要求苛刻，。史施r ：艺复杂，不易实现。在实施过 氍中不仅j 程造价高，而且色散补偿效果也不适于灵活多变得全光网 络，且引入的噪声降低了系统的传输质最。 在过去的数字系统中，尤其匙“1 再牛器之间的距离相对较短、数 据传输速率较低时，偏振模色散( p 、1 d ) 的影响并不十分显著。近来随 着光纤系统的改进，例如，w 叫系统和光放大器的使用，p 如己经日盏 成为k 距离、多信道高速率系统潜在地限制因素。p m d 是由光纤截面 北京交通人掌坝i 擘位论文第一审绪论 微小的不对称引起的色散。这种不对称性引起两个相互垂真的基本偏 振模以不同的速度传播，因此产生丁色散。p 帅取决于双折射率和模 耦合。p 粕随着双折射率的增加而增加。模耦合发生在光能的快速模 ，b 慢速模相互传递之处( 如熔接处) 。由于是些随机的变化，一段光纤 的p d 可能会与另段光纤的p d 替加或者抵消，从而引起刚d 任意移 动式的积累。内在于外部的因素都能引起模锅合和双折射。内在因素 包括预制棒或折射率分布的不对称性、熔凝过程的控制、拉丝张力的 不对称和光纤自然耦合点；外部因素包括诸如光缆制造、铺设过程中 的侧向挤压、扭曲和弯益。目前对p d 色散补偿器件及技术措施只处 在研究中，所以应该在光纤制造过程中对光纤不圆度有更加严格的要 求，以减，j 、p m d 指标。 啁啾光纤光栅被业内人士认为楚f 1 前最为实用的一种色散补偿方 式。它具有宽带宽、低插入损耗和高补偿率等特点。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。由于啁啾光纤光栅是反射 器件，在系统中使用时，需配以环形器方可实施。这种方案会引入附 加损 和增加丁：程造价，但目前环形器的制造技术己比较成熟，这种 无源器件的性能指标如插入损耗等亦比较理想，引入系统中不会对网 络性能产生大的影响。与前几种方案相比，实旌工艺简单，造价亦不 高，且可根据传输距离或所需补偿基来设计、选则器件。这种方案灵 活方便补偿效果好，可控制性也好二如果所设计和加工的光纤光栅 的周期是均匀的增加或者说是线性很好的啁啾光纤光栅，并仅以频宽 2 n m 的半导体激光器发出的l p s 的脉冲为标准，那么在理论上可以得 出这样的结论：啁啾光纤光栅可以使得系统在全光通信条件下传输距 北京交通人学颁i 、学位论文第一帝绪论 离扩大3 个以上数量级。用光纤光栅补偿色散的作用就如同用光放大 器补偿损耗。因此啁啾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。 第三节光纤光栅的主要应用及国内外研究现状 1 3 1 光纤光栅主要应用及其研究 1 9 7 8 年，渥太华通信研究中心的h i l l 等人首次报道了光纤中的光 敏现象及永久性自组织光纤光栅的形成| 6 l 。1 9 8 9 年，美国联合技术研 究中心的g m e l t z 等人以准分子激光器泵浦的可调倍频染料激光器输 山的2 4 4n m 紫外光为光源，用全息干涉的方法在掺锗石英光纤上研 制出第一支布喇格谐振波长= 位于通信波段的光纤光栅，这种光栅在大 约5 0 0 以下稳定不变，但用5 0 0 以上的高温加热可以擦除| 7 - 8 】。表 l l 给出了光纤光栅的写入方法。 表1 】光纤光栅| 弓入的发展 时间作者意义参考文献 1 9 7 8k o h i l l首次观察剑光纤光敏性，圳氟离 f 9j 子激光器写入臼绲纵光栅。 1 9 8 9gm e n z全息干涉法侧面曝光，首次写山 【7 】 侮丁通信波段的光栅。 1 9 9 3k o h i l l相传掩楼法 f 6 j b m a l o逐点写入法 【l o 北京变通人学倾i j 学位论义 第一章绪论 j la r c h a m b a u l t1 0 0 反射率光栅写入 【1 1 】 l d o n g 光纤拉丝过榉中写入光栅 【1 2 j 1 9 9 4m c f a r r i e s强度掩模写入光栅 f 1 3 1 1 9 9 7pe r o i a n d o透过光纤涂敷层弓入光栅 1 4 】 a fb m c e川聚焦离子求写入光栅 1 5 l 1 9 9 8p yc o r t e s 利川s ：l g n a c 酗干涉仪弓入光栅【1 6 】 c m a 九l n e z川洛埃镜写入相移光栅 【1 7 】 h 丫t h m 川微透镜阵列罕；入光栅 f 1 8 l d d d a v i s 州聚焦c d ! 激光器写入光栅【1 9 】 i nk a g h w a n g h 叱弧导致微弯制造光栅 2 0 】 随着光纤光栅制作技术的日趋成熟，从光纤通信、光纤传感到光 信息处理的j 。大领域，都将由于光纤光栅的实用化而发生巨大的变 化，尤其是对光纤通信，光纤光栅将影响到光发送、光放大、光纤色 散 卜偿、光接受等各个方面。表1 2 给出光纤光栅的一些应用。光纤 光栅已经有部分实用化的产品，如泵浦稳定，单 表1 2 光纤光栅的廊i l j 序号府_ l 领域参考文献 i光纤光栅外腔p 导体激光器 【2 lj 2光纤激光器 2 2 】 3色散补偿 2 3 】， 2 4 】 4波分复器 【2 5 】 5泵浦稳定 【2 6 】 北京交通人学删| 学位论义第一章绪论 6e d e a 增黼平坦 f 2 7 1 7滤波器 【2 8 】 8o c d m a 【2 9 】 9 基丁光纤b r a g g 光栅的多波k 光交义互连 【3 0 】 1 0微波阵列犬线延迟线 【3 1 l ip m d 补偿器 【3 2 】 1 2级联拉曼放人器 3 3 】 1 3脉冲乐缩 【3 4 l 1 4 光开关 3 5 】 1 5测试技术 3 6 】 1 6保密通信 f 3 7 】 1 7温度、应变、液位等传搭器 【3 8 】 信道的色散补偿( 我国华为公司已经采用光纤光栅补偿链路色散) 等。 由于光纤光栅的j “泛应用，目前国内外有很多机构进行光纤光栅及相 关器件的研究开发，如英国的s o u t h a m 口t o n 大学、h u l l 大学、英国电 信试验室，美国的华盛顿海军研究实验室、b e l i 实验室，加拿大的电 信研究实验室，澳大利亚的悉尼实验室，德国的s i e m e n s ，日本的n t t 、 n e c 、s u m i t t i m o 等，另外，意大利、韩国等国家的一些研究机构也在 光纤光栅的制作及应用方面进行了大鼍的研究工作。一些公司已经推 出部分光纤光栅产品，如法国的h i 曲w a v e 公司、美国的康宁公司、 加拿大的o ，el a n d 公司、英国的s o u c h a m p t o n 光电子公司、我国上海 紫珊公司等。 我国的很多大学和研究机构也进行了光纤光栅及应用的研究工 北京交通人学坝i j 学位论文 第一章绪论 作，如北京大学、清华大学、吉林大学、南开大学、中国科技大学、 北京邮电大学、邮电部武汉科学研究院、中科院上海光机所、中科院 半导体所等单位，取得许多有意义的成果。北方交通大学从1 9 9 3 年 开始研究光栅，在光栅领域开展了l0 多年的研究工作，在光纤光栅 的写入及应用方面取得了大量的理论与实验成果，完成了多个“8 6 3 ” 项目和国家自然科学基金项目。 1 3 2 光纤光栅色散补偿研究情况 1 9 9 4 年w i l l i 锄s 首次实现了光纤光栅的色散补偿实验：h i l l 等 报道了用光纤光栅补偿1 0 g b ，s1 0 0 k m 传输系统的色散，代价为2 d b ， 并首次论证了切趾对光栅时延特，眺的改善1 4 0j ；g a n h e 等人首次提出用 悬臂梁方法对光栅色散补偿进 1 ：渊谐，并利用光栅实现了2 0 g b ，s 1 6 0 k m 色散补偿，代价为1 2 d b ；1 9 9 6 年l o h 等研制出单路l o g b s 7 0 0 k m 的传输系统，但该系统指标不佳，当误码率为lo _ “时，功率代 价为3 5 d b ，代价太大的原因在1 二制作的光纤光栅时延纹波大，功率 谱波动大| 4 2 | 。 近年来，由于w d m 和d w d m 的应_ i = j 日益广泛，开始了光栅色散 补偿应用于w d m 和d w d m 系统中的研究。1 9 9 9 年g n a u c k 等人用跃度 为l 米，带宽为6 n m 的啁啾光栅实现了4 x 1 0 g b ，s7 5 k m 的色散补偿传输 实验，当误码率为l o 。时，对应各信道的功率代价为0 6 1 2 d b 。2 0 0 0 年g n a u c k 等人又用这种光栅实现了1 6 l o g b ，s4 0 0 k m 在n z d s f 上传输 的色散补偿实验。利用宽带光栅实现多信道的同时补偿，失去了光栅 补偿色散时同时滤除e d f a 的a s e 的优点。2 0 0 0 年清华大学报道利用抽 样光栅进行色散管理。2 0 0 1 年r a m a c h a n d r a n 等人利用两个艮周期光 北京交通人学坝i “学位论文 第一章绪论 栅和一段2 k m 长的高阶模光纤构造色散补偿器，实现了4 0 g b sl ，o o o k m 传输色散补偿的实验，当输入为4 d b m 时，功率代价为l d b 。但由于补 偿器中利用的是长周期光栅，而长周期光栅的温度系数大，因此，温 度稳定性是限制其实用化的难点。在近几年的o f c 和e c o c 会议上， 利用光纤光栅补偿色散的报道很多。目前，光纤光栅补偿色散的热点 集中在：减少写入光栅的时延纹波；降低光栅级联时的相互影响；光 栅温度补偿封装以减少波长温漂等方面。 第四节课题研究意义以及本文的主要工作 本课题是在单信道传输速率( 4 0 g b s 或更高) 的不断提高和传输 带宽的不断增加，光纤传输系统巾色散问题非常突出，且存在大量的 附加和剩余色散，急需研制可调的色散补偿器的情况下开始研究的。 针对光纤光栅在色散补偿、温度凋控方面，主要完成了以下工作： 夺对光纤光栅进行了深入的理论分析利用耦合模理论推导出光纤 光栅时延以及色散的计算公式，分析了啁啾光纤光栅的色散补偿 特性： 夺分析了切趾对光纤光栅性能的调节，并总结了啁啾光纤光栅的制 作技术，介绍了非均匀光纤光栅的数值分析方法： 夺光纤色散的温度特性进行了实验分析进而介绍了温度、应力 应变对光纤光栅特性的调节原理以及目前温度补偿的主要方法： 夺提出对温度导致光纤光栅b r a g g 波k 漂移应用的新思路，建立了 温度沿光纤纵向的扩散模型，分析了c f b g 在不同温度情况下的特 性： 北京交通人学顾1 ：学位论文 第一章绪论 夺m a tl a b 仿真和真实实验验证啁啾光纤光栅温度灵敏性的应用，证 实本文提出的色散补偿新方法划光纤传输系统一定范围的色散以 及附加和残余色散进行完整的补偿，时沦下一步研究工作，争取 将其实现为时既可用的可调色散补偿器。 北京交通人学顾f 。学位论义 第一二章线性啁瞰光纤光栅特性 第二章线性啁瞅光纤光栅特性 线性啁啾光栅具有的大色散特性，已被广泛应用于光纤通信系统 中的一阶色散补偿。非线性啁啾光纤光栅，能能够实现光纤色散和色 散斜率的同时补偿，可有效应用于高速光通信系统中的高阶色散补 偿。本文在啁啾光纤光栅色散补偿器引起了高度重视的情况下，通过 温度对线性啁啾光纤光栅的调节使其达到非线性啁啾光纡光栅的效 果，同时补偿光纤的色散、调节时延斜率。 本章首先从光纤光栅耦合模理论出发，分析了光纤光栅的时延和 色散以及啁啾光纤光栅的色散补偿特性，进而分析了切趾对光纤光栅 性能的调节，并给出啁啾光纤光栅的制作技术和非均匀光纤光栅的数 值分析方法。 第一节光纤光栅的耦合模理论 有两种方法用来研究布拉格光栅是如何影响波在光纤中的传播 的。一种方法是布洛赫理论( b l o c hf o 哪a l i s m ) ，通常用于描述半导体中 电子的运动：另一种方法是分别处f 瞩前向和后向传播的光。布拉格光 栅提供两者之间的耦合，这种理论就是所谓的耦合模理论。应用耦合 模理论已经对波在线性介质中的传播进行了j “泛的研究，该理论已经 应用于分布反馈( d f b ) 半导体激光器及其他一些领域。这节将对耦 合模方程进行详细的推导。 2 1 1 光栅的折射率调制 北京交通入学预 j 学位论文 第二章线性啁啾光纤光栅特性 光纤光栅是纤芯在紫外光空间变化的干涉图样的作用下形成的， 空间变化的干涉图样是利用相位强度掩模版或全息法产生的。折射率 调制定义：由紫外光干涉图样等引起纤芯折射率强弱按某种规律改变 的现象。假定纤芯在紫外光作用下的折射率微扰为： 啪，= 瓦卜。s 等州 口- ， 其中： 否是光栅周期内空间平均“：氲流”折射率变化，是沿着光栅周期 的缓变函数： v 是折射率改变的边界值： 矽( z ) 为沿光纤轴方向上的缓变函数，用于描述光栅的啁啾。 对于阶跃折射率光纤，如果折射率紫外改变沿纤芯截面是均匀的，光 纤的有效折射率就有下面的的近似表达式： 面，。= 吼赢。 ( 2 2 ) 其中吼为纤芯中的功率因子。对l 模的有效折射率为6 ：定义光纤 的归一化频率为y = 2 以n 三一n j ，其中a 为纤芯的半径，n 。、n 。，分 别为纤芯和包层的折射率。根据光波导理论中的色散方程【幢】，可以得 到功率因子的表达式： 。l 卜而箍l 口s ， i，。一j ( v i 一扫) ，。i ( y l 一6 ) i 式中，。，( ) 表示m 阶贝塞尔( b e s s e l ) 函数。利用( 2 3 ) 做出有效折射率6 和功率因子吼与归一化频率y 的曲线图2 一l 。 北京交通人学坝i j 学位论文 第二章线性啁啾光纤光栅特件 。 替 袭 霉 接 杠 吼 区 槲 春 门一化频率v 幽2 - l 在阶跃光纤中l p o i 模有效折射率平功率冈子与归一化频率的关系 光栅的折射率调制类型大体上可以分为：均匀调制，光栅的周 期和折射率调制强度沿光栅轴向保持不变。啁啾调制，光栅的周期 沿光栅轴向增加或减少，但折射率调制强度保持不变。切趾 ( a d o p i z a t i o n ) 调制，切趾是针对折射率调制而言，光栅的折射率调制强 度沿光栅轴向按某种规律( 如高斯函数等) 在开始端逐渐增加，在结束 端凋制强度逐渐减少，切趾是光栅写入中一个非常重要的技术，可以 大大地改善光栅的特性。离散相移凋制，光栅折射率调制一般按正 弦规律变化，如果在光栅中间突然发生一个相位变化，称之为相移调 制，这种调制可以在光栅的阻带打开一个窗口，让菜波长的光透过， 一般应用于光纤光栅激光器中。超结构调制，光栅由许多小光栅组 成，小光栅之间相隔一段没有写入光栅的光纤，这种调制的光栅由多 个离散的反射峰组成，可以制作梳状滤波器。闪耀调制，光栅的调 制截面与光纤的轴向成的角度不是9 0 度，光栅能够产生大的辐射模 耦合，反射较弱，因此闪耀光栅在e d f a 增益平坦中有较好的应用前 景。 北京交通人学坝i + 学位论义第_ 二章线抖啁啾光纤光栅特性 2 1 2 耦合模理论 耦合模理论是分析光栅特性的有力工具。耦合模理论在许多文章 中都有叙述l “ 4 5 ，本文采用h k o g e i i n k 在文中的表述。假定电场 的横向成份( 无光栅时) 为： 看。( x ，y ，z ，d = a 。( z ) e x p ( j 层z ) + b ，( z ) e x p ( i 危z ) 】；。t ( x ，y ) e x p ( - j w t ) ( 2 4 ) 其中字母上加小箭头表示矢量，以下同，为光纤中的传输常数。 a ( z ) 和巧( z ) 为正向和反向传输第j 阶模场的幅度t 都是缓变的。 在理想波导中，模式是正交的，模式之间没有能量交换。写入光 栅后，波导结构发生变化，光栅引起的变化可作微扰处理。光栅微扰 引起模耦合，j 阶模的幅度a j 和b j 沿：轴的相互作用： 等= 1 ；a 。( k j + k ；) e x p i ( 展一层) z 】“军b 。( k ；一k ；) e x p 【_ i ( 展+ 屈) z ( 2 5 ) 鲁= 一i 军a 。( k ：一k ；) e x 砸( 段一层) z 】_ i 莩b 。( k ；+ k j ) e x p - i ( 展一层) z 】 ( 2 6 ) 其中，k ：为第k 和第j 个模式之间的横向耦合系数，可用如下公式表 示 k = 詈d x d y 州，z ) 矾 y ) 暑 y ) ( 2 - 7 ) 这里f 是介电常数的扰动，近似为f 兰2 n 面( 面 n ) 。对于弱光栅 引入的微扰f = 2 ，l 国，因为面“n 故忽略高阶无穷小。纵向耦合 系数k ；与k j 相似，但是对于光纤传输模式来说，一般k ；“k ；， 北京交通人学颅i ：学位论文第二牵线性啊啾光纤光栅特性 因此通常将其忽略。 对多数光纤光栅而言导致折射率改变的只发生在纤芯，包层无光 敏性。因此芯层折射率可以由式( 1 ) 近似表示，并以丽。( z ) 替代 磊。( z ) 。如果定义两个新的因子 吼( z ) = 争蕊。出) d x d y 矾，y ) - 施，y )( 2 _ 8 ) ( z ) = 詈吼( z )( 2 _ 9 ) 盯“直流”( 周期平均) 耦