光纤光学-第六章课件

1、第六章 光纤无源及有源器件一、光器件：光通信网络的基础 光无源器件不需要外加能源驱动工作的光电子器件种类：光纤连接器；光纤定向耦合器/分支器；光分插复用器(OADM)；光波分/密集波分复用器(WDM/DWDM)；光衰减；光滤波器；光纤隔离器、环行器；光偏振态控制器；光纤延迟线；光纤光栅 光有源器件需要外加能源驱动工作的光电子器件种类：半导体光源(LED,LD,DFB,QW,SQW,VCSEL)；半导体光探测器(PD,PIN,APD)；光纤激光器；光放大器(SOA,EDFA,FRA)；光波长转换器；光调制器；光开关/路由器光网络器件的应用范围 研究重点：高速率、大容量、低成本、集成化光通信器件光

2、器件与电器件的类比电线光纤调制器光调制器电阻光衰减器三通(多通)光耦合器二极管光隔离器混频器光波分复用器放大器光放大器频率转换器光波长转换器滤波器光滤波器电源光源电接插件光连接器探头光探测器开关光开关集成电路集成光路1、均匀折射率分布材料2、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像3、通过非球面来克服像差， 提高成像质量1、渐变折射率分布材料2、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像3、通过优化折射率分布， 提高成像质量球面透镜与自聚焦透镜的比较 自聚焦透镜成像理论(一) 光线的传播轨迹由于直径较大，可用几何光学、近轴光线理论分析折射率满足平方律分布：比较光纤的平方律分布：因此：聚焦常数具体推导：定义光线的

3、 t 参数为则上式可写为矩阵形式：(二) 矩阵光学的符号公约(1)原点:顶点、主点或焦点(2)线段:以原点为基点,顺光线传播方向为正,反之为负;(3)角度:以光轴或端面法线为基轴,从基轴向光线转动, 顺时针为负,逆时针为正;(4)标记:在成象图中出现的几何量(长度和角度)均取绝 对值,正量直接标注,负量冠以“-号之后标注。以入射面A为基点，从O到A的矩阵描述为：从A到B：B到 I 的矩阵描述：(2) 像放大率m与角放大率 角放大率(r0=0):(3) 焦点位置物点位于光轴上(r0=0)，经自聚焦透镜后为平行光(t=0，l =)，此时的l 称为物方焦点 lF像点位于光轴上(r=0)，物方入射为平

4、行光(t0=0，l =)，此时的l 称为像方焦点 lF(4) 主点位置：主平面与光轴的交点位置lH、lH经主点的光线其传播方向保持不变，t = t0，r = r0 = 0距离端面距离相等，方向相反(5) 以主点为基点的焦距f、f (6) 节距P考虑入射光线位于端面，l =0，l =z，光线轨迹是正弦曲线光线行进的一个周期称为节距P，若取自聚焦透镜的长度为P/4，则输出为平行光：将入射光线转化为平行光线，可见通过改变节距，可获得不同的成像特性(7) 最大数值孔径定义局部数值孔径：入射点、出射点均以端面计，入射点的最大入射角对应像方边缘处的平行光线中心数值孔径：(8) 孔径角(9) 成像公式以主点

5、为基点，S、S分别表示物距和像距，则有：因此：高斯公式以焦点为基点，分别以x、x表示物距和像距，则有：牛顿公式(三) 自聚焦透镜的成像性质正、倒，虚、实，放大、缩小自聚焦透镜的成像性质取决于两个因素：透镜长度与物的位置这表明光束的束宽正比于光纤的数值孔径，而发散角正比于光纤纤芯半径。0.25P lenson axis0.25节距的GRIN的物方焦点在透镜入射端面上off axis同一点离轴入射，出射仍为平行光线不同入射点的斜平行线入射，出射位置相同2. 耦合透镜(用于光源与光纤间的耦合)将光源(LD)或一个光纤输出的光耦合进入光纤时，用自聚焦透镜作为耦合透镜，将光纤置于自聚焦透镜平面上，也可将

6、多个自聚焦透镜级联。0.29P：光斑压缩3. 等高像透镜(用于成像1:1的光学系统)物位于自聚焦透镜物方主平面上，物距与像距为：自聚焦透镜的重要特性重要性能参数：焦距：f = -1/n0A1/2sin(A1/2L)聚焦参数：A = 2D/a2数值孔径：NA = n0(2D)1/2节距：P = 2p/A1/2成像特性：与透镜长度有关：1/4 节距透镜1/2 节距透镜0.23节距透镜0.29 节距透镜二. 光纤定向耦合器光耦合器是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件分类：光纤耦合器、微光元件型耦合器、集成光波导型耦合器机理：弱耦合理论（消逝场耦合）、强耦合理论（模激励理论）一. 光纤耦合器

7、特点：器件主体是光纤光纤中模式的耦合作用实现光的功率及方向的分配光信号的传输方向是固定的分类：透射型、反射型、透反型1、耦合器的工作原理（1）两平行光纤之间的耦合机理：当两光纤平行靠近时，一个光纤中的导波场将引起另一个光纤介质极化，导致在光纤中激励起传导模，场将相互渗透，相互交叠。光功率的分配将在两光纤的纤芯间谐振当只有光纤1存在时：当只有光纤2存在时：当光纤1与光纤2同时存在时，它们之间会产生相互影响，在弱耦合情形下，可认为耦合光纤系统的场是原来两光纤单独存在时的场的一个组合：因此光纤1、2中的场分别为：根据微扰理论：其中：假设在z=0时A2=0，即在起始端，光纤2中没有光波，积分可得：说明

8、在原先没有光波的条件下，经传播距离 L以后，在光纤2中建立起振幅为A2(L)的光波场。在2- 10时，expj(2- 1)z是一个高速振荡的因子，在耦合距离 L以内，不可能积分得到一个有效大小的值。也就是说，在光纤1与光纤2之间，仅当相位常数相近或同一模式之间才能产生有效耦合若定义：在边界条件R(0)=1，S(0)=0条件下可得：经过长度L后，从1号光纤耦合到2号光纤的光功率为：留在光纤1中的光功率为：(1) 两相同光纤、相同波长的耦合相位匹配或同步耦合效率对于弱导阶跃光纤：光功率从1号光纤完全耦合到2号光纤时的最小光纤长度为：耦合长度与光纤间距及波长相关耦合长度Y型光纤耦合器：对相同波长、相

9、同光功率的耦合会产生3dB损耗X型光纤耦合器：波分复用光纤耦合器主要应用于：波分复用光纤通信系统光纤放大器中属于非对称形式耦合器，选择光纤参数不同，耦合分光比不仅与耦合长度有关，而且与信号波长有关传播常数差为：将其在0处展开耦合分光比：不同波长、相同光纤间的耦合：使=1，波长1应满足：耦合效率对波长具有选择特性，构成波分复用耦合器使=0，波长2应满足：光纤复用耦合器光纤解复用耦合器(2) 两弯曲光纤之间的耦合K不再是常数，而是与z相关的函数由图中几何关系：(3) 两熔锥光纤之间的耦合强耦合机理：当纤芯中的导模传到拉细的锥形耦合区后，高阶模的入射角超过纤芯包层边界而溢出到包层，成为包层模在包层中

10、传输，而低阶模仍在原来纤芯中传输。当锥形区又变粗后，高阶模又会重新耦合到芯层中，再次被束缚于纤芯中成为导模，由于这时熔融的锥形耦合区具有同样的包层，因而进入纤芯的高阶模功率对两根光纤是共有的，并均匀地把能量分配到每根光纤的输出部分。任一根输入光纤的光功率都能较均匀地分配到每根输出光纤中去。总的分光比将取决于锥形耦合区长度和包层厚度。耦合区两光纤中光功率随耦合长度而交替变换。可根据耦合比要求决定拉伸长度，但拉锥长度并不是无限的，在拉到第 9个周期时，附加损耗将明显增加，约为 0.5dB。如果再拉 8个周期，由于形成偏振分离，这种耦合振荡形式即告结束实际的光纤耦合器3dB耦合器波长可选择的耦合器与

11、分波器对EDFA注入光功率（泵浦光+信号光）对简单的WDM系统作波长分离对DWDM系统增加管理信道二. 微光元件型耦合器这里所谓的微光元件型耦合器除少数采用微型透镜、半反半透镜之外，多数都是以自聚焦透镜为主要光学构件三、集成光波导型耦合器集成光波导耦合器是借鉴集成光路的概念和设计方法设计而成的新型耦合器。上图即为用此概念和方法做成的集成平面透镜 N N 星形耦合器。采用这种方法，已制成 19 19和 32 32两种平面透镜星形耦合器四、耦合器的性能（1）耦合比Tij：输入信道 i 耦合输出信道 j 的功率之比。（2）附加损耗：输出信道功率之和与输入功率之比。（3）信道插入损耗ij：输入信道 i

12、 到指定信道 j 的损耗（4）隔离比ik：透射式同侧端口之间，非指定信道输出功率Pk与输入功率Pi之比。对于光波复用、解复用器件还有如下性能指标：（1）插入损耗Lii：某特定波长信号通过WDM器件相应通道时所引入的功率损耗。无波长选择性的普通耦合器其插入损耗有时包含了分路损耗；而WDM器件中则不存在分路损耗，只考虑真正的插入损耗（2）串音Lc：在指定波长输出端口测得的另一非选择波长的功率与该波长输入功率之比（3）通道带宽 ：各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。WDM 器件分类：ITU T关于采用 EDFA 的 WDM 光波系统有关光通道中心频率（波长）和通道间隔的 G.692建议：标准的波长

13、间隔为 0.8nm的整数倍（在1.55m波段对应 100GHz频率间隔） ，如 0.8nm，1.6nm，2.4nm 等。为减轻四波混频的影响，还规定了不等间隔 W DM 系统的各通道中心频率和通道间隔，在具体设计时应参考该文件的具体规定稀疏型WDM，通道间隔为 10 100nm，通常用于 2 5WDM系统；1310/1550nm 的两波分系统亦属这类，但间隔特大，达 240nm密集型WDM或DWDM系统，通带间隔110nm，通常用于 510WDM 系统致密型WDM或光频分复用器(OFDM)，通道间隔 0.1 1.0nm，通常用于 20 1000 个以上 W DM 系统耦合器制备的方法：浸蚀法：

14、腐蚀液、匹配液、胶合磨削法：磨、匹配液、对拼、精确定位、胶合熔锥法：按所要求的端数、一定的耦合矩阵将光纤胶合在一起，加热拉伸成双锥形，控制过程中监控光功率三、光隔离器与环行器1、简介定义：光隔离器只允许光波沿着一个方向传输，而光的另一个方向传输是禁止的一种光非互易传输耦合器；光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通；光信号沿着反方向传输时损耗大，光路被阻断。2、应用半导体激光器防止反馈，降低误码率半导体光放大器，防止回波，提高稳定性掺杂光纤放大器光纤激光器，确保环形激光器的单向激射光纤CATV中光纤传感器中3、原理：法拉第磁光效应磁化方向与光波的传播方向z轴平行时，相对介电系数可以用下面的

15、张量表示： 平面波在磁化介质中传播时的波动方程：沿z轴传播的平面波具有以下特点：因此磁化材料中的波动方程可以化为：方程有非零解的条件是由此可知在磁化介质中传输的是两个偏振波面旋转方向相反的圆偏振波，其单位电场矢量分别为：法拉第磁光效应 法拉第效应对线偏振光的影响 入射x线偏振光的振幅为E0，当它入射到磁性材料中时就被分解为两个圆偏振光，其本征矢量为 边界条件：对于z0： x线偏振光在磁性材料中传输一段距离l 后，输出仍为线偏振光，只是其偏振面转了一个角度通常在已磁化的磁性材料中，因此可得其中：如果光波z=l 在处反射，则此时由于反射光波的传输方向与磁化方向相反，因此0，从而F0氢载标准单模光纤

16、增加OH的吸收增加缺陷2、分类光栅周期是否均匀：均匀光纤光栅；非均匀光纤光栅光栅平面是否与纤轴垂直：普通光纤光栅；闪耀光纤光栅光栅周期的长短：Bragg光纤光栅；长周期光纤光栅折射率变化特性：均匀光纤光栅；变迹光纤光栅按工作特性：反射光纤光栅；透射光纤光栅3、光纤光栅的光敏特性光敏性：激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系并可永久地保存下来。实质：在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射器光纤光敏性的峰值位于240nm的紫外区光学特性：短周期的Bragg光栅表现为一个反射式的光学滤波器长周期的光纤光栅表现为一个带阻滤波器4、光纤光栅的

17、工作原理光纤的模式耦合理论： 相向传输的导模间的耦合Bragg反射光纤光栅 导模与包层模之间的耦合长周期光纤光栅由光栅衍射公式： 较小时，形成反射光栅： 2=- 1 较大时，形成透射光栅，即长周 期光纤光栅 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with higher refractive index than that of coresBragg反射光纤光栅（1）Bragg反射光纤光栅传输特性折射率沿z轴的变化：光

18、纤光栅中的模式耦合方程：对Bragg波长该式为0；其它波长该式不为0耦合系数：令：得到：求解方程，得到：其中：上述结果可表示为矩阵形式：令：得到Bragg光纤光栅的反射谱：对于折射率非均匀变化的光栅传输特性的计算：非均匀周期光栅划分为小间隔的均匀光栅均匀光栅已知的传输矩阵划分的要求：即所分的区域数：总的传输矩阵：反射系数：第 i 段光栅的传输矩阵为：Bragg光纤光栅的特性参数：中心波长：B=2neff，由光栅周期、传输模式决定反射率大小：由光栅长度、耦合系数决定。反射带宽：由耦合系数决定，一般为0.3nmBragg光纤光栅的传输特性的改变：拓宽传输带宽：采用啁啾光纤光栅(光栅周期沿z轴改变)

19、消除旁瓣：采用变迹光纤光栅(折射率的调制沿z轴改变)(2) 线性啁啾光栅啁啾光栅：光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴变 化的光栅。折射率分布可表为：旁瓣产生原因：制作光纤光栅时的自啁啾效应造成的。光谱特点：反射谱较宽，且反射谱具有波动性。改善光谱特性的方法：适当修正折射率分布，也即使光纤光栅两端折射率调制度渐渐递减用途：可构成宽带滤波器，用于色散补偿和产生超短脉冲。(3) 变迹光纤光栅变迹(Taper)光栅：周期均匀，折射率随一定的函数关系变化特点：折射率变化不存在突变，反射光谱不存在旁瓣Taper型光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插/分复用器；多个Taper型光栅的复合还可制成特殊

20、性能滤波器，如Michelson型光纤滤波器、Mach-Zehnder滤波器等(4) 莫尔(Moire)光纤光栅Moire光纤光栅是一种相移光栅，其折射率分布是一种具有慢包络的快变结构Moire光栅可以有效抑制Bragg光纤光栅反射谱中的旁瓣效应，还可以在反射阻带中打开一个或多个透射窗口Moire光栅可用作光纤通信新型的滤波器、色散补偿器和信道选择器等。(5) 闪耀(Blazed)光纤光栅闪耀光纤光栅：与光纤的纤轴成一定角度，被选择的波长的光波被反射到纤芯外利用Blazed光栅可对一定带宽范围内的光功率进行衰减，从而实现光放大器的增益平坦化使用复合的Blazed光栅还可以实现对残余泵浦光反射等

21、。(6) 取样光纤光栅取样光栅(SG)是指在光纤光栅的UV光写入过程中，在光纤前面加一个几百微米周期的遮挡式振幅模板，使得制作的光栅相当于多段具有固定间隔的均匀Bragg光栅的级联叠加，也叫光纤光栅梳状滤波器取样光栅的最大特点是具有相等间隔的窄带通的反射谱，在光信号处理中有重要应用 多波长输出激光器，DWDM系统中理想的标准通道光源 WDM系统波长间隔控制 DWDM系统各波长的色散补偿和色散斜率补偿(取样啁啾光栅)用sinc函数取样调制折射率，可分别得到4、8、16路矩形包络的梳状滤波器16通道8通道(7) 长周期光纤光栅(LPFG)长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，其光学特性是由前向传输的

22、导模和光栅中包层模之间的耦合决定的长周期光纤光栅特点： 多数的FBGs是一阶光栅，光栅的周期与中心反射波长相当； 长周期光纤光栅的周期是谐振波长的数百或数千倍； 长周期光纤光栅将向前传输的导模耦合进包层，因此耦合的 光波将被损耗掉； 长周期光纤光栅具有与闪耀光栅相同的效果谐振波长被 反射出光纤由耦合方程可得光栅的相位匹配条件和谐振波长：长周期光纤光栅的透射谱的中心波长有多个，由如下谐振条件决定：导模与包层的功率分别为：最大能量耦合：结论： 光栅长度相同时，随KL的增加，透射谱的带宽增加、旁 瓣效应增强； KL相同时，透射谱的带宽与n成正比、与L成反比； KL=/2时，谐振波完全被滤掉高斯型光栅

23、具有最好的特性，几乎看不见旁瓣影响，因此最适合光网络系统使用光纤光栅的工作稳定性凡是外界因素造成光栅周期、传输模式的变化，都将使光纤光栅的传输特性发生变化。光纤光栅对环境温度、外界应力的变化较为敏感光纤光栅随温度的变化关系为：光纤光栅中心波长随应力的变化关系为：5、光纤光栅的制备(1)光纤光栅的折射率变化与光纤类型、掺杂情况、光纤温度、此前光纤的光照历史情况、曝光波长、曝光能量等有关制作方法分类干涉写入法逐点写入法全息干涉法晶体分波面干涉法相位光栅衍射相干法振幅光栅衍射相干法基波写入法谐波写入法(2)光纤光栅的写入用光源由于光纤光栅的UV光敏性，故常采用UV光曝光来制作光纤光栅制作光纤光栅用的

24、UV光源及其性能UV激光器波长范围(nm)平均功率(W)写入技术写入效率准分子激光器193-2480.3-100相移掩模法、逐点写入法成栅时间短窄线宽准分子激光器193-2482-10全息写入法、相移掩模法、逐点写入法成栅时间短倍频氩离激光器244-2570.1-0.3全息写入法、相移掩模法、逐点写入法成栅时间长从光纤光栅的研制角度考虑，窄线宽准分子激光器最适宜，因为： 在非锗石英光纤上制作光纤光栅所需求的曝光量极大，最高达 10kJ/cm2，且单脉冲写入技术也要求使用准分子激光器，其它 光源不适用； 窄线宽准分子激光器具有良好的时间与空间相干性(3)全息相干法 最早用于横向写入制作FBG的一

25、种方法 UV光经分光镜分光后在光纤上形成正弦 分布的干涉条纹，从而在光纤上写入正弦分布的折射率光栅干涉条纹间距d：布拉格波长：优点：突破了纵向驻波法对Bragg中心反射波长的限制，使人们可以更加充分地利用最感兴趣的波长；操作简单，通过改变两光束间的夹角或旋转光纤放置便可改变反射波长；将一弧形光纤置于相干场中，便可制得啁啾光栅。缺点：全息相干法对光源的空间相干性和时间相干性都有很高要求；如果激光器处于横模输出，调节比较困难；该方法对光路调整精度要求苛刻，因为角稍有偏差，中心波长就会有很大的偏离；全息相干法对曝光时间内的光路要求严格的防震措施，以避免波长量级的振动造成光路错位，恶化相干效果；以氩离

26、子二倍频和染料二倍频的激光器，配以高质量的相干光路后其装置体积庞大。(4)相位掩模法相位掩模法是利用石英相位掩模板实现衍射光相干而实现光栅制作的。原理：利用+1阶和-1阶衍射光束之间的干涉，在掩模板后面形成周期的光强分布，从而在纤芯引起周期性的折射率调制，其周期与UV光束的入射方式有关。相位掩模法制作光栅有两种不同的入射方式：垂直入射UV光束与斜入射UV光束垂直入射情况中是利用1阶衍射光相干，此时光纤光栅的周期为相位掩模光栅周期的一半；斜入射情况中是利用0阶和-1阶衍射光相干，此时光纤光栅的周期等于相位掩模光栅的周期。斜入射相干法的优点是光学系统简单、对光源的相干性要求不高、重复性好，可靠性高

27、，并易得到准确的光栅周期，因此广为采用。相位掩模相干法的不足之处在于必须严格控制相位掩模光栅的刻蚀深度与占空比。6、光纤光栅的应用FBG在DWDM光子网络中的应用几乎涉及光发射、光放大、光滤波、光交换和光吸收及色散补偿各种领域。6.1、FBG在光源中的应用（1）DFB光纤光栅激光器DFB光纤光栅激光器利用直接在稀土掺杂的光纤(如Er3+掺杂光纤，EDF)上写入光栅，构成谐振腔，从而制出有源区和反馈区同为一体的光纤激光器。采用级联多个单频工作的DFB光纤光栅激光器，还可实现多波长输出。（2）DBR光纤光栅激光器分布Bragg反射器(DBR)光纤光栅激光器是利用一段稀土掺杂光纤和一对Bragg波长

28、相等的光纤光栅构成谐振腔，它与DFB光纤光栅激光器的区别在于光纤光栅不是掺杂光纤。（3）光纤光栅外腔激光器将一个半导体激光器的输出耦合到一根光纤光栅上可以得到一种光纤光栅外腔激光器，这种激光器具有极低的温度依赖性，其Bragg波长变化率为10-2nm/量级，并且具有极低的阀值电流和很高的边模抑制比以及更低的啁啾量，特别适用于DWDM系统。6.2、FBG在光纤放大器中的应用（1）光纤光栅在EDFA中的应用FBG在EDFA中的应用包括：用于EDFA泵浦源980nm和1480nm大功率半导体激光器的波长稳定窄带(0.2nm）、低反射率(1%-10%)的光纤光栅作为泵浦激光器的外腔为激光器管芯提供具有

29、波长选择性的光反馈位于光栅反射峰附近的内腔模式在竞争中占绝对优势，使泵浦光输出锁定在某一特定波长用于EDFA的增益平坦化EDFA的增益均衡是建立DWDM全光网和进行全光传输的重要前提；LPFG对于特定波长具有衰减作用，可用于EDFA的增益均衡用于使透过的泵浦光返回掺铒区，提高EDFA的泵浦效率抑制EDFA的自发辐射噪声（2）光纤光栅在FRA中的应用光纤光栅具有优秀才的滤波性能，在拉曼放大器中主要用作泵浦波长的高反射结构和使泵浦半导体激光器的频率锁定6.3、FBG在光波长复用/解复用器中的应用FBG具有很好的选频作用，可以用作DWDM系统的波长复用 / 解复用器 复用信号从端口1输入，假若光栅的

30、谐振波长为4，由于光栅的反射作用，波长的信号将从端口2输出，其余的波长信号从端口4输出。当干涉仪平衡得很好时，端口3一会不光出现。 优点是与输入光的偏振状态无关，对外界温度变化也不敏感 缺点是多个波长的解复用，需要使用级联的MZI构形，使设备尺寸增大6.4、FBG在光插/分复用器中的应用FBG具有优异的波长选择性，可作为DWDM系统的光插/分复用器(OADM)6.5、FBG在光滤波器中的应用Bragg光栅具有优良的选频特性，可以对光纤透射谱中的任一波长进行窄带输出，因而可利用FBG制成各种性能优良的光滤波器，如窄带阻、宽带阻、通带滤波器。通带滤波器可由光纤偏振分光器(FPS)和Bragg光栅相

31、结合而构成。输入光被耦合进入臂1时，经偏振控制器PC1控制后进入FPS，FPS把进入的入射光分裂成偏振方向互为垂直的两束偏振光，这两束偏振光分别耦合入臂2、4，经2、4臂上的光纤光栅反射，最后耦合进入臂3，实现带通滤波。6.6、FBG在色散补偿中的应用通常所说的光纤光栅色散补偿是指利用啁啾光纤光栅降低常规光纤在1550nm波长的色散啁啾FG是一种非周期光栅，不同波长的光在啁啾光栅中的不同位置发生谐振反射，其时延特性的近似表达式为：Chirped Bragg grating llonglshort不同波长的光在啁啾光栅中传播时，会在不同位置上发生反射，即有不同的反射时延。若使光栅周期大的一端在前

32、，也就是使用红移分量在光栅前端反射，而蓝移分量在光栅末端反射，这样，在红、蓝移分量之间会产生一个时延差，使红移分量追上蓝移分量。因此经过光栅后，光脉冲重新被压缩，从而补偿了由于色散效应使光脉冲的展宽。对于DWDM系统，色散补偿可用啁啾取样光栅，其反射谱包含多个反射峰值，反射峰值的波长间隔满足：若使光栅反射谱的峰值间距与信道间隔相等，就可同时对DWDM的所有信道进行色散补偿7、FBG的研究方向光纤光栅和光纤阵列器件及其集成技术很可能成为光子学发展一次有里程碑意义的重大事件目前光纤光栅及其器件的研究已向更高、更深层次发展，当前重点研究的内容是：物理机制的研究：掺杂光纤中各种光效应，特别是光敏与增敏

33、效应的物理机制的研究是开发新型光纤光栅及其器件的基础；最佳成栅工艺研究：包括各种光纤光栅的成栅技术的基础及最佳成栅条件与工艺的研究；研究以光纤光栅为基础器件的光子线路，包括对无源光子线路的研究(如全光滤波器、复用/解复用器、色散补偿器、光插/分复用器等)；对有源光子线路研究(如全光纤激光器、全光纤传感器)；对光子线路的特殊功能研究(如选频滤波器、调谐特性、色散补偿特性、选通与复用特性及其机理等)；全光纤光子集成研究：如全光纤DWDM光子集成通信系统、全光纤分布式多功能型光子集成传感系统等；新效应、新应用研究：如利用光纤的偏振特性及光纤光栅的选频特性探索构成全光纤储存或光纤型智能结构等。五、光纤

34、放大器与光纤激光器超长距离DWDM传输系统对光放大器的要求： 低噪声特性； 高增益和大输出功率； 平坦宽带增益特性； 动态特性； 偏振相关增益特性； 功耗体积泵浦光波长的选择： 514nm、532nm：氩离子气体激光器作为泵浦激光，体积 庞大； 667nm：可由半导体激光器产生，但在掺铒光纤中多模，泵浦效率不高； 800nm：可由半导体激光器产生，但会产生激发态吸收，基态的粒子泵浦到激发态后，不是弛豫到亚稳态，而是在吸收泵浦光后，向更高的能级跃迁，消耗泵浦光功率 980nm：铒离子相当于三能级系统，完全的粒子数反转，噪声特性好，但泵浦效率不高； 1480nm：铒离子相当于二能级系统，粒子数反转

35、不彻底，泵浦效率高，但噪声特性变差选择1480nm、980nm作为泵浦光波长980nm泵浦完全粒子数反转噪声小、价格高1480nm泵浦低的粒子数反转量子效率高、价格低掺铒光纤放大器的基本结构铒离子在外界泵浦光的作用下外界信号光引起受激辐射信号光放大铒离子在外界泵浦光的作用下粒子数反转产生自发辐射产生噪声铒离子在外界信号光的作用下引起铒离子受激吸收跃迁信号光吸收前向泵浦后向泵浦双向泵浦WDMEDFPinPoutLDWDMEDFLDPinPoutWDMEDFPinPoutLD2LD1掺铒光纤放大器增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系 光放大器的增益随着泵浦光功率的增大，呈现增益饱和； 在给定的泵浦

36、光功率下，有一最佳掺铒光纤长度，实现最大的增益。掺铒光纤放大器噪声指数与光纤参数的关系泵浦程度越高，增益越大，噪声指数越小；沿光纤长度方向，光功率不断变化，噪声指数也在不断变化，精确计算只能采用分段模型；一般很难同时得到高增益、小噪声、高泵浦效率，背向ASE噪声会消耗泵浦光；980nm泵浦11mW30m可得到3.2dB噪声指数，1480nm泵浦24mW60m得到4.2dB噪声指数；1480nm和1530nm都处于激发态，很难实现完全的粒子数反转EDFA的主要技术参数：工作波长范围、输入功率范围、输出功率范围、饱和输出功率、噪声系数、偏振相关增益、小信号增益、增益平坦度、增益变化、增益斜度、输入

37、光回损、输出光回损等。对EDFA模块的其它要求：具有泵浦源自动关闭功能；寿命不小于30万小时；具有放大器自动增益均衡（控制）功能。掺铒光纤放大器非饱和增益与输出饱和功率 非饱和增益：注入小信号时，放大器产生的增益，此时放大器为线性放大器 输出饱和光功率：光放大器的增益下降3dB所对应的输出光功率掺铒光纤放大器的增益谱 增益谱：增益与注入信号光波长之间的关系 掺铒光纤放大器的增益谱覆盖了整个C波段，带宽达4000GHz 增益谱不平坦：铒离子的受激吸收与受激发射截面与信号光波长相关O-band ( Original ):1260-1360nmE-band ( Extended ):1360-1460nmS-band ( Short ):1460-1530nmC-band ( Conventional ):1530-1565nmL-band ( Long ):1565-1625nmU-band ( U