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1、第一章 绪论摘 要全光通信是光纤通信的发展方向，自从1978年Hill等人制作出第一条光纤光栅之后，作为重要的全光网络器件之一，光纤光栅的研究和应用就一直受到人们的重视。光纤光栅这种新型的光纤器件由于其独特的光学特性和灵活的设计特点,在光通信系统中有着广泛的应用,包括滤波器、全光复用/ 解复用器、色散补偿器和激光器谐振腔等等。所谓光纤光栅即指光纤轴向上存在的折射率周期性变化。其制作原理是基于石英光纤的光敏效应。光纤中的光致折射率改变现象最初仅是一个科学问题，用来满足人们科学探索的好奇心，而正是因为光纤光栅在光通信与光传感领域的扮演的重要角色也使其成为光纤领域的一项基本技术。在光纤通信的应用中根
2、据应用场合的不同，针对对光纤光栅的光谱方面和色散方面特性会提出相应的专门要求，为了给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论性指导，对光纤光栅的理论与应用研究有重要的实际意义。在实际的光栅设计过程中，我们总是希望由所期望的光学特性来确定光栅的各个参数的值，因而对光纤光栅特性方面的数值模拟就具有非常重要意义。本论文以光纤通信发展为主线介绍了光纤光栅的历史及其在光通信领域的应用，概述了光纤光栅的光敏效应，以光波导为背景介绍了分析光纤光栅常用的耦合模理论以及传输矩阵理论。基于耦合模理论和传输矩阵理论对重要的两类光纤光栅：均匀光纤光栅和线性啁啾光纤光栅进行了分析推导。并对两类光纤光栅的光谱方面特
3、性进行了仿真研究，绘制出了两类光纤光栅在不同参数下的反射光谱特性曲线，讨论了不同参数对光纤光栅频率选择特性和色散特性的影响, 所得结果可作为这类光纤光栅结构参数设计的参考依据,给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论指导，为光纤光栅这一重要器件的仿真软件的构建进行初步的探索。关键词：光纤光栅 耦合模理论 传输矩阵法 光通信器件 数值仿真第一章 绪论光纤通信技术是以光波为载波,以光导纤维为传输信道的一种现代有线通信技术。人类已进入信息化时代，人类对通信的需求呈现加速增长的趋势，而光纤通信技术是构建信息高速公路的主要支柱。现代光纤通信技术涉及光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以
4、及光网络技术等。1.1光纤通信历史及发展:1880年，贝尔利用太阳光作为光源，以大气为传输信道，用硒晶体作为光接收器，进行了光电话的实验，实现了真正现代意义下的光通信，使通话距离最远达到了二百多米，但空间光传输易受到气候和周围环境等条件的影响，损耗也比较大。1966年，英籍华人高锟博士和他的同事G. A. Hockham，在研究了光在石英玻璃纤维中传输的特性极其损耗问题之后，发现光在石英光纤中传输时的主要损耗是因为其中含有过量的铜、铁、铬、锰等金属离子和其他杂质，另外在拉制光纤时由于工艺技术等原因也造成了芯、包层分界面的不均匀，从而也导致光在玻璃纤维中传输的折射率也是不均匀的。他们的研究成果以
5、光频率的介质纤维表面波导为题。因在光纤通信领域里光纤中实现光传输的突破性成果,高锟博士获得了2009年的诺贝尔物理学奖。1970年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB的石英光纤，从实践上证明了光纤作为通信的传输媒介是大有希望的。同年，GaAlAs异质结半导体激光器实现了室温下的连续运转，为光纤通信系统提供了理想的光源。从此以后，光纤通信进入了快速发展时期。20世纪七十年代,是光纤通信由起步到逐渐成熟的时期。以光纤传输损耗的逐年下降为标志。0.85波长上的损耗低到了2dB/km左右。同时光纤传输带宽也得到了提升。半导体光源和探测器的寿命和性能也不断改善。20世纪八十年代，是光纤通信得到大发展的
6、时期。光纤通信系统由0.85波长窗口过渡到损耗更小的1.31波长和1.55波长窗口。在1.31波长上实现了0.5dB/km的低损耗，在1.55波长窗口上更可实现0.2dB/km的极低损耗。同时为了扩展传输带宽，光纤也由多模光纤向单模光纤过渡。工作于1.31波长上的单模光纤通信系统被广泛使用。这期间，波分复用光通信技术、相干光通信技术和光纤放大器技术等新技术也受到了人们的重视，开始投入大量的人力物力进行研究。八十年代末期，工作于1.55波长窗口上的光纤放大器-掺铒光纤放大器问世，使得1.55波长窗口上的光纤通信系统得到快速发展。为了满足构建信息高速公路的需求，伴随着光纤通信的发展，光纤通信的容量
7、也一直在加速提升。提高容量的途径之一是提升光纤单信道的容量，到了1993年，2.5Gbit/s的光纤通信系统商用化，1995年10Gbit/s的系统也被推出。但受电子器件速率瓶颈的限制，单信道速率达到40Gbit/s以上非常困难。提高容量的另外一条途径是使用波分复用技术。掺铒光纤放大器和波分复用技术的联合使用使得单根光纤的容量达到几百吉比特每秒到几十太比特每秒的数量级。1.2全光网络:随着光纤通信容量的不断快速提升，电子瓶颈对通信容量的限制问题开始变的越来越突出。现代通信网由传输和交换两大部分组成，传输系统容量的快速提升也构成了交换系统发展变革的巨大动力。为了克服电子瓶颈对通信网的限制，人们在
8、交换系统中引入了光子技术。光子技术涉及到光时分复用、光空分复用、光波分复用和光码分复用等复用技术。上述的复用技术分别从时间域、空间域、频率域和码字域的角度进行信号复用，不但增加了光纤通信系统的容量，而且丰富了光信号交换、控制方式，为光域下交换系统的实现提供了可能性，为全光网络的实现提供了可选的技术途径。全光网络是指光信息码流在通信网络中的传输和交换环节始终以光的形式实现，而不需要经过光-电、电-光变换。也就是说信息码元从源到宿的的传输交换过程中始终在光域内进行，不需要像传统的光纤通信系统那样在中继和交换等环节进行光域到电域的变换。全光通信网络是解决目前所谓电子瓶颈问题的根本途径，它可以从大幅度
9、提高节点的数据吞吐容量，从网络中传输和交换两个方面满足人们不断增长的对通信带宽的需求。全光通信网络的发展取决于光纤通信网络中光放大、光色散抑制、光交换以及光信号处理等各个具体关键技术的发展。同时同步数字序列（SDH）、异步传送模式（ATM）、IP/TCP协议及多标记协议交换（MPLS）等光网络协议标准，是目前人们组建全光网络的主要依据。到了20世纪90年代中后期，波分复用技术开始在光纤通信系统中大规模使用。在波分复用技术下，波长本身成为组网（分插、交换、路由）的重要资源。在全光网络中，光的波分复用技术不仅为现代光纤通信提供巨大的带宽容量，同时也提供丰富的可优化使用这些带宽的组网资源。基于波分复
10、用技术的WDM全光网络成为了研究热点，国际电联将其命名为光传送网。光传送网是在传输网上引入光层，在光的层面上进行交叉连接和分插复用。从而大大减轻了电交换节点上的由于容量不断增加而产生的压力。基于光的波分复用技术的光纤全光网络中，波分复用设备除了作为光传输系统的基本设施，而且在光交换系统中也起着重要作用。交换系统基本都由不同频率的光波长接合波分复用技术中的光交叉连接(OXC)器和光多路分插复接/解复接(OADM)器等关键光器件来承担路由交换功能，而不再需要进行电-光和光-电转换。基于波分复用的WDM 全光网络技术具备很多优点，如本地数据业务可通过本地节点提供的以太网、SDH、ATM等接口，灵活可
11、靠地接入WDM 全光网络。另外WDM全光网络以基于不同波长的路由机制进行路由选择，使得WDM 全光网络具有良好的可扩展和易操作性。以波分复用技术为基础的WDM全光网络目前得到了快速发展。全光网络的发展也对能够与光纤通信相匹配的全光纤器件的研究和发展起到了促进作用。光纤光栅便是这类器件中得到人们广泛重视的一类器件。如前所述，自1970年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB的石英光纤为始端，光纤通信技术得到了高速发展。在随后的几十年里，光纤通信经历了从短波长到长波长、从多模光纤向单模光纤、从单信道低速率向多信道高速率、从单一的光纤传输向光纤组网进而向全光网络的演进的大发展。光纤通信的大发展也促进
12、了光电子、光子集成，光纤传感等技术的快速发展，以光纤为基础的各种光纤光子器件也应运而生并随光纤通信的发展而发展,光纤光栅便是其一。1.3光纤光栅历史及发展:1978年加拿大渥太华的加拿大通信研究中心的K. Hill等研究人员,使用波长为488nm和514.5nm的单模氩离子激光器，基于驻波法在掺锗光纤中，首次制作出了光纤光栅。所谓光纤光栅是纵向上存在折射率周期性变化的光纤。当时，K. Hill等人把氩离子激光器发出的激光注入掺锗光纤，几分钟后观察到了反射的激光强度的增加。最后随着时间的流逝几乎所有的激光都从光纤里面被反射。通过对反射光谱进行的间接测量最终确定在一条一米长的光纤上制作出了一个带宽
13、非常窄（小到200MHz）的光纤光栅滤波器。这一成果是基于掺锗硅光纤的非线性特性（光敏特性），后来这一成果被命名为Hill光栅，并且在很大程度上促进了掺锗光纤的光敏特性研究。Hill光栅的写入效率较低，并且光谱特性受用于写入光栅的激光器波长限制，只能对处于可见光波段的光波进行处理。更细致的研究表明高掺锗光纤中光栅强度随着光强大小正比例增加，而在普通通信用光纤里面光栅强度与光强大小的平方成正比，同时进一步建议使用双光子过程作为光栅制作机制。最初始的试验是由488nm的激光从光纤末端反射形成驻波模式去形成光栅。此波长一半，即紫外波段上244nm上的单光子证明效率更高。1989年，美国康涅狄格州东哈
14、特福特联合技术研发中心的G.Meltz等研究人员开始使用两束位于紫外波段的光波干涉形成的干涉条纹照射光纤包层的侧面制作光纤光栅，称为全息侧面写入技术。制作过程中，干涉极大值和折射率变化的周期可以通过改变两束光的夹角和紫外光的波长来进行设置，而不必再通过照射在纤芯上的可见光来设置。从而使光纤光栅制作技术克服了光栅周期受限于写入波长的缺陷。使用全息侧面写入技术可以制作反射任意波段光波的光纤光栅。而且这种写入技术也解决了制作Hill光栅的写入效率低的问题。驻波法和全息侧面写入法对写入激光器的相干性和整个系统的稳定性要求很高。1993 K.O.Hill等人进一步提出了一种使用硅玻璃特制的相位模板进行光
15、纤光栅制作的新技术，即用相位掩模光栅对写入激光进行调制。使用相位模板制作光纤光栅时，用紫外激光照射相位掩模板，被相位掩模板衍射后照射于待成栅光纤。用照射于光纤的其+1级和-1级衍射光的周期性明暗条纹制作光纤光栅，K.O.Hill等人提出的这种制作光纤光栅的方法同样使得光栅周期与写入波长无关而只与相位模板相关，而且这种相位掩模成栅技术放宽了对写入光源相干性的限制，减弱了对系统稳定性的要求，可以更加容易地制作光纤光栅，大幅降低了光纤光栅的成栅成本，为光纤光栅器件走向商用化铺平了道路。由于光纤光栅之成栅机理-光纤的光敏特性研究的深入以及相位掩模法的使用使得目前光纤光栅在光通信与光传感领域的使用日益广
16、泛。1.4 光纤光栅在光纤通信中的应用:由于光纤光栅的天然光纤属性使它成为了光纤通信领域最具实用价值的光通信用器件之一。设计各类特定的光纤光栅结构，其可应用于光纤通信系统用无源器件及光纤通信用光电子器件等各个方面，亦是组建全光通信网络的重要器件之一。其在光纤通信领域的应用场合包括：色散补偿、波长选择、滤波、分路、增益平坦、网络监控、半导体与光纤激光器等等。滤波器是通信系统中的重要器件。在光纤通信中，依据光纤光栅的天然光纤属性以及反射谱线的特性，光纤光栅本身就是与光纤非常匹配的光纤滤波器。光纤光栅可设计作为宽、窄带各类带阻、带通光纤滤波器使用。如利用均匀布拉格光纤光栅反射频带窄、反射率高的特点，可以在光纤光栅中插入一个或多个相移点，从而可在反射带内打开所需的透射带，设计出低损耗的光纤带通滤波器；又如在长周期光纤光栅内，由于光栅周期较大，同向传输的纤芯导模与光纤包层模之间发生耦合，传输的光能量可由纤芯导模耦合到包层模中并快速损耗
