畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）光纖光柵的制作與應(yīng)用

1、武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院2009級(jí)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題名稱 光纖光柵的制作與應(yīng)用 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 班 級(jí) 激光加工0901 指導(dǎo)老師 完成時(shí)間： 2011 年 11月 20日光電子與通信工程系12目 錄摘 要1引 言21.光纖光柵制作方法21.1光纖光柵的特點(diǎn)21.2光纖光柵的分類31.2.1按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性31.2.2根據(jù)光纖光柵的成柵機(jī)理41.3光柵光纖的制備41.4成柵的紫外光源41.5成柵方法51.5.1短周期光纖光柵的制作51.5.2長(zhǎng)周期光纖光柵的制作62光纖光柵的應(yīng)用72.1光纖光柵在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用72.1.1有源器件72.1.2無(wú)源器件72.2可見光纖光柵的

2、應(yīng)用82.2.1光 源82.2.2光纖放大器92.2.3色散補(bǔ)償器92.2.4光分插復(fù)用器（oadm）102.2.5光終端復(fù)接器（otm）102.2.6波長(zhǎng)交換103發(fā)展前景展望11參考文獻(xiàn)12摘 要： 近年來(lái)，各種新的光纖光柵寫入方法成出不窮，各種新型光纖光柵及其應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，而且光纖光柵的制作技術(shù)與其應(yīng)用領(lǐng)域有著密切的聯(lián)系。本文主要綜述了光纖光柵的制作技術(shù)及其一些特種光柵制作方法的最新進(jìn)展。為了介紹各種光光纖光柵制作方法的應(yīng)用領(lǐng)域，本文首先介紹了光纖光柵的光學(xué)特性，光敏光纖的制備方法和所需光源等知識(shí)。對(duì)于光纖的制作技術(shù)，分別說(shuō)明了短周期光纖光柵（fbg），長(zhǎng)周期光纖光柵（lfpg）的各

3、種寫入方法，啁啾光纖光柵和切趾光纖光柵以其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注，因此，本文也對(duì)他們的特殊寫入方法進(jìn)行了闡述。并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，光纖光柵具有附加損耗小、體積小、能與光纖很好地耦合、可與其他光纖器件融成一體等特性，是全光網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)器件。光纖光柵技術(shù)可以為全光通信系統(tǒng)中光源、光放大、色散補(bǔ)償、光終端復(fù)接器（otm）、光交叉連接（oxc）等關(guān)鍵部件提供解決方案。本文介紹了光纖光柵在全光網(wǎng)絡(luò)中所發(fā)揮的作用，闡述了光纖光柵的特點(diǎn)，對(duì)光纖光柵進(jìn)行了分類，著重分析了光纖光柵在光通信系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，并對(duì)其發(fā)展前景作出了展望。關(guān)鍵詞： 光纖光柵 成柵機(jī)理 光纖無(wú)源器件 全光通信引 言 分析光纖光柵

4、解調(diào)的基本原理和常用解調(diào)方法的工作機(jī)理、性能和特點(diǎn)，從光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，介紹了光纖光柵傳感智能結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)方法如匹配解調(diào)法、可調(diào)諧激光器法、干涉法、濾波法等做了詳細(xì)的討論， 闡述了相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論。提出光纖光柵傳感器在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的主要技術(shù)難題，分析現(xiàn)有的解決方案，討論光纖光柵傳感器在進(jìn)一步實(shí)用化中需要解決的難題及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。1.光纖光柵制作方法1.1光纖光柵的特點(diǎn)光纖光柵具有體積小、波長(zhǎng)選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件

5、融成一體等特性，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實(shí)用性，其優(yōu)越性是其他許多器件無(wú)法替代的.這使得光纖光柵以及基于光纖光柵的器件成為全光網(wǎng)中理想的關(guān)鍵器件。1978年k.o.hill等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成第一只光纖光柵，經(jīng)過二十多年來(lái)的發(fā)展，在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，光纖光敏性逐漸提高；各種特種光柵相繼問世，光纖光柵某些應(yīng)用已達(dá)到商用化程度。應(yīng)用成果日益增多，使得光纖光柵成為目前最有發(fā)展前途、最具代表性和發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)源器件之一。現(xiàn)在一般采用高強(qiáng)度紫外光源通過phase mask所形

6、成的干涉條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光以在該光纖芯中產(chǎn)生折射率從而調(diào)制或相位光柵，如圖1-1所示。圖1-1光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理圖當(dāng)光纖光柵受應(yīng)變和周圍的溫度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期和有效纖芯折射率neff產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生光柵bragg信號(hào)的波長(zhǎng)漂移b ，通過監(jiān)測(cè)bragg波長(zhǎng)b 的變化情況，即可獲得測(cè)點(diǎn)上光纖光柵的應(yīng)變和周圍溫度的變化狀況。光纖光柵波長(zhǎng)漂移b與應(yīng)變和溫度變化的關(guān)系如下：=其中，第一項(xiàng)代表光纖的應(yīng)變效應(yīng)，第二項(xiàng)表示溫度對(duì)光纖的影響。在波長(zhǎng)=1550 nm，典型的應(yīng)變敏感系數(shù)為;溫度敏感系數(shù)為。所以，光纖光柵bragg波長(zhǎng)的變化與應(yīng)變或環(huán)境溫度的變化呈線性變化關(guān)系，通過檢測(cè)光

7、纖光柵bragg波長(zhǎng)，就可以測(cè)得應(yīng)變或環(huán)境溫度。在工程應(yīng)用中一般采用合適應(yīng)用的方法，用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封裝，外加保護(hù)封裝進(jìn)行保護(hù)，從而形成光纖光柵光纖傳感器。由于光纖光柵（fbg）只能對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行反射， 反射波長(zhǎng)的變化需要通過光纖光柵解調(diào)儀來(lái)測(cè)量，一般需要對(duì)多個(gè)光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量，也就是說(shuō)要進(jìn)行波分復(fù)用，將多個(gè)光纖光柵（fbg）的串接、 每個(gè)光纖光柵（fbg）對(duì)于一個(gè)中心波長(zhǎng)，在保證測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，各個(gè)光纖光柵（fbg)的波長(zhǎng)之間不重疊，這樣通過光纖光柵解調(diào)儀（fbg interrogator）實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光纖光柵傳感器的反射波長(zhǎng)的測(cè)量， 從而轉(zhuǎn)化成壓力或應(yīng)變的數(shù)據(jù)。1.2光纖光柵的分類根

8、據(jù)不同法分類標(biāo)準(zhǔn)，可以把光纖光柵分成不同的類別。1.2.1按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性光纖光柵按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性可分為：均勻周期光纖布喇格光柵：通常稱為布喇格光柵，是最早發(fā)展起來(lái)的一種光柵，也是目前應(yīng)用最廣的一種光柵。折射率調(diào)制深度和柵格周期均為常數(shù)，光柵波矢方向跟光纖軸向一致。此類光柵在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波分復(fù)用/解復(fù)用等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。啁啾光柵：柵格間距不等的光柵。有線性啁啾和分段啁啾光柵，主要用來(lái)做色散補(bǔ)償和光纖放大器的增益平坦。閃耀光柵：當(dāng)光柵制作時(shí)，紫外側(cè)寫光束與光纖軸不垂直時(shí)，造成其折射率的空間分布與光纖軸有一個(gè)小角度，形成閃耀光柵。長(zhǎng)周期光柵：柵格

9、周期遠(yuǎn)大于一般的光纖光柵，與普通光柵不同，它不是將某個(gè)波長(zhǎng)的光反射，而是耦合到包層中去，目前主要用于edfa的增益平坦和光纖傳感。相移光柵：在普通光柵的某些點(diǎn)上，光柵折射率空間分布不連續(xù)而得到的。它可以看作是兩個(gè)光柵的不連續(xù)連接。它能夠在周期性光柵光譜阻帶內(nèi)打開一個(gè)透射窗口，使得光柵對(duì)某一波長(zhǎng)有更高的選擇度?？梢杂脕?lái)構(gòu)造多通道濾波器件。此外還有tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、tophat光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等。1.2.2根據(jù)光纖光柵的成柵機(jī)理根據(jù)光纖光柵的成柵機(jī)理來(lái)分可分為三種：型、a型和型。型光柵：即最常見的光柵，可成柵在任何類型的光敏光纖上，其主要特點(diǎn)是其導(dǎo)波模的反射譜跟透射譜互補(bǔ)，幾乎

10、沒有吸收或包層耦合損耗；另一特點(diǎn)是容易被“擦除”，即在較低溫度（200左右）下光柵會(huì)變?nèi)趸蛳?。a型光柵：成柵于高摻鍺（15mol）光敏光纖或硼鍺共摻光敏光纖上，曝光時(shí)間較長(zhǎng)。成柵機(jī)理于型不同。其寫入過程為：曝光開始不久，纖芯中形成型光柵，隨著曝光時(shí)間的增加，此光柵被部分或者完全擦除，然后再產(chǎn)生第二個(gè)光柵，即形成a型光柵，其溫度穩(wěn)定性優(yōu)于型光柵，直到 500附近才能觀察到光柵的擦除效應(yīng)，更適合于在高溫下使用，如高溫傳感等。型光柵：由單個(gè)高能量光脈沖（大于0.5j/cm2）曝光形成。其透射譜只能使波長(zhǎng)大于bragg波長(zhǎng)的光透射，波長(zhǎng)小的部分被耦合到包層中損耗掉。成柵機(jī)理可理解為能量非均勻的激光脈

11、沖被纖芯石英強(qiáng)烈放大造成纖芯物理?yè)p傷的結(jié)果。有極高的溫度穩(wěn)定性，在800下放置24小時(shí)無(wú)明顯變化，在1000環(huán)境中放置4小時(shí)后大部分光柵才消失。1.3光柵光纖的制備采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，可以在幾乎所有種類的光纖上不同程度的寫人光柵。所謂光纖中的光折變是指激光通過光敏光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，如這種折射率變化呈現(xiàn)周期性分布，并被保存下來(lái)，就成為光纖光柵。 光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關(guān)，如照射波長(zhǎng)、光纖類型、摻雜水平等。如果不進(jìn)行其它處理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為10數(shù)量級(jí)便已經(jīng)飽和，為了滿足高速通信的需要，提高光纖光敏性日益重要，目前光纖增敏

12、方法主要有以下幾種：1）摻入光敏性雜質(zhì)，如：鍺、錫、棚等。2）多種摻雜（主要是bge共接）。3）高壓低溫氫氣擴(kuò)散處理。4）劇火。1.4成柵的紫外光源光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現(xiàn)在244nm紫外光的錯(cuò)吸收峰附近，因此除駐波法用488nm可見光外，成柵光源都是紫外光。大部分成柵方法是利用激光束的空間干涉條紋，所以成柵光源的空間相干性特別重要。目前，主要的成柵光源有準(zhǔn)分子激光器、窄線寬準(zhǔn)分子激光器、倍頻ar離子激光器、倍頻染料激光器、倍頻opo激光器等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，窄線寬準(zhǔn)分子激光器是目前用來(lái)制作光纖光柵最為適宜的光源。它可同時(shí)提供193nm和244nm兩種有效的寫入波長(zhǎng)并有很高的單脈沖能

13、量，可在光敏性較弱的光纖上寫人光柵并實(shí)現(xiàn)光纖光柵在線制作。如圖1-2所示。圖1-2 紫外光透過振幅掩模板制作光柵示意圖1.5成柵方法光纖光柵制作方法中的駐波法及光纖表面損傷刻蝕法，成柵條件苛刻，成品率低，使用受到限制，目前主要的成柵有下列幾種。1.5.1短周期光纖光柵的制作短周期光纖光柵(fbg，也叫反射或布喇格光柵):光柵周期一般為零點(diǎn)幾個(gè)微米，耦合發(fā)生在正向與反向傳輸?shù)哪Ｊ街g，它的一個(gè)重要特性是將某一頻段內(nèi)的光反射回去，如圖1-3所示。圖1-3短周期光纖光柵(m為衍射級(jí)數(shù))a）內(nèi)部寫入法： 內(nèi)部寫入法又稱駐波法。將波長(zhǎng)488nm的基模氛離子激光從一個(gè)端面耦合到錯(cuò)摻雜光纖中，經(jīng)過光纖另一端

14、面反射鏡的反射，使光纖中的人射和反射激光相干涉形成駐波。由于纖芯材料具有光敏性，其折射率發(fā)生相應(yīng)的周期變化，于是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵，它起到了bragg反射器的作用。已測(cè)得其反射率可達(dá)90以上，反射帶寬小于200mhz。此方法是早期使用的，由于實(shí)驗(yàn)要求在特制鍺摻雜光纖中進(jìn)行，要求鍺含量很高，芯徑很小，并且上述方法只能夠制作布拉格波長(zhǎng)與寫入波長(zhǎng)相同的光纖光柵，因此，這種光柵幾乎無(wú)法獲得任何有價(jià)值的應(yīng)用，現(xiàn)在很少被采用。示。用準(zhǔn)分子激光干涉的方法，melt等人首次制作了橫向側(cè)面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在接錯(cuò)光纖的側(cè)面相干，形成干涉圖，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距

15、周期由=uv（2sin）給出?？梢?，通過改變?nèi)松涔獠ㄩL(zhǎng)或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數(shù)，獲得適宜的光纖光柵。但是要得到高反射率的光柵，則對(duì)所用光源及周圍環(huán)境有較高的要求。這種光柵制造方法采用多脈沖曝光技術(shù)，光柵性質(zhì)可以精確控制，但是容易受機(jī)械震動(dòng)或溫度漂移的影響，并且不易制作具有復(fù)雜截面的光纖光柵，目前這種方法使用不多。b）光纖光柵的單脈沖寫入： 由于準(zhǔn)分子激光具有很高的單脈沖能量，聚焦后每次脈沖可達(dá)8226jcm近年來(lái)又發(fā)展了用單個(gè)激光脈沖在光纖上形成高反射率光柵。英國(guó)南安普敦大學(xué)的archambanlt 等人對(duì)此方法進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為這一過程與二階和雙光子吸收有關(guān)。由于光柵成柵時(shí)

16、間短，因此環(huán)境因素對(duì)成柵的影響降到了最低限度。此外，此法可以在光纖技制過程中實(shí)現(xiàn)，接著進(jìn)行涂覆，從而避免了光纖受到額外的損傷，保證了光柵的良好強(qiáng)度和完整性。這種成柵方法對(duì)光源的要求不高，特別適用于光纖光柵的低成本、大批量生產(chǎn)。c）相位掩膜法： 將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置于探光纖上，相位掩膜具有壓制零級(jí)，增強(qiáng)一級(jí)衍射的功能。紫外光經(jīng)過掩膜相位調(diào)制后衍射到光纖上形成干涉條紋，寫入周期為掩膜周期一半的bragg光柵。這種成柵方法不依賴于人射光波長(zhǎng)，只與相位光柵的周期有關(guān)，因此，對(duì)光源的相干性要求不高，簡(jiǎn)化了光纖光柵的制造系統(tǒng)。這種方法的缺點(diǎn)是制作掩膜復(fù)雜，為使krf準(zhǔn)分子激光光束相位以知間。這樣

17、得到的相位掩膜版可使準(zhǔn)分子激光光束通過掩膜后，零級(jí)光束小子衍射光的5，人射光束轉(zhuǎn)向+1和-1級(jí)衍射，每級(jí)衍射光光強(qiáng)的典型值比總衍射光的35還多。用低相干光源和相位掩膜版來(lái)制作光纖光柵的這種方法非常重要，并且相位掩膜與掃描曝光技術(shù)相結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)光柵耦合截面的控制，來(lái)制作特殊結(jié)構(gòu)的光柵。該方法大大簡(jiǎn)化了光纖光柵的制作過程，是目前寫入光柵極有前途的一種方法。1.5.2長(zhǎng)周期光纖光柵的制作長(zhǎng)周期光纖光柵(lpg，也叫傳輸光柵):光柵周期在100lm以上，耦合發(fā)生在同向傳輸?shù)哪Ｊ街g，它的特性是將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到包層中損耗掉而讓其他頻段的光通過，如圖1-4所示。因?yàn)殚L(zhǎng)周期光纖光柵的出現(xiàn)較晚，其理

18、論分析及實(shí)際應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的發(fā)展。圖1-4長(zhǎng)周期光纖光柵a）掩膜法： 掩膜法是目前制做長(zhǎng)周期光纖光柵最常用的一種方法。實(shí)驗(yàn)中采用的光纖為光敏光纖，pc為偏振控制器，am為振幅掩膜，激光器照射數(shù)min后，可制成周期60m1mm范圍內(nèi)變化的光柵，這種方法對(duì)紫外光的相干性沒有要求。b）逐點(diǎn)寫人法： 此方法是利用精密機(jī)構(gòu)控制光纖運(yùn)動(dòng)位移，每隔一個(gè)周期曝光一次，通過控制光纖移動(dòng)速度可寫入任意周期的光柵。這種方法在原理上具有最大的靈活性，對(duì)光柵的耦合截面可以任意進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。原則上，利用此方法可以制作出任意長(zhǎng)度的光柵，也可以制作出極短的高反射率光纖光柵，但是寫人光束必須聚焦到很密集的一點(diǎn)，因此這一技術(shù)

19、主要適用于長(zhǎng)周期光柵的寫入。它的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的聚焦光學(xué)系統(tǒng)和精確的位移移動(dòng)技術(shù)。目前，由于各種精密移動(dòng)平臺(tái)的研制，這種長(zhǎng)周期光纖光柵寫入方法正在越來(lái)越多的被采用。2光纖光柵的應(yīng)用隨著信息業(yè)務(wù)量快速增長(zhǎng)，語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等業(yè)務(wù)綜合在一起傳輸，從而對(duì)通信帶寬容量提出了更高要求。由于無(wú)線電頻譜和電纜帶寬非常有限，其極限速率只有20gb/s左右，即所謂的“電子瓶頸”。盡管人們引入了光通信，光作為信息傳輸?shù)妮d體帶寬達(dá)30thz以上，但是由于量子效應(yīng)導(dǎo)致光纖線路中各種復(fù)用/解復(fù)用和光電/電光轉(zhuǎn)換器件處理電信號(hào)時(shí)仍存在著速率“瓶頸”，限制了信息的傳輸速率。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，以時(shí)分復(fù)用（tdm）為基礎(chǔ)的

20、電傳送網(wǎng)難以適應(yīng)需要，這使得人們?cè)俅我庾R(shí)到要突破電信號(hào)處理速率“瓶頸”就必須引入光信號(hào)處理方法，包括光信號(hào)的直接處理（即避免光 電和電光轉(zhuǎn)換，需要電信號(hào)時(shí)除外）及交叉連接等，這就導(dǎo)致以光波分復(fù)用（wdm）為基礎(chǔ)的全光通信網(wǎng)（aon）成為人們研究的熱點(diǎn)。全光通信是解決“電子瓶頸”最根本的途徑，全光網(wǎng)通信可以極大地提高節(jié)點(diǎn)的吞吐容量，適應(yīng)未來(lái)高速寬帶通信的要求。全光通信網(wǎng)也是目前國(guó)際上發(fā)展最快的領(lǐng)域，全光通信意味著在通信過程的各個(gè)環(huán)節(jié)都用光波來(lái)完成，中間無(wú)需任何光電光變換。全光通信的發(fā)展完全取決于網(wǎng)絡(luò)中光放大、光補(bǔ)償、光交換以及光處理等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。光纖光柵的出現(xiàn)使許多復(fù)雜的全光網(wǎng)通信成為可能。

21、光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。利用光纖光柵這一特性可構(gòu)成許多性能獨(dú)特的光電子器件。研究表明光纖光柵以及基于光纖光柵的器件已經(jīng)能夠解決全光通信系統(tǒng)中許多關(guān)鍵技術(shù)。2.1光纖光柵在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 光纖光柵作為一種新型光器件，主要用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理。在光纖通信中實(shí)現(xiàn)許多特殊功能，應(yīng)用廣泛，可構(gòu)

22、成的有源和無(wú)源光纖器件分別是：2.1.1有源器件有源光柵光纖器件有：光纖激光器（光柵窄帶反射器用于dfb等結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)可調(diào)諧等）；半導(dǎo)體激光器（光纖光柵作為反饋外腔及用于穩(wěn)定980nm泵浦光源）；edfa光纖放大器（光纖光柵實(shí)現(xiàn)增益平坦和殘余泵浦光反射）；ramam光纖放大器（布喇格光柵諧振腔）；2.1.2無(wú)源器件無(wú)源光柵光纖器件有：濾波器（窄帶、寬帶及帶阻；反射式和透射式）；wdm波分復(fù)用器（波導(dǎo)光柵陣列、光柵/濾波組合）；oadm上下路分插復(fù)用器（光柵選路）；色散補(bǔ)償器（線性啁啾光纖光柵實(shí)現(xiàn)單通道補(bǔ)償，抽樣光纖光柵實(shí)現(xiàn)wdm系統(tǒng)中多通道補(bǔ)償）；波長(zhǎng)變換器 otdm延時(shí)器 ocdma編碼器 光

23、纖光柵編碼器。2.2可見光纖光柵的應(yīng)用可見光纖光柵的應(yīng)用滲透在光纖通信系統(tǒng)的每個(gè)角落，有關(guān)專家預(yù)言：光纖光柵技術(shù)和器件將為正在研究和發(fā)展的wdm系統(tǒng)帶來(lái)一場(chǎng)革命。下面就一些比較典型的應(yīng)用做以分析。2.2.1光 源光纖光柵激光器產(chǎn)生的光信號(hào)更符合全光通信系統(tǒng)對(duì)光源的要求。同時(shí)基于光波分復(fù)用（wdm）的全光通信網(wǎng)（aon）中，光纖復(fù)用的路數(shù)將大大提高。而半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)較難符合itu-t建議的wdm波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，相反利用光纖光柵做成的激光器則能非常準(zhǔn)確地控制波長(zhǎng)，且制作成本低。光纖光柵激光器是光纖通信系統(tǒng)中一種很有前途的光源，它是利用均勻光纖光柵來(lái)選擇出射光的波長(zhǎng)。外腔光纖激光器一般有兩種結(jié)構(gòu)：

24、一種是分布布拉格反射（dbr）光纖光柵激光器，利用一段稀土摻鉺光纖（edf）和一對(duì)均勻光纖光柵（bragg波長(zhǎng)相同）構(gòu)成諧振腔；另一種是分布反饋（dfb）光纖光柵激光器，其結(jié)構(gòu)如圖2-1利用直接在稀土摻雜光纖（如edf）寫入的均勻光柵構(gòu)成諧振腔。圖2-1光纖光柵激光器結(jié)構(gòu)原理圖光纖激光器作為光纖通信系統(tǒng)中一種很有前途的光源，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：激光出射波長(zhǎng)線寬極窄、可調(diào)諧；具有波導(dǎo)式光纖結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)通信光纖兼容性好；高頻調(diào)制下頻率啁啾效應(yīng)??；抗電磁干擾；溫度膨脹系數(shù)（coefficient of the thermal expansion）較半導(dǎo)體激光器小、成本低等。2.2.2光纖放大器影響光纖

25、通信向長(zhǎng)距離和高速率方向發(fā)展的兩個(gè)主要因素是損耗和色散，其中的損耗問題自從摻鉺光纖放大器（edfa）產(chǎn)生后已得到解決。然而摻鉺光纖放大器具有增益不平坦性。利用閃耀光纖光柵的透射譜特性可以抑制光纖放大器的增益峰，從而使引入閃耀光纖光柵后的光纖放大器增益譜平坦化。如圖2-2所示。圖2-2閃耀光纖光柵折射率分布原理圖2.2.3色散補(bǔ)償器光纖損耗、色散和非線性是影響光纖傳輸能力的三個(gè)最主要因素。摻鉺光纖放大器的研制成功基本解決了損耗的問題。隨著全光通信速率的提高，色散和非線性對(duì)系統(tǒng)傳輸能力的影響變得愈發(fā)顯著。經(jīng)過近年來(lái)的研究，光纖光柵色散補(bǔ)償器已經(jīng)基本解決了光纖傳輸系統(tǒng)中的色散問題。光纖光柵被償色散的

26、原理是：在啁啾（chirp）光纖光柵不同反射點(diǎn)有不同的反射波長(zhǎng)，我們讓紅移分量在光柵前端反射，而讓藍(lán)移分量在光柵末端反射，即藍(lán)移分量比紅移分量多走2l的距離。由于色散在光脈沖中紅藍(lán)移分量之間產(chǎn)生的距離差，經(jīng)過光柵后，滯后的紅移分量便會(huì)趕上藍(lán)移分量，這樣就消除了色散效應(yīng)。目前光纖光柵作為色散補(bǔ)償已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。如圖2-3所示。圖2-3啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償原理圖2.2.4光分插復(fù)用器（oadm）光分插復(fù)用器實(shí)際是合波器與分波器的組合。光分插復(fù)用器作為全光網(wǎng)中的重要器件，其功能是從分波器中有選擇的取下幾路通過本地的光信號(hào)，其余路波長(zhǎng)直通合波器，另外可以有幾路本地波長(zhǎng)信號(hào)輸入，與直通的信號(hào)復(fù)合在一起

27、輸出（add）。也就是說(shuō)oadm在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的sdh設(shè)備中電的分插復(fù)用器在時(shí)域中的功能。如圖2-4所示。圖2-4光纖光柵型波分復(fù)用器原理圖2.2.5光終端復(fù)接器（otm）光終端復(fù)接器（otm）的作用是將終端用戶光波長(zhǎng)復(fù)用進(jìn)系統(tǒng)中，或在終端從系統(tǒng)中解出用戶需要的波長(zhǎng)。光終端復(fù)接器是基于wdm全光網(wǎng)系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備。其核心部件就是復(fù)用/解復(fù)用器（分波/合波器）。它可以實(shí)現(xiàn)在一根光纖中傳輸多個(gè)波長(zhǎng)的信道，并在終端將不同的波長(zhǎng)分別解出。由于全光網(wǎng)系統(tǒng)中波長(zhǎng)之間的間隔很小，因此對(duì)復(fù)用/解復(fù)用設(shè)備提出了很高的要求。由于均勻光纖光柵具有良好的濾波性能，并且有較窄的帶寬。利用一組均勻光纖光柵的透射可

28、以進(jìn)行合波；利用其反射可以進(jìn)行分波，因此采用均勻光纖光柵可制成復(fù)用/解復(fù)用器。光纖光柵的中心波長(zhǎng)分別為1，2，n。復(fù)用信號(hào)（1，2，n）經(jīng)過解復(fù)用器后，各個(gè)波長(zhǎng)分別從不同的端口輸出，實(shí)現(xiàn)了光的解復(fù)用。如圖2-5所示。圖2-5光纖光柵型波分復(fù)用器原理圖2.2.6波長(zhǎng)交換全光網(wǎng)絡(luò)為克服“電子瓶頸”，網(wǎng)絡(luò)路由方式也將采用波長(zhǎng)路由方式，由于通信波長(zhǎng)資源的有限性，使得全光波長(zhǎng)變換技術(shù)在全光通信網(wǎng)系統(tǒng)中成為不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。波長(zhǎng)變換技術(shù)是把光信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)波長(zhǎng)的一種手段，它可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)重用、波長(zhǎng)路由、波長(zhǎng)選擇開關(guān)和全光交換等功能。目前為止，已經(jīng)報(bào)道了多種結(jié)構(gòu)和機(jī)制的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，這些波長(zhǎng)轉(zhuǎn)

29、換器都各有特點(diǎn)和欠缺。如圖2-6所示。圖2-6基于光纖光柵的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器3發(fā)展前景展望目前全光通信的研究還處于起步階段，許多技術(shù)難點(diǎn)需要克服。雖然光纖光柵不能解決全光通信中所有的技術(shù)難點(diǎn)，但是對(duì)光纖光柵技術(shù)和器件的研究可以解決全光通信系統(tǒng)中許多關(guān)鍵技術(shù)。因此對(duì)光纖光柵的研究可以促進(jìn)全光通信網(wǎng)的早日實(shí)現(xiàn)。光纖光柵是目前也是將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實(shí)用價(jià)值的無(wú)源光器件之一，利用它可組成多種新型光電子器件，由于這些器件的優(yōu)良性能使人們更加充分地利用光纖通信系統(tǒng)的帶寬資源。對(duì)光纖光柵的研究和開發(fā)正逐步深入到光纖通信系統(tǒng)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從波分復(fù)用系統(tǒng)的合波/分波、光纖放大器的增益平坦、色散補(bǔ)償，

30、到全光網(wǎng)絡(luò)上下路、波長(zhǎng)路由、光交換等，光纖光柵的應(yīng)用將推動(dòng)高速光通信的發(fā)展，將在未來(lái)的高速全光通信系統(tǒng)中扮演重要的角色。在光纖光柵研究成果轉(zhuǎn)化方面目前國(guó)內(nèi)外的差距還不算太大，我國(guó)應(yīng)集中力量發(fā)展民族光電子產(chǎn)業(yè)，使光纖光柵研究成果盡早產(chǎn)業(yè)化，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)服務(wù)。為了刻寫出應(yīng)用于各種場(chǎng)合的光柵，相繼提出了各種技術(shù)。為了克服曝光時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)干涉計(jì)要求高，提出一種僅用20ns的單脈沖刻寫的方法，隨后又發(fā)展成為在光纖拉制時(shí)就進(jìn)行刻寫光柵的方法。另一個(gè)堅(jiān)固、穩(wěn)定、易于準(zhǔn)直和重復(fù)性好的技術(shù)是用相位掩膜照射來(lái)代替全息曝光。紫外光透過掩膜直接照射到光敏光纖上，則相位光柵掩膜的一級(jí)衍射光束在光纖芯形成布喇格光柵。為了改善光纖的光敏性，提出了摻鍺、摻硼、“氫載”等技術(shù)?！皻漭d”技術(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)通信光纖置于低溫和高壓氫氣中10余天，能大大增強(qiáng)光纖的光敏性。在未來(lái)通訊事業(yè)日益發(fā)達(dá)的明天，由于光纖光柵具有的特性使得光纖光柵能在各種環(huán)境