畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于取樣光柵的梳狀濾波器研究

1、 基于取樣光柵的梳狀濾波器研究摘要摘要取樣光纖光柵是一種新型的光纖光柵，因其具有靈活，無源，插入損耗小，及偏振相關(guān)小等優(yōu)點(diǎn)，它在光開關(guān)、光的分插復(fù)用、光纖的色散補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)中的應(yīng)用引起人們的極大興趣和研究熱情。本文用傳輸矩陣法從理論上計(jì)算了取樣光纖布拉格光柵的反射譜特性，這種方法將光柵視為多層均勻薄膜的疊加，利用每一層的傳輸矩陣相乘獲得了光柵的反射譜特性。通過分析知道了取樣光柵具有極好的波長(zhǎng)選擇性，在它的反射譜中通道多且通道間隔穩(wěn)定，帶通窄，在光信號(hào)處理中有重要應(yīng)用。對(duì)取樣光纖光柵反射譜特性進(jìn)行了分析,通過分析取樣光柵長(zhǎng)度、取樣周期、采樣率、折射率調(diào)制量等參量對(duì)取樣光柵反射譜的影響規(guī)律。為設(shè)

2、計(jì)取樣光柵提供了一定依據(jù)。通過matlab軟件分析取樣光柵各參量對(duì)取樣光柵反射譜的影響。設(shè)計(jì)了取樣光柵濾波器。最后，為了優(yōu)化取樣光柵梳狀濾波器設(shè)計(jì)，提出了利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波分析和降噪處理的方法。關(guān)鍵詞取樣光柵；耦合模理論；傳輸矩陣法；梳狀濾波器；經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解i 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）abstractsampled fiber grating is a novel fiber grating, as it has low-cost, flexibility, low polarization dependent loss and low polarization model

3、dispersion , it have caused peoples great interest and enthusiasm such as optical switch, optical add/drop multiplexer, and optical fibers dispersion compensator, etc.reflective spectral properties of sampled fiber bragg grating is theoretically calculated by transfer matrix method in this paper. wi

4、th this method, the grating is regarded as the overlapping of multi-layeruniform thin film and the reflective spectral properties of the grating are calculated by multiplyingtransfer matrix of each layer. through numerical analyzing we know that the reflective spectrums of sampled grating have very

5、good wavelength selectivity. there exist multiple channels in the reflective spectrums, the spaces between the channels are stable, and the bandwidths are narrow. finally,in order to optimization the design of sampled grating comb filter, a filtering analysis and denoising method by using emd was pr

6、oposed.keywords sampled fiber grating; coupled mode theory; transfer matrix; comb filter; emdv 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3幾種常見的光纖濾波器31.3.1 光纖布拉格光柵濾波器31.3.2 相移長(zhǎng)周期光纖光柵濾波器31.3.3 啁啾(chirped)光柵寬帶濾波器31.3.4 光纖光柵梳狀濾波器41.4光柵的取樣方案41.4.1 幅度取樣方案41.4.2 啁啾效應(yīng)41.4.3 相位取樣方案51.5論文的主要內(nèi)容和目的61.5.1論文的主

7、要內(nèi)容61.5.2 論文的主要目的7第2章 取樣光纖光柵的基本理論82.1引言82.2取樣光纖光柵的理論分析82.2.1光纖光柵的光學(xué)特性82.2.2 光纖光柵的分類92.2.3取樣光纖光柵的結(jié)構(gòu)及折射率分布102.2.4光纖光柵的制作112.3取樣光纖光柵的三種分析方法122.3.1傅里葉分析122.3.2 耦合模理論152.3.3傳輸矩陣法182.4取樣光柵的應(yīng)用192.4.1 取樣光柵多波長(zhǎng)激光器192.4.2 取樣光柵波分復(fù)用/解復(fù)用器212.4.3 取樣光柵重構(gòu)型光分插復(fù)用器232.5本章小結(jié)25第3章 取樣光纖光柵梳狀濾波器設(shè)計(jì)263.1 引言263.2均勻取樣光柵反射譜特性分析2

8、63.2.1 占空比t對(duì)均勻取樣光柵反射譜圖的影響263.2.2 長(zhǎng)度l對(duì)均勻取樣光柵反射譜圖的影響283.2.3 周期p對(duì)均勻取樣光柵反射譜圖的影響293.3取樣光柵梳狀濾波器設(shè)計(jì)303.3.1取樣光纖光柵梳狀濾波器的反射譜303.3.2取樣取樣光纖光柵的制作方法313.3.3光纖光柵梳狀濾波器333.3.4 光纖光柵梳狀濾波器的制作333.4本章小結(jié)35第4章emd方法在梳狀濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用364.1引言364.2經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論364.3emd的應(yīng)用384.3.1 emd方法的性能分析384.3.2emd消噪實(shí)例384.4本章小結(jié)39結(jié)論41參考文獻(xiàn)43致謝45附錄146附錄252附錄

9、356附錄462v第1章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景當(dāng)今，數(shù)字化、信息化的理念逐漸深入到社會(huì)各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，人們對(duì)數(shù)據(jù)的需求量越來越大，對(duì)信息的需求面越來越廣。這些需求促使各種新型信息傳輸和信號(hào)處理方式不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，高速、實(shí)時(shí)、智能化、小型化、低成本的信息傳輸和信號(hào)處理方式成為技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。在通信領(lǐng)域，隨著密集型波分復(fù)用(wdm)、光時(shí)分復(fù)用(otdm)、全光網(wǎng)絡(luò)(aon)、光載無線電(rof)等新技術(shù)的提出和實(shí)現(xiàn)，單信道的傳輸速率成倍提高，單纖容納的信道數(shù)目成倍增長(zhǎng)；在信號(hào)處理領(lǐng)域，超快超短光脈沖的生成、時(shí)域頻域光脈沖整形、微波信號(hào)生成和處理也應(yīng)運(yùn)而生。在這些技術(shù)和應(yīng)用中，人

10、們不得不面對(duì)諸如多信道處理、色散效應(yīng)、非線性效應(yīng)、電子瓶頸等技術(shù)難題，這些難題怎樣解決在很大程度上依賴于光電器件的發(fā)展和成熟。而在這諸多核心光電子器件的研制中，光濾波技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)逐步滲透到了各個(gè)環(huán)節(jié)。光梳狀濾波器具有獨(dú)特的周期性幅度濾波或相位濾波性能，因而在光通信和微波信號(hào)處理領(lǐng)域倍受關(guān)注。而且光纖光柵型濾波器具有尺寸小、性價(jià)比高、易與光纖系統(tǒng)融合等特點(diǎn)。因此光纖光柵的出現(xiàn)和制作技術(shù)的成熟給光通信和光電信號(hào)處理領(lǐng)域帶來了一次里程碑式的飛躍，幾乎每一個(gè)環(huán)節(jié)都出現(xiàn)了它的身影。在光纖光柵族里，取樣光纖光柵又叫超結(jié)構(gòu)光纖光柵(superstructure fiber bragg grating

11、，簡(jiǎn)寫為sfbg)，是一種新型的光纖光柵，因其特殊的濾波特性、嚴(yán)格的波長(zhǎng)間隔以及結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成和低成本等特點(diǎn)，已引起了眾多學(xué)者廣泛的研究興趣，用取樣光纖光柵構(gòu)成的新型光子學(xué)器件在wdm光纖通信網(wǎng)中有著很好的應(yīng)用潛力。與光纖布拉格光柵不同，取樣光纖光柵折射率調(diào)制不是連續(xù)的而是周期性間斷的，相當(dāng)于在布拉格光柵的折射率正弦調(diào)制上加了一個(gè)方波型包絡(luò)函數(shù)。由于取樣光纖光柵特殊的濾波特性、嚴(yán)格的波長(zhǎng)間隔等特點(diǎn)，所以取樣光纖光柵可以作為一種新型的濾波器。本文旨在對(duì)取樣光柵的理論及取樣光柵濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)用做一些探討和研究。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì)后半葉至今的幾十年里，光纖通信及光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展極

12、大地推動(dòng)了社會(huì)信息化的進(jìn)程。而近年來，一種可以在光纖中制作光柵的新技術(shù)引起了人們的極大興趣，光纖光柵技術(shù)的出現(xiàn)是光纖通信領(lǐng)域繼光纖放大器之后的又一個(gè)重大事件。光纖光柵的研究最初主要集中在光纖布拉格光(fiber bragg grating)。自從hill等人在1978年首次利用駐波法在摻鍺光纖中研制出光纖布拉格光柵以來，對(duì)光纖光柵的研究和應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。該方法寫入的光纖光柵的反射率高，反射帶寬小，但是由于需要特制的摻鍺光纖，且要求摻鍺量高，芯徑小，因此其實(shí)用性受到限制。1988年美國(guó)maltz等人提出用兩束相干的紫外光形成的干涉條紋側(cè)面曝光氫載光纖寫入光纖布拉格光柵的橫向全息成柵技術(shù)，這

13、種方法與hill提出的駐波寫入法相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步。但是，這種寫入方法對(duì)光源和周圍環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高，并且對(duì)光源的相干長(zhǎng)度要求很嚴(yán)格，因此使用起來也比較困難。1993年，hill等人又提出紫外光垂直照射相位掩模板形成的衍射條紋曝光氫載光纖寫入光纖布拉格光柵的相位掩模法，這使得光纖光柵真正走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。相位掩模法是目前為止最成熟的光纖布拉格光柵寫入方法，該方法降低了寫入裝置的復(fù)雜程度，簡(jiǎn)化了光纖光柵的寫入過程，而且對(duì)周圍環(huán)境的要求大大降低，這使得大規(guī)模批量生產(chǎn)光纖光柵成為可能，極大地推動(dòng)了光纖光柵的發(fā)展及其在光纖通信和傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。自從hill等人首次研制出光纖布拉格光柵以來，無

14、論是光纖光柵寫入技術(shù)、理論研究還是應(yīng)用都獲得了飛速發(fā)展。布拉格光纖光柵可以將光功率從光纖中前向傳輸?shù)膶?dǎo)模耦合到反向傳輸?shù)膶?dǎo)?；蜉椛淠?，具有很好的選頻作用，在濾波、光纖色散補(bǔ)償及波分復(fù)用等方面有重要應(yīng)用。在光纖布拉格光柵和長(zhǎng)周期光柵的基礎(chǔ)上，人們已先后研制出一些具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵，如啁啾光纖光柵、高斯光纖光柵、取樣光纖光柵、相移光纖光柵、傾斜光纖光柵等。2003年，hongpu li等人提出只對(duì)光柵區(qū)域折射率調(diào)制函數(shù)的相位進(jìn)行周期取樣而折射率調(diào)制強(qiáng)度在整個(gè)光柵上均不發(fā)生變化即可獲得良好多波長(zhǎng)光譜特性的相位取樣光纖光柵技術(shù)。純相位取樣光柵非常適合于大通道數(shù)光纖光柵濾波技術(shù)以及多信道色散補(bǔ)償技術(shù)

15、。由于取樣光纖光柵良好的多波長(zhǎng)濾波特性，它在密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和多波長(zhǎng)激光技術(shù)等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用前景。近年來，對(duì)取樣光纖光柵光學(xué)特性、制作技術(shù)及各種應(yīng)用的研究引起了人們極大的興趣，成為光纖光柵技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)新的亮點(diǎn)。1.3 幾種常見的光纖濾波器1.3.1 光纖布拉格光柵濾波器由于光纖布喇格光柵具有中心反射波長(zhǎng)可以精密控制、反射帶寬可以任意選擇且可以做得很小、反射率幾乎可達(dá)100%、與普通光纖連接簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),用光纖布喇格光柵做濾波器, 可以對(duì)光纖透射頻譜中的任一波長(zhǎng)進(jìn)行窄帶濾出。器件的性能由光纖布喇格光柵光譜特性決定?；诓祭窆庾V特性, 可以構(gòu)成窄帶帶阻、寬帶帶阻、寬帶帶通等不

16、同濾波器。1.3.2 相移長(zhǎng)周期光纖光柵濾波器 長(zhǎng)周期光纖光柵是一類特殊的光纖光柵,它的周期相對(duì)較長(zhǎng), 滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)膶?dǎo)模和包層模。這一特點(diǎn)導(dǎo)致長(zhǎng)周期光纖光柵在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域有著許多布喇格光纖光柵及其他光器件所不能替代的優(yōu)勢(shì)和重要應(yīng)用, 也極大地推進(jìn)了它的理論研究。隨著長(zhǎng)周期光纖光柵制作技術(shù)的日益成熟, 已有可能制作出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵濾波器件。而且作為一種帶阻濾波的傳輸型全光纖器件, 其后向反射極小, 有獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 完全可以將其應(yīng)用到波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的光分插復(fù)用器或光交叉互聯(lián)單元等關(guān)鍵器件中作為濾波、波長(zhǎng)路由單元。1.3.3 啁啾(chirpe

17、d)光柵寬帶濾波器 chirped 光柵有帶寬較寬, 色散補(bǔ)償率高等特點(diǎn)。但大的色散同寬帶寬是矛盾的, 所以需要綜合考慮。另外, chirped 光柵的反射譜具有被動(dòng)性, 這種波動(dòng)性的產(chǎn)生原因與均勻光柵的一樣, 也不利于應(yīng)用。適當(dāng)?shù)匦拚凵渎史植? 即使光纖光柵兩端折射率調(diào)制度逐步遞減, 可改善這種波動(dòng)性。chirped光柵的獨(dú)特點(diǎn)使它成為研究的熱點(diǎn)。1.3.4 光纖光柵梳狀濾波器 梳狀濾波器是指具有相同間隔，多個(gè)性能相同的透射光譜或反射光譜的濾波器，它是基于取樣光纖光柵(sampled fiber gratings)的光譜特性制作而成的，取樣光纖光柵可以采用振幅掩模板與位相掩模板疊加的方法寫

18、制，通過改變振幅掩模板的周期pa+b(a為每一段布拉格光柵曝光長(zhǎng)度，b為每一段布拉格光柵非曝光長(zhǎng)度)，占空比，即取樣率為t=ap，及光纖光柵總長(zhǎng)度l等參數(shù)，來改變?nèi)庸鈻殴庾V特性。梳狀濾波器具有反射率高、反射峰均勻、反射峰間隔(對(duì)應(yīng)光波分復(fù)用的波道間隔)穩(wěn)定及譜寬窄等優(yōu)點(diǎn)。這種濾波器可用作密集型波分復(fù)用系統(tǒng)中多波長(zhǎng)輸出激光器的反饋諧振腔，上下載復(fù)用器(adm)，光放大器中的抑制噪聲，它的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。1.4 光柵的取樣方案sfbg中的取樣方案大致可歸為幅度取樣、啁啾效應(yīng)和相位取樣三種類型。1.4.1 幅度取樣方案幅度取樣方案是最簡(jiǎn)單、最直接的取樣方案，從數(shù)學(xué)形式上可理解為種子光柵與周期性

19、矩形函數(shù)的乘積結(jié)果。1993年，v jayaraman等人借助幅度取樣方案在半導(dǎo)體激光器中選取縱模模式，這便是幅度取樣型sfbg的雛形。由于矩形函數(shù)對(duì)應(yīng)的fourier變換在頻域?yàn)閟inc函數(shù)，因此sfbg中濾波通道的反射功率服從sinc函數(shù)分布，其信道之間的功率均勻度欠佳。1994年，bjeggleton等人將幅度取樣方案移植到光纖光柵中，并首次制作出40 mm長(zhǎng)的sfbg。隨后，國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和高等院校也逐步開展了相關(guān)的理論研究和應(yīng)用研究。1.4.2 啁啾效應(yīng)如果在光柵周期中引入啁啾效應(yīng)或在取樣函數(shù)中引入啁啾效應(yīng)，sfbg在信道間隔、信道帶寬、信道帶內(nèi)色散及色散斜率等方面會(huì)顯現(xiàn)出奇異性能。

20、在光柵周期啁啾方面，toronto大學(xué)、mcgill大學(xué)和laval大學(xué)的研究人員基于空間、時(shí)域talbot效應(yīng)的類比提出了在sfbg中以單啁啾結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)頻域talbot效應(yīng)，并對(duì)此頻域talbot效應(yīng)做了詳細(xì)的理論解釋和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此方案的特點(diǎn)是在保持取樣周期長(zhǎng)度不變的前提下，濾波信道數(shù)目成倍增長(zhǎng)，衍射效率得以提高。只要滿足一定的相位條件，線性啁啾、非線性啁啾、周期性啁啾結(jié)構(gòu)都可以在sfbg中構(gòu)建出頻域talbot效應(yīng)。在取樣周期啁啾方面，清華大學(xué)課題組的研究工作最為出色。取樣周期啁啾的引入導(dǎo)致各濾波信道具有不同的色散補(bǔ)償值，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的色散補(bǔ)償、多信道色散斜率補(bǔ)償。同時(shí)，取樣周期啁啾為各信

21、道引入了不同的相位分布，因而它在等效相位的構(gòu)造、相移光柵、光碼分多址(ocdma)等應(yīng)用領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用。取樣長(zhǎng)度中存在啁啾效應(yīng)時(shí)，sfbg的0-階濾波信道基本不受影響，而其它階次濾波信道的中心波長(zhǎng)將會(huì)漂移、濾波帶寬會(huì)增大。到目前為止，對(duì)于取樣長(zhǎng)度啁啾的研究還有待于進(jìn)一步深入。1.4.3 相位取樣方案相位取樣技術(shù)或相移技術(shù)是另一大類取樣方案。同樣在1993年，h.ishii等人在分布bragg反射式(dbr)激光器中設(shè)計(jì)了多相移的超結(jié)構(gòu)光柵組合，即相位取樣光纖光柵的原型。隨后，研究人員在sfbg中提出了二元相位取樣和多元相位取樣方案：前者關(guān)注如何選擇過渡點(diǎn)，后者則關(guān)注如何選取相位值。但它們的

22、設(shè)計(jì)過程幾乎一致：基于優(yōu)化算法，選取最優(yōu)的相位分布以實(shí)現(xiàn)最佳信道均勻度和衍射效率。相位取樣技術(shù)在色散補(bǔ)償和色散斜率補(bǔ)償方面應(yīng)用廣泛，hlee、g pagrawal課題組和hli、y sheng、jerothenberg等課題組在這方面做了大量的研究工作。相移技術(shù)有主有要簡(jiǎn)單相移技術(shù)、多相移技術(shù)和子光柵相對(duì)相移技術(shù)。簡(jiǎn)單相移技術(shù)是在需要改變相位的地方插入一定的相位值。比如sinc型折射率調(diào)制的實(shí)現(xiàn)就需要-相移的輔助，從而獲得了良好的濾波均勻度。多相移技術(shù)(mps)是日本ntt的研究組率先報(bào)道的研究結(jié)果：在取樣周期之間按一定的規(guī)律插入2/m的相移器,sfbg的信道間隔就降低為原來的1/m(m1),

23、此時(shí)的衍射效率可與相位取樣技術(shù)相當(dāng)。多相移技術(shù)和光柵周期啁啾存在著相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系：離散型多相移技術(shù)可等效視為一種連續(xù)型光柵周期啁啾，連續(xù)型光柵周期啁啾也可等效視為一種離散型多相移技術(shù)。因此，多相移技術(shù)和光柵周期啁啾可以單獨(dú)的形式或組合的形式來構(gòu)造頻域talbot效應(yīng)，基于光柵周期啁啾構(gòu)建的talbot效應(yīng)在自由頻譜區(qū)(fsr)的調(diào)諧方面更顯優(yōu)勢(shì)；多相移技術(shù)和光柵周期啁啾結(jié)合起來可以構(gòu)造多信道濾波器和多信道色散補(bǔ)償器。此外，子光柵相對(duì)相移技術(shù)也是為解決衍射效率問題(相當(dāng)于最大調(diào)制折射率)而提出的，使光柵的衍射效率盡可能接近理論預(yù)測(cè)的極限；因其所需的相移值既非定值也不是按一定規(guī)律分布，需要結(jié)合啟發(fā)

24、式算法、優(yōu)化算法進(jìn)行搜索。sfbg取樣方案研究的另一分支是光柵合成(從特定的濾波響應(yīng)到所需的折射率分布)。j.skaar的相關(guān)工作和hli、y. sheng課題組等以剝層算法來還原光纖光柵的折射率幅度和相位調(diào)制，該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的濾波響應(yīng)即為所要求的幅度或時(shí)延響應(yīng)。1.5 論文的主要內(nèi)容和目的1.5.1 論文的主要內(nèi)容本論文對(duì)光纖光柵的特性進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)取樣光纖光柵濾波器的設(shè)計(jì)以及emd消噪。論文主要包括以下幾部分內(nèi)容：第1章介紹本論文的課題背景，光纖光柵的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、以及幾種光纖光柵取樣方案。第2章對(duì)取樣光纖光柵的基本理論知識(shí)包括光柵的結(jié)構(gòu)、光柵的光譜特性和光柵分類等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。采

25、用耦合模理論并運(yùn)用傳輸矩陣法解方程組，得到取樣光纖光柵的基本理論公式。在理論上分析了影響取樣光纖光柵光譜特性的關(guān)鍵因素。第3章對(duì)均勻取樣光纖光柵反射譜特性進(jìn)行了分析。并利用軟件matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)影響取樣光纖光柵光譜的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了具體分析，設(shè)計(jì)了梳狀濾波器。第4章為了優(yōu)化取樣光柵梳狀濾波器設(shè)計(jì)，提出了利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波分析和降噪處理的方法。該方法是將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到的固有模態(tài)函數(shù)，分為信號(hào)分量起主導(dǎo)作用模態(tài)與噪音分量起主導(dǎo)作用模態(tài)，去除噪音分量起主導(dǎo)作用模態(tài)，并利用反映信號(hào)主要結(jié)構(gòu)的模態(tài)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)實(shí)現(xiàn)去噪。1.5.2 論文的主要目的近年來，光纖光柵已越

26、來越引起人們的重視。通常人們熟知的光纖光柵都有嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)，而把不具有此性質(zhì)的另一類光纖光柵稱之為非均勻的近似周期性光柵，而取樣光纖光柵是一種重要的非均勻周期光柵，近年來取樣光纖光柵的制作和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，逐漸成為光纖光柵研究領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)。它在光纖通信以及其它光纖技術(shù)領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用潛力。由于取樣光纖光柵出現(xiàn)的時(shí)間還比較短，這方面的理論研究還很有限，目前對(duì)取樣光纖光柵的研究仍在探索期。因而，對(duì)取樣光纖光柵的工作原理和工作特性進(jìn)行理論分析有利于今后我們更好的認(rèn)識(shí)和利用該器件。本論文分析了取樣光纖光柵的獨(dú)特反射譜特性，通過調(diào)整取樣光纖光柵各參數(shù)諸如：光柵長(zhǎng)度、折射率平均變化量、光柵

27、周期、折射率等，我們可獲得理想的反射譜特性。通過matlab仿真實(shí)驗(yàn)，得出取樣光纖光柵具有極好的波長(zhǎng)選擇性，在它的傳輸譜圖中可得到精細(xì)的阻帶、通帶相間排列的譜特性，通道多且通道間隔穩(wěn)定，帶通窄，在光信號(hào)處理中有重要應(yīng)用。這些特性對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)者很有吸引力。取樣光纖光柵因其獨(dú)特的濾波特性，嚴(yán)格的波長(zhǎng)間隔結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成和低成本等特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出所需要的不同波長(zhǎng)間隔的濾波器。在具體設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)綜合考慮多方面因素，掌握光柵各參數(shù)變化對(duì)取樣光柵反射譜特性影響的規(guī)律對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)具體實(shí)用的取樣光柵濾波器有一定的指導(dǎo)意義。45 第2章 取樣光纖光柵的基本理論 第2章 取樣光纖光柵的基本理論2.1 引言取樣

28、光纖光柵具有多通道濾波、微細(xì)結(jié)構(gòu)、靈活方便、與光纖兼容性好、插入損耗低、波長(zhǎng)選擇性好等特點(diǎn)，因而受到廣泛的重視，目前已成為實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)制的一種新型無源器件。在光纖光柵族里，取樣光纖光柵又叫超結(jié)構(gòu)光纖光柵(superstructure fiber bragg grating，簡(jiǎn)寫為sfbg)，是一種新型的光纖光柵，因其特殊的濾波特性、嚴(yán)格的波長(zhǎng)間隔以及結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成和低成本等特點(diǎn)，已引起了眾多學(xué)者廣泛的研究興趣，用取樣光纖光柵構(gòu)成的新型光子學(xué)器件在wdm光纖通信網(wǎng)中有著很好的應(yīng)用潛力。與光纖布拉格光柵不同，取樣光纖光柵折射率調(diào)制不是連續(xù)的而是周期性間斷的，相當(dāng)于在布拉格光柵的折射率正弦調(diào)制上加

29、了一個(gè)方波型包絡(luò)函數(shù)。由于取樣光纖光柵特殊的濾波特性、嚴(yán)格的波長(zhǎng)間隔等特點(diǎn)，所以取樣光纖光柵可以作為一種新型的濾波器。2.2 取樣光纖光柵的理論分析2.2.1 光纖光柵的光學(xué)特性光纖光柵是一種參數(shù)周期性(或非周期)變化的光波導(dǎo)，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個(gè)光纖模式的功率部分或完全地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖模式中去來改變?nèi)肷涔獾念l譜。在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模既可被耦合到后向傳輸模也可被耦合到前向傳輸模中，這依賴于由光柵及不同傳輸常數(shù)決定的相位條件，即，式中是由模式1耦合到模式2所需的光柵周期，、分別為模式1和模式2的傳輸常數(shù)。為了將一個(gè)前向傳輸模耦合到一個(gè)

30、后向傳輸基模，需要滿足的條件是，式中為單模光纖中傳輸模式的傳輸常數(shù)。這種情況下所得到的光柵周期較小，稱（1um）為短周期光柵，也叫布拉格(bragg)光柵。其基本特征表現(xiàn)為一個(gè)反射式光學(xué)濾波器，反射峰值波長(zhǎng)稱為bragg波長(zhǎng)，滿足，這里為光纖模式的有效折射率，根據(jù)需要可以做成帶寬從0.01nm到幾十nm的反射式濾波器。另一種情況是前向傳輸?shù)膶?dǎo)模與前向包層?；蚱渌跋?qū)Ｖg的耦合，此時(shí)與同號(hào)，因此較大，這樣所得到的光柵稱為長(zhǎng)周期光纖光柵（lpg）， 一般為數(shù)百um。lpg具有無后向反射的特點(diǎn)，其基本特征表現(xiàn)為一個(gè)帶阻濾波器，阻帶寬度一般為十幾到幾十nm。本文所討論的光纖光柵均為布拉格光柵。光纖

31、光柵型器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小、與光纖耦合損耗低、應(yīng)用靈活、寫入方便等一系列優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中，特別是在密集波分復(fù)用( dwdm)光網(wǎng)絡(luò)中幾乎每一個(gè)重要環(huán)節(jié)都可見到光纖光柵的應(yīng)用。2.2.2 光纖光柵的分類根據(jù)光柵的波矢方向、折射率分布等不同將光纖光柵進(jìn)行分類，其中fbg、傾斜光纖光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵、啁啾光纖光柵是比較常用的光纖光柵等，下面分別介紹各種光纖光柵。(1)光纖bragg光柵 光纖bragg光柵為最簡(jiǎn)單的光纖光柵，其波失方向平行于光柵軸向，光柵周期為固定值，折射率分布如圖2-1(a)。其模式耦合發(fā)生在前向傳輸纖芯模與后向傳輸纖芯模之間，波長(zhǎng)滿足相位

32、匹配條件的光反射回來，形成反射光，而其他波長(zhǎng)的光透射出去，形成透射光。利用這一特性，fbg廣泛應(yīng)用在光纖傳感和光通信中。(2)傾斜光纖光柵 傾斜光纖光柵結(jié)構(gòu)如圖2-1(b)所示，其波失方向與光柵軸向成一夾角，其模式耦合包括前向傳輸芯區(qū)模與后向傳輸芯區(qū)模耦合以及芯區(qū)模式與包層模的耦合。近幾年，一些學(xué)者針對(duì)不同傾斜角度的光柵進(jìn)行光譜分析，利用其模式耦合進(jìn)行光柵解調(diào)研究。(3)長(zhǎng)周期光纖光柵 長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率分布如圖2-1(c)，一般其光柵周期大100，為透射型光柵，其同向傳輸?shù)哪Ｊ街g產(chǎn)生諧振耦合。很多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)周期光柵進(jìn)行深入的研究，利用其對(duì)溫度、應(yīng)變的敏感性制成傳感元件。 (4)啁啾光纖光

33、柵 啁啾光纖光柵的折射率分布如圖2-1(d)所示，啁啾光柵的折射率分布是非周期性的，不同的柵格周期其反射波長(zhǎng)不同，因此其反射譜較寬。線性啁啾光柵不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的時(shí)延特性，波長(zhǎng)與時(shí)延呈近似線性關(guān)系，利用該特性可以作為波長(zhǎng)敏感元件，用于光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。上面介紹了四種基本的光纖光柵，還有很多種光纖光柵，如相移光纖光柵、變跡光纖光柵、超結(jié)構(gòu)光纖光柵、摩爾光纖光柵等，這些光纖光柵是由基本光纖光柵派生出來的。 (a) (b) (c) (d) 圖2-1 各類光纖光柵的結(jié)構(gòu)圖或折射率分布圖2.2.3 取樣光纖光柵的結(jié)構(gòu)及折射率分布取樣光纖布拉格光柵是對(duì)均勻光纖布拉格光柵按照一定的規(guī)律在空間上進(jìn)行采樣，其結(jié)

34、構(gòu)分布圖如圖2-2所示。取樣函數(shù)是周期為p，采樣率的矩形函數(shù)，a為取樣長(zhǎng)度。為簡(jiǎn)便起見，本文以下討論均假設(shè)整個(gè)光柵為理想均勻曝光光柵，即整個(gè)光柵內(nèi)各個(gè)周期單元具有全同特性。圖2-2 取樣光柵結(jié)構(gòu)分布圖取樣光柵光誘導(dǎo)折射率變化隨坐標(biāo)z變化的關(guān)系如圖2-3所示。其中橫坐標(biāo)為z，縱坐標(biāo)為光誘導(dǎo)折射率變化。從其光誘導(dǎo)折射率變圖2-3 取樣光柵的折射率分布化特點(diǎn)可知取樣光柵是由許多小段光柵構(gòu)成，光誘導(dǎo)折射率變化區(qū)域不連續(xù)，如果這種不連續(xù)區(qū)域的出現(xiàn)有一定周期性就是文中所討論的取樣光柵。2.2.4 光纖光柵的制作2.2.4.1 外寫入法 g. meltz等人發(fā)明了光纖bragg光柵橫向側(cè)面曝光的外寫入法，光

35、源是244nm的倍頻準(zhǔn)分子泵浦染料激光器，在寫入?yún)^(qū)形成空間干涉條紋，將光纖暴露在干涉條紋中，柵距周期為。其優(yōu)點(diǎn)是：(1) 外部寫入方式，可以在普通單模光纖的任意位置寫入，使光纖光柵在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。(2) 干涉條紋的周期由寫入光的波長(zhǎng)和干涉光束的夾角同時(shí)決定。這樣便可以用紫外光得到bragg共振波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光柵。缺點(diǎn)是對(duì)光源相干穩(wěn)定性要求較高，相干長(zhǎng)度要達(dá)到10cm，時(shí)間穩(wěn)定度要達(dá)到1-5分鐘，對(duì)光學(xué)鏡片組位置的穩(wěn)定性也要求很高。2.2.4.2 相位模板法 1993年，k.o. hill等人發(fā)明了相位掩模法(phase mask)，是讓248nm的準(zhǔn)分子脈沖紫外光垂直通過相位掩模，

36、照射與其緊貼的光纖，利用相位掩模最強(qiáng)的1級(jí)衍射光形成的干涉條紋，在光纖中生成bragg光柵。光纖光柵的bragg共振波長(zhǎng)等于相位掩模的周期與光纖的有效折射率的乘積。此方法的好處在于，它降低了對(duì)紫外光源相干性的要求，重復(fù)性好，適于大規(guī)模生產(chǎn)光纖光柵，是目前最廣泛使用的方法。通過調(diào)整入射透鏡的焦距及光纖與相位模板的距離，可以制作略微偏離相位模板對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光纖光柵。通過改變光纖與相位模板的夾角，可以制作啁啾光纖光柵。2.2.4.3 逐點(diǎn)寫入法 逐點(diǎn)寫入法采用定位精度達(dá)的步進(jìn)電機(jī)，每步一停，激光器發(fā)出一個(gè)光脈沖，通過一個(gè)狹縫對(duì)光纖逐點(diǎn)曝光。此法最顯著的優(yōu)點(diǎn)是：(1) 可以制作出任意啁啾函數(shù)的光柵和閃耀

37、光柵來。(2) 原則上可以制作任意長(zhǎng)度的光柵，但由于光纖的高分子聚合物包覆層對(duì)244-248nm的準(zhǔn)分子或倍頻ar離子激光透過率很低，為提高效率，寫光柵時(shí)需要將高分子包覆層去掉，降低了光纖強(qiáng)度，限制了允許的長(zhǎng)度。2.2.4.4 在線成柵法 剝離高分子聚合物包覆層后寫入的光纖光柵，即使寫入后再次涂敷上保護(hù)層，由于表面雜質(zhì)的污染，也使寫入處變得非常脆弱。為了克服這個(gè)困難，在短時(shí)間內(nèi)在同一根光纖上大量工業(yè)化生產(chǎn)，英國(guó)南安普頓大學(xué)的董亮等人提出了在線成柵法，采用248nm的krf準(zhǔn)分子激光器，在光纖拉制過程中對(duì)光纖逐點(diǎn)寫入形成光柵，適于大規(guī)模制作高反射率、窄線寬的光纖光柵。制作光柵的方法很多，還有光束

38、掃描等方法，在此不再闡述。這些方法大多數(shù)同樣也適用于取樣光柵的制作。2.3 取樣光纖光柵的三種分析方法2.3.1 傅里葉分析光纖布拉格光柵折射率分布函數(shù)f(x)的傅里葉變換表達(dá)式為： (2-1)式中表示空間頻率，即單位長(zhǎng)度上的周期數(shù)。根據(jù)光纖布拉格光柵波長(zhǎng)公式 (為周期,為有效折射率)可知，光柵中有沒有周期為的周期結(jié)構(gòu)存在決定波長(zhǎng)為的光能否被光柵反射回去。如果存在這種結(jié)構(gòu)，這里只要求出函數(shù)的傅里葉變換，就可以求得光纖光柵折射率分布函數(shù)的反射譜。矩形取樣光纖光柵的折射率分布示意圖如圖2-2所示。光柵長(zhǎng)度為l，x軸為光纖長(zhǎng)度方向，矩形取樣函數(shù)的周期為，a為取樣長(zhǎng)度，b為非曝光區(qū)長(zhǎng)度，即無光纖光柵的

39、長(zhǎng)度。取樣個(gè)數(shù)為。占空比即采樣率為。圖2-2 取樣光柵的折射率調(diào)制示意圖光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制函數(shù)表達(dá)式為 (2-2)式中 折射率調(diào)制深度光柵周期。矩形取樣函數(shù)s(x)表示如下 (2-3)取樣光柵的折射率分布函數(shù)是均勻周期光柵的折射率分布函數(shù)在矩形取樣函數(shù)s(x)下進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果，可以表示為 (2-4) 將公式(2-4)對(duì)做傅里葉變換，即可得到取樣光柵的離散傅里葉譜。(2-5)只考慮第3項(xiàng)得到取樣光柵的反射譜(2-6)公式(2-6)表示的是取樣光柵的反射譜。根據(jù)公式可知，與相乘，形成梳狀函數(shù)的包絡(luò)函數(shù)，相當(dāng)于梳狀函數(shù)被周期為的sinc函數(shù)調(diào)制。其中a為曝光區(qū)的長(zhǎng)度，它的大小影響反射譜的均勻

40、性，當(dāng)a越大，即越小時(shí)，取樣光柵反射譜的均勻性越差。梳狀函數(shù)的每個(gè)“齒”對(duì)應(yīng)每個(gè)反射波長(zhǎng)的位置，梳狀函數(shù)中的取樣周期p決定著反射波長(zhǎng)之間的間隔。又根據(jù)光纖光柵的布拉格方程可得間隔與取樣周期之間的關(guān)系為 (2-7)根據(jù)公式可知取樣周期與波長(zhǎng)間隔成反比關(guān)系。取樣周期越大，波長(zhǎng)間隔越小。根據(jù)公式(2-4)可知，函數(shù)與梳狀函數(shù)卷積，使得取樣光柵反射譜的形狀均變成sinc函數(shù)的形狀。各反射波長(zhǎng)的譜寬與中的光柵長(zhǎng)度l成反比，即l越大，反射譜譜寬越小，而且各個(gè)反射峰的兩邊均存在旁瓣。通過在取樣光柵上運(yùn)用變跡可去除一部分反射譜的旁瓣。也就是選擇合適的折射率調(diào)制函數(shù)，從而改變耦合系數(shù)k，將改為變跡函數(shù)，例如升余

41、弦函數(shù)或高斯函數(shù)如下式所示 (2-8)由于取樣函數(shù)源于矩形函數(shù)，得到的反射譜包絡(luò)為sinc函數(shù)，各波長(zhǎng)峰值反射率很不均勻，不利于應(yīng)用。采取的解決方法有采用sinc函數(shù)取樣，因?yàn)閟inc函數(shù)的傅里葉變換為矩形函數(shù)，sinc函數(shù)取樣的反射譜為矩形函數(shù)，這就使得各個(gè)峰值反射率趨于一致。但sinc函數(shù)取樣光柵制作起來有些困難。標(biāo)量理論是傅里葉變換法的基礎(chǔ)，所以每一周期成分的布拉格光柵并非只對(duì)布拉格波長(zhǎng)的光波進(jìn)行反射。2.3.2 耦合模理論耦合模法是光纖光柵的分析方法比較常見的一種分析方法。兩個(gè)普通光波導(dǎo)之間的耦合方程。其表達(dá)式如下式所示： (2-9) (2-10)式中 與幅度系數(shù)與耦合系數(shù)公式(2-5

42、2)表示成常見的耦合波方程形式，令： (2-11) (2-12)其中，與模式耦合引起的電磁波方向的幅度變化。 在理想的波導(dǎo)中，模式間沒有能量交換且相互正交。擾動(dòng)的存在引起了模式間的耦合，利用(2-11)與(2-12)，則公式(2-9) 和(2-10)可改寫為： (2-13) (2-14)耦合模理論是計(jì)算反射率和光纖光柵頻譜特性的一種有效的方法，在沒有光柵擾動(dòng)的理想波導(dǎo)中，可以將電場(chǎng)的橫向分量寫成如下形式： (2-15)式中 模式階數(shù)和階模沿和方向的幅度緩變量。橫向模式場(chǎng)描述了束縛纖芯模，輻射模，或是包層模。階模的幅度和沿方向的變化情況如下式所示： (2-16) (2-17)在公式(2-16)和

43、(2-17)中，是階模與階模間的耦合系數(shù)，其值為： (2-18)這里是介電常數(shù)的擾動(dòng)，此時(shí)。徑向耦合系數(shù)與相似，而一般情況下，徑向耦合系數(shù)常常可以忽略。在絕大多數(shù)的光纖布拉格光柵中，折射率分布在纖芯內(nèi)近似為常數(shù)，而在纖芯外不能近似為常數(shù)。纖芯折射率分布表達(dá)式如下 (2-19)式中 纖芯的直流折射率分布系數(shù)折射率邊緣可見度光柵的周期光纖光柵的啁啾(chirp)。下面定義兩種新的系數(shù)： (2-20) (2-21)式中 直流耦合系數(shù)交流耦合系數(shù)。這樣，總的耦合系數(shù)就可以表示為： (2-22)利用上述耦合方程，可以對(duì)光纖光柵的耦合特性進(jìn)行分析。根據(jù)耦合模理論，折射率微擾的每一個(gè)傅里葉分量均將引起光纖光

44、柵反射譜中一個(gè)反射峰。取樣光纖布拉格光柵的耦合系數(shù)表達(dá)式為(2-23)式中 m第m級(jí)傅里葉分量k光纖布拉格光柵的耦合系數(shù)耦合系數(shù)是一個(gè)周期函數(shù)，光纖光柵引起的前向波和后向波之間耦合的強(qiáng)弱由耦合系數(shù)來描述，其值與折射率調(diào)制深度有關(guān)其公式為，式中 光纖特性常數(shù)。反射系數(shù)可表示為 (2-24)2.3.3 傳輸矩陣法光纖光柵是基于光纖的光敏特性制成的，是利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接做在光纖上形成的。假定形成光柵的結(jié)果僅是對(duì)研究的光纖導(dǎo)模有效折射率的一種微擾，于是有 (2-25)式中 光柵周期內(nèi)空間平均的折射率變化v折射率變化的條紋可見度平均光柵周期光柵的啁啾依照耦合模理論，經(jīng)過矩形函數(shù)采

45、樣的光柵曝光區(qū)折射率分布表達(dá)式為 (2-26) 對(duì)于取樣光纖光柵，模式耦合發(fā)生在前向傳輸模與后向傳輸模之間。設(shè)和分別為前向傳輸模和后向傳輸模的復(fù)振幅。利用耦合模理論及邊界條件，可以得到均勻取樣光纖光柵的輸入和輸出關(guān)系表達(dá)式為 (2-27)式中f為二維傳輸矩陣。對(duì)于均勻取樣光纖光柵，整個(gè)光纖光柵可以看成是在多個(gè)等長(zhǎng)度布拉格光柵間引入多個(gè)非曝光區(qū)，光柵所分段數(shù)由實(shí)際光柵長(zhǎng)度及采樣率決定。下式中， ， 為布拉格中心波長(zhǎng)，為光柵中心周期。 (2-28)非曝光區(qū)的傳輸矩陣表達(dá)式為 (2-29)式中 ，為兩光柵間的非曝光區(qū)的長(zhǎng)度。輸入與輸出之間關(guān)系為 (2-30)式中 為最終傳輸矩陣，其中當(dāng)i為奇數(shù)時(shí)代表

46、均勻矩陣元，當(dāng)i為偶數(shù)時(shí)代表非曝光區(qū)矩元。同樣利用邊界條件，可得到反射系數(shù)表達(dá)式 (2-31)其中、分別為最終傳輸矩陣中第一列的元素2.4 取樣光柵的應(yīng)用2.4.1 取樣光柵多波長(zhǎng)激光器為避免傳輸中嚴(yán)重的信道間串?dāng)_，dwdm需要激光光源的譜寬窄到埃的量級(jí)，即單頻激光管：并且要求激光器的工作波長(zhǎng)極為穩(wěn)定，頻率漂移范圍不超過幾mhz；還要求激光器的工作波長(zhǎng)可連續(xù)調(diào)諧。此時(shí)，普通的半導(dǎo)體激光器不能滿足要求，利用光纖布拉格光柵優(yōu)異的選頻特性和工作波長(zhǎng)的穩(wěn)定性，可以制成光纖激光器，它具有較高的輸出光功率，單模輸出功率可達(dá)10毫瓦以上，小于2.5khz的線寬，還具有較低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲和較寬的調(diào)諧范圍，其調(diào)

47、諧范圍可達(dá)50 nm。目前的dwdm系統(tǒng)普遍己經(jīng)達(dá)到32路，甚至40路波長(zhǎng)波分復(fù)用，若在這種情形下使用固定波長(zhǎng)的激光源，則40個(gè)波長(zhǎng)就要搭配40個(gè)激光源，再加上每個(gè)波長(zhǎng)都要準(zhǔn)備3至5個(gè)備品，將形成龐大的成本負(fù)擔(dān)，對(duì)于系統(tǒng)的可靠度也是挑戰(zhàn)。如果采用可調(diào)式激光源，就可以1顆激光器取代多個(gè)固定波長(zhǎng)之激光，同時(shí)備品總共也只需要3至5顆即可，大大的降低了系統(tǒng)成本。對(duì)應(yīng)用于dwdm系統(tǒng)光源的要求是發(fā)光波長(zhǎng)必須精確、穩(wěn)定、可靠、成本低、便于集成、并有與之配套的波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定技術(shù)。目前，已開發(fā)了多波長(zhǎng)光源、分布反饋型激光器等波長(zhǎng)可調(diào)半導(dǎo)體激光器以及多波長(zhǎng)光纖環(huán)形激光器等。下面分別討論由一般光纖光柵和取樣光柵構(gòu)

48、成的多波長(zhǎng)激光器。一般光纖光柵激光器因?yàn)榫哂信c光纖耦合好、容易集成、線寬窄、波長(zhǎng)選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，取代了半導(dǎo)體激光器，在wdm傳輸系統(tǒng)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)激光器的多波長(zhǎng)激射，對(duì)于一般光纖光柵我們采用級(jí)聯(lián)光柵的方法，每對(duì)光柵(如fbg11與fbg12為一對(duì)光柵)為同一bragg波長(zhǎng)，它們與其間的摻鉺光纖構(gòu)成一個(gè)分布bragg反射(dbr)激光器，dbr激光器是由光纖光柵和摻鉺光纖構(gòu)成激光器諧振腔，由于光纖光柵的選頻作用，激光器的激射波長(zhǎng)將被穩(wěn)定在光纖光柵的 bragg波長(zhǎng)上。兩個(gè)或多個(gè)dbr激光器串聯(lián)，每個(gè)dbr激光器確定一個(gè)波長(zhǎng)，可分別進(jìn)行調(diào)諧。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：需要多段摻鉺光纖和多對(duì)br

49、aggs波長(zhǎng)不同的光柵來構(gòu)成多個(gè)諧振腔以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激射，這樣形成的激光器尺寸過大。一般的光纖光柵在被用于激光器的外腔調(diào)節(jié)、光的復(fù)用和解復(fù)用以及光的色散補(bǔ)償?shù)绕骷r(shí)，若所須處理的波長(zhǎng)數(shù)較多，它必須采用級(jí)聯(lián)方式工作。它的級(jí)聯(lián)不僅使器件的體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高昂，而且使光波損耗增大，信號(hào)處理困難。但用取樣光柵就可克服這樣的缺點(diǎn)，因其具有多個(gè)周期的反射峰，且通道間隔穩(wěn)定，帶通窄，只需用一對(duì)具有梳狀濾波器特性的取樣光柵就可構(gòu)成多個(gè)波長(zhǎng)輸出的激光器。泵浦光經(jīng)過取樣光柵耦合進(jìn)摻鉺光纖，由摻鉺光纖提供光增益，在光纖中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激發(fā)射光，經(jīng)過多通道的取樣光柵獲得多波長(zhǎng)的激光輸出。還有一種分布反饋(

50、dfb)激光器是利用直接在稀土摻雜光纖上寫入光柵，構(gòu)成有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體的光纖激光器。若用一般的光纖光柵構(gòu)成諧振腔，也需級(jí)聯(lián)多個(gè)單頻工作的dfb一般光纖光柵激光器方可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸出，但若在稀土摻雜光纖上寫入取樣光柵，用其構(gòu)成的dfb激光器不需級(jí)聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸出。取樣光柵激光器避免了一般光纖光柵與摻鉺光纖之間的多次熔接損耗，利用取樣光柵作反饋諧振腔構(gòu)成的這種多波長(zhǎng)輸出的激光器是一種非常適合于密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)中的理想的標(biāo)準(zhǔn)通道光源。2.4.2 取樣光柵波分復(fù)用/解復(fù)用器dwdm的基本原理是：在同一根光纖上傳輸多個(gè)不同的光載波，每個(gè)光載波攜帶各自的信息，每個(gè)波長(zhǎng)相互間有一定的間隔(itu

51、-t建議波長(zhǎng)間隔有3.2nm，1.6nm，0.8nm，0.4nm等，這樣不同波長(zhǎng)的光信號(hào)便可避免引起路際干擾)，在發(fā)送端復(fù)用器把不同波長(zhǎng)合在一起，送入一根光纖進(jìn)行傳輸；在接收端再用解復(fù)用器將這些不同波長(zhǎng)承載不同信號(hào)的光載波分開的復(fù)用方式，實(shí)現(xiàn)高速率大容量的有效傳輸。只要復(fù)用器和解復(fù)用器的性能設(shè)計(jì)得當(dāng)，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)便可不受干擾的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)一根光纖可傳多路光信號(hào)的目的。波分復(fù)用技術(shù)(wdm-wavelength division multiplexing)應(yīng)用有許多優(yōu)越性，譬如：利用wdm技術(shù)不需敷設(shè)新的光纖線路，可擴(kuò)大光纖通信容量，顯著降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用；wdm網(wǎng)絡(luò)可隨時(shí)升級(jí)擴(kuò)容，以滿足不

52、同用戶及未來新業(yè)務(wù)的要求；wdm通信網(wǎng)是一個(gè)協(xié)議透明、格式透明、調(diào)制方式透明的網(wǎng)絡(luò)，可以不斷地將現(xiàn)有的電網(wǎng)絡(luò)迭加到光網(wǎng)絡(luò)上；將wdm與摻鉺光纖放大器（edfa）組合，不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，而且還具有較高的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。不言而喻，wdm技術(shù)是克服電路限制、擴(kuò)展光纖通信帶寬以及在光纖通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)路由和信道重復(fù)使用的關(guān)鍵技術(shù)。在長(zhǎng)距離高速光纖通信系統(tǒng)中，波分復(fù)用有很大經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)榫€路的投資很大，采取波分復(fù)用技術(shù)相當(dāng)于成倍地增加光纖線路的傳輸容量，波分復(fù)用技術(shù)要求發(fā)展相關(guān)的光子器件，其中的關(guān)鍵器件之一是復(fù)用/解復(fù)用器，利用光纖光柵良好的濾波特性可以構(gòu)成。光纖光柵是近幾年正著力研究、探索其機(jī)理的

53、一種新型的全光纖器件，它利用了紫外激光誘導(dǎo)光纖纖芯折射率呈周期性變化的機(jī)理。當(dāng)折射率的周期性變化滿足布拉格光柵的條件時(shí)，相應(yīng)波長(zhǎng)的光就會(huì)產(chǎn)生全反射，而其余波長(zhǎng)的光會(huì)順利通過，相當(dāng)于一個(gè)帶阻濾波器。取樣光柵因其具有多個(gè)周期的反射峰，通道間隔穩(wěn)定、帶通窄，它相當(dāng)于一個(gè)光學(xué)梳狀濾波器。圖2-3 取樣光柵波分解復(fù)用器結(jié)構(gòu)圖基于mach-zehnder干涉儀的取樣光柵波分解復(fù)用器，圖2-3由在光纖mach-zehnder干涉儀的兩個(gè)臂上具有兩個(gè)完全相同的取樣光柵及兩個(gè)具有3db耦合率的耦合器組成，引入的紫外微調(diào)均衡器可以改變光纖纖芯的折射率，從而使兩干涉臂的長(zhǎng)度滿足oadm的工作條件。信號(hào)光從端口1輸入

54、，如果不是取樣光柵的反射波長(zhǎng)，那么信號(hào)光從端口1輸入后，將由第一個(gè)3db耦合器均勻的分開，通過兩個(gè)不同的光路到第二個(gè)3db耦合器，重新組合后從端口4輸出，這時(shí)仿佛取樣光柵并不存在；若取樣光柵的反射波長(zhǎng)為、，則由于取樣光柵的反射作用，其中波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于取樣光柵反射波長(zhǎng)(、)的信號(hào)波長(zhǎng)將在端口2出現(xiàn)，而其余的信號(hào)波長(zhǎng)在端口4輸出。由于波分復(fù)用/解復(fù)用器件的固有對(duì)稱性，見圖示2-4作為復(fù)用器，此時(shí)如果取樣光柵的反射一波長(zhǎng)仍為、，則波長(zhǎng)為、的光信號(hào)從端口3輸入，與從端口1輸入的已復(fù)用的其它波長(zhǎng)的光復(fù)用，從端口4輸出。如果要用一般的光纖光柵同時(shí)輸出或解復(fù)用多個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)，則在mach-lehnder干涉臂上放置具有不同共振頻率的成對(duì)光柵，這樣構(gòu)成的波分復(fù)用/解復(fù)用器不可避