光纖光柵在光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、光纖光柵在光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用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，并對其發(fā)展前景作出了展望。關(guān)鍵詞：光纖光柵全光網(wǎng)絡(luò)光纖無源器件前 言隨著信息業(yè)務(wù)量快速增長，語音、數(shù)據(jù)和圖像等業(yè)務(wù)綜合在一起傳輸， 從而對通信帶寬容量提出了更高要求。由于無線電頻譜和電纜帶寬非常有限，其極

2、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)的電傳送網(wǎng)難以適應(yīng)需要，這使得人們再次意識到要突破電信號處理速率“瓶頸”就必須引入光信號處理方法，包括光信號的直接處理（即避免光 電和電 光轉(zhuǎn)換，需要電信號時(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

3、地提高節(jié)點(diǎn)的吞吐容量，適應(yīng)未來高速寬帶通信的要求。全光通信網(wǎng)也是目前國際上發(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)都用光波來完成，中間無需任何光電光變換。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。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將產(chǎn)生反射，其余的波長透過光纖光柵

4、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)。光纖光柵的特點(diǎn)光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、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

5、十多年來的發(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源器件之一。光纖光柵的分類根據(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）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

6、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。長周期光柵：柵格周期遠(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，使得光柵對某一波長有更高的選擇度?？梢杂脕順?gòu)造多通道濾波器件。此外還有Tape

7、red光纖光柵，取樣光纖光柵、Tophat光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等。（2）根據(jù)光纖光柵的成柵機(jī)理來分可分為三種：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。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

8、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大于Bragg波長的光透射，波長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沖被纖芯石英強(qiáng)烈放大造成纖芯物理損傷的結(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。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)成的有源和無源光纖器件分別是：·有源器件：光纖激光器（光柵窄帶反射器用于DFB等結(jié)構(gòu)，

9、波長可調(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）·無源器件：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）波長變換器OTDM延時(shí)器OCDMA編碼器光纖光柵編碼器可見光纖光柵的應(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)帶來一場革命。下面就一些比較

10、典型的應(yīng)用做以分析。（1）光 源光纖光柵激光器產(chǎn)生的光信號更符合全光通信系統(tǒng)對光源的要求。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)體激光器的波長較難符合ITU-T建議的WDM波長標(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，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選擇出射光的波長。外腔光纖激光器一般有兩種結(jié)構(gòu)：一種是分布布拉格反射（DBR）光纖光柵激光器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，利用一段稀土摻鉺光纖（EDF）和一對均勻光纖光柵（Bragg波長相同）構(gòu)成諧振腔；另一種是分布反饋（DFB

11、）光纖光柵激光器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，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)小；抗電磁干擾；溫度膨脹系數(shù)較半導(dǎo)體激光器小；成本低等。（2）光纖放大器影響光纖通信向長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

12、耀光纖光柵后的光纖放大器增益譜平坦化。圖2 閃耀光纖光柵折射率分布原理圖（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，色散和非線性對系統(tǒng)傳輸能力的影響變得愈發(fā)顯著。經(jīng)過近年來的研究，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。圖3 啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償原理圖圖3是光纖光柵作為色散補(bǔ)償器的工作原理圖，光纖光柵被償色散的原理是：在啁啾（Chirp）光纖光柵不同反射點(diǎn)有不同的反射波長，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

13、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。（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，其余路波長直通合波器，另外可以有幾路本地波長信號輸入，與直通的信號復(fù)合在一起輸出（Add）。也就是說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。圖4 光分插復(fù)用器原理圖如圖4所示復(fù)用信號（1，2，n）從端口1輸入，光纖光柵的中心波長是2，波長為2的信號被光纖光柵反射，經(jīng)光環(huán)

14、行器從端口3輸出（下載），其余波長則無附加損耗地通過光纖光柵，與從端口4上載的2信號復(fù)合成新的復(fù)用信號，由端口2輸出，實(shí)現(xiàn)光的分插復(fù)用。 這種基于光纖光柵的OADM實(shí)現(xiàn)方案已經(jīng)是目前普遍采用的一種OADM結(jié)構(gòu)。（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。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)波長的信道，并在終端將不同的波長分別解出。由于全光網(wǎng)系統(tǒng)中波長之間的間隔很小，因此對復(fù)用/解復(fù)用設(shè)備提出了很高的要求。圖5 光纖光柵型波分

15、復(fù)用器原理圖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。如圖5所示，光纖光柵的中心波長分別為1，2，n。復(fù)用信號（1，2，n）經(jīng)過解復(fù)用器后，各個(gè)波長分別從不同的端口輸出，實(shí)現(xiàn)了光的解復(fù)用.（6）波長交換全光網(wǎng)絡(luò)為克服“電子瓶頸”，網(wǎng)絡(luò)路由方式也將采用波長路由方式，由于通信波長資源的有限性，使得全光波長變換技術(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。波長變換技術(shù)是把光信號從一個(gè)波長轉(zhuǎn)換為另一個(gè)波長的一種手段，它可以實(shí)現(xiàn)波長重用、波長路由、波長選擇開關(guān)和全光交換等功能。目前為

16、止，已經(jīng)報(bào)道了多種結(jié)構(gòu)和機(jī)制的波長轉(zhuǎn)換器，這些波長轉(zhuǎn)換器都各有特點(diǎn)和欠缺。圖6 基于光纖光柵的波長轉(zhuǎn)換器圖6所示為一種新近報(bào)道的基于光纖光柵的波長轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)BG-ECL是由光纖光柵和腔面增透的F-P（法布里-珀羅）腔激光器管芯所構(gòu)成的外腔激光器。這種波長轉(zhuǎn)換器的工作波長由光纖光柵的反射譜峰值波長（0）決定，待轉(zhuǎn)換波長為1的光信號，工作機(jī)理是增益飽和效應(yīng)。從功率探測器（PD）端探測到的光譜可以看出，當(dāng)信號光（1）的注入引起激光器（0）波長輸出功率的下降，因而把輸入光信號轉(zhuǎn)移到 （0）波長上。這種基于光纖光柵的波長轉(zhuǎn)換器不經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和二次發(fā)光過程，具有對光信號速率和格式的透明性，且具有簡單、高效、可靠、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。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很長一段時(shí)