光纖光學(xué)-第六章課件

1、第六章 光纖無源及有源器件一、光器件：光通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ) 光無源器件不需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件種類：光纖連接器；光纖定向耦合器/分支器；光分插復(fù)用器(OADM)；光波分/密集波分復(fù)用器(WDM/DWDM)；光衰減；光濾波器；光纖隔離器、環(huán)行器；光偏振態(tài)控制器；光纖延遲線；光纖光柵 光有源器件需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件種類：半導(dǎo)體光源(LED,LD,DFB,QW,SQW,VCSEL)；半導(dǎo)體光探測器(PD,PIN,APD)；光纖激光器；光放大器(SOA,EDFA,FRA)；光波長轉(zhuǎn)換器；光調(diào)制器；光開關(guān)/路由器光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用范圍 研究重點(diǎn)：高速率、大容量、低成本、集成化光通信器件光

2、器件與電器件的類比電線光纖調(diào)制器光調(diào)制器電阻光衰減器三通(多通)光耦合器二極管光隔離器混頻器光波分復(fù)用器放大器光放大器頻率轉(zhuǎn)換器光波長轉(zhuǎn)換器濾波器光濾波器電源光源電接插件光連接器探頭光探測器開關(guān)光開關(guān)集成電路集成光路1、均勻折射率分布材料2、依靠彎曲的光學(xué)界面 實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像3、通過非球面來克服像差， 提高成像質(zhì)量1、漸變折射率分布材料2、依靠光線軌跡的彎曲 實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像3、通過優(yōu)化折射率分布， 提高成像質(zhì)量球面透鏡與自聚焦透鏡的比較 自聚焦透鏡成像理論(一) 光線的傳播軌跡由于直徑較大，可用幾何光學(xué)、近軸光線理論分析折射率滿足平方律分布：比較光纖的平方律分布：因此：聚焦常數(shù)具體推導(dǎo)：定義光線的

3、 t 參數(shù)為則上式可寫為矩陣形式：(二) 矩陣光學(xué)的符號(hào)公約(1)原點(diǎn):頂點(diǎn)、主點(diǎn)或焦點(diǎn)(2)線段:以原點(diǎn)為基點(diǎn),順光線傳播方向?yàn)檎?反之為負(fù);(3)角度:以光軸或端面法線為基軸,從基軸向光線轉(zhuǎn)動(dòng), 順時(shí)針為負(fù),逆時(shí)針為正;(4)標(biāo)記:在成象圖中出現(xiàn)的幾何量(長度和角度)均取絕 對(duì)值,正量直接標(biāo)注,負(fù)量冠以“-號(hào)之后標(biāo)注。以入射面A為基點(diǎn)，從O到A的矩陣描述為：從A到B：B到 I 的矩陣描述：(2) 像放大率m與角放大率 角放大率(r0=0):(3) 焦點(diǎn)位置物點(diǎn)位于光軸上(r0=0)，經(jīng)自聚焦透鏡后為平行光(t=0，l =)，此時(shí)的l 稱為物方焦點(diǎn) lF像點(diǎn)位于光軸上(r=0)，物方入射為平

4、行光(t0=0，l =)，此時(shí)的l 稱為像方焦點(diǎn) lF(4) 主點(diǎn)位置：主平面與光軸的交點(diǎn)位置lH、lH經(jīng)主點(diǎn)的光線其傳播方向保持不變，t = t0，r = r0 = 0距離端面距離相等，方向相反(5) 以主點(diǎn)為基點(diǎn)的焦距f、f (6) 節(jié)距P考慮入射光線位于端面，l =0，l =z，光線軌跡是正弦曲線光線行進(jìn)的一個(gè)周期稱為節(jié)距P，若取自聚焦透鏡的長度為P/4，則輸出為平行光：將入射光線轉(zhuǎn)化為平行光線，可見通過改變節(jié)距，可獲得不同的成像特性(7) 最大數(shù)值孔徑定義局部數(shù)值孔徑：入射點(diǎn)、出射點(diǎn)均以端面計(jì)，入射點(diǎn)的最大入射角對(duì)應(yīng)像方邊緣處的平行光線中心數(shù)值孔徑：(8) 孔徑角(9) 成像公式以主點(diǎn)

5、為基點(diǎn)，S、S分別表示物距和像距，則有：因此：高斯公式以焦點(diǎn)為基點(diǎn)，分別以x、x表示物距和像距，則有：牛頓公式(三) 自聚焦透鏡的成像性質(zhì)正、倒，虛、實(shí)，放大、縮小自聚焦透鏡的成像性質(zhì)取決于兩個(gè)因素：透鏡長度與物的位置這表明光束的束寬正比于光纖的數(shù)值孔徑，而發(fā)散角正比于光纖纖芯半徑。0.25P lenson axis0.25節(jié)距的GRIN的物方焦點(diǎn)在透鏡入射端面上off axis同一點(diǎn)離軸入射，出射仍為平行光線不同入射點(diǎn)的斜平行線入射，出射位置相同2. 耦合透鏡(用于光源與光纖間的耦合)將光源(LD)或一個(gè)光纖輸出的光耦合進(jìn)入光纖時(shí)，用自聚焦透鏡作為耦合透鏡，將光纖置于自聚焦透鏡平面上，也可將

6、多個(gè)自聚焦透鏡級(jí)聯(lián)。0.29P：光斑壓縮3. 等高像透鏡(用于成像1:1的光學(xué)系統(tǒng))物位于自聚焦透鏡物方主平面上，物距與像距為：自聚焦透鏡的重要特性重要性能參數(shù)：焦距：f = -1/n0A1/2sin(A1/2L)聚焦參數(shù)：A = 2D/a2數(shù)值孔徑：NA = n0(2D)1/2節(jié)距：P = 2p/A1/2成像特性：與透鏡長度有關(guān)：1/4 節(jié)距透鏡1/2 節(jié)距透鏡0.23節(jié)距透鏡0.29 節(jié)距透鏡二. 光纖定向耦合器光耦合器是對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)分路、合路、插入和分配的無源器件分類：光纖耦合器、微光元件型耦合器、集成光波導(dǎo)型耦合器機(jī)理：弱耦合理論（消逝場耦合）、強(qiáng)耦合理論（模激勵(lì)理論）一. 光纖耦合器

7、特點(diǎn)：器件主體是光纖光纖中模式的耦合作用實(shí)現(xiàn)光的功率及方向的分配光信號(hào)的傳輸方向是固定的分類：透射型、反射型、透反型1、耦合器的工作原理（1）兩平行光纖之間的耦合機(jī)理：當(dāng)兩光纖平行靠近時(shí)，一個(gè)光纖中的導(dǎo)波場將引起另一個(gè)光纖介質(zhì)極化，導(dǎo)致在光纖中激勵(lì)起傳導(dǎo)模，場將相互滲透，相互交疊。光功率的分配將在兩光纖的纖芯間諧振當(dāng)只有光纖1存在時(shí)：當(dāng)只有光纖2存在時(shí)：當(dāng)光纖1與光纖2同時(shí)存在時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，在弱耦合情形下，可認(rèn)為耦合光纖系統(tǒng)的場是原來兩光纖單獨(dú)存在時(shí)的場的一個(gè)組合：因此光纖1、2中的場分別為：根據(jù)微擾理論：其中：假設(shè)在z=0時(shí)A2=0，即在起始端，光纖2中沒有光波，積分可得：說明

8、在原先沒有光波的條件下，經(jīng)傳播距離 L以后，在光纖2中建立起振幅為A2(L)的光波場。在2- 10時(shí)，expj(2- 1)z是一個(gè)高速振蕩的因子，在耦合距離 L以內(nèi)，不可能積分得到一個(gè)有效大小的值。也就是說，在光纖1與光纖2之間，僅當(dāng)相位常數(shù)相近或同一模式之間才能產(chǎn)生有效耦合若定義：在邊界條件R(0)=1，S(0)=0條件下可得：經(jīng)過長度L后，從1號(hào)光纖耦合到2號(hào)光纖的光功率為：留在光纖1中的光功率為：(1) 兩相同光纖、相同波長的耦合相位匹配或同步耦合效率對(duì)于弱導(dǎo)階躍光纖：光功率從1號(hào)光纖完全耦合到2號(hào)光纖時(shí)的最小光纖長度為：耦合長度與光纖間距及波長相關(guān)耦合長度Y型光纖耦合器：對(duì)相同波長、相

9、同光功率的耦合會(huì)產(chǎn)生3dB損耗X型光纖耦合器：波分復(fù)用光纖耦合器主要應(yīng)用于：波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)光纖放大器中屬于非對(duì)稱形式耦合器，選擇光纖參數(shù)不同，耦合分光比不僅與耦合長度有關(guān)，而且與信號(hào)波長有關(guān)傳播常數(shù)差為：將其在0處展開耦合分光比：不同波長、相同光纖間的耦合：使=1，波長1應(yīng)滿足：耦合效率對(duì)波長具有選擇特性，構(gòu)成波分復(fù)用耦合器使=0，波長2應(yīng)滿足：光纖復(fù)用耦合器光纖解復(fù)用耦合器(2) 兩彎曲光纖之間的耦合K不再是常數(shù)，而是與z相關(guān)的函數(shù)由圖中幾何關(guān)系：(3) 兩熔錐光纖之間的耦合強(qiáng)耦合機(jī)理：當(dāng)纖芯中的導(dǎo)模傳到拉細(xì)的錐形耦合區(qū)后，高階模的入射角超過纖芯包層邊界而溢出到包層，成為包層模在包層中

10、傳輸，而低階模仍在原來纖芯中傳輸。當(dāng)錐形區(qū)又變粗后，高階模又會(huì)重新耦合到芯層中，再次被束縛于纖芯中成為導(dǎo)模，由于這時(shí)熔融的錐形耦合區(qū)具有同樣的包層，因而進(jìn)入纖芯的高階模功率對(duì)兩根光纖是共有的，并均勻地把能量分配到每根光纖的輸出部分。任一根輸入光纖的光功率都能較均勻地分配到每根輸出光纖中去。總的分光比將取決于錐形耦合區(qū)長度和包層厚度。耦合區(qū)兩光纖中光功率隨耦合長度而交替變換?？筛鶕?jù)耦合比要求決定拉伸長度，但拉錐長度并不是無限的，在拉到第 9個(gè)周期時(shí)，附加損耗將明顯增加，約為 0.5dB。如果再拉 8個(gè)周期，由于形成偏振分離，這種耦合振蕩形式即告結(jié)束實(shí)際的光纖耦合器3dB耦合器波長可選擇的耦合器與

11、分波器對(duì)EDFA注入光功率（泵浦光+信號(hào)光）對(duì)簡單的WDM系統(tǒng)作波長分離對(duì)DWDM系統(tǒng)增加管理信道二. 微光元件型耦合器這里所謂的微光元件型耦合器除少數(shù)采用微型透鏡、半反半透鏡之外，多數(shù)都是以自聚焦透鏡為主要光學(xué)構(gòu)件三、集成光波導(dǎo)型耦合器集成光波導(dǎo)耦合器是借鑒集成光路的概念和設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成的新型耦合器。上圖即為用此概念和方法做成的集成平面透鏡 N N 星形耦合器。采用這種方法，已制成 19 19和 32 32兩種平面透鏡星形耦合器四、耦合器的性能（1）耦合比Tij：輸入信道 i 耦合輸出信道 j 的功率之比。（2）附加損耗：輸出信道功率之和與輸入功率之比。（3）信道插入損耗ij：輸入信道 i

12、 到指定信道 j 的損耗（4）隔離比ik：透射式同側(cè)端口之間，非指定信道輸出功率Pk與輸入功率Pi之比。對(duì)于光波復(fù)用、解復(fù)用器件還有如下性能指標(biāo)：（1）插入損耗Lii：某特定波長信號(hào)通過WDM器件相應(yīng)通道時(shí)所引入的功率損耗。無波長選擇性的普通耦合器其插入損耗有時(shí)包含了分路損耗；而WDM器件中則不存在分路損耗，只考慮真正的插入損耗（2）串音Lc：在指定波長輸出端口測得的另一非選擇波長的功率與該波長輸入功率之比（3）通道帶寬 ：各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長間隔。WDM 器件分類：ITU T關(guān)于采用 EDFA 的 WDM 光波系統(tǒng)有關(guān)光通道中心頻率（波長）和通道間隔的 G.692建議：標(biāo)準(zhǔn)的波長

13、間隔為 0.8nm的整數(shù)倍（在1.55m波段對(duì)應(yīng) 100GHz頻率間隔） ，如 0.8nm，1.6nm，2.4nm 等。為減輕四波混頻的影響，還規(guī)定了不等間隔 W DM 系統(tǒng)的各通道中心頻率和通道間隔，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考該文件的具體規(guī)定稀疏型WDM，通道間隔為 10 100nm，通常用于 2 5WDM系統(tǒng)；1310/1550nm 的兩波分系統(tǒng)亦屬這類，但間隔特大，達(dá) 240nm密集型WDM或DWDM系統(tǒng)，通帶間隔110nm，通常用于 510WDM 系統(tǒng)致密型WDM或光頻分復(fù)用器(OFDM)，通道間隔 0.1 1.0nm，通常用于 20 1000 個(gè)以上 W DM 系統(tǒng)耦合器制備的方法：浸蝕法：

14、腐蝕液、匹配液、膠合磨削法：磨、匹配液、對(duì)拼、精確定位、膠合熔錐法：按所要求的端數(shù)、一定的耦合矩陣將光纖膠合在一起，加熱拉伸成雙錐形，控制過程中監(jiān)控光功率三、光隔離器與環(huán)行器1、簡介定義：光隔離器只允許光波沿著一個(gè)方向傳輸，而光的另一個(gè)方向傳輸是禁止的一種光非互易傳輸耦合器；光信號(hào)沿著指定正方向傳輸時(shí)損耗低，光路被接通；光信號(hào)沿著反方向傳輸時(shí)損耗大，光路被阻斷。2、應(yīng)用半導(dǎo)體激光器防止反饋，降低誤碼率半導(dǎo)體光放大器，防止回波，提高穩(wěn)定性摻雜光纖放大器光纖激光器，確保環(huán)形激光器的單向激射光纖CATV中光纖傳感器中3、原理：法拉第磁光效應(yīng)磁化方向與光波的傳播方向z軸平行時(shí)，相對(duì)介電系數(shù)可以用下面的

15、張量表示： 平面波在磁化介質(zhì)中傳播時(shí)的波動(dòng)方程：沿z軸傳播的平面波具有以下特點(diǎn)：因此磁化材料中的波動(dòng)方程可以化為：方程有非零解的條件是由此可知在磁化介質(zhì)中傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)偏振波面旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振波，其單位電場矢量分別為：法拉第磁光效應(yīng) 法拉第效應(yīng)對(duì)線偏振光的影響 入射x線偏振光的振幅為E0，當(dāng)它入射到磁性材料中時(shí)就被分解為兩個(gè)圓偏振光，其本征矢量為 邊界條件：對(duì)于z0： x線偏振光在磁性材料中傳輸一段距離l 后，輸出仍為線偏振光，只是其偏振面轉(zhuǎn)了一個(gè)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 在處反射，則此時(shí)由于反射光波的傳輸方向與磁化方向相反，因此0，從而F0氫載標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

16、增加OH的吸收增加缺陷2、分類光柵周期是否均勻：均勻光纖光柵；非均勻光纖光柵光柵平面是否與纖軸垂直：普通光纖光柵；閃耀光纖光柵光柵周期的長短：Bragg光纖光柵；長周期光纖光柵折射率變化特性：均勻光纖光柵；變跡光纖光柵按工作特性：反射光纖光柵；透射光纖光柵3、光纖光柵的光敏特性光敏性：激光通過摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系并可永久地保存下來。實(shí)質(zhì)：在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射器光纖光敏性的峰值位于240nm的紫外區(qū)光學(xué)特性：短周期的Bragg光柵表現(xiàn)為一個(gè)反射式的光學(xué)濾波器長周期的光纖光柵表現(xiàn)為一個(gè)帶阻濾波器4、光纖光柵的

17、工作原理光纖的模式耦合理論： 相向傳輸?shù)膶?dǎo)模間的耦合Bragg反射光纖光柵 導(dǎo)模與包層模之間的耦合長周期光纖光柵由光柵衍射公式： 較小時(shí)，形成反射光柵： 2=- 1 較大時(shí)，形成透射光柵，即長周 期光纖光柵 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反射光纖光柵（1）Bragg反射光纖光柵傳輸特性折射率沿z軸的變化：光

18、纖光柵中的模式耦合方程：對(duì)Bragg波長該式為0；其它波長該式不為0耦合系數(shù)：令：得到：求解方程，得到：其中：上述結(jié)果可表示為矩陣形式：令：得到Bragg光纖光柵的反射譜：對(duì)于折射率非均勻變化的光柵傳輸特性的計(jì)算：非均勻周期光柵劃分為小間隔的均勻光柵均勻光柵已知的傳輸矩陣劃分的要求：即所分的區(qū)域數(shù)：總的傳輸矩陣：反射系數(shù)：第 i 段光柵的傳輸矩陣為：Bragg光纖光柵的特性參數(shù)：中心波長：B=2neff，由光柵周期、傳輸模式?jīng)Q定反射率大?。河晒鈻砰L度、耦合系數(shù)決定。反射帶寬：由耦合系數(shù)決定，一般為0.3nmBragg光纖光柵的傳輸特性的改變：拓寬傳輸帶寬：采用啁啾光纖光柵(光柵周期沿z軸改變)

19、消除旁瓣：采用變跡光纖光柵(折射率的調(diào)制沿z軸改變)(2) 線性啁啾光柵啁啾光柵：光柵的折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿光柵軸變 化的光柵。折射率分布可表為：旁瓣產(chǎn)生原因：制作光纖光柵時(shí)的自啁啾效應(yīng)造成的。光譜特點(diǎn)：反射譜較寬，且反射譜具有波動(dòng)性。改善光譜特性的方法：適當(dāng)修正折射率分布，也即使光纖光柵兩端折射率調(diào)制度漸漸遞減用途：可構(gòu)成寬帶濾波器，用于色散補(bǔ)償和產(chǎn)生超短脈沖。(3) 變跡光纖光柵變跡(Taper)光柵：周期均勻，折射率隨一定的函數(shù)關(guān)系變化特點(diǎn)：折射率變化不存在突變，反射光譜不存在旁瓣Taper型光柵可構(gòu)成各種濾波器、波長變換器和光插/分復(fù)用器；多個(gè)Taper型光柵的復(fù)合還可制成特殊

20、性能濾波器，如Michelson型光纖濾波器、Mach-Zehnder濾波器等(4) 莫爾(Moire)光纖光柵Moire光纖光柵是一種相移光柵，其折射率分布是一種具有慢包絡(luò)的快變結(jié)構(gòu)Moire光柵可以有效抑制Bragg光纖光柵反射譜中的旁瓣效應(yīng)，還可以在反射阻帶中打開一個(gè)或多個(gè)透射窗口Moire光柵可用作光纖通信新型的濾波器、色散補(bǔ)償器和信道選擇器等。(5) 閃耀(Blazed)光纖光柵閃耀光纖光柵：與光纖的纖軸成一定角度，被選擇的波長的光波被反射到纖芯外利用Blazed光柵可對(duì)一定帶寬范圍內(nèi)的光功率進(jìn)行衰減，從而實(shí)現(xiàn)光放大器的增益平坦化使用復(fù)合的Blazed光柵還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余泵浦光反射等

21、。(6) 取樣光纖光柵取樣光柵(SG)是指在光纖光柵的UV光寫入過程中，在光纖前面加一個(gè)幾百微米周期的遮擋式振幅模板，使得制作的光柵相當(dāng)于多段具有固定間隔的均勻Bragg光柵的級(jí)聯(lián)疊加，也叫光纖光柵梳狀濾波器取樣光柵的最大特點(diǎn)是具有相等間隔的窄帶通的反射譜，在光信號(hào)處理中有重要應(yīng)用 多波長輸出激光器，DWDM系統(tǒng)中理想的標(biāo)準(zhǔn)通道光源 WDM系統(tǒng)波長間隔控制 DWDM系統(tǒng)各波長的色散補(bǔ)償和色散斜率補(bǔ)償(取樣啁啾光柵)用sinc函數(shù)取樣調(diào)制折射率，可分別得到4、8、16路矩形包絡(luò)的梳狀濾波器16通道8通道(7) 長周期光纖光柵(LPFG)長周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，其光學(xué)特性是由前向傳輸?shù)?/p>

22、導(dǎo)模和光柵中包層模之間的耦合決定的長周期光纖光柵特點(diǎn)： 多數(shù)的FBGs是一階光柵，光柵的周期與中心反射波長相當(dāng)； 長周期光纖光柵的周期是諧振波長的數(shù)百或數(shù)千倍； 長周期光纖光柵將向前傳輸?shù)膶?dǎo)模耦合進(jìn)包層，因此耦合的 光波將被損耗掉； 長周期光纖光柵具有與閃耀光柵相同的效果諧振波長被 反射出光纖由耦合方程可得光柵的相位匹配條件和諧振波長：長周期光纖光柵的透射譜的中心波長有多個(gè)，由如下諧振條件決定：導(dǎo)模與包層的功率分別為：最大能量耦合：結(jié)論： 光柵長度相同時(shí)，隨KL的增加，透射譜的帶寬增加、旁 瓣效應(yīng)增強(qiáng)； KL相同時(shí)，透射譜的帶寬與n成正比、與L成反比； KL=/2時(shí)，諧振波完全被濾掉高斯型光柵

23、具有最好的特性，幾乎看不見旁瓣影響，因此最適合光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用光纖光柵的工作穩(wěn)定性凡是外界因素造成光柵周期、傳輸模式的變化，都將使光纖光柵的傳輸特性發(fā)生變化。光纖光柵對(duì)環(huán)境溫度、外界應(yīng)力的變化較為敏感光纖光柵隨溫度的變化關(guān)系為：光纖光柵中心波長隨應(yīng)力的變化關(guān)系為：5、光纖光柵的制備(1)光纖光柵的折射率變化與光纖類型、摻雜情況、光纖溫度、此前光纖的光照歷史情況、曝光波長、曝光能量等有關(guān)制作方法分類干涉寫入法逐點(diǎn)寫入法全息干涉法晶體分波面干涉法相位光柵衍射相干法振幅光柵衍射相干法基波寫入法諧波寫入法(2)光纖光柵的寫入用光源由于光纖光柵的UV光敏性，故常采用UV光曝光來制作光纖光柵制作光纖光柵用的

24、UV光源及其性能UV激光器波長范圍(nm)平均功率(W)寫入技術(shù)寫入效率準(zhǔn)分子激光器193-2480.3-100相移掩模法、逐點(diǎn)寫入法成柵時(shí)間短窄線寬準(zhǔn)分子激光器193-2482-10全息寫入法、相移掩模法、逐點(diǎn)寫入法成柵時(shí)間短倍頻氬離激光器244-2570.1-0.3全息寫入法、相移掩模法、逐點(diǎn)寫入法成柵時(shí)間長從光纖光柵的研制角度考慮，窄線寬準(zhǔn)分子激光器最適宜，因?yàn)椋?在非鍺石英光纖上制作光纖光柵所需求的曝光量極大，最高達(dá) 10kJ/cm2，且單脈沖寫入技術(shù)也要求使用準(zhǔn)分子激光器，其它 光源不適用； 窄線寬準(zhǔn)分子激光器具有良好的時(shí)間與空間相干性(3)全息相干法 最早用于橫向?qū)懭胫谱鱂BG的一

25、種方法 UV光經(jīng)分光鏡分光后在光纖上形成正弦 分布的干涉條紋，從而在光纖上寫入正弦分布的折射率光柵干涉條紋間距d：布拉格波長：優(yōu)點(diǎn)：突破了縱向駐波法對(duì)Bragg中心反射波長的限制，使人們可以更加充分地利用最感興趣的波長；操作簡單，通過改變兩光束間的夾角或旋轉(zhuǎn)光纖放置便可改變反射波長；將一弧形光纖置于相干場中，便可制得啁啾光柵。缺點(diǎn)：全息相干法對(duì)光源的空間相干性和時(shí)間相干性都有很高要求；如果激光器處于橫模輸出，調(diào)節(jié)比較困難；該方法對(duì)光路調(diào)整精度要求苛刻，因?yàn)榻巧杂衅?，中心波長就會(huì)有很大的偏離；全息相干法對(duì)曝光時(shí)間內(nèi)的光路要求嚴(yán)格的防震措施，以避免波長量級(jí)的振動(dòng)造成光路錯(cuò)位，惡化相干效果；以氬離

26、子二倍頻和染料二倍頻的激光器，配以高質(zhì)量的相干光路后其裝置體積龐大。(4)相位掩模法相位掩模法是利用石英相位掩模板實(shí)現(xiàn)衍射光相干而實(shí)現(xiàn)光柵制作的。原理：利用+1階和-1階衍射光束之間的干涉，在掩模板后面形成周期的光強(qiáng)分布，從而在纖芯引起周期性的折射率調(diào)制，其周期與UV光束的入射方式有關(guān)。相位掩模法制作光柵有兩種不同的入射方式：垂直入射UV光束與斜入射UV光束垂直入射情況中是利用1階衍射光相干，此時(shí)光纖光柵的周期為相位掩模光柵周期的一半；斜入射情況中是利用0階和-1階衍射光相干，此時(shí)光纖光柵的周期等于相位掩模光柵的周期。斜入射相干法的優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)簡單、對(duì)光源的相干性要求不高、重復(fù)性好，可靠性高

27、，并易得到準(zhǔn)確的光柵周期，因此廣為采用。相位掩模相干法的不足之處在于必須嚴(yán)格控制相位掩模光柵的刻蝕深度與占空比。6、光纖光柵的應(yīng)用FBG在DWDM光子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用幾乎涉及光發(fā)射、光放大、光濾波、光交換和光吸收及色散補(bǔ)償各種領(lǐng)域。6.1、FBG在光源中的應(yīng)用（1）DFB光纖光柵激光器DFB光纖光柵激光器利用直接在稀土摻雜的光纖(如Er3+摻雜光纖，EDF)上寫入光柵，構(gòu)成諧振腔，從而制出有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體的光纖激光器。采用級(jí)聯(lián)多個(gè)單頻工作的DFB光纖光柵激光器，還可實(shí)現(xiàn)多波長輸出。（2）DBR光纖光柵激光器分布Bragg反射器(DBR)光纖光柵激光器是利用一段稀土摻雜光纖和一對(duì)Bragg波長

28、相等的光纖光柵構(gòu)成諧振腔，它與DFB光纖光柵激光器的區(qū)別在于光纖光柵不是摻雜光纖。（3）光纖光柵外腔激光器將一個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出耦合到一根光纖光柵上可以得到一種光纖光柵外腔激光器，這種激光器具有極低的溫度依賴性，其Bragg波長變化率為10-2nm/量級(jí)，并且具有極低的閥值電流和很高的邊模抑制比以及更低的啁啾量，特別適用于DWDM系統(tǒng)。6.2、FBG在光纖放大器中的應(yīng)用（1）光纖光柵在EDFA中的應(yīng)用FBG在EDFA中的應(yīng)用包括：用于EDFA泵浦源980nm和1480nm大功率半導(dǎo)體激光器的波長穩(wěn)定窄帶(0.2nm）、低反射率(1%-10%)的光纖光柵作為泵浦激光器的外腔為激光器管芯提供具有

29、波長選擇性的光反饋位于光柵反射峰附近的內(nèi)腔模式在競爭中占絕對(duì)優(yōu)勢，使泵浦光輸出鎖定在某一特定波長用于EDFA的增益平坦化EDFA的增益均衡是建立DWDM全光網(wǎng)和進(jìn)行全光傳輸?shù)闹匾疤幔籐PFG對(duì)于特定波長具有衰減作用，可用于EDFA的增益均衡用于使透過的泵浦光返回?fù)姐s區(qū)，提高EDFA的泵浦效率抑制EDFA的自發(fā)輻射噪聲（2）光纖光柵在FRA中的應(yīng)用光纖光柵具有優(yōu)秀才的濾波性能，在拉曼放大器中主要用作泵浦波長的高反射結(jié)構(gòu)和使泵浦半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定6.3、FBG在光波長復(fù)用/解復(fù)用器中的應(yīng)用FBG具有很好的選頻作用，可以用作DWDM系統(tǒng)的波長復(fù)用 / 解復(fù)用器 復(fù)用信號(hào)從端口1輸入，假若光柵的

30、諧振波長為4，由于光柵的反射作用，波長的信號(hào)將從端口2輸出，其余的波長信號(hào)從端口4輸出。當(dāng)干涉儀平衡得很好時(shí)，端口3一會(huì)不光出現(xiàn)。 優(yōu)點(diǎn)是與輸入光的偏振狀態(tài)無關(guān)，對(duì)外界溫度變化也不敏感 缺點(diǎn)是多個(gè)波長的解復(fù)用，需要使用級(jí)聯(lián)的MZI構(gòu)形，使設(shè)備尺寸增大6.4、FBG在光插/分復(fù)用器中的應(yīng)用FBG具有優(yōu)異的波長選擇性，可作為DWDM系統(tǒng)的光插/分復(fù)用器(OADM)6.5、FBG在光濾波器中的應(yīng)用Bragg光柵具有優(yōu)良的選頻特性，可以對(duì)光纖透射譜中的任一波長進(jìn)行窄帶輸出，因而可利用FBG制成各種性能優(yōu)良的光濾波器，如窄帶阻、寬帶阻、通帶濾波器。通帶濾波器可由光纖偏振分光器(FPS)和Bragg光柵相

31、結(jié)合而構(gòu)成。輸入光被耦合進(jìn)入臂1時(shí)，經(jīng)偏振控制器PC1控制后進(jìn)入FPS，F(xiàn)PS把進(jìn)入的入射光分裂成偏振方向互為垂直的兩束偏振光，這兩束偏振光分別耦合入臂2、4，經(jīng)2、4臂上的光纖光柵反射，最后耦合進(jìn)入臂3，實(shí)現(xiàn)帶通濾波。6.6、FBG在色散補(bǔ)償中的應(yīng)用通常所說的光纖光柵色散補(bǔ)償是指利用啁啾光纖光柵降低常規(guī)光纖在1550nm波長的色散啁啾FG是一種非周期光柵，不同波長的光在啁啾光柵中的不同位置發(fā)生諧振反射，其時(shí)延特性的近似表達(dá)式為：Chirped Bragg grating llonglshort不同波長的光在啁啾光柵中傳播時(shí)，會(huì)在不同位置上發(fā)生反射，即有不同的反射時(shí)延。若使光柵周期大的一端在前

32、，也就是使用紅移分量在光柵前端反射，而藍(lán)移分量在光柵末端反射，這樣，在紅、藍(lán)移分量之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)延差，使紅移分量追上藍(lán)移分量。因此經(jīng)過光柵后，光脈沖重新被壓縮，從而補(bǔ)償了由于色散效應(yīng)使光脈沖的展寬。對(duì)于DWDM系統(tǒng)，色散補(bǔ)償可用啁啾取樣光柵，其反射譜包含多個(gè)反射峰值，反射峰值的波長間隔滿足：若使光柵反射譜的峰值間距與信道間隔相等，就可同時(shí)對(duì)DWDM的所有信道進(jìn)行色散補(bǔ)償7、FBG的研究方向光纖光柵和光纖陣列器件及其集成技術(shù)很可能成為光子學(xué)發(fā)展一次有里程碑意義的重大事件目前光纖光柵及其器件的研究已向更高、更深層次發(fā)展，當(dāng)前重點(diǎn)研究的內(nèi)容是：物理機(jī)制的研究：摻雜光纖中各種光效應(yīng)，特別是光敏與增敏

33、效應(yīng)的物理機(jī)制的研究是開發(fā)新型光纖光柵及其器件的基礎(chǔ)；最佳成柵工藝研究：包括各種光纖光柵的成柵技術(shù)的基礎(chǔ)及最佳成柵條件與工藝的研究；研究以光纖光柵為基礎(chǔ)器件的光子線路，包括對(duì)無源光子線路的研究(如全光濾波器、復(fù)用/解復(fù)用器、色散補(bǔ)償器、光插/分復(fù)用器等)；對(duì)有源光子線路研究(如全光纖激光器、全光纖傳感器)；對(duì)光子線路的特殊功能研究(如選頻濾波器、調(diào)諧特性、色散補(bǔ)償特性、選通與復(fù)用特性及其機(jī)理等)；全光纖光子集成研究：如全光纖DWDM光子集成通信系統(tǒng)、全光纖分布式多功能型光子集成傳感系統(tǒng)等；新效應(yīng)、新應(yīng)用研究：如利用光纖的偏振特性及光纖光柵的選頻特性探索構(gòu)成全光纖儲(chǔ)存或光纖型智能結(jié)構(gòu)等。五、光纖

34、放大器與光纖激光器超長距離DWDM傳輸系統(tǒng)對(duì)光放大器的要求： 低噪聲特性； 高增益和大輸出功率； 平坦寬帶增益特性； 動(dòng)態(tài)特性； 偏振相關(guān)增益特性； 功耗體積泵浦光波長的選擇： 514nm、532nm：氬離子氣體激光器作為泵浦激光，體積 龐大； 667nm：可由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，但在摻鉺光纖中多模，泵浦效率不高； 800nm：可由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，但會(huì)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)吸收，基態(tài)的粒子泵浦到激發(fā)態(tài)后，不是弛豫到亞穩(wěn)態(tài)，而是在吸收泵浦光后，向更高的能級(jí)躍遷，消耗泵浦光功率 980nm：鉺離子相當(dāng)于三能級(jí)系統(tǒng)，完全的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，噪聲特性好，但泵浦效率不高； 1480nm：鉺離子相當(dāng)于二能級(jí)系統(tǒng)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

35、不徹底，泵浦效率高，但噪聲特性變差選擇1480nm、980nm作為泵浦光波長980nm泵浦完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)噪聲小、價(jià)格高1480nm泵浦低的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)量子效率高、價(jià)格低摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)鉺離子在外界泵浦光的作用下外界信號(hào)光引起受激輻射信號(hào)光放大鉺離子在外界泵浦光的作用下粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生自發(fā)輻射產(chǎn)生噪聲鉺離子在外界信號(hào)光的作用下引起鉺離子受激吸收躍遷信號(hào)光吸收前向泵浦后向泵浦雙向泵浦WDMEDFPinPoutLDWDMEDFLDPinPoutWDMEDFPinPoutLD2LD1摻鉺光纖放大器增益與泵浦光功率、摻鉺光纖長度的關(guān)系 光放大器的增益隨著泵浦光功率的增大，呈現(xiàn)增益飽和； 在給定的泵浦

36、光功率下，有一最佳摻鉺光纖長度，實(shí)現(xiàn)最大的增益。摻鉺光纖放大器噪聲指數(shù)與光纖參數(shù)的關(guān)系泵浦程度越高，增益越大，噪聲指數(shù)越??；沿光纖長度方向，光功率不斷變化，噪聲指數(shù)也在不斷變化，精確計(jì)算只能采用分段模型；一般很難同時(shí)得到高增益、小噪聲、高泵浦效率，背向ASE噪聲會(huì)消耗泵浦光；980nm泵浦11mW30m可得到3.2dB噪聲指數(shù)，1480nm泵浦24mW60m得到4.2dB噪聲指數(shù)；1480nm和1530nm都處于激發(fā)態(tài)，很難實(shí)現(xiàn)完全的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)EDFA的主要技術(shù)參數(shù)：工作波長范圍、輸入功率范圍、輸出功率范圍、飽和輸出功率、噪聲系數(shù)、偏振相關(guān)增益、小信號(hào)增益、增益平坦度、增益變化、增益斜度、輸入

37、光回?fù)p、輸出光回?fù)p等。對(duì)EDFA模塊的其它要求：具有泵浦源自動(dòng)關(guān)閉功能；壽命不小于30萬小時(shí)；具有放大器自動(dòng)增益均衡（控制）功能。摻鉺光纖放大器非飽和增益與輸出飽和功率 非飽和增益：注入小信號(hào)時(shí)，放大器產(chǎn)生的增益，此時(shí)放大器為線性放大器 輸出飽和光功率：光放大器的增益下降3dB所對(duì)應(yīng)的輸出光功率摻鉺光纖放大器的增益譜 增益譜：增益與注入信號(hào)光波長之間的關(guān)系 摻鉺光纖放大器的增益譜覆蓋了整個(gè)C波段，帶寬達(dá)4000GHz 增益譜不平坦：鉺離子的受激吸收與受激發(fā)射截面與信號(hào)光波長相關(guān)O-band ( Original ):1260-1360nmE-band ( Extended ):1360-1460nmS-band ( Short ):1460-1530nmC-band ( Conventional ):1530-1565nmL-band ( Long ):1565-1625nmU-band ( U