光纖光柵在光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、最新精品資料整理推薦,更新于二O二 O 年十二月十八日2020年12月18日星期五19:36:31最新資料推薦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）、光交義連接（0X0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)光纖無源器件刖呂隨著信息業(yè)務(wù)量快速增長，

2、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。山于無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111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

3、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)的喬吐容量，適應(yīng)未來高速寬帶通信的要求。全光通信網(wǎng)也是訂前國際上 發(fā)展最快的領(lǐng)域，全光通信意味著在通信過程的各個環(huán)節(jié)都用光波來完成，中 間無需任何光一電一光變換。全光通信的發(fā)展完全取決于網(wǎng)絡(luò)中光放大、光補(bǔ)址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31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 光纖材料的光敬性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干

4、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 敬感、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

5、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. 0. Hill等人首先在摻錯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，光纖光敬性逐漸提高；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U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

6、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：1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U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)，光址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31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。2碉啾光柵：柵格間距不等的光柵。有線性碉啾和分段碉啾光柵，主 要用來做色散補(bǔ)償和光纖放大器的增益平坦。3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

7、光纖軸有一個小角度，形成閃耀光柵。4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，它不是將某個波長的光反射，而是耦合到包層中去，口詢主要用于EDFA的增益 平坦和光纖傳感。5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Tapered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：I型、IIA型和I型。1I型光柵：即最常見的光柵，可成柵在任何類型的光敬光纖

8、上，其 主要特點(diǎn)是其導(dǎo)波模的反射譜跟透射譜互補(bǔ)，兒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（200C左右）下光柵會變?nèi)趸蛳?失。21【A型光柵：成柵于高摻錯（15%mol）光敬光纖或硼錯共摻光敬光 纖上，曝光時(shí)間較長。成柵機(jī)理于I型不同。其寫入過程為：曝光開始不久， 纖芯中形成I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)生第二個光柵，即形成IIA型光柵，其溫度穩(wěn)定性優(yōu)于I型光柵，直到500C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。31【型光柵：由單個高能量光脈沖（大于0.5J/cm2）曝光形成。其透 射譜只能使波長大于

9、Bragg波長的光透射，波長小的部分被耦合到包層中損耗 掉。成址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31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800C下放置24小時(shí)無明顯變化，在1000C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)，波長可 調(diào)諧等）

10、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（線性碉啾光纖光柵實(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 比較典型的應(yīng)用做以分析。（

11、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 用光纖址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31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 （&）所示，利用一

12、段稀土摻鉗光纖（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）光纖光柵激光器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，利 用直接在稀土摻朵光纖（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：激光岀射波長線寬極窄、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)制下頻率卿啾效應(yīng)??；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)展的兩個主要因素是損耗和色散， 其中的損耗問題自從摻鉗光纖放大器（EDFA）產(chǎn)生后已得到

13、解決。然而摻鉗 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。址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31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最主要因素。摻鉗光 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碉啾光纖光柵色散補(bǔ)償原理圖圖3

14、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：在碉啾（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。山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趕上藍(lán)移分量，這樣就消除了色散效應(yīng)。II前光纖光柵作 為色散補(bǔ)償已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31（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

15、能是從分波器中有選擇的取下兒路通過本地的光信號，其余 路波長直通合波器， 另外可以有兒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（A1,入2,，An）從端口1輸入，光纖光柵的中心 波長是入2,波長為入2的信號被光纖光柵反射，經(jīng)光環(huán)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上載的入2信號復(fù)合 成新的復(fù)用信號，山端口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U前普遍采用的一種OADM結(jié)構(gòu)。（5）光終端復(fù)接

16、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。址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31圖5光纖光柵型波分復(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

17、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入1,入2, An3復(fù)用信號（入1, A2, An）經(jīng)過解復(fù)用器后，各個波長分別從 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山方式，山于 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)是把光信號從一個波長轉(zhuǎn)換為另一個波長 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。LI前為止，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。

18、F弋Chip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)換器的工作波長山光纖光柵的反射譜峰值波長（A0）決定，待轉(zhuǎn)換 波長為入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（入1）的注入引起激光器（入0）波長輸出功率的 下降，因而把輸入光信號轉(zhuǎn)移到（A0）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)址新資料推薦最新精品資料整理推薦.更新于二O二 O 年十二月十八口2020年12月18日星期五19:36:31點(diǎn)。發(fā)展前景展望II詢?nèi)馔ㄐ诺难芯窟€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)