啁啾光纤bragg光栅切趾技术分析.pdf

福建师范大学 硕士学位论文 啁啾光纤Bragg光栅切趾技术分析 姓名：张昊 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：邱怡申 20091101 摘要 摘要 作为最具有代表性的光纤无源器件之一，光纤光栅是当前传感和通信领域研究的热 点，并且随着未来大容量通讯和全光网络等新兴通信技术的应用和普及，光纤光栅的应 用潜力也将进一步的发挥光纤光栅拥有众多的可控参数，光栅切趾作为其中重要的一 项对光纤光栅的实际应用有重要的意义，本文主要针对光纤B r a g g 光栅的切趾技术进行 分析 文章从光纤光栅的结构和模式耦合理论出发，结合转移矩阵法对光纤B r a g g 光栅进 行仿真模拟，利用建立的模型对光栅切趾进行分析文中着重分析了线性和一阶非线性 啁啾光纤B r a g g 光栅的切趾问题性啁啾光纤B r a g g 光栅切趾部分，对比了采用传 统的单一函数完全切趾和部分切趾切趾效果的不同，指出这些切趾方法的优缺点，在部 分切趾的基础上进一步提出分段切趾的概念，并分析说明了分段切趾的优点在非线性 啁啾光纤B r a g g 光栅切趾部分，分析了非线性啁啾带来的反射谱形变的问题，指出采用 传统的对称切趾的缺点，提出利用非对称切趾对反射谱进行优化的方法，在文章的最后 分析了这种优化能力。

关键字：啁啾光纤B r a g g 光栅，切趾，反射谱，时延 福建师范大学硕士学位论文 A b s t r a c t m l l l l l ⋯I l l l I l l l I l I l l l l ⋯1 1 1 1 1 ㈣l I l l l l Y 17 4 4 2 5 8 F i b e rg r a t i n gi so n co ft h e 卯i c a l 丘b e rp a S s i v ed e v i c e sw } l i c hi sar e c c n tr e s e a r c hh o t s p o t i 1 1t l l ef i e l d so fs e n s o ra I l dc o m m u I l i c a t i o n ．I l lt h e 如t I l r e ，t 1 1 e 印p l i c a t i o n so ff i b e r 伊a t i n g 、Ⅳi l l b ee m p h 巍z e dw 池m ed e v e l 叩蛐o fl l i 曲∽a p a c 埘c o n 珊u I l i c a t i o I l Sa I l da l l - o p t i c a l n e t w o r kt e c h n o I o g y ．A p o d i z a t i o ni sav e 巧妇p o r t a n tp h y s i c a l 弘I r a I n e t e rf o rf i b e r 铲a t i n gt 0 e 舵C tp r a c t i c a la p p l i c 撕o n ．1 1 1 i sa n i c l ea n a l y s e st l l ep r o p e r t i e so f 印o d i z a t i o no f 邱e rB m g g 罂锄i n g ． ‘ T oa C h i e v em ea I l a l y s i s ，w es t a nf 如m Ⅱl es t m c t u 】陀o f 胁e rg r a t i n g ，a n dn l ec o u p l e - m o d e m e o 巧n l a ti su S e di I lc o 玛u n c t i o n 谢m 觚f - 钌m a t i x 印p r o a c h ．A n m y s i so ft l l e 印o d i z a t i o n t e c 胁q u ef o rl i I l e 盯a I l dn o n l i l l e a rc h i 印e d6 b e rB r a g gg r a t i n gi s Ⅱl em 豳c o n t e mo ft h i s a r t i c l e ．I nm es e c t i o no fa p o d i z e dl i n e a rc _ 嫩印e df I b e rB r a g g 铲a t i n g ，m i sa n i c l ec o m p a r e 缸l e r e 刚to fp a n l y 印0 d i z a t i o n 、Ⅳi t l l 柏d i t i o n a ls i n 舀e 缸1 c t i o n ．T h 钒w e 仃yt 0d c v e l 叩p a r t l y 叩o d i z a t i o ni m op i e c e 诵s e 印o d i 捌i o I l ' a 1 1 dd e s c 抽et l l ea d v a I l t a g eo fp i e c e 、j I ，i s ea p o d i z a t i o n t e c h I l i q u e ．I nt h cs e c t i o no f 印o d i s e dn o I l l i n e a rc h i 甲e d 舶e rB r a g g 铲a t i n g ，w ea I l a l y s et h e d i 咖n i o no fr e j f l e c t i v i 锣' W 1 1 i c hr e 姒I t s 矗．0 mn 0 1 1 1 i n e a rc m r p 锄ds y n l m 砌c a la p o d i z a t i o n a p p r o a c h ．S ow e 臼了t Oa d o p ta L s 舯咖c a la p o d i z a t i o nt 0c o m p e l l S a t en l i sd i s t o r t i o n ．F i n a l l y ， w ep r e s e n ti nt h j sp a p e rh o wt 0e S t i m a t e 恤c o m p e n s a t i o nc a p a b i l i t y ． K q w o r d s ：c h 卸e d 舫e rB m g g 伊a t i n g ，印o d i 嘲i o n ，r e n e c t i V i 劬t i m ed e l a y I l 文摘 文摘 光纤光栅是一种利用光敏性在光纤芯层中形成空间相位光栅，从而改变光在其中传 输特性的无源光纤器件。

它的出现已经超过3 0 年历史，对其研究也已经发展为一门独 特的学科，并且随着制作技术的进步，光纤光栅的种类也迅速增加在众多的光纤光栅 的种类中，光纤B r a g g 光栅作为最早出现的光纤光栅得到最广泛的讨论，并且作为反射 式的带通滤波器，在实际应用中也最为常见光栅的切趾技术是指采用特定的函数形式 对光纤光栅轴向折射率的深度( 折射率包络) 进行调制的一种技术作为光纤光栅的重 要控制参数之一，切趾的好坏对光纤光栅的实际应用有着重要的影响本文主要对啁啾 光纤B r a g g 光栅的切趾技术进行分析、讨论，并针对一些现有切趾技术的缺陷，尝试提 出改进的切趾方案： 绪论部分，主要概述了本论文的选题背景和选题意义，介绍了光纤光栅以及切趾技 术的发展现状，总结了前人的研究成果，并针对目前研究的缺陷和不足，提出自己的见 解和改进的想法，进一步分析了这种研究的目的和意义最后简要的介绍了文章的主要 工作和新意 ·． 第一章，介绍了光纤光栅相关的理论基础和仿真模拟的方法光纤光栅是利用光纤 的光敏性使光纤的芯层折射率沿纵向产生周期性的变化，从而在纤芯中形成空间相位光 栅对光纤光栅理论描述最广泛的是采用模式耦合理论，认为由于光栅结构的不均匀性 使得正向传播的光场被耦合到反向光场中，这一方法很好的分析了均匀的光纤光栅。

而 在面对更加复杂的光纤光栅结构时，这种方法并不实用在目前出现的众多分析方法中， 采用分段均匀想法的转移矩阵法是目前最广泛使用的仿真模拟方法转移矩阵法是将非 均匀光纤光栅视为一定数量均匀光纤光栅的叠加，每一段的均匀光纤光栅又可以视为一 个2 ×2 的矩阵，通过一系列的矩阵连乘，最终可以得到整个光纤光栅情况的描述该 方法具有物理意义明确、计算速度快等优点，并且易于在计算机上实现，本篇论文中的 仿真模拟都是基于该方法接下来，本章简要介绍了光纤光栅的用途，其中特别指出色 散补偿是光纤光栅在未来通信中一个重要的用途，并且色散补偿能力也是啁啾光纤光栅 一项重要的考察指标，因此在本章的最后，还分析了光纤光栅的色散补偿原理 第二章，介绍了线性啁啾光纤B r a g g 光栅切趾的情况所谓啁啾是指光栅的周期不 均匀，即光栅周期人随破化的情况由于啁啾的存在，光纤B r a g g 光栅可以提供的反射 谱宽足以覆盖整个脉冲的宽度，同时还可以提供大而稳定的色散，这些都在实际中有重 要的意义而线性啁啾是指光栅周期变化是线性的，这种变化可以通过线性啁啾系数互 来表示由于单纯的使用啁啾光纤光栅会带来一系列的问题，如反射谱的纹波过大使得 反射波形失真，时延纹波过大会造成码间串扰引起通信系统眼图恶化等等，这些问题严 重影响了光纤光栅的应用，因此引入切趾( 变迹) 技术来解决这些问题。

本章首先分析 了常见的单一函数完全切趾的情况，针对常见的几种不同的切趾函数( 包括商斯、升余 弦、汗明、柯西、双曲正切等) ．引入切趾强度参量，对比分析了这些切趾函数的切趾 效果，说明了单一切趾的不灵活性，本节还简要介绍了常见的几种切趾写入技术紧接 l I l 福建师范大学硕士学位论文 着，文章介绍了部分切趾技术，通过与完全切趾的对比说明了部分切趾的优点：平衡了 谱宽和反射、时延纹波的矛盾，可以兼顾到反射谱宽和时延纹波平滑但又指出由于中 段采用不切趾的方式，使得中央的反射谱振荡依然严重，因此在～些特殊情况下，部分 切趾的控制能力和灵活性还是有限针对这一情况，文章提出分段切趾技术所谓分段 切趾是不同的分段采用不同的切趾函数，从而可以引入不同切趾函数的特点文章通过 介绍分段切趾的概念，对比分段切趾与部分切趾的切趾效果，说明了分段切趾的确比部 分切趾更具有灵活的控制能力，可以更好的调整反射谱宽和反射、时延纹波矛盾在本 章的最后，重点探讨了分段切趾相关的参数选择问题，这些参数包括了分段的数量，分 段切趾强度以及分段切趾比例分段切趾技术的提出，是本论文工作的重点和新意之一 第三章，介绍了非线性啁啾光纤B r a g g 光栅切趾的情况。

非线性啁啾是指光栅周期 变化无法用线性方式描述，这种变化可以通过高阶非线性啁啾系数来表示，‘由于通常情 况下，二阶以上的非线性啁啾系数很小，因此我们只对一阶非线性感兴趣通过仿真对 比，可以看到非线性啁啾系数的存在使得光纤B r a g g 光栅的反射谱出现明显的倾斜形变， 这种形变对实际应用是不利的然后，论文分析了采用对称的切趾后，这种形变依然存 在，并且有加重的倾向，因此对称切趾是不能对这种形变进行优化的，需要考虑新的切 趾方案，从而引出非对称切趾技术所谓非对称切趾是采用光栅两侧切趾函数不对称的 切趾方式，文章首先通过非对称切趾后线性啁啾光纤B r a g g 光栅的反射谱和时延情况， 说明了非对称切趾拥有对反射谱形的优化能力接下来，把非对称切趾引入非线性啁啾 光纤B r a g g 光栅的切趾中，将切趾结果与对称切趾相比较，可以看到非对称切趾确实对 反射谱的倾斜形变具有补偿优化的能力本章的最后，对比了不同的非对称比例和非线 性啁瞅系数对反射谱形补偿优化能力的影响，说明了在非线性啁啾量接近线。