光纖光柵濾波原理及調(diào)制不穩(wěn)定性分析

 

　　1 引言

　　1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill及其合作者首次從接錯(cuò)光纖中觀察到了光子誘導(dǎo)光柵。Hill的早期光纖是采用488nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)的氛離子激光器，通過(guò)增加或延長(zhǎng)注入光纖芯中的光輻照時(shí)間而在纖芯中形成了光柵。后來(lái)Meltz等人利用高強(qiáng)度紫外光源所形成的干涉條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光在該光纖芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵[1]。1989年，第一支布拉格諾振波長(zhǎng)位于通信波段的光纖光柵研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技術(shù)，它主要是利用紫外光透過(guò)相位掩模板后的士1級(jí)衍射光形成的干涉光對(duì)光纖曝光，使纖芯折射率產(chǎn)生周期性變化寫入光柵，此技術(shù)使光纖光柵的制作更加簡(jiǎn)單、靈活，便于批量生產(chǎn)。1993年Alkins等人采用了低溫高壓氫擴(kuò)散工藝提高光纖的光敏特性。這一技術(shù)使大批量、高質(zhì)量光纖光柵的制作成為現(xiàn)實(shí)。這種光纖增敏工藝打破了光纖光柵制作對(duì)光纖中鍺含量的依賴，使得可選擇的光纖種類擴(kuò)展到了普通光纖它還大大提高了光致折變量(由5-10最大提高到了10-20這樣可以在普通光纖上制作出高質(zhì)量的光纖光柵)。 光纖光柵自問(wèn)世以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本以及和普通光纖的良好的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)在越來(lái)越受關(guān)注。因此研究光纖光柵的濾波原理和調(diào)制不穩(wěn)定性原理也變得越來(lái)越重要了。

　　2 、光纖光柵的濾波原理以及在光通信中的應(yīng)用

　　隨著信息業(yè)務(wù)量快速增長(zhǎng)，語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等業(yè)務(wù)綜合在一起傳輸， 從而對(duì)通信帶寬容量提出了更高要求由于無(wú)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”。 而全光通信是解決“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)的吞吐容量，適應(yīng)未來(lái)高速寬帶通信的要求光纖光柵的出現(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(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)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(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸。光纖光柵是一種纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性變化的無(wú)源器件。通過(guò)摻入如鍺、磷等光敏性的介質(zhì),按一定工藝使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜離子相互作用,導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向發(fā)生周期性的變化,從而在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。

　　光纖光柵的濾波是怎么實(shí)現(xiàn)呢?當(dāng)光脈沖入射到光纖光柵上，如果脈沖頻譜位于阻帶內(nèi)，脈沖被反射。如果脈沖的部分頻譜在阻帶外，那么這一部分將透過(guò)光柵。因?yàn)楣饫w光柵的色散特性和頻譜分裂，反射和透射脈沖的形狀與入射脈沖相比有很大的不同。如果峰值功率足夠小，以至于非線性效應(yīng)可以忽略，那么可以先算出不同的反射系數(shù)和透射系數(shù)，然后對(duì)入射脈沖的頻譜積分，就可以得到反射和透射脈沖的形狀。而透射系數(shù)和反射系數(shù)的頻率相關(guān)性決定了光纖光柵的濾波特性。

　　舉例介紹一種有濾波功能的光纖光柵——布拉格光柵。光纖布拉格光柵是光纖的纖芯折射率沿光纖的軸向具有周期性變化的一種光纖器件，廣泛用于通信和傳感領(lǐng)域，光纖布拉格光柵的基本光學(xué)特性就是以共振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器，它滿足如下布拉格方程

　　(4)

　　當(dāng)寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時(shí)，產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射，其中，A為布拉格波長(zhǎng)，即后向反射波長(zhǎng); 為光纖模式的有效折射率; 為光柵周期。這樣用不同周期的相位版就可以制作出不同共振波長(zhǎng)的光纖光柵，以滿足實(shí)際需要。

　　光纖布拉格光柵是一種沿光纖軸向折射率變化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使得其透射光譜和反射光譜發(fā)生相應(yīng)的模式耦合。其基本特性是以共振波長(zhǎng)為中心的窄帶濾波器。

　　

　　圖1 輸入譜，傳輸譜和反射譜圖形

　　在WDM的系統(tǒng)中，光纖光柵它可以實(shí)現(xiàn)在一根光纖中傳輸多個(gè)波長(zhǎng)的信道，并在終端將不同的波長(zhǎng)分別解出。由于全光網(wǎng)系統(tǒng)中波長(zhǎng)之間的間隔很小，因此對(duì)復(fù)用/解復(fù)用設(shè)備提出了很高的要求。

　　圖2-5：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(zhǎng)分別為。復(fù)用信號(hào)(  )經(jīng)過(guò)解復(fù)用器后，各個(gè)波長(zhǎng)分別從不同的端口輸出，實(shí)現(xiàn)了光的解復(fù)用.

　　3、調(diào)制不穩(wěn)定性分析

　　調(diào)制不穩(wěn)定性是非線性傳播研究中非常著名的現(xiàn)象，導(dǎo)致了連續(xù)波場(chǎng)的不穩(wěn)定。它會(huì)導(dǎo)致傳播在非線性系統(tǒng)的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)波在遭遇到小的振幅或相位擾動(dòng)時(shí)發(fā)生破碎，使得一個(gè)相對(duì)較寬的光束或脈沖發(fā)生破裂進(jìn)而演化成不連續(xù)的光絲或脈沖序列。

　　在光柵結(jié)構(gòu)中的調(diào)制不穩(wěn)定性研究包括兩個(gè)電場(chǎng)分量，一個(gè)為前向傳播分量，一個(gè)為后向傳播分量。這些場(chǎng)分量的演變得到了耦合模方程。我們知道在光柵中，低強(qiáng)度的脈沖傳輸可以被近似的描述為非線性薛定諤方程。實(shí)際上，在一些限定條件下，可以獲得非線性薛定諤方程的調(diào)制不穩(wěn)定性的解。然而在高強(qiáng)度脈沖的情況下，要使用完整的耦合模方程，那么不穩(wěn)定性的特性比由非線性薛定諤方程所得出的更為復(fù)雜。這些特性包括在正常色散中的不穩(wěn)定性。

　　為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，利用光柵兩端無(wú)邊界條件時(shí)(1)和(2)式給出的連續(xù)波解討論調(diào)制不穩(wěn)定性[2]。

　　

　

　　4、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(duì)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(duì)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(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實(shí)用價(jià)值的無(wú)源光器件之一，利用它可組成多種新型光電子器件，由于這些器件的優(yōu)良性能使人們更加充分地利用光纖通信系統(tǒng)的帶寬資源。對(duì)光纖光柵的研究和開發(fā)正逐步深入到光纖通信系統(tǒng)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從波分復(fù)用系統(tǒng)的合波/分波、光纖放大器的增益平坦、色散補(bǔ)償，到全光網(wǎng)絡(luò)上下路、波長(zhǎng)路由、光交換等，光纖光柵的應(yīng)用將推動(dòng)高速光通信的發(fā)展，將在未來(lái)的高速全光通信系統(tǒng)中扮演重要的角色。在光纖光柵研究成果轉(zhuǎn)化方面目前國(guó)內(nèi)外的差距還不算太大，我國(guó)應(yīng)集中力量發(fā)展民族光電子產(chǎn)業(yè)，使光纖光柵研究成果盡早產(chǎn)業(yè)化，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 徐公權(quán), 段鯤, 廖光裕等譯.，光纖通信技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2002，第12頁(yè)

　　[2] Govind P.Agramal 著 賈東方，余震虹等譯，非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社 2010年6月，第401-402頁(yè)