线性啁啾光纤光栅及其色散补偿的理论研究
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啁啾光纤光栅
度为
τ
1
脉冲宽度 为 τ 1
4 ln 1 +
= τ
(2 β
τ
2 0
2
L
f
0
)
2
#
iω 2 U ' f ( Lf , ω ) = U ( 0, ω ) exp i β ( β22L f 2ω Lf U ( L f , ω ) = U ( 0, ω ) exp 2 2
CFBG的反射谱也存在旁瓣， CFBG的反射谱也存在旁瓣，反射带宽内反射 的反射谱也存在旁瓣 谱不平坦，时延特性曲线存在较大的振荡， 谱不平坦，时延特性曲线存在较大的振荡， 线性度差。 线性度差。
#
通过切趾技术，可以有效抑制反射谱的旁瓣， 通过切趾技术，可以有效抑制反射谱的旁瓣，获 得较高的旁瓣抑制比，同时减少时延曲线的振荡。 得较高的旁瓣抑制比，同时减少时延曲线的振荡。 光纤光栅的折射率调制为： 光纤光栅的折射率调制为：
2
+ ...
φ '' 群速时延， 使光脉冲发生色散。假定 ρ (ω ) 在 群速时延， 使光脉冲发生色散。 脉冲的带宽内为常数， 脉冲的带宽内为常数，且抽出光纤光栅的时 延因子
φ 0 使光脉冲产生固定相移， φ ' 使光脉冲产生 使光脉冲产生固定相移，
iω 2 ' '' U f ( Lf , ω ) = U ( 0, ω ) exp ( β2 L f + φ ( ω ) ) 2
β2ω2Lf Uf ( Lf ,ω) = ρ (ω)U ( 0,ω) exp i +φ (ω) 2
光纤光栅由 ρ (ω )来调制脉冲的幅度
啁啾光纤光栅色散补偿理论浅析
Ｓ ｕ ｙ ｏｎ Ｄｉｐ ｒｉ ｎ Ｃｏ ｅ ｓ ｔｏｎ ｗｉｈ Ｌ ｎ ａ ｌ Ｃｈｒ ｅ ｉｅ ａ ｉ ｇ ｔ ｄ ｓ ｅｓｏ ｍｐ ｎ ａ ｉ ｔ ｉｅ ｒ ｉｐ ｄ Ｆ ｂ ｒＧｒｔｎ ｓ ｙ
Ｚｈａ ｎ ｉ Ｌｉ ｏ Ｈｏ ｇｘ ａ ｕ Ｃｈｕ ｙｕ ｎ （ｃ ｏ ｌ ｆ ｌｔｏ ｉ Ｅ ｇｎ ｉｇ Ｈｅｌｎ ｊ ｎ ｉｅｓ ｙ Ｈａ ｂｎ ５ ０ ０ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅｒ ｎｃ ｎ ｉｎｎ ， ｉ ｇｉ ｇＵｎｖｒｉ Ｅ ｏ ａ ｔ ｒ ｉ １ ０ ８ ） Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂｏ ｈ ｔ ｏ ｙ ｏ ｂｅ ｓ ｒ ｉ ｎ ａ ｂｅ ｒ ｉ ｓ ｒ ｉ ｎ ｅ ｕａ ｉ ｎ ｏ ， ｓｓｏ ｕａ ｕｍ ｓ ｒ ｃ ｔ ｈｅ ｒ ｆ ｉ ｆ ｒｄｉｐｅ ｓｏ ｎｄ ｆ ｒｇ ａ ｎｇ ｄｉｐｅ ｓ ｏ ｑ ｔｏ ｎ Ｅ ｂａ ｉ ｆｑ ｎｔ ｉ ｌ ｍ ｅ ｈ ｎｉ ｓ ｔ ｏ ｙ ａｎ ｐｔｃ ｌｗａ ；Ｔｈａ ｉｐｅ ｓｏ ｓ ｃ ｍ ｐｅ ａ ｅ ｔ ｉ ａ ｌ ｈ ｒ ｄ ｆｂｅ ｃ ａ ｃ ｈｅ ｒ ｄ ｏ ｉａ ｖｅ ｔ ｄ ｓ ｒ ｉ ｎ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ｄ ｗｉｈ ｌｎｅ ｒｙ ｃ ｉｐｅ ｉ ｒ ｇ ａ ｉ ｓ ａ ｌ ｚ ｄ ｑ ｒ ｔｎｇ ｉ ｎａ ｙ ｅ ｕＭ ｉ ｅ ｙ ａ ｔ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｎｄ ｌ ｉａ ｉ ｎｓ ａ ｅ ｄｉｃ ｓ ｄ． ｖ ｌ ｎｄ ｉｓ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ａ ｉ ｔ ｔｏ ｒ ｓ ｕｓ ｅ ｍ Ｋｅ ｒ ｓ ｌ ａ ｌ ｈ ｒ ｅ ｂｅ ｒ ｔｎｇ，ｄｉｐｅ ｓｏ ｏ ｐｅ ａ ｉ ｎ，ｃ ｕｐｌｎ ｏｅ ｆｃｅ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ｉ ｎｅ ｒｙ ｃ ｉ ｐ ｄ ｆ ｒ ｇ ａ ｉ ｉ ｓ ｒ ｉｎ ｃ ｍ ｎｓ ｔｏ ｏ ｉ ｇ ｃ ｆｉ ｉ ｎ ，
线性啁啾光纤Bragg光栅的实验研究
关 蕾 词 色散 补 偿 ； 性 喁 啾 Ｂ ａ ｇ光 栅 线 ｒｇ
Ｏ 引言
光 纤 光 栅 是 利 用 石 英 光 纤 的 紫 外 光 敏 特 性 将 光 波 导结 构 直 接 写 在 光 纤 中形 成 的 光 纤 波 导 器 件 根据不 同 的光栅结 构 ， 纤 光栅 可 以做成滤 波器 、 光 反 射 器 、 散 补 偿 器 等 ， 光 纤 技 术 、 纤 通 信 及 色 在 光
＿『 ＿ １
ｊ ｊ ｊ － ÷ ～
１一 ｒ
≤蓬 。
。 ， ＝，
， ，
图 ２ 实 测 的 碉 嗽 光纤 光 栅 的 反射 谱
Ｆｉ ． Ｒ ｆ ｃ ｉｎ ｓ ｅ ｔ ｕ ｏ ｈ ｒ ｅ ｉ ｅ ｇ ２ ｅ ｌ ｔ ｐ ｃ ｒ ｍ ｆ ｉｐ ｄ ｆ ｒ ｅ ｏ ｃ ｂ Ｂｒ ｇ ｒ ｔ ｇ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔ ｌｎ ｔ ａ ｇ ｇ ａ ｉ ｆｄｆ ｒ ｎ ｅ ｇ ｈ ｎ ｆ
实 验 结 果 ． 由 给 出 反 射 谱 图 可 知 ， 实 验 研 究 的 本
条线 光源 ， 直人 射 到相位掩模 板 ， 垂 光栅 主要 由相
位 掩 模 士 １ 衍 射 光 之 间 相 干 涉 形 成 髑 啾 条 纹 图 级 案 写 人 的 ． 们 采 用 的 光 敏 光 纤 是 普 通 单 模 商 用 我 通 信 光 纤 ， 高 压 载 氢 敏 化 ．紫 外 光 源 用 １ ３ ｍ 经 ｎ ９ 的 准 分 子 激 光 器 ．实 验 装 置 如 图 １ 示 ， 得 的 所 所 样 品 光 栅 其 反 射 谱 图 用 安 立 公 司 生 产 的 精 度 为 ０ ０ ｎ 的 光 谱 分 析 仪 测 得 谱 图 如 图 ２所 示 ． ．７ｍ 传 输 实 验 装 置 如 图 ３所示 ．整 个 系 统 采 用 强 度 调 制 一 直 接 检 侧 （Ｍ — Ｄ） 术 ，ｏ ／ 发 射 Ｉ Ｄ 技 １Ｇｂ ｓ光 机 发 出 的 非 归 零 （ Ｚ 光 脉 冲 经 过 掺 铒 光 纤 放 ＮＲ ） 大 器 （ ＤＦ ） 推 放 大 ， 经 过 可 调 衰 减 后 Ｅ Ａ 助 再
Ｏ 引言
光 纤 光 栅 是 利 用 石 英 光 纤 的 紫 外 光 敏 特 性 将 光 波 导结 构 直 接 写 在 光 纤 中形 成 的 光 纤 波 导 器 件 根据不 同 的光栅结 构 ， 纤 光栅 可 以做成滤 波器 、 光 反 射 器 、 散 补 偿 器 等 ， 光 纤 技 术 、 纤 通 信 及 色 在 光
＿『 ＿ １
ｊ ｊ ｊ － ÷ ～
１一 ｒ
≤蓬 。
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， ，
图 ２ 实 测 的 碉 嗽 光纤 光 栅 的 反射 谱
Ｆｉ ． Ｒ ｆ ｃ ｉｎ ｓ ｅ ｔ ｕ ｏ ｈ ｒ ｅ ｉ ｅ ｇ ２ ｅ ｌ ｔ ｐ ｃ ｒ ｍ ｆ ｉｐ ｄ ｆ ｒ ｅ ｏ ｃ ｂ Ｂｒ ｇ ｒ ｔ ｇ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔ ｌｎ ｔ ａ ｇ ｇ ａ ｉ ｆｄｆ ｒ ｎ ｅ ｇ ｈ ｎ ｆ
实 验 结 果 ． 由 给 出 反 射 谱 图 可 知 ， 实 验 研 究 的 本
条线 光源 ， 直人 射 到相位掩模 板 ， 垂 光栅 主要 由相
位 掩 模 士 １ 衍 射 光 之 间 相 干 涉 形 成 髑 啾 条 纹 图 级 案 写 人 的 ． 们 采 用 的 光 敏 光 纤 是 普 通 单 模 商 用 我 通 信 光 纤 ， 高 压 载 氢 敏 化 ．紫 外 光 源 用 １ ３ ｍ 经 ｎ ９ 的 准 分 子 激 光 器 ．实 验 装 置 如 图 １ 示 ， 得 的 所 所 样 品 光 栅 其 反 射 谱 图 用 安 立 公 司 生 产 的 精 度 为 ０ ０ ｎ 的 光 谱 分 析 仪 测 得 谱 图 如 图 ２所 示 ． ．７ｍ 传 输 实 验 装 置 如 图 ３所示 ．整 个 系 统 采 用 强 度 调 制 一 直 接 检 侧 （Ｍ — Ｄ） 术 ，ｏ ／ 发 射 Ｉ Ｄ 技 １Ｇｂ ｓ光 机 发 出 的 非 归 零 （ Ｚ 光 脉 冲 经 过 掺 铒 光 纤 放 ＮＲ ） 大 器 （ ＤＦ ） 推 放 大 ， 经 过 可 调 衰 减 后 Ｅ Ａ 助 再
线性啁啾对布拉格光纤光栅反射谱的影响
文章编号:1005-9490(2000)02-90-93线性啁啾对布拉格光纤光栅反射谱的影响①何瑾琳,孙小菡,张明德,丁东(东南大学电子工程系,南京,210096) 摘要:以耦合模理论为基础,采用分段均匀和传输矩阵法,得到分析啁啾非均匀光纤光栅光谱特性的教学物理模型,讨论了啁啾系数对高斯型切趾光栅和相移光栅滤波特性的影响。
关键词:光纤光栅,滤波,啁啾中图分类法:TN 25 文献标识码:A1 引 言 1987年O uellette [1]首次提出用带啁啾的光纤光栅对长距离光通信系统进行色散补偿,并在理论上预计其性能将十分优越。
此后,随着光栅制作工艺的发展,包括非相似波前干涉法、锥形法、温度梯度法等在内的各种啁啾光纤光栅制备方法[2]应运而生,促进了啁啾光纤光栅在色散补偿和脉冲压缩领域的广泛应用,研究重点一般也放在对色散谱的优化设计上。
但啁啾的加入同时也影响了光栅的反射谱,因此在设计光纤光栅滤波器时,啁啾也是一个重。
本文从啁啾布拉格光纤光栅滤波应用的角度出发,以耦合模理论为基础,采用分段均匀和传输矩阵法,得到分析啁啾非均匀光纤光栅光谱特性的数学物理模型,讨论了啁啾系数对高斯型切趾光栅和相移光栅滤波特性的影响。
2 理论分析光敏光纤置于光强随空间变化的紫外光曝照中,将引起纤芯折射率的微扰∃n (x ,y ,z ),该微扰在光纤截面上是均匀的,沿光纤轴向(z 向)为正弦变化的量。
包层中折射率改变量为零。
因此可将其表示为:∃n (x ,y ,z )=∃n (z )=∆n -co (z )1+v co s 2Πz +Υ(z ) r ≤a 0 r >a (1)其中:∆n -co (z )是芯层中折射率的平均变化量,v 是折射率的调制指数,+为光栅周期,Υ(z )是折射率变化的相位,通常用来描述光栅的啁啾量。
线性啁啾光栅相移Υ的一阶导数是z 的线性函数,如下式表示:d Υd z =2C z L 2(2)第23卷第2期2000年6月 电 子 器 件Jou rnal of E lectron D evices V o l .23,N o.2June .2000①来稿日期:1999-11-20式中:C 为光栅的啁啾系数。
光纤光栅及其色散补偿的理论简介
图2 啁啾光栅色散补偿原理示意 通常用色散参量 D来描述啁啾光栅的色散特性，若 t 是光在光栅中一个来回的时间， 是光栅波长带宽， g 相当于z=0处的布拉格波长和z=L处的布拉格波长之差。已知t 2 Lneff / c ，其中 neff 为有效折射率，则色散 参量 Dg可以定义为 Dg 2neff / c 单模光纤在1.31um处色散为0，在1.55um处色散约为17ps/（nm.km)，再由上式可得长度10cm，带宽 0.2nm的光栅可以补偿300km标准光纤引入的色散。
首个 光纤光栅
横向侧面 曝光法
相位 掩膜法
制作技术 日益成熟
1978年
1988年
随后
90年代以后
加拿大通信 研究中心 用氢离子 激光束照射 掺锗光纤
使光纤技 术获得进 一步发展
使光栅的 规模制作 和重复性 成为可能
利用不同方法 制作出各种各样的 光纤光栅
概念
优点
应用
光纤光栅的应用
光通信
激光器
EDFA 掺铒光纤 放大器
图3 光纤色散引起的脉冲展宽（平面）
(a)
高斯型
（b）自构型
图4 高斯型和自构变迹函数波形
(a)
高斯型
（b）自构型
图5 高斯型和自构变迹函数折射率调制波形
两种光纤光栅选择相同的参数：光栅长度L=100.0mm，啁啾系数0.0022nm/mm，折射率调制幅度 0.00002，中心反射波长为1550nm。两种变迹函数下的线性啁啾光纤光栅的光学特性如图6所示。变 迹的目的是消除光纤光栅反射谱的旁瓣，平滑反射谱，同时抑制反射带宽内的时延特性曲线的振荡， 保证时延特性曲线相对大的线性和相对大的色散补偿带宽，同时保证时延量满足补偿光纤引起的时延 量的需要。从图中我们明显看到，两种变迹函数下的线性啁啾光纤光栅均达到此目的。而自构函数实 现的变迹光纤光栅的反射谱与时延特性曲线的平滑度更优于高斯型。
啁啾光纤光栅仿真-
φ (z,ω)
=
AT0
exp−
1 2
(ω
− ω0 )2
⋅ T02
−i
d 2β dω 2
z + i(ω
− ω0 )
dβ dω
z
+
iβ
0
z
(7)
对光脉冲的频谱进行变换，假定能够得到一个系统，其频谱函数Φ(ω) 使得光脉冲经过该系 统后，光脉冲的频谱为：
φout (ω) = φin (ω)Φ(ω)
(8)
下面从公式的角度进行分析。
-1-
中国科技论文在线
激光器出射的光脉冲复振幅在初始点是高斯型[1]：
ψ
(0, t )
=
A exp[−
1 2
t T0
2 ]⋅ exp(−iω0t)
(1)
其中对T0它为进光行脉傅冲立半叶宽变度换(在，振得幅到的光1脉/e冲)处的，频ω谱0 是为光：脉冲的中心频率。
1
0.9
0.8
0.7
0.6
Reflectivity
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 1.548 1.5485 1.549 1.5495 1.55 1.5505 1.551 1.5515 1.552
wavelength/m
x 10-6
图 2 均匀光纤光栅反射谱
对于线性啁啾光栅可采取传输矩阵法求解方程(13，14)。假设把光栅分成 M 段子光栅， 且将子光栅当作均匀光栅处理。但是 M 不能无限扩大，必须保证[1]：
M << 2neff L
λd
(23)
传输矩阵法将每段都用一个 2×2 矩阵表述，然后将所有的矩阵相乘得到一个总的 2×2
带宽为0.84nm色散补偿100km以上线性啁啾光纤Bragg光栅的研制
数 、光栅 长度 、以及有 效折射率变 化量等 参数有关 ；啁 啾系数一 定时，光栅 带宽与光 栅长度成 正 比。
ｆ ／ ｝
．
厂ｌ ］
／ １
／
．．
ｎ： ／Ｉ
∞
∞
重
甚
．
／
＾ Ｊ
＾ ＾／
｛
善
ｆ Ｉ ｛ ．『 ｝ ． ｎ ’ ’
式 中； ｎ ０为紫外 曝光前 的有效折射率 ， Ａｎｆｚ 为 有效折射率 空 间变化 包络 ， 。（）
１ｄ ４ ｒ ｆＺｄ ｒｎｅ Ｄ
（） １
为折 射率变 化的条纹 可见
，、 ＾
度， 以 ０为标称的光 栅周期 ， （） 描述 光栅 的啁啾 ．对于 线性 啁 啾光栅 ，相位 项具有如 下形式 ｔ
文章编号： １０ －４ １２ ０ ）３０ ５ —４ ０ ７５ ６ （０ ２０ —２ ００
带宽 为 ０８ ｍ 色散补偿 １ ０ｋ 以上 ．４ａ ｍ ０ 线性 啁啾光纤 Ｂｒ ｇ ａ ｇ光栅 的研制
叶 志清 ， 邹 道 文
（江西师范大学物理系，
摘 要
南昌 ３ ０ ２ ３ ０ ７）
示。图中所选参数为 Ａ ：０ ×１＿ ， Ａ ／ｚ ０ ４５ ｍ ｃ Ａ ＝ ５３ ５ ｍ， ＝ ． 其中图 ｌ ） ｌ ） ｎｆ ． ０ 。ｄ Ｄ ｄ＝ ． ６ ／ｍ， Ｄ １５． Ｖ Ｉ ， ｒ ８ 。 ０ ｎ ４ｎ ０ （ 、 （ ａ ｄ
对 应光栅长 度为 １ ２ｍｍ， １ ） ｌ ） ４ 图 （ 、 （ 对应光栅 长度 为 １０ｍｍ， １ｃ 、 ｌｆ 对应 光栅 长度为 ８ ｂ ｅ ０ 图 （） （ ） ０ｍｍ ． 用 数值模拟 可知，啁啾光栅色散 量大 小取 决于 啁啾系数，色散量近 似与啁 啾系数成 反 比；光 栅带宽 与啁啾 系
光源啁啾与色散补偿研究
的 。随着 人 们 对 非 线 性 光 学 现 象 认 识 的不 断 深 入 和 密
一
的光 速 ，这 反 映 了传 输 距 离 与 数 码 率 的 平 方 成 反 比 的
个重要规律。
光 源 啁 啾 是 指 由光 发
射 机 发 出 的光 脉 冲 ，在 脉
集性 波 分 复 用 的新 技 术 的 发展 ，人 们 认 识 到 在 一 些 多 冲前 后 沿 期 间 内 由于 调 制 信 道 传输 技 术 中 色 散 的 降低 将 导 致 非 线 性 光 学 现 象 的 产 生 频 率 变 化 ，使 信 号 频 增强 。 在新 型 大 容量 光 纤 传 输 技 术 中 ， 就 需 要 研 究 新 谱 展 宽 。 用 啁 啾 系数 （ 这 并 也 的技 术克 服 色 散 的 影 响 。对 于 通信 系统 而 言 ， 终 关 心 最 的 是 接 收 点 处得 到好 的信 号波 形 ，而 对 于 传 输 链 路 上 称 线 宽 展 宽 因 子 ） 描 ｄ 述 。通 常 啁啾 引起 的频 率 变化 在 脉 冲前 后 沿 是 相 反 的 。如 果 在 脉 冲前 沿 和 后
发 射 机 与 光接 收 机 间 光 纤 的 累积 色散 ｆ ｚ小 于 关 系 式 中所 限 定的 数 值 ， 啾 对 脉 冲 波 Ｄｄ 啁
形 的影 响 就 可 获得 明 显减 弱 ， 此 给 出各 种 色散 补偿 方 法 。 为
关键 词 ： 高斯 光 脉 冲 ； 啾 系数 ； 啁 色散 ； 图代 价 眼
的 ） 。
目前 ， 光 纤 色 散 进 行 补 偿 的方 法 很 多 ， 要 有 光 对 主 纤性色散补偿技术 、 光纤 布拉 格 光 栅 型色 散 补 偿 技 术 、 Ｆ ｂ ｙ Ｐ ｒｔ 振 腔 型 色散 补偿 技 术 、相 位 共 轭 型 色 散 ａ ｒ— ｅｏ 谐 补 偿 技 术 和 光 源 预 啁 啾 色散 补 偿 技 术 。本 文仅 探 讨 光 源 啁 啾对 传 输 的影 响 与 色散 补 偿 措 施 。
一
的光 速 ，这 反 映 了传 输 距 离 与 数 码 率 的 平 方 成 反 比 的
个重要规律。
光 源 啁 啾 是 指 由光 发
射 机 发 出 的光 脉 冲 ，在 脉
集性 波 分 复 用 的新 技 术 的 发展 ，人 们 认 识 到 在 一 些 多 冲前 后 沿 期 间 内 由于 调 制 信 道 传输 技 术 中 色 散 的 降低 将 导 致 非 线 性 光 学 现 象 的 产 生 频 率 变 化 ，使 信 号 频 增强 。 在新 型 大 容量 光 纤 传 输 技 术 中 ， 就 需 要 研 究 新 谱 展 宽 。 用 啁 啾 系数 （ 这 并 也 的技 术克 服 色 散 的 影 响 。对 于 通信 系统 而 言 ， 终 关 心 最 的 是 接 收 点 处得 到好 的信 号波 形 ，而 对 于 传 输 链 路 上 称 线 宽 展 宽 因 子 ） 描 ｄ 述 。通 常 啁啾 引起 的频 率 变化 在 脉 冲前 后 沿 是 相 反 的 。如 果 在 脉 冲前 沿 和 后
发 射 机 与 光接 收 机 间 光 纤 的 累积 色散 ｆ ｚ小 于 关 系 式 中所 限 定的 数 值 ， 啾 对 脉 冲 波 Ｄｄ 啁
形 的影 响 就 可 获得 明 显减 弱 ， 此 给 出各 种 色散 补偿 方 法 。 为
关键 词 ： 高斯 光 脉 冲 ； 啾 系数 ； 啁 色散 ； 图代 价 眼
的 ） 。
目前 ， 光 纤 色 散 进 行 补 偿 的方 法 很 多 ， 要 有 光 对 主 纤性色散补偿技术 、 光纤 布拉 格 光 栅 型色 散 补 偿 技 术 、 Ｆ ｂ ｙ Ｐ ｒｔ 振 腔 型 色散 补偿 技 术 、相 位 共 轭 型 色 散 ａ ｒ— ｅｏ 谐 补 偿 技 术 和 光 源 预 啁 啾 色散 补 偿 技 术 。本 文仅 探 讨 光 源 啁 啾对 传 输 的影 响 与 色散 补 偿 措 施 。
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摘 要
光纤光栅是光通信领域发展迅速的一种器件，其应用非常广泛。实用化的光纤光栅及 由其构成的各类光器件是光通信传输系统必不可少的光器件，光纤色散是光通信向高速 率，长距离方向发展的主要障碍，色散补偿己成为人们研究的热点。线性啁啾光纤光栅由 于其插入损耗低、体积小、价格低廉、色散补偿量大等多方面的优点，而成为色散补偿中 最有效，最有前途的方法。 论文首先利用耦合模理论对光纤光栅的光学特性进行了详细的分析,进而详细地介绍 了求解非均匀光纤光栅的常用方法----传输矩阵法。循序渐进的引入均匀光纤光栅、均匀线 性啁啾光纤光栅、变迹线性啁啾光纤光栅的概念，并对三种光栅的光学特性进行了详细的 对比。 对自己构建的变迹函数变迹线性啁啾光纤光栅进行了充分的讨论。对于啁啾度和长度 一定的光栅系统，根据最佳变迹应满足的条件，确定了自构最佳变迹函数的形式，并对该 函数变迹下的线性啁啾光纤光栅的光谱特性进行了模拟仿真，归纳出当光栅参数变化时对 光栅光学特性的一些影响，这对设计光栅补偿元件是具有一定实际意义的。仿真结果同时 显示：自构变迹函数变迹下的线性啁啾光纤光栅其反射谱具有较大的带宽，对时延特性曲 线及色散曲线的振荡具有良好的抑制作用，且时延曲线保持着足够量的时间延迟。仿真结 果表明，自构建的变迹函数的光学特性是良好的。 对光纤光栅用于色散补偿理论作了较为详细的介绍。并在选取相同参数情况下（在该 参数下已实现在标准单模光纤中超过 100km，10Gb/s 的色散补偿信号的传输） ，分别用高 斯型和自构变迹函数下的线性啁啾光纤光栅补偿 100km 标准单模光纤产生的色散，仿真结 果显示：自构函数变迹下的线性啁啾光纤光栅补偿展宽脉冲效果更优。 最后对全文进行了总结。
学位论文作者签名： 导 师 签 名：
日期： 日期：
第一章
1.1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光纤通信的发展
绪
论
通信是人类发展、社会进步的一种基本需求，它的功能是将信息从一个地方传递到另 一个地方。至今为止，已有多种形式的通信系统出现，每一种新的通信方式出现的原动力 来自于改进传输的可靠性、 提高信息传输速率或增加中继站之间的距离， 19 世纪中叶之前， 无论是光方式还是声方式通信，系统的传输速率都很低。已知最早的光通信线路是公元前 8 世纪在古希腊出现的烽火台通信，这种通信方式可用于报警、呼救或通知特定的事件。 当然它并非现代意义上的光通信，可以称其为目视光通信。到了中世纪，烽火台通信得到 了改进，人们用不同颜色的烽烟组合来传递较为复杂的信息。18 世纪末，法国人 Chappe 发明了扬旗式通信机(又称旗语通信机)，这种通信方式得到了进一步改进。扬旗通信在拿 破仑时代达到了鼎盛时期，在欧洲架设了数千公里的线路，目视光通信也在 19 世纪达到 了它的顶峰。1838 年，美国人 Samuel F. B. Morse 发明了电报，开创了通信历史的新篇 章，人类进入了电通信时代。由于电通信技术的出现，以扬旗通信为代表的目视光通信迅 速地告别了历史舞台。此后，贝尔发明了电话，马可尼、波波夫发明了无线电通信，电通 信方式也随即成为了最主要的通信方式。电通信是以射频电磁波作为信息载体的通信方 式，它的容量几乎与所使用的载波频率成正比。随着社会生产和科学技术的不断发展，人 们对通信容量的要求越来越高，越来越迫切，这促使人们去开发和利用频率更高的电磁波 段。20 世纪 60 年代卫星通信技术的发展使电信技术达到了一个新的高度。工作于微波频 段的卫星通信技术是人类通信史上的一个巨大进步，但微波频段的可用部分是有限的，它 已远远不及人们对通信容量的需求，因此人们将研究的重点转向更高的频段----毫米波、 亚毫米波甚至远红外波。在开发和利用毫米波、亚毫米波甚至更短波段作为信息载体的过 程中，科技人员遇到了极大的挑战，在理论上和技术上都有许多问题难以解决。随后，人 们又将注意力集中到了比毫米波频率高许多的光波上。既然光波的频率更高，可以预见的 是:如果利用光作为信息载体，通信容量将会有一个质的飞跃。这一点是传统的通信手段 所无法比拟的。此后，人们做了大量卓有成效的工作，终于实现了人类进入光通信时代的 梦想。 要想实现真正意义的光通信，必须对光进行高速调制，同时确保信号的长距离传输， 进而接收到准确的信息。这就要求必须解决好两个关键问题:一是可以高速调制且相干性 很好的光源;二是低损耗的传输介质。然而令人遗憾的是，直到 20 世纪 50 年代，人们所 使用的光源都无法达到光通信系统的要求。这些光源相干性差、频谱极宽而且相位和偏振 态难以控制，因而对其进行高速调制是极其困难的。1960 年，第一台激光器问世。它克服 了以往光源的许多缺点，发出的光束具有很好的相干性，可以作为高速数据信息的载体， 但缺乏实用价值。1970 年，美国贝尔实验室成功研制出了性能更好且能连续工作的半导体
广西师范大学 硕士学位论文 线性啁啾光纤光栅及其色散补偿的理论研究 姓名：黄平 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：秦子雄;曾庆科 20080501
线性啁啾光纤光栅及其色散补偿的理论研究
导师：秦子雄教授 学科专业：电路与系统 曾庆科教授 研究生：黄平 年级：2005 研究方向：光纤通信器件
II
detailed analysis. The author compensates the dispersion after light propagates 100 kilometre in normal single-mode fiber by using the linear chirped fiber grating apodized by Gauss function and self-constructed function, other parameters are the same(under these parameters, 10Gb/s dispersion compensation signal transmission has been realized ). Simulations show that: to the broaden pulses, the performance of compensation of linear chirped grating apodized by the functions constructed by the author is much more better others. At last I summarize my thesis.
学位论文作者签名：
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关键词：光纤光栅，耦合模理论，传输矩阵法，变迹，啁啾，色散补偿
I
Theoretical study on the linearly chirped fiber Bragg grating and dispersion compensation
Supervisors：Prof.Qin Zi-Xiong ,Prof.Zeng Qing-ke Graduate Candidate：Huang Ping Major:Circuit and System Orientation: optical communication and optical apparatus Grade: 2005
Keywords: fiber Bragg grating, coupled-mode theory， transfer matrix method, apodization,
chirp, dispersion compensation
III
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Abstract
Fiber Grating is quickly developing in optical communication realm and widely using in many scopes .In optical communication systems ,Fiber Grating and apparatus made of Fiber Grating are necessary .The fiber dispersion is serious and become a main holdback along with the development of optical communication. So many people focus on it. At present, Linear chirp Fiber Grating is the most effective and useful prolect of compensating fiber dispersion because of its good characteristics. Such as low wastage,little bulk,low price,big dispersion compensation. In this thesis , the author firstly detailed analyze the optical characteristics of fiber gratings using the coupled-mode theory.Secondly,describe the transfer matrix method---a common method to solve the nouniform fiber gratings. Then introduce the uniform fiber grating,linear uniform chirped fiber grating,apodized chirped fiber grating step by step, and a detailed comparision of their optical characteristics is made. The characteristics of apodized functions constructed by the author are abundantly discuss.According to the best apodized enveloped conditions, the best apodized functions constructed by the author are decided to the fiber grating systems which the chirped coefficient and the length are known. At the same time, the author model the spectral characteristics of the linear chirped fiber grating apodized by the self-constructed functions,some useful conclusions about the fiber grating optical characteristics are gained when changing the grating parameters. All the conclusions are of practical meaningful to design the fiber grating compensators. The modeling results tell us that, apodized by the functions constructed by the author, the reflection spectrum of the linear chirped gtating has a wide bandwidth, and well restrains the oscilation of the delay curve and the dispersion curve, moreover,the delay curve keeps enough time delay. All show that the optical characteristics of the apodized functions constructed by the author are good. To the theory of fiber gratings used as dispersion compensation ,the author makes a more