啁啾光纤光栅
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光栅布拉格光栅及其传感特性研究
光栅布拉格光栅及其传感特性研究2一光纤光栅概述21.1 光纤光栅的耦合模理论21.2 光纤光栅的类型31.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅31.2.2 线性啁啾光纤光栅31.2.3 切趾光纤光栅31.2.4 闪耀光纤光栅41.2.5 相移光纤光栅41.2.6 超结构光纤光栅41.2.7 长周期光纤光栅4二光纤布拉格光栅传感器52.1 光纤布拉格光栅应力传感器52.2 光纤布拉格光栅温度传感器62.3 光纤布拉格光栅压力传感器62.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器7三光纤光栅传感器的敏化与封装103.1 光纤光栅传感器的温度敏化103.2 光纤光栅传感器的应力敏化103.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法10四光纤光栅传感网络与复用技术104.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术114.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术124.1.2 基于波长分离法的波分复用技术134.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术134.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术144.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术144.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术164.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术184.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术184.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术184.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术184.6 混合复用FBG传感网络184.6.1 WDM/TDM混合FBG网络184.6.2 SDM/WDM混合FBG网络184.6.3 SDM/TDM混合FBG网络184.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络184.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络18五光栅光栅传感信号的解调方法18六激光传感器18光栅布拉格光栅及其传感特性研究一 光纤光栅概述1.1 光纤光栅的耦合模理论光纤光栅的形成基于光纤的光敏性，不同的曝光条件下、不同类型的光纤可产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。
低温环境下光纤光栅啁啾异常现象研究
器 、 聚变反 应堆 和大 型超 导磁 体等 ， 系统涉及 核 其 超低温 、 强磁 场 、 中子 辐照 、 高压 和 真 空等 复 杂 的
运 行环境 ， 因此 ， 了解这 些 系统 中的材 料及 结构在
对这 一 现象进 行 了研究 和探 讨 ， 是 ， 但 对其 机理还
缺乏 充分 的 理 论 和实 验 依 据 。 为此 ， 者 对光 纤 笔 光栅 在低 温情 况下 出现 的啁啾现 象进行 了大量 的
Ｖｏ． Ｎｏ ５ １３２ ．
０ｃ． ０１ ｔ２ ０
文 章 编 号 ：０７—１４ ２ １ ）５— ７ ３— ５ １０ ４ Ｘ（志 码 ： Ａ
低 温 环 境 下 光 纤 光 栅 啁 啾 异 常 现 象 研 究
周建 华 张 东 生 ， ， 付 荣
（． １武汉理工大学 机 电工程学 院， 湖北 武汉 ４０ ７ ；． ３０ ０ ２ 武汉理工大学 光纤传感技术 国家工程实验室 ， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３ ０ ０
光纤 本身 的光 学性 质无 关 。上述 实验结 果 与黄 国
君等 人发 现 的现象并 不 完全 一致 。笔 者对光 纤光
栅封 装 的胶粘 剂 和粘 贴 工 艺 进 行 了研 究 ， 于应 基
变传递 规律 ， 用 合适 的低 温 胶 粘 剂 将裸 光 栅 粘 使 贴 到 聚合物 基底 材 料 上 ， 大大 减 少 了光纤 光 栅 在 低 温 出现 的啁 啾现 象 ， 过 将 基 片 封 装 的光 纤 光 通 栅 粘贴 到 金 属 试 件 上 进 行 液 氮 温 度 下 的 拉 伸试 验 ， 得 了 良好 的低 温 应 变 响 应特 性 。根 据 光纤 获 光 栅应 变传 递理 论和 光 的干涉 理论 对光纤 光栅 在
保偏微结构光纤啁啾光栅折射率传感特性分析
１ 基本 原理
对于啁啾光纤布拉 格光栅 ，其折 射率 调制是 不均匀 的 ， 但可以将它分为很多长度相等的小段 ，每一 小段都很短 ， 可 以看作均匀光纤布拉格光栅 ，因此 ，对每一 小段仍然 可 以利 用传输矩阵 ， 总 的传输特性可 以将一小段 的传输 矩阵相乘得 到一个总矩阵来分 析［ １ １ ４ ３ 。设 啁啾光纤 布拉 格光 栅 的周期
（ １ ）
基金项 目： 国家（ ９ ７ ３ 计划） 项 目（ ２ ０ １ ０ Ｃ Ｂ ３ ２ ７ ８ ０ １ ） ， 国家 自 然科学基金项 目（ ６ ０ ９ ０ ７ ０ ３ ３ ） 和河北省 自 然科学基金项 目（ Ｅ ２ ０ ０ ９ ０ ０ ０ ３ ７ ３ ） 资助
作者简介： 郭
璇， 女， １ ９ ８ １ 年生 ， 燕山大学信息科学与工程学院讲师
度 。
然而 目前所 提 出的传感 器设 计方 度噪声 等干扰影 响。 本 工作提
收稿 日期 ：２ ０ １ １ — １ ０ — ０ ８ 。 修订 日期 ： ２ ０ １ ２ － ０ ２ — １ ８
Ａ 一Ａｆ １ 一－ ｝ ＿ １ ， ０ ＜ ＜ Ｌ
第３ ３ 卷， 第１ 期 ２ ０ １ ３年 １月
光 谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． １ ， ｐ ｐ ２ ６ ６ — ２ ７ ０
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ，２ ０ １ ３
保偏 微 结构 光 纤 啁啾光 栅 折射 率传 感特 性分 析
郭 璇， 毕卫红 ， 刘 丰
燕山大学信息科学与工程学院 ， 河北 秦皇岛 ０ ６ ６ ０ ０ ４
光纤光栅在各领域的应用
随着紫外写入光纤光栅制作技术的日趋成熟，人们逐渐认识到从光纤通信、光纤传感到光计算和光学信息处理的整个光纤领域都将由于光纤材料这种感光特性的发现而发生革命性的变化。
尤其是在光纤通信方面，光纤光栅将影响到从光发送、光放大、光纤色散补偿到光接收的几乎每个方面。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子与纤芯离子相互作用引起的折射率的洋机永久性变化）在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，利用这种特性可以构成许多独特性能的光纤无源器件。
由光纤光栅提供选择性反馈的光纤激光器和半导体激光器已可实现线宽只有kHz量级的单纵模激光输出。
在EDFA中使用光纤光栅，可以在整个放大器带宽内实现平坦的增益并有效地抑制放大器的自发辐射噪声(ASE)，同时极大地提高泵浦效率，从而对光信号实现接近理想水平的低噪声放大。
采用光纤光栅可以制成结构简单、性能优良的全光纤波分复用器，用单个器件即可同时实现上下话路的功能。
此外，适当设计的周期渐变(Chirp)光纤光栅在理论和实验上均被证明具有很强的色散补偿能力，它可以在很大程度上消除光纤色散对系统通信速率的限制。
除了其独特的光谱特征外，光纤光栅还具有体积小、插入损耗低以及与普通通信光纤良好匹配的优点。
利用光纤光栅对波长的良好选择性和上述基于光纤光栅的各种器件和技术，可以很方便地在光纤线路上实现超高速数据的波分复用和全光解复用。
因此，光纤光栅将是下一代超高速光纤通信系统中不可缺少的重要光纤器件。
1.光纤光栅在激光器中的应用在光纤通信系统中，能够进行高速调制的窄线宽单频激光器对于高速率光纤通信系统的建立具有十分重要的意义。
目前这种光源主要采用DFB或DBR结构的半导体激光器实现。
但是这种半导体单纵模激光器的芯片制作工艺复杂，成本高，不利于高速调制，并且难于实现激射波长在0.1nm精度上的严格控制。
光纤光栅的出现，在很大程度上使上述问题得到了解决。
为光纤光栅外腔半导体激光器的基本结构是将光纤布喇格光栅耦合在普通半导体激光器芯片镀有增透膜的输出端面上即构成该器件。
线性啁啾光纤光栅光学特性的仿真研究
Ｍ 《 ｒｆ ￣ｔ ｆ
ｅ
—
（） ４
［ 收稿 日期］ ０ ８ ５ ５ ２ ０ －０ —１ ［ 作者简介］ 黄 ￣ （９１ １７一 ）男 ， ， 湖南永州人 ， 桂林师范高等专 科学 校物理与信息技术系讲师 ， 广西师范大学物理 与电子工 程学院在读 硕士 研 究生 ， 主要从事 电子技术及光纤通信器件的研究 。
［ 键词 ］ 光纤光栅 ； 啾； 关 啁 变迹 ； 学 特 性 光
［ 中图分 类号］ ０ —７ ７ （０ ８ ０ － Ｏ ７ 一Ｏ ０１ ００２０）２ １８ ４
０ 引言
光 纤 光栅 是 一种 通 过 一定 的方 法 使光 纤纤 芯 的 折 射率 发 生轴 向周期 性 调制 而 形 成 的衍 射 光 栅 ， 是一 种 无 源 滤波 器件 。其实 质 是改 变 光纤芯 区折 射率 ， 折射 率 变 化 幅度大 小通 常在 １ ～１ 间 １ ７ 年 ， 拿大 通 其 ０ Ｏ ９８ 加 信研 究 中心 的 Ｋ．Ｏ．Ｈｉ 等 人用 较强 的 氢离 子激 光 束 照 射掺 锗 光纤 ， 成 了首 个 光纤 光 栅 ［ 。１ ８ ｌ ｌ 制 １ ９ ８年 ， ｌ ］ Ｍｅｔ ｚ 等人 发展 了 一种 横 向侧 面曝 光法 的制 作光 栅技 术 ［ ， 使 光栅 技 术获 得进 一 步发 展 。 ２才 ］ 随后 的 相位 掩膜 法 ［和在 ３ ］ 线制 作法 ［使 得 光栅 的规 模 制作 和重 复性成 为 可能 。 纤 光栅 具 有许 多独 特 的优 点 ， 制 作相 对 简单 、 ４ ］ 光 如 成本 低 、 性 能 稳定 可 靠 、 光 纤兼 容 、 与 易集 成等 ， 因而在光 纤 通信 和 光纤 传感 领 域均 有重 要 应用 。 ０世纪 ９ ２ ０年代 以后 ， 随
ｅ
—
（） ４
［ 收稿 日期］ ０ ８ ５ ５ ２ ０ －０ —１ ［ 作者简介］ 黄 ￣ （９１ １７一 ）男 ， ， 湖南永州人 ， 桂林师范高等专 科学 校物理与信息技术系讲师 ， 广西师范大学物理 与电子工 程学院在读 硕士 研 究生 ， 主要从事 电子技术及光纤通信器件的研究 。
［ 键词 ］ 光纤光栅 ； 啾； 关 啁 变迹 ； 学 特 性 光
［ 中图分 类号］ ０ —７ ７ （０ ８ ０ － Ｏ ７ 一Ｏ ０１ ００２０）２ １８ ４
０ 引言
光 纤 光栅 是 一种 通 过 一定 的方 法 使光 纤纤 芯 的 折 射率 发 生轴 向周期 性 调制 而 形 成 的衍 射 光 栅 ， 是一 种 无 源 滤波 器件 。其实 质 是改 变 光纤芯 区折 射率 ， 折射 率 变 化 幅度大 小通 常在 １ ～１ 间 １ ７ 年 ， 拿大 通 其 ０ Ｏ ９８ 加 信研 究 中心 的 Ｋ．Ｏ．Ｈｉ 等 人用 较强 的 氢离 子激 光 束 照 射掺 锗 光纤 ， 成 了首 个 光纤 光 栅 ［ 。１ ８ ｌ ｌ 制 １ ９ ８年 ， ｌ ］ Ｍｅｔ ｚ 等人 发展 了 一种 横 向侧 面曝 光法 的制 作光 栅技 术 ［ ， 使 光栅 技 术获 得进 一 步发 展 。 ２才 ］ 随后 的 相位 掩膜 法 ［和在 ３ ］ 线制 作法 ［使 得 光栅 的规 模 制作 和重 复性成 为 可能 。 纤 光栅 具 有许 多独 特 的优 点 ， 制 作相 对 简单 、 ４ ］ 光 如 成本 低 、 性 能 稳定 可 靠 、 光 纤兼 容 、 与 易集 成等 ， 因而在光 纤 通信 和 光纤 传感 领 域均 有重 要 应用 。 ０世纪 ９ ２ ０年代 以后 ， 随
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 ／ ｝
．
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／ １
／
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ｎ： ／Ｉ
∞
∞
重
甚
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｛
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
光栅
•
产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而 改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现了折射率 的变化；另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放 诱导应力以及结构、形状的畸变等也导致了折射率的 变化。这种光折变效应主要发生在近紫外波段。最初 光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发现， 具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并 不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有 时根据需要为了加大折射率的变化程度，就会选用高 掺杂的光纤。
•
光纤中的光敏特性于1978年由Hill等人首次发现并 成功用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，1989年 Meltz提出的横向写入制造方法及Hill等人于1993年提 出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大 发展，使得光纤光栅的大批量制造成为可能，之后， 光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤光栅器件在光纤 通信及光纤传感领域有着广泛的应用，被认为是继掺 饵光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一 重大突破。本节首先介绍光纤光栅器件的形成机理、 制造方法及工作原理，然后探讨光纤光栅器件的应用。
•
光纤光栅从本质上讲是通过波导 与光波的相互作用，将在光纤中传输的 特定频率的光波，从原来前向传输的限 定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传 输的限定在包层或纤芯中的模式，从而 得到特定的透射和反射光谱特性。光纤 光栅中，光场与光波导之间的相互作用 可用耦合模理论来描述。
• •
1.均匀光纤光栅 最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光栅，其 折射率可以表示为
3 .7 50
7 .5 00ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
－0 .0 6 －4 .0
－2 .0
0 .0
L
2π
2 .0
4 .0
光纤光栅特性及其在光通信中的应用
广 阔的应 用前 景 。随着 光 纤光 栅制 造 技术 的不 断完 善 ，应 用成 果 的 日益增 多 ，使得 光纤 光栅 成 为 目前最 有 发展 前途 、最 具代 表 性的光 纤 无源 器 件之
一
。
光纤 光栅 作为 高性 能 的滤波 元 件 ，在光 纤 光栅 激光 器 、光 分插 复用 器
合 到 光 纤 ２ ３ ，因 受Ｂ ａｇ 栅 反 射 作 用 ，而 是 从 另 一 个 通道 光 纤 ４ 、 中 ｒ ｇ光 输 出，从 而实现 滤波 功 能。
２ ３色其 中 ，为光 栅长 度 ； △ 为纤 芯 的折 射 率变 化最 大 范 围 。光栅 的最 大
输 入 输出
随着 光纤 通信 的飞速 发 展 ，光纤光 栅 逐渐 成为 发展 最为 迅速 的光 纤 无 源器 件之 一 。光 纤光 栅具 有 体积 小 ，插入 损 耗低 ，对 偏振 不敏 感 ，与 普通
光纤 接续 简便 ， 光谱 响应特 性 动态 可控 等特 点， 因而在 光 纤通 信领 域 均有
制 深度 和波 长 的函 数 。光纤 光 栅的 另一 个特 点 是色 散特 性 ，它在 某 些特 定
的应用 中十分 有用 ，例如 可用 来实现 光 纤的色 散补 偿等 。
频 分 量 多走 了一 段距 离 ，从 而使滞 后 的低 频分 量赶 上 高频 分量 ，被 展开 的
光脉冲 又重 新被 压缩 ，完成 了色 散补 偿 。 环 形器 啁啾 光栅
Ｒ＝ｔ ｈ （ｌｎ ｎ ａ ｚ ／ ｎ ａ
）
（ ２ ）
啁啾 光纤 光栅进 行色 散补 偿 的方法 现 已应 用于 光通 信 中。 啁啾 光纤 光栅 的调 制 周期是 非均 匀 ，入射 光脉 冲在 不 同反射 点具 有不 同 的反射 波 长 ，从 而有 不 同的 时延 ，在 １５ｎ 负 反射 区 高频分 量 的群速 度 ５ Ｏｔ ． 快 于低频 分 量 ，使低 频 （ 长波 长 ）分量 在 光栅 的前 端被 反射 ，而高频 分 即 量在 光栅 的末端 反射 ，这 样 经过 啁啾 光栅 的 反射 ，光 脉冲 的 高频 分量 比低
一
。
光纤 光栅 作为 高性 能 的滤波 元 件 ，在光 纤 光栅 激光 器 、光 分插 复用 器
合 到 光 纤 ２ ３ ，因 受Ｂ ａｇ 栅 反 射 作 用 ，而 是 从 另 一 个 通道 光 纤 ４ 、 中 ｒ ｇ光 输 出，从 而实现 滤波 功 能。
２ ３色其 中 ，为光 栅长 度 ； △ 为纤 芯 的折 射 率变 化最 大 范 围 。光栅 的最 大
输 入 输出
随着 光纤 通信 的飞速 发 展 ，光纤光 栅 逐渐 成为 发展 最为 迅速 的光 纤 无 源器 件之 一 。光 纤光 栅具 有 体积 小 ，插入 损 耗低 ，对 偏振 不敏 感 ，与 普通
光纤 接续 简便 ， 光谱 响应特 性 动态 可控 等特 点， 因而在 光 纤通 信领 域 均有
制 深度 和波 长 的函 数 。光纤 光 栅的 另一 个特 点 是色 散特 性 ，它在 某 些特 定
的应用 中十分 有用 ，例如 可用 来实现 光 纤的色 散补 偿等 。
频 分 量 多走 了一 段距 离 ，从 而使滞 后 的低 频分 量赶 上 高频 分量 ，被 展开 的
光脉冲 又重 新被 压缩 ，完成 了色 散补 偿 。 环 形器 啁啾 光栅
Ｒ＝ｔ ｈ （ｌｎ ｎ ａ ｚ ／ ｎ ａ
）
（ ２ ）
啁啾 光纤 光栅进 行色 散补 偿 的方法 现 已应 用于 光通 信 中。 啁啾 光纤 光栅 的调 制 周期是 非均 匀 ，入射 光脉 冲在 不 同反射 点具 有不 同 的反射 波 长 ，从 而有 不 同的 时延 ，在 １５ｎ 负 反射 区 高频分 量 的群速 度 ５ Ｏｔ ． 快 于低频 分 量 ，使低 频 （ 长波 长 ）分量 在 光栅 的前 端被 反射 ，而高频 分 即 量在 光栅 的末端 反射 ，这 样 经过 啁啾 光栅 的 反射 ，光 脉冲 的 高频 分量 比低
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#
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。 光纤光栅的折射率调制为：
f z 为切趾函数，常用的切趾包络函数主要有 余弦、柯西和汉明函数
#
高斯窗 T (z) exp[G( z )2 ]
L
z [L / 2, L / 2]
1 (1 B) cos(2z ) B cos(4z )
22 L f 2
0
2
#
U ' f U
Lf , Lf ,
U U
0, 0,
eexxppii222222LLff
''
通过光纤光栅对色散补偿后其脉冲宽度为 2
2 0
4 ln 2 1
2Lf
2 0
''
2
#
理想补偿的情况下，要求 2 0 通过光纤光栅的 压缩比为，即
获得啁啾光纤光栅的方法有两种：一种是改 变光栅的有效折射率，另一种是改变光栅周 期。
#
图2 啁啾光纤光栅的折射率随z变化的示意图
啁啾光纤光栅的折射率表示如下：
是布拉格周期， z 表示折射率的相位，通
常用来描述光栅的啁啾量。
#
啁啾光纤光栅补偿原理
#
理论分析
光脉冲在光纤中传输时,其归一化幅值U( z , T) 满足下列传输方程:
U ' f
Lf ,
U
0,
exp
i 2
2
2Lf
''
#
假设入射脉冲为高斯脉冲,脉冲宽度为τ0 , 则 其归一化振幅为
U
0, t
exp 4 ln
2
t
0
2
代
U
Lf ,
U
0,
exp
i
2 2
2
L
f
入
通过长度为Lf 的光纤后脉冲宽度 为1
1 0
4 ln
1
DFBG
•
L
g
啁啾光栅的色散补偿能力随光栅长度的增大而
增大
#
➢切趾技术可以有效的改善光栅的性能。
折射率均匀调制的FBG的反射谱，除了位于 零失谐附近的主反射峰外，其两侧有一系 列的旁瓣。反射率旁瓣的存在会严重地影 响光栅的滤波特性
CFBG的反射谱也存在旁瓣，反射带宽内反射 谱不平坦，时延特性曲线存在较大的振荡， 线性度差。
布莱曼窗 T (z)
L
L
2 2B
z [L / 2, L / 2]
余弦窗 柯西窗 汉明窗
T (z) cosA( z)
L
1 (2z)2
T(z)
L
1 (2Bz)2
L
1 cos(2z )
T(z)
L
1 C
z [L / 2, L / 2]
z [L / 2, L / 2] z [L / 2, L / 2]
#
优化啁啾光纤光栅色散补偿
啁啾光纤光栅由于带宽有限,多用于补偿单波系统,但 在对系统进行改进的基础上可以实现多波长同时补 偿色散和色散斜率。
#
应用简介
容易实现器件的小型化:啁啾光纤光栅一般制作于普通 单模光纤或是与之兼容的特殊光纤上，且长度很短， 所以附加损耗很小，而且几乎不受光纤非线性影响， 啁啾光纤光栅通常对信道分别进行补偿，可以通过设 计，很方便在色散补偿的同时实现色散斜率补偿，并 且还对放大器的ASE噪声有附加的滤波功能。
#
— 啁啾光纤光栅 色散补偿光纤光栅
啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数，而是沿轴 向变化。不同的栅格周期对应不同的布拉格反 射波长，不同波长的入射光在啁啾光纤光栅的 不同位置反射
图1啁啾光纤光栅．
#
布拉格反射波长随光纤光栅的位置而变化， 在某点Z处所对应的布拉格反射波长为：
B z 2neff zz
i U z
1 2
2
2U T 2
初始幅值为U(0 , T) , 经过长度为Lf 的光纤后幅值为U( Lf , T) ,两者的傅里叶变换分别为U(0 ,ω)和U( Lf ,ω) , 则在频域 中存在下列关系:
U
Lf ,
U
0,
exp
i
2 2
2
L
f
#
色散改变了脉冲每个频谱分量的相位，改 变量依赖于频率和传输距离。
假定啁啾光纤光栅的复频域 •ei， 其 中 和分别为幅度和相位的响应，经
过光纤光栅反射后的输出脉冲
U f
Lf ,
U
0,
exp
i
2 2 L f
2
光纤光栅由 来调制脉冲的幅度
#
将相位响应展开为泰勒级数:
0
'
''
2
2
...
0 使光脉冲产生固定相移， '使光脉冲产生 群速时延， 使'' 光脉冲发生色散。假定 在 脉冲的带宽内为常数，且抽出光纤光栅的时 延因子
'' 2Lf
1 1 2 0
4 ln 2 '' 2
1
2 0
2
1 Mபைடு நூலகம்
M反映了光纤光栅压缩脉冲的能力
#
线性啁啾光纤光栅：光栅折射率调制幅度沿轴向
保持常数，而周期沿光栅轴向线性变化的光栅。
周期的表达式为
z
0
C 2neff
z
0 对应初始波长 0的周期, C为啁啾系数
C d
dz 表示布拉格波长沿纵向z的变化率，单位nm/cm
#
啁啾光纤光栅性能
➢增加光栅长度可以改变其性能
光栅的传播常数随光栅长度变化的
K
2
0
2Cz L2
根据布拉格条件，反射光波的传播常数
随空间位置的变化为
K 2 0 Cz L2
对 进行展开
0 0 g
#
0 0
0 为对应光栅中心点的反射光角频率 反射光频率随位置的变化为
0
0
0
1
1 2
0
2
2
L
脉冲展宽主要因素
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光纤通信中的色散补偿技术
• 中间光相位共轭技术 • 预啁啾技术 • 色散补偿光纤 • 双模光纤色散补偿 • 啁啾光纤光栅
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色散补偿光纤
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1550nm波长的色散值范围 -10至2100ps/nm
最小值最大值布里渊散射域 值(dBm)
非线性系数(n2/Aeff)(W-1)
Cvg L2
z
光栅两端反射的光频分量的频率间隔为
C g 2 2 L
从光栅两端反射的光频分量的时延差
2L
g
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啁啾光栅的色散量
DFBG
2L2 Cvg2
2
2C
C g 2 2 L
对一定长度的啁啾光栅，增大啁啾系数C时
带宽增加，但色散量减小，为此用带宽和色
散的积来表示啁啾光栅的补偿能力
6 1.4*10-9
有效面积(Aeff)(um2) 最大光功率注入(dBm) 最小值最大值使用温度范围
20 ＞23 -5℃70℃
存储温度范围
-40℃85℃
环境/可靠性测试
符合TelcordiaGR-2854和 GR-1221标准
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啁啾光纤光栅
—色散补偿光纤光栅
主要优点： ➢可单通道或多通道工作 ➢非线性低 ➢损耗低 ➢封装紧凑
啁啾光纤光栅及其色散补偿
兰涛 韩旭
主要内容
➢色散及色散补偿技术 ➢啁啾光纤光栅及理论分析 ➢色散补偿系统
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光纤的色散
色散是信号能量中的各种分量由于在传输介质中 传输速度不同, 所引起的信号畸变。引起光脉冲展
宽和码间串扰, 最终影响通信距离和容量。
将单模光纤中模式的相位系数在中心频率附近展
开成泰勒级数:
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。 光纤光栅的折射率调制为：
f z 为切趾函数，常用的切趾包络函数主要有 余弦、柯西和汉明函数
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高斯窗 T (z) exp[G( z )2 ]
L
z [L / 2, L / 2]
1 (1 B) cos(2z ) B cos(4z )
22 L f 2
0
2
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U ' f U
Lf , Lf ,
U U
0, 0,
eexxppii222222LLff
''
通过光纤光栅对色散补偿后其脉冲宽度为 2
2 0
4 ln 2 1
2Lf
2 0
''
2
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理想补偿的情况下，要求 2 0 通过光纤光栅的 压缩比为，即
获得啁啾光纤光栅的方法有两种：一种是改 变光栅的有效折射率，另一种是改变光栅周 期。
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图2 啁啾光纤光栅的折射率随z变化的示意图
啁啾光纤光栅的折射率表示如下：
是布拉格周期， z 表示折射率的相位，通
常用来描述光栅的啁啾量。
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啁啾光纤光栅补偿原理
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理论分析
光脉冲在光纤中传输时,其归一化幅值U( z , T) 满足下列传输方程:
U ' f
Lf ,
U
0,
exp
i 2
2
2Lf
''
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假设入射脉冲为高斯脉冲,脉冲宽度为τ0 , 则 其归一化振幅为
U
0, t
exp 4 ln
2
t
0
2
代
U
Lf ,
U
0,
exp
i
2 2
2
L
f
入
通过长度为Lf 的光纤后脉冲宽度 为1
1 0
4 ln
1
DFBG
•
L
g
啁啾光栅的色散补偿能力随光栅长度的增大而
增大
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➢切趾技术可以有效的改善光栅的性能。
折射率均匀调制的FBG的反射谱，除了位于 零失谐附近的主反射峰外，其两侧有一系 列的旁瓣。反射率旁瓣的存在会严重地影 响光栅的滤波特性
CFBG的反射谱也存在旁瓣，反射带宽内反射 谱不平坦，时延特性曲线存在较大的振荡， 线性度差。
布莱曼窗 T (z)
L
L
2 2B
z [L / 2, L / 2]
余弦窗 柯西窗 汉明窗
T (z) cosA( z)
L
1 (2z)2
T(z)
L
1 (2Bz)2
L
1 cos(2z )
T(z)
L
1 C
z [L / 2, L / 2]
z [L / 2, L / 2] z [L / 2, L / 2]
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优化啁啾光纤光栅色散补偿
啁啾光纤光栅由于带宽有限,多用于补偿单波系统,但 在对系统进行改进的基础上可以实现多波长同时补 偿色散和色散斜率。
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应用简介
容易实现器件的小型化:啁啾光纤光栅一般制作于普通 单模光纤或是与之兼容的特殊光纤上，且长度很短， 所以附加损耗很小，而且几乎不受光纤非线性影响， 啁啾光纤光栅通常对信道分别进行补偿，可以通过设 计，很方便在色散补偿的同时实现色散斜率补偿，并 且还对放大器的ASE噪声有附加的滤波功能。
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— 啁啾光纤光栅 色散补偿光纤光栅
啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数，而是沿轴 向变化。不同的栅格周期对应不同的布拉格反 射波长，不同波长的入射光在啁啾光纤光栅的 不同位置反射
图1啁啾光纤光栅．
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布拉格反射波长随光纤光栅的位置而变化， 在某点Z处所对应的布拉格反射波长为：
B z 2neff zz
i U z
1 2
2
2U T 2
初始幅值为U(0 , T) , 经过长度为Lf 的光纤后幅值为U( Lf , T) ,两者的傅里叶变换分别为U(0 ,ω)和U( Lf ,ω) , 则在频域 中存在下列关系:
U
Lf ,
U
0,
exp
i
2 2
2
L
f
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色散改变了脉冲每个频谱分量的相位，改 变量依赖于频率和传输距离。
假定啁啾光纤光栅的复频域 •ei， 其 中 和分别为幅度和相位的响应，经
过光纤光栅反射后的输出脉冲
U f
Lf ,
U
0,
exp
i
2 2 L f
2
光纤光栅由 来调制脉冲的幅度
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将相位响应展开为泰勒级数:
0
'
''
2
2
...
0 使光脉冲产生固定相移， '使光脉冲产生 群速时延， 使'' 光脉冲发生色散。假定 在 脉冲的带宽内为常数，且抽出光纤光栅的时 延因子
'' 2Lf
1 1 2 0
4 ln 2 '' 2
1
2 0
2
1 Mபைடு நூலகம்
M反映了光纤光栅压缩脉冲的能力
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线性啁啾光纤光栅：光栅折射率调制幅度沿轴向
保持常数，而周期沿光栅轴向线性变化的光栅。
周期的表达式为
z
0
C 2neff
z
0 对应初始波长 0的周期, C为啁啾系数
C d
dz 表示布拉格波长沿纵向z的变化率，单位nm/cm
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啁啾光纤光栅性能
➢增加光栅长度可以改变其性能
光栅的传播常数随光栅长度变化的
K
2
0
2Cz L2
根据布拉格条件，反射光波的传播常数
随空间位置的变化为
K 2 0 Cz L2
对 进行展开
0 0 g
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0 0
0 为对应光栅中心点的反射光角频率 反射光频率随位置的变化为
0
0
0
1
1 2
0
2
2
L
脉冲展宽主要因素
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光纤通信中的色散补偿技术
• 中间光相位共轭技术 • 预啁啾技术 • 色散补偿光纤 • 双模光纤色散补偿 • 啁啾光纤光栅
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色散补偿光纤
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1550nm波长的色散值范围 -10至2100ps/nm
最小值最大值布里渊散射域 值(dBm)
非线性系数(n2/Aeff)(W-1)
Cvg L2
z
光栅两端反射的光频分量的频率间隔为
C g 2 2 L
从光栅两端反射的光频分量的时延差
2L
g
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啁啾光栅的色散量
DFBG
2L2 Cvg2
2
2C
C g 2 2 L
对一定长度的啁啾光栅，增大啁啾系数C时
带宽增加，但色散量减小，为此用带宽和色
散的积来表示啁啾光栅的补偿能力
6 1.4*10-9
有效面积(Aeff)(um2) 最大光功率注入(dBm) 最小值最大值使用温度范围
20 ＞23 -5℃70℃
存储温度范围
-40℃85℃
环境/可靠性测试
符合TelcordiaGR-2854和 GR-1221标准
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啁啾光纤光栅
—色散补偿光纤光栅
主要优点： ➢可单通道或多通道工作 ➢非线性低 ➢损耗低 ➢封装紧凑
啁啾光纤光栅及其色散补偿
兰涛 韩旭
主要内容
➢色散及色散补偿技术 ➢啁啾光纤光栅及理论分析 ➢色散补偿系统
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光纤的色散
色散是信号能量中的各种分量由于在传输介质中 传输速度不同, 所引起的信号畸变。引起光脉冲展
宽和码间串扰, 最终影响通信距离和容量。
将单模光纤中模式的相位系数在中心频率附近展
开成泰勒级数: