均勻光纖光柵光譜仿真研究

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1、第一章緒論摘要全光通信是光纖通信的發(fā)展方向，自從1978年Hill等人制作出第一條光纖光柵之后，作為重要的全光網(wǎng)絡(luò)器件之一，光纖光柵的研究和應(yīng)用就一直受到人們的重視。光纖光柵這種新型的光纖器件由于其獨特的光學(xué)特性和靈活的設(shè)計特點,在光通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,包括濾波器、全光復(fù)用/解復(fù)用器、色散補償器和激光器諧振腔等等。所謂光纖光柵即指光纖軸向上存在的折射率周期性變化。其制作原理是基于石英光纖的光敏效應(yīng)。光纖中的光致折射率改變現(xiàn)象最初僅是一個科學(xué)問題，用來滿足人們科學(xué)探索的好奇心，而正是因為光纖光柵在光通信與光傳感領(lǐng)域的扮演的

2、重要角色也使其成為光纖領(lǐng)域的一項基本技術(shù)。在光纖通信的應(yīng)用中根據(jù)應(yīng)用場合的不同，針對對光纖光柵的光譜方面和色散方面特性會提出相應(yīng)的專門要求，為了給光纖光柵制作過程中的方法選擇及參量控制提供理論性指導(dǎo)，對光纖光柵的理論與應(yīng)用研究有重要的實際意義。在實際的光柵設(shè)計過程中，我們總是希望由所期望的光學(xué)特性來確定光柵的各個參數(shù)的值，因而對光纖光柵特性方面的數(shù)值模擬就具有非常重要意義。本論文以光纖通信發(fā)展為主線介紹了光纖光柵的歷史及其在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用，概述了光纖光柵的光敏效應(yīng)，以光波導(dǎo)為背景介紹了分析光纖光柵常用的耦合模理論以及傳輸矩陣

3、理論。基于耦合模理論和傳輸矩陣?yán)碚搶χ匾膬深惞饫w光柵：均勻光纖光柵和線性啁啾光纖光柵進行了分析推導(dǎo)。并對兩類光纖光柵的光譜方面特性進行了仿真研究，繪制出了兩類光纖光柵在不同參數(shù)下的反射光譜特性曲線，討論了不同參數(shù)對光纖光柵頻率選擇特性和色散特性的影響,所得結(jié)果可作為這類光纖光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的參考依據(jù),給光纖光柵制作過程中的方法選擇及參量控制提供理論指導(dǎo)，為光纖光柵這一重要器件的仿真軟件的構(gòu)建進行初步的探索。關(guān)鍵詞：光纖光柵耦合模理論傳輸矩陣法光通信器件數(shù)值仿真第一章緒論光纖通信技術(shù)是以光波為載波,以光導(dǎo)纖維為傳輸信道的一種現(xiàn)

4、代有線通信技術(shù)。人類已進入信息化時代，人類對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢，而光纖通信技術(shù)是構(gòu)建信息高速公路的主要支柱?，F(xiàn)代光纖通信技術(shù)涉及光纖光纜技術(shù)、傳輸技術(shù)、光有源器件、光無源器件以及光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。1.1光纖通信歷史及發(fā)展:1880年，貝爾利用太陽光作為光源，以大氣為傳輸信道，用硒晶體作為光接收器，進行了光電話的實驗，實現(xiàn)了真正現(xiàn)代意義下的光通信，使通話距離最遠達到了二百多米，但空間光傳輸易受到氣候和周圍環(huán)境等條件的影響，損耗也比較大。1966年，英籍華人高錕博士和他的同事G.A.Hockham19第一章緒論，在研究了光在

5、石英玻璃纖維中傳輸?shù)奶匦詷O其損耗問題之后，發(fā)現(xiàn)光在石英光纖中傳輸時的主要損耗是因為其中含有過量的銅、鐵、鉻、錳等金屬離子和其他雜質(zhì)，另外在拉制光纖時由于工藝技術(shù)等原因也造成了芯、包層分界面的不均勻，從而也導(dǎo)致光在玻璃纖維中傳輸?shù)恼凵渎室彩遣痪鶆虻?。他們的研究成果以《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》為題。因在光纖通信領(lǐng)域里光纖中實現(xiàn)光傳輸?shù)耐黄菩猿晒?高錕博士獲得了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎。1970年，美國康寧玻璃公司研制出損耗為20dB的石英光纖，從實踐上證明了光纖作為通信的傳輸媒介是大有希望的。同年，GaAlAs異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光

6、器實現(xiàn)了室溫下的連續(xù)運轉(zhuǎn)，為光纖通信系統(tǒng)提供了理想的光源。從此以后，光纖通信進入了快速發(fā)展時期。20世紀(jì)七十年代,是光纖通信由起步到逐漸成熟的時期。以光纖傳輸損耗的逐年下降為標(biāo)志。0.85波長上的損耗低到了2dB/km左右。同時光纖傳輸帶寬也得到了提升。半導(dǎo)體光源和探測器的壽命和性能也不斷改善。20世紀(jì)八十年代，是光纖通信得到大發(fā)展的時期。光纖通信系統(tǒng)由0.85波長窗口過渡到損耗更小的1.31波長和1.55波長窗口。在1.31波長上實現(xiàn)了0.5dB/km的低損耗，在1.55波長窗口上更可實現(xiàn)0.2dB/km的極低損耗。同時為了

7、擴展傳輸帶寬，光纖也由多模光纖向單模光纖過渡。工作于1.31波長上的單模光纖通信系統(tǒng)被廣泛使用。這期間，波分復(fù)用光通信技術(shù)、相干光通信技術(shù)和光纖放大器技術(shù)等新技術(shù)也受到了人們的重視，開始投入大量的人力物力進行研究。八十年代末期，工作于1.55波長窗口上的光纖放大器------摻鉺光纖放大器問世，使得1.55波長窗口上的光纖通信系統(tǒng)得到快速發(fā)展。為了滿足構(gòu)建信息高速公路的需求，伴隨著光纖通信的發(fā)展，光纖通信的容量也一直在加速提升。提高容量的途徑之一是提升光纖單信道的容量，到了1993年，2.5Gbit/s的光纖通信系統(tǒng)商用化，1

8、995年10Gbit/s的系統(tǒng)也被推出。但受電子器件速率瓶頸的限制，單信道速率達到40Gbit/s以上非常困難。提高容量的另外一條途徑是使用波分復(fù)用技術(shù)。摻鉺光纖放大器和波分復(fù)用技術(shù)的聯(lián)合使用使得單根光纖的容量達到幾百吉比特每秒到幾十太比特每秒的數(shù)量級。1.2全光網(wǎng)絡(luò):隨著光