均匀光纤光栅光谱仿真研究0818.doc

摘要全光通信是光纤通信的发展方向,自从1978年Hill等人制作出第一条光纤光栅之后,作为重要的全光网络器件之一,光纤光栅的研究和应用就一直受到人们的重视。光纤光栅这种新型的光纤器件由于其独特的光学特性和灵活的设计特点,在光通信系统中有着广泛的应用,包括滤波器、全光复用/解复用器、色散补偿器和激光器谐振腔等等。所谓光纤光栅即指光纤轴向上存在的折射率周期性变化。其制作原理是基于石英光纤的光敏效应。光纤中的光致折射率改变现象最初仅是一个科学问题,用来满足人们科学探索的好奇心,而正是因为光纤光栅在光通信与光传感领域的扮演的重要角色也使其成为光纤领域的一项基本技术。在光纤通信的应用中根据应用场合的不同,针对对光纤光栅的光谱方面和色散方面特性会提出相应的专门要求,为了给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论性指导,对光纤光栅的理论与应用研究有重要的实际意义。在实际的光栅设计过程中,我们总是希望由所期望的光学特性来确定光栅的各个参数的值,因而对光纤光栅特性方面的数值模拟就具有非常重要意义。本论文以光纤通信发展为主线介绍了光纤光栅的历史及其在光通信领域的应用,概述了光纤光栅的光敏效应,以光波导为背景介绍了分析光纤光栅常用的耦合模理论以及传输矩阵理论。基于耦合模理论和传输矩阵理论对重要的两类光纤光栅:均匀光纤光栅和线性啁啾光纤光栅进行了分析推导。并对两类光纤光栅的光谱方面特性进行了仿真研究,绘制出了两类光纤光栅在不同参数下的反射光谱特性曲线,讨论了不同参数对光纤光栅频率选择特性和色散特性的影响,所得结果可作为这类光纤光栅结构参数设计的参考依据,给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论指导,为光纤光栅这一重要器件的仿真软件的构建进行初步的探索。关键词:光纤光栅 耦合模理论传输矩阵法光通信器件数值仿真第一章绪论光纤通信技术是以光波为载波,以光导纤维为传输信道的一种现代有线通信技术。人类已进入信息化时代,人类对通信的需求呈现加速增长的趋势,而光纤通信技术是构建信息高速公路的主要支柱。现代光纤通信技术涉及光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。:1880年,贝尔利用太阳光作为光源,以大气为传输信道,用硒晶体作为光接收器,进行了光电话的实验,实现了真正现代意义下的光通信,使通话距离最远达到了二百多米,但空间光传输易受到气候和周围环境等条件的影响,损耗也比较大。1966年,,在研究了光在石英玻璃纤维中传输的特性极其损耗问题之后,发现光在石英光纤中传输时的主要损耗是因为其中含有过量的铜、铁、铬、锰等金属离子和其他杂质,另外在拉制光纤时由于工艺技术等原因也造成了芯、包层分界面的不均匀,从而也导致光在玻璃纤维中传输的折射率也是不均匀的。他们的研究成果以《光频率的介质纤维表面波导》为题。因在光纤通信领域里光纤中实现光传输的突破性成果,高锟博士获得了2009年的诺贝尔物理学奖。1970年,美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB的石英光纤,从实践上证明了光纤作为通信的传输媒介是大有希望的。同年,GaAlAs异质结半导体激光器实现了室温下的连续运转,为光纤通信系统提供了理想的光源。从此以后,光纤通信进入了快速发展时期。20世纪七十年代,是光纤通信由起步到逐渐成熟的时期。以光纤传输损耗的逐年下降为标志。。同时光纤传输带宽也得到了提升。半导体光源和探测器的寿命和性能也不断改善。20世纪八十年代,是光纤通信得到大发展的时期。。,。同时为了扩展传输带宽,光纤也由多模光纤向单模光纤过渡。。这期间,波分复用光通信技术、相干光通信技术和光纤放大器技术等新技术也受到了人们的重视,开始投入大量的人力物力进行研究。八十年代末期,------掺铒光纤放大器问世,。为了满足构建信息高速公路的需求,伴随着光纤通信的发展,光纤通信的容量也一直在加速提升。提高容量的途径之一是提升光纤单信道的容量,到了1993年,,1995年10Gbit/s的系统也被推出。但受电子器件速率瓶颈的限制,单信道速率达到40Gbit/s以上非常困难。提高容量的另外一条途径是使用波分复用技术。掺铒光纤放大器和波分复用技术的联合使用使得单根光纤的容量达到几百吉比特每秒到几十太比特每秒的数量级。:随着光纤通信容量的不断快速提