null光纤光栅光纤光栅讲 义
武汉大学 电子信息学院 何对燕§1.光纤光栅(Fiber Grating)§1.光纤光栅(Fiber Grating) 1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。
光纤光栅利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗或铒等离子相互作用引起的折射率永久性变化)在纤芯内形成空间相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤光器或反射镜,利用这一特性可构成许多独立性能的光纤无源器件。§1.光纤光栅(续)§1.光纤光栅(续)光纤光栅应用:
利用窄带高反射率特性构成光纤反馈腔;
作为增益介质的掺铒光纤放大器(EDFA);
作为外反射器,制成外腔可调谐激光二极管;
构成Michelson、Mach-Zenhder和Faber-Perot三种类型的光纤滤波器;
利用非均匀性可制成光纤色散补偿器;
利用闪烁型可制成光纤平坦滤波器。§2. 光纤光栅的基本光学性能§2. 光纤光栅的基本光学性能基本光学参数:反射率、Bragg光栅方程、反射带宽等;以及压力灵敏度和温度灵敏度。
反射率:对于单模光纤为
Rmax=tanh2[π△nL/2neff Λ]=tanh2[π△nL/λB]
Bragg光栅方程:
λB= 2neff Λ
Bragg反射半值全宽(FWHM):
△λB=λB[(Λ/L)2+(△n/n0)2]1/2
§2. 光纤光栅的基本光学性能(续)§2. 光纤光栅的基本光学性能(续)光纤光栅应变灵敏度系数:
Aei=(neff )2(Pi1-v2Pi2-v3Pi3)
△λB/λB=0.78εz
式中:P为弹光系数;v为泊松比; neff为等效折射率。
光纤光栅温度灵敏度系数:
△λB/λB=γΔT§3. 周期性光纤光栅的制作§3. 周期性光纤光栅的制作纵向驻波写入法:利用注入光纤的入射光和从光纤另一端面返回的反射光在光纤内形成的驻波经过一定时间的嚗光后使光纤芯的折射率形成周期性的分布。驻波周期和光栅常数与写入波长有关。
逐点写入法:用一点光源沿光纤长度方向等间距地嚗光使光纤芯的折射率形成周期性的分布。受光点几何尺寸等因素的限制,光栅周期不能太小(一般在1μm以上)。§3.周期性光纤光栅的制作(续)§3.周期性光纤光栅的制作(续)横向干涉法:利用双光束干涉所产生的干涉条纹对光纤嚗光制成光纤光栅。光栅周期由干涉条纹的周期决定。但对光源的相干性和系统的稳定性要求较高。
相位母板复制法:利用相位母板产生的干涉条纹,用接触嚗光的方式在光纤上制作光栅。工艺简单、重复性好、成品率高;光栅周期与嚗光光源波长无关;母板的有效长度决定光栅的长度。§3.1 相位母板复制周期性光纤光栅§3.1 相位母板复制周期性光纤光栅刻蚀深度d=λuv/2(nuv-1); λuv和nuv为紫外波长和折射率。
母板周期为ΛPM;光纤光栅周期Λ=1/2ΛPM;一级衍射光能
量约入射能量的40%;零级衍射光能量小于入射能量的5%相位母板几乎和光纤接触在
一起,紫外光垂直入射在相
位母板上,所衍射的+1和-1
级光束叠加形成干涉条纹。
相位母板是在熔石英底版上
用刻蚀方法制成。母板光
栅刻痕紫外光相位母板Λ=1/2ΛPM-1级光纤芯
Bragg光栅0级+1级§4.非周期性光纤光栅§4.非周期性光纤光栅非周期性光栅(Aperiodic Gratings)又称啁啾光栅(Chirped Gratings);其特点是:光栅的Bragg波长λB沿光纤轴(z轴)连续或准连续变化,目的是扩展周期光栅的反射带宽,以满足光通信中超高速率色散补偿、超短脉冲压缩或光传感中测量的需要。
原则上可分为两类:
1.栅距非均匀(Λ随z连续变化);
2.折射率非均匀(neff随z连续变化)。§4.1栅距非均匀光栅(Λ随z连续变化)§4.1栅距非均匀光栅(Λ随z连续变化)弯曲光纤法:在均匀周期干涉条纹中对弯曲光纤嚗光。这时造成Λ随z连续变化,由此非均匀光栅在7.5nm的反射带宽内获得大于99%的反射率。ΛΦ(z)L z0光纤§4.1 栅距非均匀光栅(Λ随z连续变化)§4.1 栅距非均匀光栅(Λ随z连续变化)相位母板倾斜法:使相位为ΛPM的相位母板和光纤成夹角α;用焦距为f 的透镜以距离d,用工作波长为λ的紫外光写入。光纤光栅周期为
Λ(z)= ΛPM/2{1-z[α/(f-d)][1-λ2/Λ2]-1/2
当α=1.6时所制光纤光栅在6nm的带宽内获得96%的反射率。d相位母板α聚光镜光纤紫外光§4.2 栅距非均匀光栅(neff随z连续变化)§4.2 栅距非均匀光栅(neff随z连续变化)锥型光纤法:在均匀周期干涉条纹中嚗光,使neff随z连续变而形成非均匀光纤光栅( neff随z 近似线性变化)。
在L=10mm; Φ由125um缩小到50um;反射带宽为2.7nm。Φ1粗端外径ΛL z0光纤Φ2细端外径Φ1§4.2 栅距非均匀光栅(neff随z连续变化)§4.2 栅距非均匀光栅(neff随z连续变化)非均匀干涉条纹法:用曲率不等的两波面叠加产生的非均匀干涉条纹对光纤嚗光,以获得非均匀周期光栅。在1nm到100nm范围内均可得到100%的反射率。
干涉条纹间距Λ随z的变化关系为: Λ(z)=λuv/{[D1COSΦ1+z]/[D12+2D1zCOSΦ1+z2]-1/2
+[D1COSΦ1+z] /[D22-2D2zCOSΦ2+z2]-1/2 }of1f2d1d2L1L2Φ 1Φ 2z光纤λB(z)=2 nef f Λ(z) §5.布拉格光纤光栅§5.布拉格光纤光栅§6.光纤光栅的应用§6.光纤光栅的应用§6.光纤光栅的应用(续)§6.光纤光栅的应用(续)§6.光纤光栅的应用(续)§6.光纤光栅的应用(续)光纤放大器光纤放大器讲 义
武汉大学 电子信息学院 何对燕§1.光纤放大器(Fiber Amplifier)§1.光纤放大器(Fiber Amplifier)由于损耗,传输距离受到限制;利用中继器对已衰减的光信号进行放大。传统的从光/电→电放大→电/光形式的光电放大器,速率低,不能满足目前高速率、大容量的信号传输要求。光纤放大器避免了光电转换、体积小、耗能少成为全光通信的关键器件。
有半导体激光放大器(SOA)、拉曼非线性光纤放大器(SRS)、布里渊非线性光纤放大器(SBS)和掺杂光纤放大器三种光学放大器.§2.掺铒光纤放大器(EDFA)§2.掺铒光纤放大器(EDFA)在石英光纤芯层中掺如一些三价希土金属元素,如Er(铒)、Pr(镨)、Nd(钕)等,这种特殊的光纤在泵浦光的激励下可放大光信号。
EDFA的特点是高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关、对数据速率和
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透明等。
主要用于:替代光电再生中继器;延伸传输距离;同时放大不同波长的光信号;补偿线路损耗;在接入网中起到增益作用。§2.1 掺铒光纤的光放大机理§2.1 掺铒光纤的光放大机理三价铒离子的能级图
跃迁表
泵浦光波长(nm) 跃迁能级
1480 4I13/2
980 4I11/2
807 4I9/2
655 4F9/2
在铒粒子受激辐射过程中,有少数粒子自发辐射产生带宽极宽且杂乱无章的光子,产生自发辐射噪声。514nm655nm807nm980nm泵浦光信号光1480nm1550nm2H11/24S3/24F9/24I9/24H11/24H13/24I15/21550nm§2.2 EDFA的基本结构与工作原理§2.2 EDFA的基本结构与工作原理同向泵浦:信号光和泵浦光同向输入掺铒光纤。
光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起,一般采用波分复用器实现。泵浦光信号光光隔离器光耦合器EDF光隔离器光滤波器§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)光隔离器的作用是抑制反射,保证光放大器工作稳定。要求插入损耗低、与偏振无关、隔离度优于40dB。位于输入端的可以消除上段的自发辐射反向传播可能引起干扰。位于输出端的消除来自下段可能的逆向反射。
当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入进EDF时,泵浦光激活EDF中的铒粒子,在信号光的感应下,铒离子产生受激辐射,跃迁到基态,将一模一样的光子注入进信号光中,完成放大作用。§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)反向泵浦:信号光和泵浦光从不同方向输入掺铒光纤。
双向泵浦:同向和反向同时泵浦的形式。
泵浦光信号光光隔离器光耦合器EDF光隔离器光滤波器泵浦光信号光光隔离器光耦合器EDF泵浦光光耦合器光隔离器光滤波器§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)§2.2 EDFA的基本结构与工作原理(续)§2.3 EDFA的特性§2.3 EDFA的特性增益特性:定义为输出功率与输入功率之比。通常在15-40dB。影响因素有;1)铒离子的掺杂浓度;2)泵浦功率和波长(980nm和1480nm);3)光纤长度。
输出功率特性:当输入功率增加时,受激辐射加快,以至于减少了粒子反转数,使受激辐射光减弱,导致增益饱和,输出功率趋于平稳。最大输出功率用3dB饱和输出功率表示,既当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率。与泵浦功率和光纤长度有关。§2.3 EDFA的特性§2.3 EDFA的特性噪声特性:源自自发辐射,主要有四种:信号光的散粒噪声;被放大的自发辐射(ASE)光的散粒噪声;ASE光谱与信号光之间的差拍噪声,这里差拍噪声指的是信号和ASE经光电检测器输出的光生电流表达式中的交叉项;ASE光谱间的差拍噪声是差拍噪声是ASE的二次项。后两种噪声影响最大,尤其是第三种噪声。
衡量噪声特性可用噪声系数(NF)来度量,定义为输入信噪比与输出信噪比的比值,与同向传播的ASE频谱密度和放大器增益密切相关。§2.4 EDFA的优化结构§2.4 EDFA的优化结构反射型泵浦:输入信号光经分束器进入EDF,被第一次放大,通过反射镜放射回EDF,再被第二次放大,最后输出。
光环行器可保证光信号单方向传输,具有较高的隔离度。泵浦光信号光输入光分束器EDF反射镜信号光输出§2.4 EDFA的优化结构(续)§2.4 EDFA的优化结构(续)宽带EDFA:为解决EDFA在其放大范围内增益特性不平坦的问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
,可以通过改变光纤的掺杂成分即可改善EDFA的增益平坦度,使多波长信号得到一致的放大。
另一种方法是采用隔离器,吸收最大增益点的峰值功率,从而达到均衡增益,扩大带宽的目的。§2.5 用于WDM系统中的EDFA§2.5 用于WDM系统中的EDFA为确保WDM系统的传输质量,要求EDFA具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。
增益带宽:波分复用窗口为1310nm和1550nm波段,由于目前成熟的EDFA只适应于1550nm波段,所以WDM系统也只限于1550nm波段,增益频谱范围为1530至1565nm,所有WDM系统的信道必须在这一频带内。20至40nm的增益带宽可以满足4至32信道的波分复用系统。§2.5 用于WDM系统中的EDFA(续)§2.5 用于WDM系统中的EDFA(续)增益平坦:EDFA在其工作波段内有一定的增益起伏,而且各个EDFA的增益谱形状极为近似。当多个EDFA级联使用时,则带内的增益起伏就变得不能容忍。增益平坦度(DF)是指在整个可用的增益通带内,最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差,其值越小越好,单个EDFA的GF应限制在1dB以内。
克服EDFA增益不平坦,有以下几种措施:
(1)选用EDFA增益平坦的区域;(2)增益均衡技术;
(3)研制增益平坦EDFA。§2.6 EDFA的应用§2.6 EDFA的应用§2.6 EDFA的应用(续)§2.6 EDFA的应用(续)波分复用器件波分复用器件讲 义
武汉大学 电子信息学院 何对燕§1.波分复用与频分复用§1.波分复用与频分复用波分复用(WDM-Wavelength Division Multiplex)或
频分复用(FDM-Frequency Division Multiplex)是以很窄的信道间隔在一根光纤上同时传输多个不同波长或频率的光信号技术。 FDM比WDM的信道间隔更窄。
波分复用:其波长间隔在0.8nm以上。
频分复用:其频率间隔为几个Ghz到几十个GHz。
波分复用器件包括复用器和解复用器。复用器在发送端组合不同波长的信号;解复用器在接收端分开不同波长的信号。 §1.1 无源波分复用器的类别§1.1 无源波分复用器的类别无源角色散型滤波器型耦合器型混合型棱镜光栅集成光波导光栅镶嵌凹透镜F-P型多层薄膜带通高、低通吸收干涉单模光纤型光栅/滤波器组合§1.2 有源波分复用器的类别§1.2 有源波分复用器的类别有源集成多重光源和检测器波长可调激光器波长可调滤波器波长选择光放大器§2. F-P腔光滤波型§2. F-P腔光滤波型 F-P腔光滤波型:结构简单;应用广泛。两平行放置的介质板,内表面镀高反射膜,形成多光束干涉而呈谐振现象,因而具有波长(频率)选择特性
lM1M2l1 r1 r2 l2 AiAi1Ai2Ai3§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续) F-P腔光滤波器的特性参数:
1)自由谱域FSR(Free Spectral Range):是相邻两谐振频率的间距。输入光波的谱宽不能大于FSR。 FSR=fq-fq-1=c/(2nl)
2)3dB带宽δF:是传输系数降为最大值一半时所对应的频带宽度。
δF=FSR/F=c(1-R)/(2πnlR1/2)
3)精细度F:F=FSR/δF§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续) 4)峰值传输系数τmax:有损耗时,精细度和峰值
传输系数为
F≈π/(L+T)
τmax=1/[1+(L/T)2]
自由谱域宽,3dB带宽窄,既要求精细度高。F-P腔可支持N=F/6.4;要增加信道数,必须提高F。而F的提高受到限制。光纤F-P腔的F值较高,可以做到数百。§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)为提高F值,可将多个F-P腔串联,制成波分复用器。
长短腔级联:其中一个的长度是另一个的m倍,有
FSRS=FSR1=mFSR2
FSR1FSR2FSRS§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)级联腔的精细度:两腔的精细度相近,则有
τS(δf )=1/[1+(δf/δF2)2]
级联腔的3dB带宽:
δFS ≈δF2
级联腔的精细度: FS=mF2
级联腔的自由谱域有短腔决定;而3dB带宽有长腔决定;精细度是长腔的m倍。§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)游标式级联腔:两腔长接近;K是游标因子。
两腔自由谱域的关系为:KFSR1=(K+1)FSR2FSR2FSRSFSR1§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)级联腔的自由谱域为:
FSRS=KFSR1=(K+1)FSR2
级联腔的精细度:两腔的精细度相近,则有
τS(δf )=1/{[1+(2δf/δF1)2][1+(2δf/δF2)2]}
级联腔的3dB带宽:
δFS ≈0.64δF2
级联腔的精细度: FS=1.6KF2§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)光纤小自由谱域F-P型光滤波型:将一根光纤两端磨平、抛光,使其严格地垂直于光纤光轴,并在其上粘结镀有高反射膜的镜片,或直接在其上镀高反射膜。也可将它粘在压电陶瓷上,由加电改变腔的长度来进行调谐。由于加工和调谐的困难,这种F-P腔难以做得很短,属于小自由谱域F-P腔。(a)(b)§2. F-P腔光滤波型(续)§2. F-P腔光滤波型(续)光纤大自由谱域F-P型光滤波型:将两根光纤的镀有高反射膜的一端相互耦合,形成F-P腔(c)。腔长很难大于100um。也可在自聚焦棒的端面镀高反射膜(d),由于出射的是平行光,其间距可以在较大的范围内调整。(c)(d)§3.M-Z型滤波器§3.M-Z型滤波器马赫-泽德(M-Z)型光滤波器:是用分振幅发产生双光束干涉,可用光波导或光纤来构成。
由DC1和DC2两只分光比为1:1的定向耦合器串接而成,之间的的光波导长度为l1、l2,δl=l1-l2。2134DC1DC2l2l1§3.M-Z型滤波器(续)§3.M-Z型滤波器(续)其工作原理基于干涉效应:从1端到3端,光信号有两个传输途径:一是经DC1的直通臂、波导段l1、 DC2的直通臂;二是经DC1的交叉臂、波导段l2、DC2的交叉臂。两路信号相互干涉,使频率为f1的信号加强,而频率为f2的信号相消,在输出端3只输出f1的信号。由1端到4端的情况与此类似,但频率为f2的信号加强,频率为f1的信号相消,因而只输出f2的信号§3.M-Z型滤波器(续)§3.M-Z型滤波器(续) M-Z光滤波器只能分开两个不同频率的光信号,级联使用既为解复用器。
也可以是光纤型的,但方向耦合器和光纤都必须是保偏的。反转逆用就是复用器。δf2δff1,f2,f3,f4f1,f2f3,f4f1f2f3f42δf11光栅型波分复用器:是利用衍射光栅的角色散(狭缝衍射光之间的干涉)特性,使光波中不同的波长成分以不同的角度输出。
闪耀光栅使能量集中到非零级极大中去,既可分波,又可减少损耗。是光栅波分复用器所采取的形式。
光栅的色分辨本领
Dλ=λ/δλmin=NK
Δλmin为最小分辨间隔;N是刻槽数;K是光谱极次。§4.光栅型波分复用器(续)§4.光栅型波分复用器(续)典型结构形式:1×4解复用器
输入:f1-f4输出GRIN光栅玻璃楔125um6.2°输入:f1-f4输出透镜玻璃楔§5.介质膜滤波器型波分复用器§5.介质膜滤波器型波分复用器介质膜滤波器型光波分复用器:利用多层介质膜的滤光作用进行复用和解复用,即对一个波长或多个波长反射率(或透射率)很高,对其他波长则反射率(或透射率)很低。通过介质膜材料或结构的不同选择可以构成长波通、短波通和带波通。
滤光片的通带和阻带透射率的大小,不仅影响器件的插入损耗,也决定了器件的路际窜音。
滤光片的通带和阻带的宽度决定了复用信道的波长范围及光源谱线宽度的要求。§5.介质膜滤波器型波分复用器(续)§5.介质膜滤波器型波分复用器(续)将SiO2和TiO2多层膜镀在自聚焦棒的端面制成复用和解复用器。λ1λ3λ2λ4λ1 λ2 λ3 λ4λ1λ3λ2λ4λ1 λ2 λ3 λ4§5.平面光波导镶嵌光栅型光波分复用器§5.平面光波导镶嵌光栅型光波分复用器在平面型基底材料上采用半导体加工工艺构筑的光波导结构称为平面光波导。
根据光波导之间的功率耦合与波长、间隔、材料等有关的特性即可制造相应的光波分复用器。
多层膜滤波器光波导通道1.3um 1.55um1.3um1.55um§6.阵列波导光栅(AWG)复用器§6.阵列波导光栅(AWG)复用器阵列波导光栅器件(AWG-Arrayed Waveguide Grating):由输入输出波导群、两个扇型波导及AWG一起集成在衬底上面构成。各波导路径长度差所产生的效应与闪耀光栅沟槽作用相当。100um6mm9mmλ1…..λNλ1λN波导光栅自由空间扇型波导§6.阵列波导光栅(AWG)复用器(续)§6.阵列波导光栅(AWG)复用器(续)当某根输入光纤中含有多波长信号时,则在输出的各光纤中分别具有相关波长的光信号。可实现数十个乃至上百个波长的复用和解复用。使用N×N矩阵形式,可在N个不同的波长上同时传输N2路光信号。
AWG型光波分复用器具有波长间隔小、信道数多、通带平坦等优点;非常适合超高速、大容量WDW系统使用,因此已成为目前研制、开发和使用的重点。§.7 WDM构成技术§.7 WDM构成技术