光纤光栅滤波原理及调制不稳定性分析

　　1 引言

　　1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅[1]。1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤它还大大提高了光致折变量(由5-10最大提高到了10-20这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅)。 光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以现在越来越受关注。因此研究光纤光栅的滤波原理和调制不稳定性原理也变得越来越重要了。

　　2 、光纤光栅的滤波原理以及在光通信中的应用

　　随着信息业务量快速增长，语音、数据和图像等业务综合在一起传输， 从而对通信带宽容量提出了更高要求由于无线电频谱和电缆带宽非常有限，其极限速率只有20Gb/s左右，即所谓的“电子瓶颈”。 而全光通信是解决“电子瓶颈”最根本的途径，全光网通信可以极大地提高节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通信的要求光纤光栅的出现使许多复杂的全光网通信成为可能。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。光纤光栅是一种纤芯内介质折射率呈周期性变化的无源器件。通过掺入如锗、磷等光敏性的介质,按一定工艺使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用,导致纤芯折射率沿纤轴方向发生周期性的变化,从而在纤芯内形成空间相位光栅。

　　光纤光栅的滤波是怎么实现呢?当光脉冲入射到光纤光栅上，如果脉冲频谱位于阻带内，脉冲被反射。如果脉冲的部分频谱在阻带外，那么这一部分将透过光栅。因为光纤光栅的色散特性和频谱分裂，反射和透射脉冲的形状与入射脉冲相比有很大的不同。如果峰值功率足够小，以至于非线性效应可以忽略，那么可以先算出不同的反射系数和透射系数，然后对入射脉冲的频谱积分，就可以得到反射和透射脉冲的形状。而透射系数和反射系数的频率相关性决定了光纤光栅的滤波特性。

　　举例介绍一种有滤波功能的光纤光栅——布拉格光栅。光纤布拉格光栅是光纤的纤芯折射率沿光纤的轴向具有周期性变化的一种光纤器件，广泛用于通信和传感领域，光纤布拉格光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，它满足如下布拉格方程

　　(4)

　　当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射，其中，A为布拉格波长，即后向反射波长; 为光纤模式的有效折射率; 为光栅周期。这样用不同周期的相位版就可以制作出不同共振波长的光纤光栅，以满足实际需要。

　　光纤布拉格光栅是一种沿光纤轴向折射率变化的波导结构，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱发生相应的模式耦合。其基本特性是以共振波长为中心的窄带滤波器。

　　图1 输入谱，传输谱和反射谱图形

　　在WDM的系统中，光纤光栅它可以实现在一根光纤中传输多个波长的信道，并在终端将不同的波长分别解出。由于全光网系统中波长之间的间隔很小，因此对复用/解复用设备提出了很高的要求。

　　图2-5：光纤光栅型波分复用器原理图

　　由于均匀光纤光栅具有良好的滤波性能，并且有较窄的带宽。利用一组均匀光纤光栅的透射可以进行合波;利用其反射可以进行分波，因此采用均匀光纤光栅可制成复用/解复用器。如图5所示，光纤光栅的中心波长分别为。复用信号(  )经过解复用器后，各个波长分别从不同的端口输出，实现了光的解复用.

　　3、调制不稳定性分析

　　调制不稳定性是非线性传播研究中非常著名的现象，导致了连续波场的不稳定。它会导致传播在非线性系统的连续或准连续波在遭遇到小的振幅或相位扰动时发生破碎，使得一个相对较宽的光束或脉冲发生破裂进而演化成不连续的光丝或脉冲序列。

　　在光栅结构中的调制不稳定性研究包括两个电场分量，一个为前向传播分量，一个为后向传播分量。这些场分量的演变得到了耦合模方程。我们知道在光栅中，低强度的脉冲传输可以被近似的描述为非线性薛定谔方程。实际上，在一些限定条件下，可以获得非线性薛定谔方程的调制不稳定性的解。然而在高强度脉冲的情况下，要使用完整的耦合模方程，那么不稳定性的特性比由非线性薛定谔方程所得出的更为复杂。这些特性包括在正常色散中的不稳定性。

　　为简单起见，利用光栅两端无边界条件时(1)和(2)式给出的连续波解讨论调制不稳定性[2]。

　　4、发展前景展望

　　目前全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。

　　光纤光栅是目前也是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。对光纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色散补偿，到全光网络上下路、波长路由、光交换等，光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。在光纤光栅研究成果转化方面目前国内外的差距还不算太大，我国应集中力量发展民族光电子产业，使光纤光栅研究成果尽早产业化，为国家经济服务。

　　参考文献

　　[1] 徐公权, 段鲲, 廖光裕等译.，光纤通信技术[M].机械工业出版社, 2002，第12页

　　[2] Govind P.Agramal 著 贾东方，余震虹等译，非线性光纤光学原理及应用[M].电子工业出版社 2010年6月，第401-402页