【正文】 作出了一個帶寬非常窄（小到 200MHz）的光纖光柵濾波器。 Hill 光柵的寫入效率較低，并且光譜特性受用于寫入光柵的激光器波長限制，只能對處于可見光波段的光波進行處理。 最初始的試驗是由 488nm 的激光從光纖末端反射形成駐波模式去形成光柵。 1989 年，美國康涅狄格州東哈特福特聯(lián)合技術(shù)研發(fā)中心的 等研究人員開始使用兩束位于紫外波段的光波干涉形成的干涉條紋 照射光纖包層的側(cè)面制作光纖光柵，稱為全息側(cè)面寫入技術(shù)。從而使光纖光柵制作技術(shù)克服了光柵周期受限于寫入波長的缺陷。而且這種寫入技術(shù)也解決了制作 Hill光柵的寫入效率低的問題。 1993 等 人進一步提出了一種使用硅玻璃特制的相位模板進行光纖光柵制作的新技術(shù)，即用相位掩模光柵對寫入激光進行調(diào)制。用照射于光纖的其 +1 級和 1 級衍射光的周期性明暗條紋制作光纖光柵， 等 人提出的這種制作光纖光柵的方法同 樣使得光柵周期與寫入波長無關(guān)而只與相位模板相關(guān)，而且這種 相位掩模成柵技術(shù)放寬了對寫入光源相干性的限制 ，減弱了對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，可以更加容易地制作 光纖光柵 ，大幅 降低了光纖光柵的 成柵 成本， 為 光纖光柵器件走向 商用 化 鋪平了道路。 光纖光柵在光纖通信中的應(yīng)用 : 由于光纖光柵的天然光纖屬性使它成為了光纖通信領(lǐng)域最具實用價值的光通信用器件之一。其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用場合包括：色散補償、波長選擇、濾波、分路、增益平坦、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、半導(dǎo)體與光纖激光器等等。在光纖通信中，依據(jù)光纖光柵的天然光纖屬性以及反射譜線的特第一章 緒論 5 性，光纖光柵本身就是與光纖非常匹配的光纖濾波器。如利用均勻布拉格光纖光柵 反射頻帶窄、反射率高的特點，可以 在光纖光柵中插入一個或多個相移點，從而可在反射帶內(nèi)打開所需的 透射帶，設(shè)計出低損耗的光纖帶通濾波器；又如在長周期光纖光柵內(nèi)，由于光柵周期較大，同向傳輸?shù)睦w芯導(dǎo)模與光纖包層模之間發(fā)生耦合，傳輸?shù)墓饽芰靠捎衫w芯導(dǎo)模耦合到包層模中并快速損耗，利用其具有的損耗特定波長的功能，可設(shè)計光纖光柵參數(shù)使得在諧振波長處的光快速衰減的帶阻光纖濾波器。 光纖損耗和光纖色散是限制高速大容量光纖通信的兩個基本因素，現(xiàn)在隨著光纖制作工藝的提高和光纖放大器的使用，損耗已不是主要限制因素，反倒使得 色散的問題更加地突出。用作光纖色散補償?shù)墓饫w光柵稱為啁啾光纖光柵，其是一種周期沿縱向變化的光纖光柵。壓縮后的光脈沖信號再從光環(huán)形器的輸出端輸出，從而達到色散補償?shù)哪康摹? 摻鉺光纖放大器的使用使波分復(fù)用系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，其放大作用是通過 1550nm 光波段上的信號光通過摻鉺光纖時與其中的 3Er? 離子相互作用產(chǎn)生的。利用長周期的光纖光柵可實現(xiàn)對摻鉺光纖放大器的頻帶平坦。如可將多個長周期光纖光柵組合使用 ,從而使其傳輸光譜特性滿足與放大器增益譜相反的譜形，從而獲得比較好的放大器增益平坦度。光纖激光器在相干光通信和光孤子通信方面有潛在應(yīng)用。光纖光柵用作半導(dǎo)體激光器的外諧振腔時。如果通過對光纖光柵加縱向應(yīng)力，更可得到輸出激光頻率和模式可調(diào)諧的優(yōu)點，即實現(xiàn)了可調(diào)諧激光器的設(shè)計。其輸出激光穩(wěn)定、光譜純度優(yōu)于普通半導(dǎo)體激光器，且具備出光功率較高、線寬窄和可調(diào)諧范圍寬等突出優(yōu)點。基于光纖光柵制作的光通信器件普遍具有插入損耗低，波長穩(wěn)定性好，溫度敏感性低、結(jié)構(gòu)簡單，成本低光纖光柵特性仿真研究 6 等優(yōu)點。從光源、光放大器、光濾波器、光色散補償器件到波分復(fù)用器、光交叉連接器、光分插復(fù)用器、光波長變換器等全光網(wǎng)中主要部件無不有光纖光柵的潛在應(yīng)用。對光纖通信系統(tǒng)中各類器件計算機仿真的研發(fā)一直沒有間斷過。在光纖光柵設(shè)計制作中如果能有相關(guān)的仿真軟件的話，不但可避免光纖光柵實驗中的盲目性，更可以提高光纖光柵設(shè)計的效率，提 高新型光纖光柵研發(fā)的速度，同時也為人們更方便和更深刻的理解光纖光柵的特性有極大幫助。第一章 緒論 7 第二章 光纖光柵理論基礎(chǔ) 光纖光敏性質(zhì) 1978年， 加拿大通信研究中心 的 Kenh O. Hill等研究人員首次在摻鍺光纖中發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性質(zhì)，并由此揭開了光纖光柵研究的序幕。 而在光纖通信領(lǐng)域現(xiàn)在說到光纖的光敏性質(zhì)都是特指 當(dāng)石英光纖受到一定波長的光照射時，其纖芯折射率隨光照強度發(fā)生永久性改變的一種石英光纖的非線性性質(zhì)。 人們發(fā)現(xiàn) 摻鍺石英光纖在一定波長的藍光（ 488nm）折射率會發(fā)生永久性改變，即顯出光敏性質(zhì)。即選擇雙光子 過程所使用波長的一半的光源并使用單光子過程作用于光纖，造成的折射率的變化會更明顯。 光纖纖芯和光纖包層兩部分構(gòu)成光纖的基本組成，并且纖芯的折射率大于光纖包層的折射率。摻雜材料一般為 GeO2。而 Ge原子有 +2價和 +4價兩種價態(tài)，會以 GeO2和 GeO的形式存在于石英材料中。進一步對高溫下 (高于 1600℃ )的石英玻璃迅速冷卻到室溫進行淬火過程的研究發(fā)現(xiàn)這一過程會生成大量缺陷的同時，光敏性質(zhì)大大增強，而純石英玻璃的吸收帶位于 160nm處，對波長大于 190nm并延續(xù)到紅外波長范圍的光波段能有近于百分之九十的透過率。所以基于此事實可以進一步為摻鍺石英光纖具有光敏性質(zhì)應(yīng)與石英玻璃中缺陷中心的存在有關(guān)提供有利證據(jù)。用紫外光照射摻鍺石英光纖時，光纖中的缺氧、鍺缺陷將會電離，新的缺陷中心將會在釋放出的光電子陷落位置附近形成，稱為色心缺陷粒子，色心缺陷粒子數(shù)的增加將永久改變光纖的紫外波段的吸收光譜。折射率改變的具體數(shù)值可以用公式： 02()1 ( / )2dn?? ????? ?? ????? ? （ 211） 公式中 ()??? 為依賴波長的吸收率的改變，基于此模型，光纖中電子在紫外光照射下在不同外置上的重新分布是導(dǎo)致折射率變化的基本原因，若紫外光導(dǎo)致的吸收帶的變化波長遠離我們感興趣的波長 ? ，則可以表示為一系列高斯吸收頻率帶的疊加，公式 211又可以有近似 表示： 21 ( / )42i iinIn? ?????? ???? ? （ 212） 其中， i? 為第 i個吸收頻帶的中心波長， i?? 為中心波長處吸收率改變量， i?? 為第 i個吸收帶的半最大值全寬。色心模型具備清晰的物理圖像，并有較多的實驗支持，理論與實驗在數(shù)量級上比較一致，但用此模型解釋光纖光敏性質(zhì)仍然需要進行大量細(xì)致深入的研究。而摻鍺石英光纖纖芯的折射率與其密度呈線性變化關(guān)系，從而使得應(yīng)力和密度的變化被認(rèn)為可能是光纖中折射率 改變的一種原因。用紫外光照射光纖時，光纖纖芯吸收紫外光后會使得一些錯鍵被打破并產(chǎn)生大量的熱量，從而使得光纖局部發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的應(yīng)力釋放，這樣光纖中的應(yīng)力第一章 緒論 9 分布和密度分布將會改變，進一步就引起了光纖折射率的變化。 此結(jié)構(gòu)模型的 優(yōu)點是可對纖芯和包層具有較大熔點和膨脹系數(shù)差別的摻鍺光纖具有更強的光敏特性給出定性方面的解釋。結(jié)構(gòu)模型雖能定性解釋光纖光敏特性與應(yīng)力和密度的關(guān)系但目前無法給出光纖光敏特性的定量解釋。光柵中折射率分布可寫成如下形式： ? ? ? ? ? ?21 c osc ore zn n n z zz?? ? ???????? ? ? ?????????? （ 221） 其中： ? ? 222Fzz L? ?。 v 為折射率變化的可見度， ()z? 為光柵折射率沿 縱方向的周期。光纖光柵的光譜是光纖光柵應(yīng)用于不同場合的基礎(chǔ)， 用數(shù)值方法研究光纖光柵光譜屬性，一般有兩種可選的方法，其一為基于電磁場的耦合模理論，其二為傳輸矩陣?yán)碚摗?jA ， jB 為漸變包絡(luò)，分別表示 z? 和 z? 方向傳播模式的振幅。 考慮折射率微擾，在光纖光柵光柵中傳輸?shù)墓獠ǖ母髂Ｊ介g發(fā)生模式耦合 ,耦合滿足下面公式所述耦合模方程： 10 ? ? ? ?? ? ? ?e x p e x pe x p e x pjk k j k j k k j k jkkjk k j k j k k j k