光纤光栅技术及其在WDM全光网中的应用研究

摘要

WDM(波分复用)全光网是未来光通信的发展方向,WDM全光器件的研究具有重要意义.该文以光纤光栅这一新型光子器件的基本理论、特性及其在WDM全光网中的应用为主要研究内容,重点讨论了相移长周期光纤光栅在光分插复用器中的应用、基于光纤光栅滤波器的波长路由器件中的线性串扰以及光纤光栅在色散补偿方面的应用.该文工作为光纤光栅型WDM全光器件的设计与性能研究提供坚实的理论依据,对WDM全光网的发展具有积极的促进与推动作用.第一章首先回顾光纤通信的发展历程,介绍了WDM全光网及其关键器件,全面总结光纤光栅的工作机理与制作技术,并系统评述了光纤光栅在WDM全光网中的应用现状.第二章详尽研究了光纤光栅的滤波特性、温度与应变特性.基于耦合模理论,建立适于分析各类光纤光栅特性的数学物理模型,研究了均匀布拉格光栅的滤波特性,得出表征其光谱特性的统一解析式,提出并应用均匀分段法和传输矩阵法,详细讨论各类非均匀布拉格光纤光栅的光谱特性并分析了光栅长度、耦合系数、切趾函数、相移、倾斜角等光栅参数对滤波特性的影响.研究了外界应变和温度变化对布拉格光栅和长周期光栅谐振波长的影响.第三章研究相移长周期光纤光栅(LPG)及其在光分插复用器(OADM)中的应用.针对相移LPG带阻滤波的独特光谱特性,建立了分析相移LPG滤波特性的数学物理模型,分析了相移量、耦合系数、相移个数、相移位置、折射率调制函数等光栅参数对滤波特性的影响.系统论述了OADM基本原理及技术,并提出了新型的基于级联相移LPG的OADM结构配置方案.第四章研究光纤光栅作为波长路由器件中的滤波单元应用时引入的线性串扰及其对系统误码性能的影响.分析了WDM全光网中串扰形成机理,研究了线性串扰对有/无EDFA前置放大器的IM/DD检测系统的噪声影响.建立了波分解复用器中异频串扰以及光交叉互连单元中同频串扰的理论分析模型,推导了反映器件串扰特性的误码率与功率代价表达式,详细讨论了光纤光栅滤波特性对波长路由器件中线性串扰水平的影响,得出系统误码性能与光栅长度、耦合系数等光栅滤波器设计参数及WDM系统参数的关系.第五章研究了光纤光栅作为色散补偿器在WDM网络中的应用.针对非啁啾光纤光栅作为传输型色散补偿器的应用,推导了光纤和光纤光栅两种色散介质共同作用下高斯脉冲的传输演化公式,研究了光栅参数、高斯脉冲的初始啁啾、初始脉宽对色散补偿能力的影响.基于线性啁啾光纤光栅的色散补偿原理,提出切趾型光纤光栅色散补偿器的优化设计方案,通过定义全面衡量色散补偿器性能的品质因素,得到最佳切趾分布函数,并分析并得出色散补偿性能与啁啾系数、光栅长度、耦合系数的关系.