摘 要：光纖光柵具有附加損耗小、體積小、能與光纖很好地耦合、可與其他光纖器件融成一體等特性，是全光網中的關鍵技術器件。光纖光柵技術可以為全光通信系統中光源、光放大、色散補償、光終端復接器（OTM） 、光交叉連接（OXC）等關鍵部件提供解決方案。本文介紹了光纖光柵在全光網絡中所發揮的作用，闡述了光纖光柵的特點，對光纖光柵進行了分類，著重分析了光纖光柵在光通信系統中的典型應用，并對其發展前景作出了展望。
關鍵詞：光纖光柵 全光網絡 光纖無源器件
前 言
隨著信息業務量快速增長，語音、數據和圖像等業務綜合在一起傳輸， 從而對通信帶寬容量提出了更高要求。由于無線電頻譜和電纜帶寬非常有限，其極限速率只有20Gb/s左右，即所謂的“電子瓶頸”。 盡管人們引入了光通信，光作為信息傳輸的載體帶寬達30THz以上，但是由于量子效應導致光纖線路中各種復用/解復用和光電/電光轉換器件處理電信號時仍存在著速率“瓶頸”，限制了信息的傳輸速率。進入20世紀90年代，以時分復用（TDM）為基礎的電傳送網難以適應需要，這使得人們再次意識到要突破電信號處理速率“瓶頸”就必須引入光信號處理方法，包括光信號的直接處理（即避免光 電和電 光轉換，需要電信號時除外）及交叉連接等，這就導致以光波分復用（WDM）為基礎的全光通信網（AON）成為人們研究的熱點。
全光通信是解決“電子瓶頸”最根本的途徑，全光網通信可以極大地提高節點的吞吐容量，適應未來高速寬帶通信的要求。全光通信網也是目前國際上發展最快的領域，全光通信意味著在通信過程的各個環節都用光波來完成，中間無需任何光－電－光變換。全光通信的發展完全取決于網絡中光放大、光補償、光交換以及光處理等關鍵技術的發展。
光纖光柵的出現使許多復雜的全光網通信成為可能。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射，其余的波長透過光纖光柵繼續傳輸。利用光纖光柵這一特性可構成許多性能獨特的光電子器件。研究表明光纖光柵以及基于光纖光柵的器件已經能夠解決全光通信系統中許多關鍵技術。
光纖光柵的特點
光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、易于與光纖系統連接、便于使用和維護、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規模生產，成本低，因此它具有良好的實用性，其優越性是其他許多器件無法替代的.這使得光纖光柵以及基于光纖光柵的器件成為全光網中理想的關鍵器件。
1978年K.O.Hill等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成第一只光纖光柵， 經過二十多年來的發展，在光纖通信、光纖傳感等領域均有廣闊的應用前景。隨著光纖光柵制造技術的不斷完善，光纖光敏性逐漸提高；各種特種光柵相繼問世，光纖光柵某些應用已達到商用化程度。應用成果日益增多，使得光纖光柵成為目前最有發展前途、最具代表性和發展最為迅速的光纖無源器件之一。
光纖光柵的分類
根據不同法分類標準，可以把光纖光柵分成不同的類別：
（1）光纖光柵按其空間周期和折射率系數分布特性可分為：
①均勻周期光纖布喇格光柵：通常稱為布喇格光柵，是最早發展起來的一種光柵，也是目前應用最廣的一種光柵。折射率調制深度和柵格周期均為常數，光柵波矢方向跟光纖軸向一致。此類光柵在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波分復用/解復用等領域有重要應用價值。
②啁啾光柵：柵格間距不等的光柵。有線性啁啾和分段啁啾光柵，主要用來做色散補償和光纖放大器的增益平坦。
③閃耀光柵：當光柵制作時，紫外側寫光束與光纖軸不垂直時，造成其折射率的空間分布與光纖軸有一個小角度，形成閃耀光柵。
④長周期光柵：柵格周期遠大于一般的光纖光柵，與普通光柵不同，它不是將某個波長的光反射，而是耦合到包層中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纖傳感。
⑤相移光柵：在普通光柵的某些點上，光柵折射率空間分布不連續而得到的。它可以看作是兩個光柵的不連續連接。它能夠在周期性光柵光譜阻帶內打開一個透射窗口，使得光柵對某一波長有更高的選擇度。可以用來構造多通道濾波器件。
此外還有Tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、Tophat光柵、超結構光柵等。
（2）根據光纖光柵的成柵機理來分可分為三種：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型。
①Ⅰ型光柵：即最常見的光柵，可成柵在任何類型的光敏光纖上，其主要特點是其導波模的反射譜跟透射譜互補，幾乎沒有吸收或包層耦合損耗；另一特點是容易被“擦除”，即在較低溫度（200℃左右）下光柵會變弱或消失。
②ⅡA型光柵：成柵于高摻鍺（15％mol）光敏光纖或硼鍺共摻光敏光纖上，曝光時間較長。成柵機理于Ⅰ型不同。其寫入過程為：曝光開始不久，纖芯中形成Ⅰ型光柵，隨著曝光時間的增加，此光柵被部分或者完全擦除，然后再產生第二個光柵，即形成ⅡA型光柵，其溫度穩定性優于Ⅰ型光柵，直到500℃附近才能觀察到光柵的擦除效應，更適合于在高溫下使用，如高溫傳感等。
③Ⅱ型光柵：由單個高能量光脈沖（大于0.5J/cm2）曝光形成。其透射譜只能使波長大于Bragg波長的光透射，波長小的部分被耦合到包層中損耗掉。成柵機理可理解為能量非均勻的激光脈沖被纖芯石英強烈放大造成纖芯物理損傷的結果。有極高的溫度穩定性，在800℃下放置24小時無明顯變化，在1000℃環境中放置4小時后大部分光柵才消失。
光纖光柵在光纖通信系統中的應用
光纖光柵作為一種新型光器件，主要用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理。在光纖通信中實現許多特殊功能，應用廣泛，可構成的有源和無源光纖器件分別是：
·有源器件：光纖激光器（光柵窄帶反射器用于DFB等結構，波長可調諧等）
半導體激光器（光纖光柵作為反饋外腔及用于穩定980nm泵浦光源）
EDFA光纖放大器（光纖光柵實現增益平坦和殘余泵浦光反射）
Ramam光纖放大器（布喇格光柵諧振腔）
·無源器件：濾波器（窄帶、寬帶及帶阻；反射式和透射式）
WDM波分復用器（波導光柵陣列、光柵/濾波組合）
OADM上下路分插復用器（光柵選路）
色散補償器（線性啁啾光纖光柵實現單通道補償，抽樣光纖光柵實現WDM系統中多通道補償）
波長變換器
OTDM延時器
OCDMA編碼器
光纖光柵編碼器
可見光纖光柵的應用滲透在光纖通信系統的每個角落，有關專家預言：光纖光柵技術和器件將為正在研究和發展的WDM系統帶來一場革命。下面就一些比較典型的應用做以分析。
（1）光 源
光纖光柵激光器產生的光信號更符合全光通信系統對光源的要求。同時基于光波分復用（WDM）的全光通信網（AON）中，光纖復用的路數將大大提高。而半導體激光器的波長較難符合ITU-T建議的WDM波長標準要求，相反利用光纖光柵做成的激光器則能非常準確地控制波長，且制作成本低。
光纖光柵激光器是光纖通信系統中一種很有前途的光源，它是利用均勻光纖光柵來選擇出射光的波長。外腔光纖激光器一般有兩種結構：一種是分布布拉格反射（DBR）光纖光柵激光器，其基本結構如圖1（a）所示，利用一段稀土摻鉺光纖（EDF）和一對均勻光纖光柵（Bragg波長相同）構成諧振腔；另一種是分布反饋（DFB）光纖光柵激光器，其基本結構如圖1（b）所示，利用直接在稀土摻雜光纖（如EDF）寫入的均勻光柵構成諧振腔。
圖1 光纖光柵激光器結構原理圖
光纖激光器作為光纖通信系統中一種很有前途的光源，其優點主要體現在：激光出射波長線寬極窄、可調諧；具有波導式光纖結構，與標準通信光纖兼容性好；高頻調制下頻率啁啾效應小；抗電磁干擾；溫度膨脹系數較半導體激光器小；成本低等。
（2）光纖放大器
影響光纖通信向長距離和高速率方向發展的兩個主要因素是損耗和色散，其中的損耗問題自從摻鉺光纖放大器（EDFA）產生后已得到解決。然而摻鉺光纖放大器具有增益不平坦性。利用閃耀光纖光柵的透射譜特性可以抑制光纖放大器的增益峰，從而使引入閃耀光纖光柵后的光纖放大器增益譜平坦化。
圖2 閃耀光纖光柵折射率分布原理圖
（3）色散補償器
光纖損耗、色散和非線性是影響光纖傳輸能力的三個最主要因素。摻鉺光纖放大器的研制成功基本解決了損耗的問題。隨著全光通信速率的提高，色散和非線性對系統傳輸能力的影響變得愈發顯著。經過近年來的研究，光纖光柵色散補償器已經基本解決了光纖傳輸系統中的色散問題。
圖3 啁啾光纖光柵色散補償原理圖
圖3是光纖光柵作為色散補償器的工作原理圖，光纖光柵被償色散的原理是：在啁啾（Chirp）光纖光柵不同反射點有不同的反射波長，我們讓紅移分量在光柵前端反射，而讓藍移分量在光柵末端反射，即藍移分量比紅移分量多走2L的距離。由于色散在光脈沖中紅藍移分量之間產生的距離差，經過光柵后，滯后的紅移分量便會趕上藍移分量，這樣就消除了色散效應。目前光纖光柵作為色散補償已經達到實用階段。
（4）光分插復用器（OADM）
光分插復用器實際是合波器與分波器的組合。光分插復用器作為全光網中的重要器件，其功能是從分波器中有選擇的取下幾路通過本地的光信號，其余路波長直通合波器，另外可以有幾路本地波長信號輸入，與直通的信號復合在一起輸出（Add）。也就是說OADM在光域內實現了傳統的SDH設備中電的分插復用器在時域中的功能。
圖4 光分插復用器原理圖
如圖4所示復用信號（λ1，λ2，…，λn）從端口1輸入，光纖光柵的中心波長是λ2，波長為λ2的信號被光纖光柵反射，經光環行器從端口3輸出（下載），其余波長則無附加損耗地通過光纖光柵，與從端口4上載的λ2信號復合成新的復用信號，由端口2輸出，實現光的分插復用。 這種基于光纖光柵的OADM實現方案已經是目前普遍采用的一種OADM結構。
（5）光終端復接器（OTM）
光終端復接器（OTM）的作用是將終端用戶光波長復用進系統中，或在終端從系統中解出用戶需要的波長。光終端復接器是基于WDM全光網系統中不可缺少的設備。其核心部件就是復用/解復用器（分波/合波器）。它可以實現在一根光纖中傳輸多個波長的信道，并在終端將不同的波長分別解出。由于全光網系統中波長之間的間隔很小，因此對復用/解復用設備提出了很高的要求。
圖5 光纖光柵型波分復用器原理圖
由于均勻光纖光柵具有良好的濾波性能，并且有較窄的帶寬。利用一組均勻光纖光柵的透射可以進行合波；利用其反射可以進行分波，因此采用均勻光纖光柵可制成復用/解復用器。如圖5所示，光纖光柵的中心波長分別為λ1，λ2，…，λn。復用信號（λ1，λ2，…，λn）經過解復用器后，各個波長分別從不同的端口輸出，實現了光的解復用.
（6）波長交換
全光網絡為克服“電子瓶頸”，網絡路由方式也將采用波長路由方式，由于通信波長資源的有限性，使得全光波長變換技術在全光通信網系統中成為不可缺少的關鍵技術之一。波長變換技術是把光信號從一個波長轉換為另一個波長的一種手段，它可以實現波長重用、波長路由、波長選擇開關和全光交換等功能。目前為止，已經報道了多種結構和機制的波長轉換器，這些波長轉換器都各有特點和欠缺。
圖6 基于光纖光柵的波長轉換器
圖6所示為一種新近報道的基于光纖光柵的波長轉換器，FBG-ECL是由光纖光柵和腔面增透的F-P（法布里-珀羅）腔激光器管芯所構成的外腔激光器。這種波長轉換器的工作波長由光纖光柵的反射譜峰值波長（λ0）決定，待轉換波長為λ1的光信號，工作機理是增益飽和效應。從功率探測器（PD）端探測到的光譜可以看出，當信號光（λ1）的注入引起激光器（λ0）波長輸出功率的下降，因而把輸入光信號轉移到 （λ0）波長上。這種基于光纖光柵的波長轉換器不經過光電轉換和二次發光過程，具有對光信號速率和格式的透明性，且具有簡單、高效、可靠、經濟等優點。
發展前景展望
目前全光通信的研究還處于起步階段，許多技術難點需要克服。雖然光纖光柵不能解決全光通信中所有的技術難點，但是對光纖光柵技術和器件的研究可以解決全光通信系統中許多關鍵技術。因此對光纖光柵的研究可以促進全光通信網的早日實現。
光纖光柵是目前也是將來很長一段時間內光纖通信系統中最具實用價值的無源光器件之一，利用它可組成多種新型光電子器件，由于這些器件的優良性能使人們更加充分地利用光纖通信系統的帶寬資源。對光纖光柵的研究和開發正逐步深入到光纖通信系統的每一個細節，從波分復用系統的合波/分波、光纖放大器的增益平坦、色散補償，到全光網絡上下路、波長路由、光交換等，光纖光柵的應用將推動高速光通信的發展，將在未來的高速全光通信系統中扮演重要的角色。在光纖光柵研究成果轉化方面目前國內外的差距還不算太大，我國應集中力量發展民族光電子產業，使光纖光柵研究成果盡早產業化，為國家經濟服務。 |
