摘 要：光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器（OTM） 、光交叉连接（OXC）等关键部件提供解决方案。本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用，并对其发展前景作出了展望。
关键词：光纤光栅 全光网络 光纤无源器件
前 言
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”。 尽管人们引入了光通信，光作为信息传输的载体带宽达30THz以上，但是由于量子效应导致光纤线路中各种复用/解复用和光电/电光转换器件处理电信号时仍存在着速率“瓶颈”，限制了信息的传输速率。进入20世纪90年代，以时分复用（TDM）为基础的电传送网难以适应需要，这使得人们再次意识到要突破电信号处理速率“瓶颈”就必须引入光信号处理方法，包括光信号的直接处理（即避免光 电和电 光转换，需要电信号时除外）及交叉连接等，这就导致以光波分复用（WDM）为基础的全光通信网（AON）成为人们研究的热点。
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。全光通信网也是目前国际上发展最快的领域，全光通信意味着在通信过程的各个环节都用光波来完成，中间无需任何光－电－光变换。全光通信的发展完全取决于网络中光放大、光补偿、光交换以及光处理等关键技术的发展。
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。利用光纤光栅这一特性可构成许多性能独特的光电子器件。研究表明光纤光栅以及基于光纤光栅的器件已经能够解决全光通信系统中许多关键技术。
光纤光栅的特点
光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的.这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。
1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅， 经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。
光纤光栅的分类
根据不同法分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别：
（1）光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：
①均匀周期光纤布喇格光栅：通常称为布喇格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。
②啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。
③闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。
④长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。
⑤相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构造多通道滤波器件。
此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。
（2）根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型。
①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度（200℃左右）下光栅会变弱或消失。
②ⅡA型光栅：成栅于高掺锗（15％mol）光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。成栅机理于Ⅰ型不同。其写入过程为：曝光开始不久，纤芯中形成Ⅰ型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成ⅡA型光栅，其温度稳定性优于Ⅰ型光栅，直到500℃附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。
③Ⅱ型光栅：由单个高能量光脉冲（大于0.5J/cm2）曝光形成。其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合到包层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。有极高的温度稳定性，在800℃下放置24小时无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失。
光纤光栅在光纤通信系统中的应用
光纤光栅作为一种新型光器件，主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能，应用广泛，可构成的有源和无源光纤器件分别是：
·有源器件：光纤激光器（光栅窄带反射器用于DFB等结构，波长可调谐等）
半导体激光器（光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源）
EDFA光纤放大器（光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射）
Ramam光纤放大器（布喇格光栅谐振腔）
·无源器件：滤波器（窄带、宽带及带阻；反射式和透射式）
WDM波分复用器（波导光栅阵列、光栅/滤波组合）
OADM上下路分插复用器（光栅选路）
色散补偿器（线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿，抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿）
波长变换器
OTDM延时器
OCDMA编码器
光纤光栅编码器
可见光纤光栅的应用渗透在光纤通信系统的每个角落，有关专家预言：光纤光栅技术和器件将为正在研究和发展的WDM系统带来一场革命。下面就一些比较典型的应用做以分析。
（1）光 源
光纤光栅激光器产生的光信号更符合全光通信系统对光源的要求。同时基于光波分复用（WDM）的全光通信网（AON）中，光纤复用的路数将大大提高。而半导体激光器的波长较难符合ITU-T建议的WDM波长标准要求，相反利用光纤光栅做成的激光器则能非常准确地控制波长，且制作成本低。
光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源，它是利用均匀光纤光栅来选择出射光的波长。外腔光纤激光器一般有两种结构：一种是分布布拉格反射（DBR）光纤光栅激光器，其基本结构如图1（a）所示，利用一段稀土掺铒光纤（EDF）和一对均匀光纤光栅（Bragg波长相同）构成谐振腔；另一种是分布反馈（DFB）光纤光栅激光器，其基本结构如图1（b）所示，利用直接在稀土掺杂光纤（如EDF）写入的均匀光栅构成谐振腔。
图1 光纤光栅激光器结构原理图
光纤激光器作为光纤通信系统中一种很有前途的光源，其优点主要体现在：激光出射波长线宽极窄、可调谐；具有波导式光纤结构，与标准通信光纤兼容性好；高频调制下频率啁啾效应小；抗电磁干扰；温度膨胀系数较半导体激光器小；成本低等。
（2）光纤放大器
影响光纤通信向长距离和高速率方向发展的两个主要因素是损耗和色散，其中的损耗问题自从掺铒光纤放大器（EDFA）产生后已得到解决。然而掺铒光纤放大器具有增益不平坦性。利用闪耀光纤光栅的透射谱特性可以抑制光纤放大器的增益峰，从而使引入闪耀光纤光栅后的光纤放大器增益谱平坦化。
图2 闪耀光纤光栅折射率分布原理图
（3）色散补偿器
光纤损耗、色散和非线性是影响光纤传输能力的三个最主要因素。掺铒光纤放大器的研制成功基本解决了损耗的问题。随着全光通信速率的提高，色散和非线性对系统传输能力的影响变得愈发显著。经过近年来的研究，光纤光栅色散补偿器已经基本解决了光纤传输系统中的色散问题。
图3 啁啾光纤光栅色散补偿原理图
图3是光纤光栅作为色散补偿器的工作原理图，光纤光栅被偿色散的原理是：在啁啾（Chirp）光纤光栅不同反射点有不同的反射波长，我们让红移分量在光栅前端反射，而让蓝移分量在光栅末端反射，即蓝移分量比红移分量多走2L的距离。由于色散在光脉冲中红蓝移分量之间产生的距离差，经过光栅后，滞后的红移分量便会赶上蓝移分量，这样就消除了色散效应。目前光纤光栅作为色散补偿已经达到实用阶段。
（4）光分插复用器（OADM）
光分插复用器实际是合波器与分波器的组合。光分插复用器作为全光网中的重要器件，其功能是从分波器中有选择的取下几路通过本地的光信号，其余路波长直通合波器，另外可以有几路本地波长信号输入，与直通的信号复合在一起输出（Add）。也就是说OADM在光域内实现了传统的SDH设备中电的分插复用器在时域中的功能。
图4 光分插复用器原理图
如图4所示复用信号（λ1，λ2，…，λn）从端口1输入，光纤光栅的中心波长是λ2，波长为λ2的信号被光纤光栅反射，经光环行器从端口3输出（下载），其余波长则无附加损耗地通过光纤光栅，与从端口4上载的λ2信号复合成新的复用信号，由端口2输出，实现光的分插复用。 这种基于光纤光栅的OADM实现方案已经是目前普遍采用的一种OADM结构。
（5）光终端复接器（OTM）
光终端复接器（OTM）的作用是将终端用户光波长复用进系统中，或在终端从系统中解出用户需要的波长。光终端复接器是基于WDM全光网系统中不可缺少的设备。其核心部件就是复用/解复用器（分波/合波器）。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λ1，λ2，…，λn。复用信号（λ1，λ2，…，λn）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.
（6）波长交换
全光网络为克服“电子瓶颈”，网络路由方式也将采用波长路由方式，由于通信波长资源的有限性，使得全光波长变换技术在全光通信网系统中成为不可缺少的关键技术之一。波长变换技术是把光信号从一个波长转换为另一个波长的一种手段，它可以实现波长重用、波长路由、波长选择开关和全光交换等功能。目前为止，已经报道了多种结构和机制的波长转换器，这些波长转换器都各有特点和欠缺。
图6 基于光纤光栅的波长转换器
图6所示为一种新近报道的基于光纤光栅的波长转换器，FBG-ECL是由光纤光栅和腔面增透的F-P（法布里-珀罗）腔激光器管芯所构成的外腔激光器。这种波长转换器的工作波长由光纤光栅的反射谱峰值波长（λ0）决定，待转换波长为λ1的光信号，工作机理是增益饱和效应。从功率探测器（PD）端探测到的光谱可以看出，当信号光（λ1）的注入引起激光器（λ0）波长输出功率的下降，因而把输入光信号转移到 （λ0）波长上。这种基于光纤光栅的波长转换器不经过光电转换和二次发光过程，具有对光信号速率和格式的透明性，且具有简单、高效、可靠、经济等优点。
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。 |
