摘 要
光纤光栅是光通信领域发展迅速的一种器件，其应用非常广泛。实用化的光纤光栅及 由其构成的各类光器件是光通信传输系统必不可少的光器件，光纤色散是光通信向高速 率，长距离方向发展的主要障碍，色散补偿己成为人们研究的热点。线性啁啾光纤光栅由 于其插入损耗低、体积小、价格低廉、色散补偿量大等多方面的优点，而成为色散补偿中 最有效，最有前途的方法。 论文首先利用耦合模理论对光纤光栅的光学特性进行了详细的分析,进而详细地介绍 了求解非均匀光纤光栅的常用方法----传输矩阵法。循序渐进的引入均匀光纤光栅、均匀线 性啁啾光纤光栅、变迹线性啁啾光纤光栅的概念，并对三种光栅的光学特性进行了详细的 对比。 对自己构建的变迹函数变迹线性啁啾光纤光栅进行了充分的讨论。对于啁啾度和长度 一定的光栅系统，根据最佳变迹应满足的条件，确定了自构最佳变迹函数的形式，并对该 函数变迹下的线性啁啾光纤光栅的光谱特性进行了模拟仿真，归纳出当光栅参数变化时对 光栅光学特性的一些影响，这对设计光栅补偿元件是具有一定实际意义的。仿真结果同时 显示：自构变迹函数变迹下的线性啁啾光纤光栅其反射谱具有较大的带宽，对时延特性曲 线及色散曲线的振荡具有良好的抑制作用，且时延曲线保持着足够量的时间延迟。仿真结 果表明，自构建的变迹函数的光学特性是良好的。 对光纤光栅用于色散补偿理论作了较为详细的介绍。并在选取相同参数情况下（在该 参数下已实现在标准单模光纤中超过 100km，10Gb/s 的色散补偿信号的传输） ，分别用高 斯型和自构变迹函数下的线性啁啾光纤光栅补偿 100km 标准单模光纤产生的色散，仿真结 果显示：自构函数变迹下的线性啁啾光纤光栅补偿展宽脉冲效果更优。 最后对全文进行了总结。
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第一章
1.1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光纤通信的发展
绪
论
通信是人类发展、社会进步的一种基本需求，它的功能是将信息从一个地方传递到另 一个地方。至今为止，已有多种形式的通信系统出现，每一种新的通信方式出现的原动力 来自于改进传输的可靠性、 提高信息传输速率或增加中继站之间的距离， 19 世纪中叶之前， 无论是光方式还是声方式通信，系统的传输速率都很低。已知最早的光通信线路是公元前 8 世纪在古希腊出现的烽火台通信，这种通信方式可用于报警、呼救或通知特定的事件。 当然它并非现代意义上的光通信，可以称其为目视光通信。到了中世纪，烽火台通信得到 了改进，人们用不同颜色的烽烟组合来传递较为复杂的信息。18 世纪末，法国人 Chappe 发明了扬旗式通信机(又称旗语通信机)，这种通信方式得到了进一步改进。扬旗通信在拿 破仑时代达到了鼎盛时期，在欧洲架设了数千公里的线路，目视光通信也在 19 世纪达到 了它的顶峰。1838 年，美国人 Samuel F. B. Morse 发明了电报，开创了通信历史的新篇 章，人类进入了电通信时代。由于电通信技术的出现，以扬旗通信为代表的目视光通信迅 速地告别了历史舞台。此后，贝尔发明了电话，马可尼、波波夫发明了无线电通信，电通 信方式也随即成为了最主要的通信方式。电通信是以射频电磁波作为信息载体的通信方 式，它的容量几乎与所使用的载波频率成正比。随着社会生产和科学技术的不断发展，人 们对通信容量的要求越来越高，越来越迫切，这促使人们去开发和利用频率更高的电磁波 段。20 世纪 60 年代卫星通信技术的发展使电信技术达到了一个新的高度。工作于微波频 段的卫星通信技术是人类通信史上的一个巨大进步，但微波频段的可用部分是有限的，它 已远远不及人们对通信容量的需求，因此人们将研究的重点转向更高的频段----毫米波、 亚毫米波甚至远红外波。在开发和利用毫米波、亚毫米波甚至更短波段作为信息载体的过 程中，科技人员遇到了极大的挑战，在理论上和技术上都有许多问题难以解决。随后，人 们又将注意力集中到了比毫米波频率高许多的光波上。既然光波的频率更高，可以预见的 是:如果利用光作为信息载体，通信容量将会有一个质的飞跃。这一点是传统的通信手段 所无法比拟的。此后，人们做了大量卓有成效的工作，终于实现了人类进入光通信时代的 梦想。 要想实现真正意义的光通信，必须对光进行高速调制，同时确保信号的长距离传输， 进而接收到准确的信息。这就要求必须解决好两个关键问题:一是可以高速调制且相干性 很好的光源;二是低损耗的传输介质。然而令人遗憾的是，直到 20 世纪 50 年代，人们所 使用的光源都无法达到光通信系统的要求。这些光源相干性差、频谱极宽而且相位和偏振 态难以控制，因而对其进行高速调制是极其困难的。1960 年，第一台激光器问世。它克服 了以往光源的许多缺点，发出的光束具有很好的相干性，可以作为高速数据信息的载体， 但缺乏实用价值。1970 年，美国贝尔实验室成功研制出了性能更好且能连续工作的半导体
广西师范大学 硕士学位论文 线性啁啾光纤光栅及其色散补偿的理论研究 姓名：黄平 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：秦子雄;曾庆科 20080501
线性啁啾光纤光栅及其色散补偿的理论研究
导师：秦子雄教授 学科专业：电路与系统 曾庆科教授 研究生：黄平 年级：2005 研究方向：光纤通信器件
II
detailed analysis. The author compensates the dispersion after light propagates 100 kilometre in normal single-mode fiber by using the linear chirped fiber grating apodized by Gauss function and self-constructed function, other parameters are the same(under these parameters, 10Gb/s dispersion compensation signal transmission has been realized ). Simulations show that: to the broaden pulses, the performance of compensation of linear chirped grating apodized by the functions constructed by the author is much more better others. At last I summarize my thesis.
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关键词：光纤光栅，耦合模理论，传输矩阵法，变迹，啁啾，色散补偿
I
Theoretical study on the linearly chirped fiber Bragg grating and dispersion compensation
Supervisors：Prof.Qin Zi-Xiong ,Prof.Zeng Qing-ke Graduate Candidate：Huang Ping Major:Circuit and System Orientation: optical communication and optical apparatus Grade: 2005
Keywords: fiber Bragg grating, coupled-mode theory， transfer matrix method, apodization,
chirp, dispersion compensation
III
原创性声明
本人郑重声明:所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发 表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
Abstract
Fiber Grating is quickly developing in optical communication realm and widely using in many scopes .In optical communication systems ,Fiber Grating and apparatus made of Fiber Grating are necessary .The fiber dispersion is serious and become a main holdback along with the development of optical communication. So many people focus on it. At present, Linear chirp Fiber Grating is the most effective and useful prolect of compensating fiber dispersion because of its good characteristics. Such as low wastage,little bulk,low price,big dispersion compensation. In this thesis , the author firstly detailed analyze the optical characteristics of fiber gratings using the coupled-mode theory.Secondly,describe the transfer matrix method---a common method to solve the nouniform fiber gratings. Then introduce the uniform fiber grating,linear uniform chirped fiber grating,apodized chirped fiber grating step by step, and a detailed comparision of their optical characteristics is made. The characteristics of apodized functions constructed by the author are abundantly discuss.According to the best apodized enveloped conditions, the best apodized functions constructed by the author are decided to the fiber grating systems which the chirped coefficient and the length are known. At the same time, the author model the spectral characteristics of the linear chirped fiber grating apodized by the self-constructed functions,some useful conclusions about the fiber grating optical characteristics are gained when changing the grating parameters. All the conclusions are of practical meaningful to design the fiber grating compensators. The modeling results tell us that, apodized by the functions constructed by the author, the reflection spectrum of the linear chirped gtating has a wide bandwidth, and well restrains the oscilation of the delay curve and the dispersion curve, moreover,the delay curve keeps enough time delay. All show that the optical characteristics of the apodized functions constructed by the author are good. To the theory of fiber gratings used as dispersion compensation ,the author makes a more