光栅对脉宽压缩系统优化与设计毕业论文(编辑修改稿)

光栅对脉宽压缩系统优化与设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的脉冲光束信号在光纤中传输，脉冲展宽到一定程度，进而码间相互干扰，误码率提 高，光纤的通信容量被大大缩小。 色散的程度在时域上用脉冲展宽  来描述。  就是信号最先到达的和最后到达的时延差，脉冲展宽越大，色散越严重，就会产生码间干扰，影响整个光纤通信系统的正常工作。 色散的程度在频域上可以用带宽来描述，两者的关系可以有一系列公式推到而得出： 441B （ 24） 公式（ 24）中，  是脉冲展宽，单位是 ps； B 是 3dB 光宽带（ Full Width at Half Maximum,FWHM），单位是 GHz[4]。 单模光纤 在多模光纤中，光纤色散主要来自不同模式的传输速度所引起的模式色散，与之相比，由于其他因素所引起的色散就可以忽略不计了。 在单模光纤中，由于只传输基模LP01，模式色散的影响就被去掉了，所以具有远比多模光纤优良的色散特性，适用于大容量、长距离的光信号传输。 在单模光纤中，光脉冲信号中不同波长的光的传输速度各不相同，产生色散，包括色度色散和偏振模色散。 在单模光纤的传输系统中，色散的程度与光脉冲信号的光谱宽度成正线性关系，这也就是在大容量、大距离单模光纤通信系统中必须采用的使用窄线光栅对脉宽压缩系统优化与设 计 7 宽的单纵模半导体激光器的主要原因之一。 在可以忽略的频率色散区域中，由于两个相互正交的偏振模式在光纤中的传输速度不同而引起的偏振模色散，成为单模光纤色散的主要贡献 [45]。 材料色 散是由于不同光波长的光在石英玻璃中的折射率不同，并且光源具有一定的光谱宽度，波长不同的光各自的群速率也不同，因此造成了光脉冲的展宽。 通常用群时延随着频率的变化率表示的材料色散是： 2222222 21  d ndcd ndddncdddd   （ 25） 单位是 ps2/kｍ。 习惯上，还有在实践工程应用中，经常用群时延随着波长的变化率来表示色散： 22222  d ndccddD  （ 26） 单位是 ps/(kｍ *nｍ )。 从式（ 26）可以看出，材料色散主要由材料参数决定，它的值在某一特定波长位置会是 0，所以这个波长被当成是该材料的零色散波长。 然而，幸运的是，石英光纤材料的零色散波长，正好是在 ，这是获得不仅具有低损耗，而且低色散石英光纤的理论基础 [5]。 波导色散是光纤的某一个传输模式（基模与多模），由于波长不同的光的群速度不同引起的脉冲展宽。 它关注的是光纤波导结构的影响，波导色散数值和光纤折射率分 布的结构特异性有关系。 色散主要会产生脉冲展宽和啁啾效应。 脉冲展宽对系统性能的影响的扩大，是主要因素。 当光纤的色散长度小于光纤传输距离时，光脉冲的脉宽就会过大，这时，会产生比较严重的码间干扰和误码率的增加。 色散还会使脉冲产生相位调制，使脉冲光束的各个部位相对于中心频率发生了程度不一的偏离量，即频率各不相同，这就是脉冲的啁啾效应。 在一般情况下，材料色散的影响远远大于波导色散，成为单模光纤色散的首要因素。 但是如果在材料的零色散波长左右时，材料色散和波导色散的影响是可以相互消除的。 光栅对脉宽压缩系统优化与设 计 8 由于石英光纤的零色散波长刚好是 在光纤的低损耗窗口上，所以可通过科学的设计光纤结构，使材料色散与波导色散在低损耗窗口上相互对消，生产出色散优良的石英光纤 [5]。 单模光纤中，基模中的偏振模式是相互正交的。 理想状况下，两种偏振模式的曲线是相同的，传输性质也是相同的，但是外部因素的干扰下，两种偏振模式于是就具有不同的传输速度，产生时域上的延迟，偏振模色散形成。 相对于其他色散，偏振模色散可以几近忽略，但却不能完全消除，只能通过光学器件的优化设计，使偏振模色散最小。 脉冲宽度越窄的超高速系统中，偏振模色散的影响比较大。 偏振光的偏振度 [6]： minmaxminmax II IIP  (27) Imax:偏振光沿某一方向上所具有的能量最大值。 Imin:偏振光在其垂直方向上所具有的能量最小值。 Imax=Imin， P=0，为自然光； Imin=0， P=1，为线偏振光，是偏振度最大的偏振光。 偏振光的偏振度是偏振模色散中的重要因素，处理好偏振度，是更好的在光线中传输信号的前提条件。 光 栅：作为一种分光原件，分光原理是把波长不同的同级谱线以不同的衍射角按顺序在一定的位置上聚焦，从而把各个波长的光波分开。 光栅分为透射光栅和闪耀光栅。 透射光栅 所谓透射光栅，便是在一块透明的屏板上刻有许多相互平行、等宽等间距的刻痕，其中刻痕被认为是不透光的。 这是一种获得普遍使用的光栅，这种结构可以使光在空间分散开。 透射光栅样品如图 ： 光栅对脉宽压缩系统优化与设 计 9 abdf 1f 2PP 0ΘL 1L 2 图 透射光栅实验装置示意图 光栅常数 d=a+b，反映的是光栅 的空间周期性，其倒数 1/d 表示每毫米内有多少条狭缝，成为光栅密度。 a:缝宽， b：相邻两缝间不透明的宽度。 当平行光束垂直光栅面入射时，透射光栅的光栅方程 [6]：  kd sin (k=0, 21， , ) （ 28） 整数 k 表示光谱线的级数。 当平行光束斜入射时，入射方向和光栅平面的法线之间 的夹角为 θ0 则光栅方程（ 28）式将要适当改变。 θθθ0θ0法 线θ 和 θ0在 法 线 同 侧θ 和 θ0在 法 线 两 侧( a )( b ) 图 斜入射时的光栅方程 θ表示衍射方向与法线之间的夹角，其角度取正值。 当衍射角 θ和入射角 θ0 在法线同侧 [见图 （ a） ]，则光栅方程则变为  kd  )θs in(s in 0 （ 29） 光栅对脉宽压缩系统优化与设 计 10 当衍射角 θ和入射角 θ0 在法线两侧 [见图 （ b） ]，则光栅方程则变为  kd  )s in( s in 0 （ 210） 使用透射光栅时，若测得衍射角 θ，根据以上式，就可以算出所用光波的波长了。 闪耀光栅 闪耀光栅是平面反射光栅，以磨光的镀铝膜的金属板为胚子，用楔形钻石刀头在它的表面刻画出一系列等间距的锯齿形槽面制成的。 由于金属铝反射率高，工作波段宽。 容易加工，所以闪耀光栅 常用金属铝板来制造。 闪耀光栅是由一系列平行的间隔相同的凹槽组成。 如果入射波长是比槽间距大得多，不会发生衍射。 若是小得多，沟槽就相当于镜子，不会发生衍射。 在这样刻成的闪耀光栅中，起衍射作用的槽面是个光滑的平面，它与光栅面有一夹角，称为闪耀角。 闪耀光栅，是设计的一种在特定衍射级别产生最大衍射效率的特定的反射或者投射衍射光栅结构。