啁啾光纖光柵的案例
基于啁啾光纖光柵實(shí)現(xiàn)對光纖通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償
1、設(shè)計需求
本案例是基于啁啾光纖光柵實(shí)現(xiàn)對光纖通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償，構(gòu)建了后置色散補(bǔ)償系統(tǒng)、前置色散補(bǔ)償系統(tǒng)和混合色散補(bǔ)償系統(tǒng)。基于OptiSystem仿真軟件實(shí)現(xiàn)了三種不同結(jié)構(gòu)的基于啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償?shù)?em>光纖通信系統(tǒng)，通過眼圖評估系統(tǒng)通信性能。
2、系統(tǒng)設(shè)計
仿真系統(tǒng)調(diào)制格式采用NRZ碼型，激光頻率為193.1 THz，傳輸鏈路采用單模光纖傳輸鏈路，利用啁啾光纖光柵進(jìn)行色散色度補(bǔ)償，同時利用EDFA光放大器實(shí)現(xiàn)損耗補(bǔ)償。最后信號在接收模塊進(jìn)行信號解調(diào)與分析。模塊中的Loop Control器件控制鏈路傳輸次數(shù)，其中，SMF的色散系數(shù)為16 ps/nm·km，色散斜率系數(shù)為0.08 ps/nm2·km，衰減量為0.2 dB/km，單程中SMF長度為80 km。光纖傳輸系統(tǒng)總共傳輸320 km。
2.1后置色散補(bǔ)償系統(tǒng)
圖示為后置色散補(bǔ)償系統(tǒng)，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對信號傳輸過程中產(chǎn)生的色散進(jìn)行補(bǔ)償。在未進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)那闆r下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。當(dāng)采用啁啾光纖光柵時，色散量設(shè)置為-1280 ps/nm·km，在10Gbit/s傳輸速率的情況下接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到誤碼率為6.05e-20，Q因子為9.03，眼圖張開度好，信號質(zhì)量佳。
2.2前置色散補(bǔ)償系統(tǒng)
圖示為前置色散補(bǔ)償系統(tǒng)，啁啾光纖光柵置于單模光纖前，對信號傳輸過程中產(chǎn)生的色散進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。
2.3混合色散補(bǔ)償系統(tǒng)
圖示為混合色散補(bǔ)償系統(tǒng)，兩個啁啾光纖光柵分別置于單模光纖前部和后部，對信號分別進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償和產(chǎn)生色散后的補(bǔ)償。該方案結(jié)合了后置色散補(bǔ)償方式和前置色散補(bǔ)償方式的特點(diǎn)。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯(lián)合使用：色散補(bǔ)償
色散補(bǔ)償背后的物理思想如下：創(chuàng)建線性啁啾光柵允許我們在信號的不同頻譜分量之間創(chuàng)建時間延遲。
例如，在1.55μm的SMF中，群速度色散會產(chǎn)生脈沖的負(fù)啁啾，這意味著較高的頻率（傳播更快）位于脈沖的前導(dǎo)部分，而較低的頻率（傳播較慢）位于尾隨部分。由于不同光譜成分的傳播速度不同，脈沖就會擴(kuò)散。如果我們創(chuàng)建沿光柵周期線性減小的光纖光柵，由于高頻率比低頻率光在光柵中傳播較長時間后才發(fā)生反射，因此會出現(xiàn)低頻和高頻分量之間的時間延遲，這與SMF中產(chǎn)生的時間延遲正好相反。
因此，在該系統(tǒng)中傳播和反射的脈沖將允許補(bǔ)償脈沖的色散展寬。
色散系數(shù)Dg [ps/nm.km]。對于線性啁啾光纖布拉格光柵，由以下簡單表達(dá)式給出：
其中n為平均模式指數(shù)，c為光速，Δλchirp最大啁啾是光柵兩端的布拉格波長差（注意，這個量是由OptiGrating的Grating Manager中的光柵定義選項(xiàng)卡中的總啁啾參數(shù)給出的）。
本次案例的目的是利用根據(jù)上述公式產(chǎn)生線性啁啾的光纖光柵，在OptiSystem中實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。
項(xiàng)目布局如圖1所示。
圖1.線性啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償項(xiàng)目布局圖
當(dāng)比特率為40 Gb/s時，在光學(xué)高斯脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生12.5 ps的初始脈沖，并在10 km的SMF內(nèi)傳播。初始脈沖和經(jīng)過SMF脈沖的輸出如圖2和圖3所示：
圖2.初始脈沖
圖3.脈沖在SMF中傳輸10km后
由于色散，脈沖寬度增加到約50 ps，在SMF中傳播10 km后的累積色散為160 ps/nm。
為了補(bǔ)償累積色散，我們將使用OptiGrating設(shè)計線性啁啾光纖光柵。光纖和光柵的相應(yīng)數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。
圖4.纖芯數(shù)據(jù)
階躍折射率光纖，纖芯（折射率1.46）和包層（折射率1.45）分別為2μm和8μm。
展開 RP 系列激光分析設(shè)計軟件 | 色散補(bǔ)償
色散補(bǔ)償模塊（DCM）可包含長段色散位移光纖或啁啾光纖布拉格光柵等。后者的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，插入損耗相對較低。
在一定程度上，光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的色散影響也可以通過電子色散補(bǔ)償以經(jīng)濟(jì)有效的方式得到緩解。
鎖模激光器中的色散補(bǔ)償
在用于產(chǎn)生飛秒脈沖的鎖模激光器中，由激光諧振器中的增益介質(zhì)和其他光學(xué)元件引入的色度色散通常并不理想，因?yàn)樗鼤?dǎo)致產(chǎn)生的脈沖變寬和啁啾。雖然自然產(chǎn)生的色度色散通常處于正常色散狀態(tài)（至少對于在短波長下工作的激光器而言），但所需的色度色散可能接近零，甚至是反常的（對于在諧振器中形成準(zhǔn)孑子脈沖而言）。這種色散值可以通過引入反常色散的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)。在體激光器中，這類元件通常是特殊的介質(zhì)色散鏡（如整體式 Gires-Tournois 干涉儀或啁啾鏡）或棱鏡對。
對于鎖模光纖激光器，色散可通過特殊色散光纖（如光子晶體光纖或使用高階模式的多模光纖）、啁啾光纖布拉格光柵或有時通過成對衍射光柵等塊狀元件進(jìn)行補(bǔ)償。
對于持續(xù)時間低于 30 fs 的脈沖，不僅需要控制二階色散，還需要控制高階色散。因此，選擇合適的棱鏡對材料或優(yōu)化棱鏡壓縮機(jī)的幾何形狀就顯得尤為重要。還有一種稱為 GRISM 的特殊裝置[7]，棱鏡上有一個光柵結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化二階和三階色散的強(qiáng)度比。
色散脈沖壓縮
色散光學(xué)元件還可用于對激光諧振器外的超短脈沖進(jìn)行色散（線性）壓縮。
展開 張工聊光纖 | 基于光纖光柵的光學(xué)測量鏈的優(yōu)勢
創(chuàng)新型的光纖光柵技術(shù)
基于光纖光柵（FBG）技術(shù)的光學(xué)傳感器，為傳統(tǒng)電學(xué)測量鏈提供了一個頗具吸引力的替代方案，是一種創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測解決方案。
這是因?yàn)镕BG技術(shù)具備一些優(yōu)勢，比如在
一根光纖中安裝多個傳感器
，整體輕量化無源設(shè)計，以及低衰減——支持長距離安裝。同時，這種技術(shù)不受電磁干擾（EMI）的影響，而且傳感器比電阻應(yīng)變片更具有環(huán)境穩(wěn)定性（因此其可以承受惡劣的環(huán)境條件）。當(dāng)涉及到中高通道數(shù)和總擁有成本時，其價格也具有競爭力。
基于FBG的傳感器的優(yōu)勢
不受電磁噪聲干擾（EMI）的影響
低衰減，可長距離安裝
在同一條線上可以有幾個傳感器。
展開 
張工聊光纖 | 如何輕松設(shè)計一個基于光纖光柵的測量鏈
張工說
上期我們介紹了在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，
基于光纖光柵的光學(xué)測量鏈的優(yōu)勢
（點(diǎn)擊可查看上期內(nèi)容）。
這期
我將向您展示
如何輕松設(shè)計
一個典型的
基于光纖光柵的測量鏈
。
光學(xué)測量鏈：SHM的完整包
對于一個完整的光學(xué)測量鏈，擁有正確的傳感器只是解決方案的三分之一。還需要有合適的光纖解調(diào)儀以及合適的軟件，才能獲得總體可靠的結(jié)果。傳感器、解調(diào)儀和軟件這三個部分構(gòu)成完整的光學(xué)測量鏈。
傳感器是用來測量或“感知”應(yīng)變、溫度、加速度、力甚至傾角的。
光纖解調(diào)儀（鏈條中的第二個組件）也稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它是一個光電儀器，可以“讀取”FBG傳感器。
軟件是讓你查看、記錄和分析你的測量數(shù)據(jù)的。
那么在選擇這些組件時應(yīng)注意些什么呢？
1. 傳感器
以下是在選擇基于FBG技術(shù)的正確光學(xué)傳感器時要問的一些問題和注意事項(xiàng)：
傳感器要安裝在哪里，首選的安裝方法是什么？傳感器可以采用螺栓固定、焊接或膠合，主要取決于其設(shè)計，這就意味著首選的安裝方法可能會縮小你的選擇范圍。
展開 OptiGrating應(yīng)用：光纖布拉格光柵
在本次案例中，您將學(xué)習(xí)如何設(shè)計具有啁啾和切趾的光纖布拉格光柵。這種光柵可用于光纖色散補(bǔ)償。
步驟1
首先新建一個項(xiàng)目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
選擇Single Fiber：
1.File > New
2.在“New”對話框中，單擊“Single Fiber”選項(xiàng)
我們將模擬如圖1所示的二維光柵布局。
步驟2
接下來，您將為單個光纖定義某些參數(shù)。在“Single Fiber”對話框中，您可以設(shè)置以下特性: Index Profile, Photosensitivity Profile, Number Of Points In Mesh, Central Wavelength等。
打開“Single Fiber”對話框：
1.在工程窗口，點(diǎn)擊Fiber/Waveguide Parameters按鈕
系統(tǒng)彈出“Single Fiber”對話框
注意:本案例您將使用默認(rèn)參數(shù)，因此不必更改任何預(yù)定義選項(xiàng)。
2.點(diǎn)擊OK關(guān)閉“Single Fiber”對話框
步驟3
在這一步中，您將訪問列表中的光纖/波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的計算模式。你使用的光纖是單模光纖。
打開列表中的計算模式：
1.在菜單的“Parameters”中單擊“Mode …”。
2.Input Amplitude設(shè)置為1，Phase設(shè)置為0。
3.單擊OK按鈕。
注意:如果您選擇使用單光纖模塊或單波導(dǎo)模塊，您將看到在對話框中只有一個模式列表。如果您正在使用其他模式，您將看到對話框中有兩個可用的列表。
展開 OptiGrating應(yīng)用：光纖布拉格光柵
在本次案例中，您將學(xué)習(xí)如何設(shè)計具有啁啾和切趾的光纖布拉格光柵。這種光柵可用于光纖色散補(bǔ)償。
步驟1
首先新建一個項(xiàng)目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
選擇Single Fiber：
1.File > New
2.在“New”對話框中，單擊“Single Fiber”選項(xiàng)
我們將模擬如圖1所示的二維光柵布局。
步驟2
接下來，您將為單個光纖定義某些參數(shù)。在“Single Fiber”對話框中，您可以設(shè)置以下特性: Index Profile, Photosensitivity Profile, Number Of Points In Mesh, Central Wavelength等。
打開“Single Fiber”對話框：
1.在工程窗口，點(diǎn)擊Fiber/Waveguide Parameters按鈕
系統(tǒng)彈出“Single Fiber”對話框
注意:本案例您將使用默認(rèn)參數(shù)，因此不必更改任何預(yù)定義選項(xiàng)。
2.點(diǎn)擊OK關(guān)閉“Single Fiber”對話框
步驟3
在這一步中，您將訪問列表中的光纖/波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的計算模式。你使用的光纖是單模光纖。
打開列表中的計算模式：
1.在菜單的“Parameters”中單擊“Mode …”。
2.Input Amplitude設(shè)置為1，Phase設(shè)置為0。
3.單擊OK按鈕。
注意:如果您選擇使用單光纖模塊或單波導(dǎo)模塊，您將看到在對話框中只有一個模式列表。如果您正在使用其他模式，您將看到對話框中有兩個可用的列表。
展開 基于Rsoft軟件進(jìn)行長周期光纖光柵模擬
通過光纖光柵模式耦合及透射譜的相關(guān)理論知識，LPFG的光譜特性受光柵周期，包層厚度及光柵長度等變量影響。
圖1 LPFG幾何模型
在研究分析光譜特性過程中，相位匹配曲線即諧振波長與光柵周期的關(guān)系曲線是不可或缺的環(huán)節(jié)，本文所建立的LPFG模型均是在Rsoft平臺上操作的，如圖1所示。
上圖中可以詳細(xì)全面地觀察到光柵的XYZ各方向的形態(tài)。軟件在各參數(shù)設(shè)置好后如圖2所示其中光纖光柵參數(shù)具體設(shè)置為：折變量為0.0005，柵區(qū)長度為20000，纖芯折射率為1.4681，包層折射率1.4628，纖芯半徑4.15，包層半徑為62.5，環(huán)境折射率為1，柵格調(diào)制區(qū)長度/光柵長度（占空比）為0.5。
圖3中標(biāo)注的各模式階次,是在Rsoft中Edit Symbols里將free space wavelength改為要查看的模式階次諧振波長，然后在Perform Simulation只仿真該諧振波長，可以查看到對應(yīng)的階次的模式圖。
展開 Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因?yàn)?em>光纖折射率會隨溫度而變化，導(dǎo)致其布拉格波長發(fā)生偏移，所以可以被用作溫度的測量。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出:
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續(xù)處，都會發(fā)生微弱的菲涅耳反射。當(dāng)來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產(chǎn)生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴(kuò)展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
運(yùn)行和結(jié)果
步驟1:FDE-計算光柵所需的周期和溫度相關(guān)有效折射率neff
我們首先使用FDE求解器獲得目標(biāo)波長下光柵的有效折射率，并計算光柵的所需周期(Λ)。我們計算高折射率區(qū)域和低折射率區(qū)域的 neff，并將其的平均值作為設(shè)計的起點(diǎn)。
此案例中光纖由n=1.4725/1.4728（L/H）和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器，并在室溫下為光柵中的兩個不同位置（高折射率區(qū)域和低折射率區(qū)域）運(yùn)行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率，并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預(yù)期的那樣，該模式被很好地限制在光纖的核心區(qū)域。
展開 Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
01
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因?yàn)?em>光纖折射率會隨溫度而變化，導(dǎo)致其布拉格波長發(fā)生偏移，所以可以被用作溫度的測量。
02
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出：
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續(xù)處，都會發(fā)生微弱的菲涅耳反射。當(dāng)來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產(chǎn)生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴(kuò)展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
其中，α和η分別代表光柵材料的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。溫度的變化(ΔT)導(dǎo)致纖芯和包層的折射率變化，變化量由η值決定(通常為)，最終導(dǎo)致布拉格波長偏移。光纖的膨脹也會導(dǎo)致布拉格波長的偏移。然而，我們通常會忽略后一種效應(yīng)，因?yàn)椋ㄍǔ椋┦切∮讦堑囊粋€數(shù)量級。我們采用了η的二階依賴性，因?yàn)樗呀?jīng)被證明比線性模型更準(zhǔn)確，尤其是在400℃以上的溫度下。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯(lián)合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應(yīng)用
OptiSystem
OptiSystem與OptiGrating的聯(lián)合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應(yīng)用
簡介
在本案例中，我們演示了如何將OptiGrating中的設(shè)計導(dǎo)出到OptiSystem，并通過“OptiGraitng component”將其作為組件使用。本文首先在OptiGrating中設(shè)計了一個均勻光纖光柵，然后在OptiSystem中應(yīng)用于一個三用戶OCDMA系統(tǒng)。OptiGrating組件位于“Optiwave Software Tools”庫中。
一、在OptiGrating中設(shè)計均勻FBG
我們使用OptiGrating軟件中的案例文件“fbguniform”來設(shè)計光柵。本設(shè)計做了兩個改動：
1)將Average Index設(shè)置為均勻
2)將Ind.Mod設(shè)置為0.00023，以獲得所需的帶寬。
在這個例子中，我們設(shè)計了四個均勻的FBG，帶寬為0.3 nm，中心波長為分別為1548.5 nm、1550.1 nm、1550.9 nm和1552.5 nm。中心波長由光柵的周期長度決定。下表顯示了每個光纖光柵的周期長度。
圖1顯示了均勻光纖光柵設(shè)計的設(shè)置，圖2顯示了光柵的頻譜。
圖1.均勻FBG的“Grating Definition”選項(xiàng)卡設(shè)置
圖2.帶寬為0.3 nm，波長1550.1 nm處均勻FBG的頻譜
在一個設(shè)計中也可以有多個光柵。我們設(shè)計了一個具有兩個均勻FBG的光柵，其中心波長分別為1548.5 nm和1550.1 nm，帶寬均為0.3 nm。圖3光柵的設(shè)置，圖4是光譜。
展開 
基于optigrating光纖光柵光譜的模擬分析簡明教程
光纖光柵作為一種主要的無源光器件，以其體積小，制作便捷等特點(diǎn)在光纖傳感領(lǐng)域中常常被涉及到，常見的光柵種類諸如布拉格FBG光柵，長周期光柵LPG，傾斜光柵TLPG等，然而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建模可能會影響到我們的實(shí)驗(yàn)計劃，下面拉啦為萌新們介紹一款光柵的仿真軟件—Optigrating，避免了建模的復(fù)雜性，僅需通過配置基本光柵參數(shù)即可自助構(gòu)建模型，仿真便捷且可以為諸多科研寶寶們提供一個實(shí)驗(yàn)理論分析依據(jù)，下面跟隨我的步伐一起去看看吧。
入門一：界面設(shè)置
首先我們打開文件，選擇結(jié)構(gòu)為單模光纖，并且我們配置模型處于理想三層介質(zhì)中，其基本的參數(shù)結(jié)構(gòu)分別如下所示1.core:纖芯直徑8微米，折射率為1.452，階躍型。2.cladding包層直徑125微米，折射率1.446，階躍型。3.空氣介質(zhì)
入門二：隨后我們配置要輸入要掃描的光波段范圍，在這里我們設(shè)定如下所示
同時設(shè)定好計算時入射的模式光場（默認(rèn)選擇為LP01模式，有效折射率為1.4487572）
入門三：以單模光纖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，配置光柵基本結(jié)構(gòu)參數(shù)
在這里我們不考慮光柵為傾斜光柵（如果傾斜，則需要配置tilt angle），設(shè)置光柵為非啁啾型FBG光柵，周期為500nm，衍射級次為1，光柵的折射率調(diào)制深度為0.0001，切趾函數(shù)為統(tǒng)一的切呈正弦函數(shù)分布，設(shè)置柵格的數(shù)目M=25,配置完畢后進(jìn)行確認(rèn)。
入門四：結(jié)果分析
選中calculate計算后及可以得到上圖所示的光譜，藍(lán)色表示反射光譜，紅色表示透射光譜。在計算的同時，該軟件可以同時分析出光柵中模式干涉的相位情況等，如下所示。
展開 基于Rsoft軟件光纖光柵的仿真模擬
光纖光柵無論在光纖傳感領(lǐng)域還是光纖激光器方面被大量研究，那么如何在沒有進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)的情況下來進(jìn)行光纖光柵的模擬呢，本案例主要利用光波導(dǎo)Rsoft仿真軟件對光纖光柵進(jìn)行模擬分析研究。相信這種方法很實(shí)用哦。
仿真優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，相比與傳統(tǒng)的理論模擬分析更直觀且更容易調(diào)試結(jié)果。那么，該如何進(jìn)行模擬分析呢，請跟隨我的腳步一起動手操作吧！
第一步：在這里我們使用的軟件為2018版Rsoft軟件建立光纖光柵模型，如圖所示，具體操作為：打開主界面 選擇beamprop模塊，在菜單欄里選擇 Ulity grating mode
圖1中各物理參量含義：Grating Length:光柵長度;Structure Type:波導(dǎo)類型; Background Index：背景折射率Index difference:波導(dǎo)折射率與包層折射率之差
Waveguide Width:波導(dǎo)寬度（微米）；Modulation Type:調(diào)制類型，包括折射率調(diào)
制和波導(dǎo)形狀調(diào)制；Modulation Depth:調(diào)制深度，即光柵的折射率最大變化值，用Δn表示。Grating Period：光柵周期Λ。Output Prefix：輸出文件名前綴，可以將此對話框生成的光柵結(jié)構(gòu)存到所命名的文件中。
上圖為光纖光柵結(jié)構(gòu)的具體形貌樣式，操作如下：
第二步：詳細(xì)的參數(shù)配置：具體操作為：選擇紅色波導(dǎo)面 選擇tapers對光柵形貌進(jìn)行配置。
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OptiSystem
OptiSystem與OptiGrating的聯(lián)合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應(yīng)用
簡介
在本案例中，我們演示了如何將OptiGrating中的設(shè)計導(dǎo)出到OptiSystem，并通過“OptiGraitng component”將其作為組件使用。本文首先在OptiGrating中設(shè)計了一個均勻光纖光柵，然后在OptiSystem中應(yīng)用于一個三用戶OCDMA系統(tǒng)。OptiGrating組件位于“Optiwave Software Tools”庫中。
一、在OptiGrating中設(shè)計均勻FBG
我們使用OptiGrating軟件中的案例文件“fbguniform”來設(shè)計光柵。本設(shè)計做了兩個改動：
1)將Average Index設(shè)置為均勻
2)將Ind.Mod設(shè)置為0.00023，以獲得所需的帶寬。
在這個例子中，我們設(shè)計了四個均勻的FBG，帶寬為0.3 nm，中心波長為分別為1548.5 nm、1550.1 nm、1550.9 nm和1552.5 nm。中心波長由光柵的周期長度決定。下表顯示了每個光纖光柵的周期長度。
圖1顯示了均勻光纖光柵設(shè)計的設(shè)置，圖2顯示了光柵的頻譜。
圖1.均勻FBG的“Grating Definition”選項(xiàng)卡設(shè)置
圖2.帶寬為0.3 nm，波長1550.1 nm處均勻FBG的頻譜
在一個設(shè)計中也可以有多個光柵。我們設(shè)計了一個具有兩個均勻FBG的光柵，其中心波長分別為1548.5 nm和1550.1 nm，帶寬均為0.3 nm。圖3光柵的設(shè)置，圖4是光譜。
展開 偏振分集光柵耦合器實(shí)現(xiàn)光纖與芯片的高效互聯(lián)
然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術(shù)難點(diǎn)——尤其是如何在實(shí)現(xiàn)高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項(xiàng)發(fā)表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強(qiáng)的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規(guī)模化應(yīng)用提供了新思路。本文將從技術(shù)背景、設(shè)計原理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開解析。
光纖-芯片耦合的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
硅光子技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其高折射率對比度，可實(shí)現(xiàn)超緊湊的光學(xué)器件。然而，光纖（模式直徑約10 μm）與硅波導(dǎo)（亞微米尺寸）之間的模式尺寸差異巨大，導(dǎo)致耦合效率低下。
傳統(tǒng)解決方案的局限：
邊緣耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且難以規(guī)模化；一維光柵耦合器：雖支持晶圓級測試，但僅對特定偏振光高效，實(shí)際應(yīng)用中光的偏振態(tài)復(fù)雜多變，導(dǎo)致性能波動；二維光柵耦合器：理論上可實(shí)現(xiàn)偏振分集（將任意偏振光分解為兩個正交模式），但效率受限于工藝—主流 220 nm SOI 平臺與 193 nm 光刻技術(shù)下，如何平衡結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與耦合效率成為關(guān)鍵。
此前研究 雖通過加厚硅層或復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)提升效率，但特征尺寸或工藝兼容性不足。而本篇文章通過雙層級介質(zhì)結(jié)構(gòu)（70 nm淺刻蝕孔陣列+160 nm多晶硅齒陣列）激發(fā)多極輻射模式，在保證工藝兼容性的同時顯著提升方向性與耦合效率，為硅光子芯片的商用化鋪平道路。
圖1 完全垂直二維光柵耦合器示意圖
多極輻射模式與雙層級設(shè)計
1.多極輻射模式：從電偶極子到磁四極子
光柵耦合器的效率取決于其將光能定向輻射至光纖的能力，即“方向性”。傳統(tǒng)設(shè)計主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過結(jié)構(gòu)設(shè)計激發(fā)高階多極模式（如磁偶極子、電四極子），從而增強(qiáng)輻射方向性。
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