光纖色散補(bǔ)償技術(shù)

1、 光纖的色散分類 不同的光分量(不同的模式或不同的頻率等)通常以不同的速度在光纖中傳輸，這種現(xiàn)象稱為色散。色散是光纖的一種重要的光學(xué)特性，色散引起光脈沖的展寬、嚴(yán)重限制了光纖的傳輸容量及帶寬。對(duì)于多模光纖，起主要作用的色散機(jī)理是模式色散或稱模間色散(即不同的模以不同的速度傳輸引起的色散)。對(duì)于單模光纖，起主要作用的色散機(jī)理是色度色散或稱模內(nèi)色散(即不同的光頻率在不同的速度下傳輸引起的色散。由于多模光纖受模間色散的限制，傳輸速率不能超過100Mb/s，單模光纖則比多模光纖更優(yōu)越，在長(zhǎng)途干線實(shí)際應(yīng)用中用的也都是單模光纖，此處也僅考慮單模光纖的色散。 單模光纖的模內(nèi)色散主要是材料色散和波導(dǎo)色散。材料

2、色散是指由于頻率的變化導(dǎo)致介質(zhì)折射率變化而造成的傳輸常數(shù)或群速變化的現(xiàn)象;波導(dǎo)色散是指由于頻率的變化導(dǎo)致波導(dǎo)參數(shù)變化而造成的傳輸?；栈蛉核僮兓默F(xiàn)象。模內(nèi)色散主要是實(shí)際光源都是復(fù)色光源的結(jié)果。另外在單模光纖中，實(shí)際上傳輸著兩個(gè)相互正交的線性偏振模式，但由于光纖的非圓對(duì)稱、邊應(yīng)力、光纖扭曲、彎曲等造成輕微的傳輸速度差，從而形成偏振模色散。高速光纖通信系統(tǒng)需要色散補(bǔ)償 目前，全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)教設(shè)的1.3 m零色散光纖總長(zhǎng)度超過5000萬(wàn)公里，而我們知道現(xiàn)在光纖通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為1.5m，這樣光纖就存在D16ps/kmnm的色散、該色散限制光通信系統(tǒng)的傳輸速度在2Gb/s以下。即使是新教設(shè)的光纖

3、、為了限制四波混頻現(xiàn)象也仍需使用非零色散位移光纖。故為了克服色散對(duì)通信距離及通信速率的限制，必須對(duì)光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償。另外，隨著光纖通信和色散補(bǔ)償方案的迅速發(fā)展，一些高速傳輸系統(tǒng)的傳輸速率已達(dá)到幾十甚至幾百Gb/s以上。這時(shí)，偏振模色散的影響亦不可忽視光纖色散補(bǔ)償方案 目前，已有多種群速度色散補(bǔ)償方案被提出，如后置色散補(bǔ)償技術(shù)、前置色散補(bǔ)償技術(shù)、色散補(bǔ)償濾波器、高色散補(bǔ)償光纖(DCF)技術(shù)和凋啾光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù)，以及光孤子通信技術(shù)等。后置色散補(bǔ)償技術(shù)是通過電子技術(shù)在光信號(hào)接收端補(bǔ)償光纖色散引起的脈沖展寬，多用于相干光纖通信系統(tǒng)，適應(yīng)于低碼速的通信系統(tǒng)，傳輸距離僅有幾個(gè)色散長(zhǎng)度。前置色散補(bǔ)償技

4、術(shù)主要包括預(yù)啁啾技術(shù)、完全頻率調(diào)制技術(shù)、雙二進(jìn)制編碼技術(shù)、放大器誘導(dǎo)啁啾技術(shù)和光纖誘導(dǎo)啁啾技術(shù)，無(wú)論哪種前置色散補(bǔ)償技術(shù)都要在光脈沖進(jìn)人光纖之前產(chǎn)生一個(gè)正的凋啾( C0)、以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。色散補(bǔ)償濾波器技術(shù)是采用Fanry一Perat干涉和Mach一Zehnder干涉技術(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)償。然而相對(duì)高的損耗和較窄的帶寬限制了Fabry -Perot干涉技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)輸入光偏振比較靈敏和帶寬比較窄是Mach-zehnder干涉技術(shù)的缺點(diǎn)。下面將主要對(duì)色散補(bǔ)償光纖(DCF).啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償(DCG)技術(shù)和光孤子通信技術(shù)做一簡(jiǎn)單的介紹、討論。色散補(bǔ)償光纖 色散補(bǔ)償光纖的基本思想是讓光信號(hào)通過不同的光

5、纖段，這些光纖段具有不同的色散。色散補(bǔ)償光纖思想在1980年就已經(jīng)被提出來(lái)了，然而，只有到了1990年光纖放大器的出現(xiàn)才加速了色散補(bǔ)償光纖的發(fā)展步伐。DCF主要有兩種設(shè)計(jì):單模DCF和多模DCF。在單模DCF中，光纖的歸一化截止頻率V很小(V 1)，大部分光纖模式都在折射率比較小的包層中傳輸，將產(chǎn)生Dl00ps/kmnm的色散，最近，色散超過一200ps/kmnm的色散補(bǔ)償光纖亦已研制成功。但是，單模色散補(bǔ)償光纖的損耗很高(0. 5dB/km )，且由于其芯徑比較小，相對(duì)地增加了入射光的功率，導(dǎo)致非線性失真嚴(yán)重。為了進(jìn)免以上缺點(diǎn)、提出了一種新型、雙模色散補(bǔ)償光纖，其歸一化截止頻率V 2.5。雖

6、然這種雙模DCF與單模DCF的損耗幾乎相同，但可以增加幾個(gè)量級(jí)的負(fù)色散參數(shù)(約為770ps/km nm ,同時(shí)增加了補(bǔ)償距離和補(bǔ)償帶寬。然而，此種雙模DCF還需要一個(gè)將基模轉(zhuǎn)換為高階模的模式轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了一部分介人損耗。啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償 所謂光纖光敏性就是在紫外激光作用下，纖芯折射率發(fā)生永久性的變化。利用光纖光敏性和特定曝光方法，能夠形成纖芯折射率變化的周期性結(jié)構(gòu)光纖光柵。光纖光柵是在線式反射器件。 光纖光柵具有介人損耗低、對(duì)偏振不敏感、與普通光纖接續(xù)簡(jiǎn)便、光譜響應(yīng)特性(光譜形伏、帶寬、反射率、邊模抑制比的動(dòng)態(tài)可控制等特點(diǎn)。光纖光柵在色散補(bǔ)償中的應(yīng)用如圖2所示. 目前流行的光纖光

7、柵制作技術(shù)主要有兩種，即全息寫入技術(shù)(圖3)和相位掩模寫入技術(shù)(圖4), 全息寫人技術(shù)就是利用干涉儀形成的干涉條紋寫人光纖光柵。干涉條紋的間距就是光纖光柵的周期，=/2Sin(/2)，而光纖光柵反射波長(zhǎng)=2Neff=2Sin(/2)，因此可以通過改變兩光束夾角來(lái)控制光纖光柵反射波長(zhǎng)。為了得到良好的干涉儀條紋，所用紫外激光需要保證有一定的相干長(zhǎng)度，同時(shí)在曝光過程中精確保證整個(gè)干涉儀穩(wěn)定。因此，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)整套的干涉儀寫入系統(tǒng)。否則，盡管這種方法使用靈活，缺乏良好的穩(wěn)定性也終將導(dǎo)致其難以適合批里生產(chǎn)。另一種常用的方法是相位掩模寫人方法。相位掩模本身就是一個(gè)在石英襯底上刻蝕的光柵，通過控制刻蝕深度使

8、衍射光的0級(jí)受到抑制，絕大部分的衍射光對(duì)稱分配在1級(jí)。1級(jí)衍射光相互干涉產(chǎn)生的干涉條紋在纖芯形成光纖光柵。在實(shí)際制作中，光纖直接放置于掩模下，與掩模接近接觸near contact)。光纖光柵周期L為相位掩模板周期的二分之一利用計(jì)算機(jī)輔助集成制造系統(tǒng)能夠克服紫外光源有限寬度的限制，并且能夠靈活控制寫入光柵的長(zhǎng)度和切趾函數(shù)等參數(shù)。相位掩模寫入方法對(duì)紫外激光相干長(zhǎng)度無(wú)特殊要求，寫人速度快，寫人過程受外部環(huán)境的影響小，因此是最受歡迎的光纖光柵制作方法。 色散補(bǔ)償調(diào)啾光纖光柵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧，很容易接入光纖通信系統(tǒng).然而也存在一些急需克服的缺陷，如帶寬過窄、群時(shí)延非線性、額外的介入損耗及需要解決制作過

9、程的實(shí)用化，如制作過程的可重復(fù)性、封裝、溫度補(bǔ)償?shù)取?光孤子通信 孤子是一種波動(dòng)，其能量局限于一個(gè)有限的范圍內(nèi)，以一定的速度傳播，且在傳播的動(dòng)態(tài)平衡中保持形狀不變。從物理實(shí)質(zhì)上講，光孤子的形成是光纖介質(zhì)的色散和非線性效應(yīng)的相互補(bǔ)償?shù)钠胶饨Y(jié)果。光孤子通信系統(tǒng)具有以下非常誘人的的優(yōu)點(diǎn): *容量大，普通光纖通信系統(tǒng)單信道的傳輸速率為幾個(gè)Gb/ s,光孤子通信系統(tǒng)可達(dá)20Gb/s，甚至超過l00Gb/s. *復(fù)用簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉. *全光通信，適用于下一代的超高速、大容盆的通信系統(tǒng). *誤碼率低，抗干擾能力強(qiáng)。 *利用非線性效應(yīng)平衡色散的同時(shí)也克服了非線性效應(yīng)。 然而光孤子的發(fā)展仍受下列因素的限制: *

10、要求放大器的間距遠(yuǎn)小于孤子周期(一般色散位移光纖，放大器間距為25一35 km)，限制了傳輸距離。對(duì)超高速(100 Gb/s)通信系統(tǒng)，由于光孤子的周期較小，需利用分布式光纖放大技術(shù)(DEDFA), *籍采用孤子控告歸支術(shù)，以解決孤子間的相互作用及Gordon-Haus效應(yīng)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 *光孤子的產(chǎn)生和傳輸。都需要與目前常規(guī)光纖通信系統(tǒng)截然不同的裝置和光纖，使得光孤子通信系統(tǒng)的性能價(jià)格比較低. 光孤子的控制方案可采用色散補(bǔ)償技術(shù)，即用色散補(bǔ)償光纖或光纖光柵，使傳輸系統(tǒng)的色散減小至適合于光孤子傳輸。現(xiàn)在看來(lái)，最終的色散補(bǔ)償方案將是光孤子通信，其發(fā)展前景將是美好的。 另外，為了減小光纖中的偏振模色散，可以采用偏振保持光纖或大有效面積光纖等辦法。然而單模光纖由