光纖光柵及其色散補償?shù)睦碚摵喗檎n件

1、光纖光柵及其色散補償?shù)睦碚摵喗楦邨?012.10信息科學與工程學院光纖光柵及其色散補償?shù)睦碚摵喗樾畔⒖茖W與工程學院2012.10 目錄1.2.3.光纖光柵的發(fā)展及應用色散補償啁啾光纖光柵色散補償參考文獻4.1.2.3.光纖光柵的發(fā)展及應用色散補償啁啾光纖光柵色散補償參考文獻4.引言光纖光柵是光通信領域發(fā)展迅速的一種器件，其應用非常廣泛實用化的光纖光柵及由其構成的各種光器件是光通信傳輸系統(tǒng)必不可少的光器件線性啁啾光纖光柵由于其插入損耗小、體積小、價格低廉、色散補償量大等優(yōu)點，成為色散補償中最有效，最有前途的方法光纖色散是光通信向高速率，長距離方向發(fā)展的主要障礙，色散補償已成為人們研究的熱點光纖光

2、柵的發(fā)展加拿大通信研究中心用氫離子激光束照射摻鍺光纖使光柵的規(guī)模制作和重復性成為可能利用不同方法制作出各種各樣的光纖光柵首個光纖光柵橫向側面曝光法 相位掩膜法制作技術日益成熟1978年1988年隨后90年代以后使光纖技術獲得進一步發(fā)展 應用優(yōu)點概念光纖激光器，色散補償器，波長轉換器，上/下話路復用器，EDFA增益均衡器等光纖光柵是一種通過一定的方法使光纖線芯折射率發(fā)生軸向周期性調制而形成的衍射光柵制作相對簡單，成本低，性能穩(wěn)定可靠，與光纖兼容，易集成等光纖光柵簡介 光纖光柵的應用應用激光器其他應用EDFA摻鉺光纖放大器光通信傳感器色散補償脈寬壓縮波分復用/解復用器上/下話路復用器、濾波器 光纖

3、光柵在光通信中的應用 閃耀型光纖光柵相移光纖光柵超結構光纖光柵啁啾光纖光柵升余弦變跡光纖光柵均勻光纖光柵高斯變跡光纖光柵按光纖光柵的波導結構分類 均勻光纖光柵是最普遍的光纖光柵，其光纖周期和折射率調制深度均為常數(shù)，光柵波矢方向和光纖軸向方向一致，折射率調制方程為：它是一種性能優(yōu)異的窄帶反射濾波器，具有較高的反射率。在光纖激光器，光纖通信及光纖傳感領域具有廣闊的應用前景。啁啾光纖光柵的柵格周期不是常數(shù)，而是沿軸向變化，最常見的啁啾光纖光柵是線性啁啾光纖光柵，這種光柵的周期沿軸向呈線性單調變化。其折射率調制方程為：由于不同的柵格周期對應不同的反射波長，因此線性啁啾光纖光柵能形成很大的反射帶寬和穩(wěn)定

4、的色散，因而被廣泛應用于波分復用通信系統(tǒng)中的色散補償和光纖放大器中的增益平坦。均勻光纖光柵啁啾光纖光柵 均勻光纖光柵折射率調制波形啁啾光纖光柵折射率調制波形圖1 均勻光纖光柵與啁啾光纖光柵折射率調制波形 現(xiàn)有光纖通信網要求提高傳輸速率增加中繼距離擴大容量限制因素限制傳輸速率的提高光源啁啾和光纖色散限制中繼距離光纖的損耗限制擴容光纖的損耗和色散色散是光纖的傳輸特性之一。光信號在光纖中傳輸因其不同頻率或不同模式成分的群速度不同而引起色散。因此，色散反應了光信號沿光纖傳播時的展寬。光纖的色散現(xiàn)象對光纖通信極為不利。它使得光信號脈沖展寬、強度下降，從而增加誤碼率，影響通信質量。光纖數(shù)字通信傳輸?shù)氖且幌?/p>

5、列脈沖碼，光纖在傳輸中的脈沖展寬，導致了脈沖與脈沖之間發(fā)生重疊現(xiàn)象，即發(fā)生了碼間干擾，從而形成傳輸碼的失誤，造成差錯。為避免誤碼出現(xiàn)，就要拉長脈沖間距，導致傳輸速率降低，從而減少了通信容量。另外色散隨著傳輸距離的增加將越來越嚴重，也必須減小中繼距離以保證通信質量。 色散現(xiàn)象對光纖通信的影響 摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)使得光纖損耗的影響變得次要，色散便上升為首要限制，因此色散補償已成為光纖通信實現(xiàn)超長距離、超高速傳輸?shù)年P鍵問題之一。如今全球已經埋設的單模光纖大多是一階色散零點位于1.31um波長處的常規(guī)單模光纖，由于1.55um是石英光纖3個低損耗窗口中損耗最低的一個，在此波長處常規(guī)光纖的色散系數(shù)約為

6、17ps/(nm.km)，因此色散問題更顯突出。為消除光纖中的色散，人們提出過許多色散補償?shù)姆桨?，上面提到光纖光柵的一個重要應用就是用作色散補償器。DIGITAL 色散補償方法負色散光纖補償法啁啾光纖光柵法頻譜反轉法預啁啾技術光孤子傳輸光纖的色散補償 光纖光柵色散補償性能的理論和實驗研究Lam等提出利用均勻光纖光柵的特性進行信號的補償1982年各種函數(shù)形式的變跡光纖光柵出現(xiàn)。經過變跡后的光纖光柵，可以很好地消除反射帶隙外振蕩帶來的影響變跡技術發(fā)展F.Ouellette提出利用線性啁啾光纖光柵進行補償?shù)睦碚撃Ｐ?，并且指出均勻光纖光柵進行補償?shù)娜毕?987年人們進行了深入的研究，并且利用光纖光柵實

7、現(xiàn)了光脈沖的壓縮此后提出對光纖光柵進行優(yōu)化設計，從而得到性能更優(yōu)的光纖光柵，最終獲得理想的補償效果后來國外 在光纖光柵的光學特性、變跡函數(shù)、優(yōu)化設計、色散補償、脈沖壓縮等方面取得了一定的成果對線性啁啾光纖光柵兩個基本光學特性做了理論研究光纖光柵色散補償性能的理論和實驗研究國內1996年1997年1998年2001年至今利用啁啾光纖光柵成功實現(xiàn)波分復用系統(tǒng)的色散補償，和對標準單模光纖103km的色散補償國內首次成功實現(xiàn)了均勻光纖光柵的可調色散補償出現(xiàn)非線性啁啾光纖光柵色散補償方面的報道 基本原理光脈沖在光纖及線性光柵中傳輸均會產生色散，但如果兩者中產生的色散量值相等，符號相反，則在光纖中傳輸而被

8、展寬的光脈沖經過一段啁啾光柵后其原始脈沖寬度可以恢復。對于現(xiàn)有的用光纖放大器補償損耗的傳輸系統(tǒng)中。常規(guī)單模光纖處在反常色散區(qū)，即藍移分量比紅移分量傳播得快，故引起脈沖展寬。對于線性啁啾光纖光柵，光柵周期沿軸向是線性變化的。根據(jù)布拉格條件，不同波長的光進入光柵將在不同的位置反射。設置光柵的參數(shù)使紅移分量在光柵的近端反射，藍移分量在光柵的遠端反射，這樣就使得經光纖反射后的脈沖藍移分量走得遠，時間延遲長，紅移分量走得近，時間延遲短，從而實現(xiàn)將展寬的脈沖壓窄。 啁啾光柵的特點是光柵的折射率非周期性變化，實質就形成一個帶寬濾波器，光柵的不同位置對應于一個不同的布拉格反射波長。當光脈沖信號通過長度為 啁啾

9、光柵（周期由大到?。r，假設信號的長短波長分量分別在光纖的頭、尾部反射，則短波長分量比長波長分量多走了 路程，兩波長之間的時延差為 ，從而補償了由于群速度不同而導致的色散，起到壓縮由于光纖傳輸所導致的光脈沖展寬的作用。對于常規(guī)單模光纖，零色散波長的典型值 =1.31um，當 時，色散D 時，色散D0，色散處于反常色散區(qū)，藍移分量比紅移分量傳播得快，色散補償補償實質就是讓紅移分量追上藍移分量。經光纖傳播而來的光脈沖的長波分量在光柵的起始端被反射，短波長分量在遠端被反射，即光波經過光柵后，短波長分量較長波長分量有較長的延遲，即對展寬脈沖的壓縮補償。啁啾光纖光柵法 圖2 啁啾光柵色散補償原理示意通常

10、用色散參量 來描述啁啾光柵的色散特性，若 是光在光柵中一個來回的時間， 是光柵波長帶寬，相當于z=0處的布拉格波長和z=L處的布拉格波長之差。已知 ，其中 為有效折射率，則色散參量 可以定義為 單模光纖在1.31um處色散為0，在1.55um處色散約為17ps/（nm.km)，再由上式可得長度10cm，帶寬0.2nm的光柵可以補償300km標準光纖引入的色散。 啁啾光纖光柵法具有很大的色散，一般10cm的啁啾光柵足以補償100Km光纖的色散，因而易于實現(xiàn)設備的小型化。一般制作于普通單模光纖或是與之兼容的特殊光纖上，且長度很短，所以附加損耗很小，而且?guī)缀醪皇芄饩€非線性作用。通過設計可以同時實現(xiàn)色

11、散和色散斜率補償，并且對放大器的ASE噪聲有附加的濾波功能。啁啾光纖光柵作為色散補償方案具有良好發(fā)展前景，是色散補償技術發(fā)展的重要方向 短波長損耗溫度補償封裝使用壽命PMD的減小與消除制備工藝短波長損耗使用壽命制備工藝PMD的減小與消除溫度補償封裝 均勻Bragg光纖光柵的反射譜中存在較多的旁瓣，旁瓣的存在將反射無用波段的光波，從而影響整個光纖光柵的性能，對恢復經光纖光柵傳輸后展寬的脈沖極為不利。為減少旁瓣，同時克服均勻啁啾光柵光學特性不理想的有效辦法就是采用對均勻啁啾光柵變跡處理，即在啁啾光柵的折射率變化中引入一個和光柵長度有關的函數(shù)包絡，從而得到較為理想光譜特性。利用變跡函數(shù)線性啁啾光纖光

12、柵補償色散 現(xiàn)假設有一輸入信號的寬度為20ps且無啁啾的高斯脈沖，經色散為17ps/（km.nm）的標準單模光纖傳輸100km后，其展寬波形如圖3所示要實現(xiàn)對光纖產生的色散進行有效補償，光纖光柵的參數(shù)必須選擇合適，從而使其具有較大的反射系數(shù)，在帶寬內保持較高的反射率、時延特性曲線具有良好的線性度，并且所提供的色散量與光纖產生的總色散大小相等而符號各異。選取高斯型和構建的變跡函數(shù)進行對比，函數(shù)形式如下：高斯型 自構型 兩函數(shù)的波形及折射率調制函數(shù)波形由圖4，圖5給出利用變跡函數(shù)線性啁啾光纖光柵補償色散 圖3 光纖色散引起的脈沖展寬（平面） (a) 高斯型（b）自構型 圖4 高斯型和自構變跡函數(shù)波

13、形 (a) 高斯型（b）自構型 圖5 高斯型和自構變跡函數(shù)折射率調制波形 利用變跡函數(shù)線性啁啾光纖光柵補償色散兩種光纖光柵選擇相同的參數(shù)：光柵長度L=100.0mm，啁啾系數(shù)0.0022nm/mm，折射率調制幅度0.00002，中心反射波長為1550nm。兩種變跡函數(shù)下的線性啁啾光纖光柵的光學特性如圖6所示。變跡的目的是消除光纖光柵反射譜的旁瓣，平滑反射譜，同時抑制反射帶寬內的時延特性曲線的振蕩，保證時延特性曲線相對大的線性和相對大的色散補償帶寬，同時保證時延量滿足補償光纖引起的時延量的需要。從圖中我們明顯看到，兩種變跡函數(shù)下的線性啁啾光纖光柵均達到此目的。而自構函數(shù)實現(xiàn)的變跡光纖光柵的反射譜

14、與時延特性曲線的平滑度更優(yōu)于高斯型。 （a） 高斯型（b） 自構型圖6 高斯型和自構變跡函數(shù)變跡線性光纖光柵的反射譜與時延特性曲線 (a) 高斯型（b）自構型 圖7 兩種變跡函數(shù)變跡線性啁啾光纖光柵補償展寬脈沖效果 經兩種光柵補償后的脈沖波形如圖7所示，從圖中可以看出，脈沖形狀基本恢復到原狀，只是在恢復脈沖的右端出現(xiàn)了一個小小的旁瓣。但不難看出自構函數(shù)下的啁啾光纖光柵的補償效果明顯優(yōu)于高斯函數(shù)下的變跡光纖光柵。其一，自構型補償后的脈沖的幅度明顯高于高斯型；其二，自構型的右端旁瓣峰值明顯小于高斯型；第三，自構型的FWHM也略小于高斯型。通過以上分析比較可以看出，自構變跡函數(shù)變跡線性光纖光柵能很好

15、的實現(xiàn)對展寬脈沖的補償。從圖中還可以得出：不同變跡函數(shù)變跡下的線性光纖光柵將使最終的補償效果出現(xiàn)差異。構造良好的變跡函數(shù)并選取最佳的參數(shù)可以獲取更好的色散補償效果。利用變跡函數(shù)線性啁啾光纖光柵補償色散 華中理工大學2000.3.6申請了“用于高速傳輸系統(tǒng)中的光學色散補償器”的中國專利，該光學色散補償器，包括光輸入端、光輸出端、二者之間有色散補償裝置，色散補償裝置包括多端光路引導器件和啁啾光纖光柵。2001年發(fā)表“實用啁啾光纖光柵色散補償器的研制”的論文，介紹采用相位掩膜法制備實用化的啁啾光纖光柵色散補償器。為了檢驗器件的性能，還在10Gbit/s的傳輸系統(tǒng)上做了補償50km光纖的傳輸實驗在10

16、Gbit/s或40Gbit/s長途干線或城域網進行色散補償，可應用SDH傳輸系統(tǒng)、DWDM傳輸系統(tǒng)和全光網絡，設計及生產符合Telcordia GR-1209及GR-1221標準。1999年發(fā)表“線性啁啾光纖光柵色散補償器的特性與設計”的論文，該論文用數(shù)值方法研究了色散補償器的平均色散、時延波動、反射帶寬和反射率等重要特性與光柵長度、啁啾系數(shù)、耦合系數(shù)等參量的關系。深圳華為技術有限公司華中科技大學上海紫珊光電技術有限公司國內外光纖光柵色散補償器的部分研究、產品和專利的概況 對10Gb/s的色散補償器，其色散調節(jié)范圍3501150ps/nm,插入損耗1.7dB，插入損耗抖動0.5dB，時延抖動40ps,偏振相關損耗0.3dB，偏振模色散1.0ps。美國JDS Uniphase公司波長范圍15201565nm，色散補償范圍7001400ps/nm，F(xiàn)WHM帶寬0.51.0nm，插入損耗0.2nm，色散調節(jié)范圍1400ps/nm，時延抖動 6ps，插入損耗4dB，偏振模色散0.5ps。日本三菱電子公司 1 饒云江，王義平，朱濤.光纖光柵原理與應用M.北京，科學出版社，2001.2 李建新，夏月輝，陳雪等.利用光纖光柵進行色散補償?shù)臄?shù)值分析和實驗研究J.中國激光，2001，A28(7):625-628.3 賈大功，郭強，馬彩繽，張紅霞，李巖，趙振. 光纖通信系統(tǒng)中