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1、光纤光栅及其色散补偿的理论简介高杨2012.10信息科学与工程学院信息科学与工程学院光纤光栅及其色散补偿的理论简介信息科学与工程学院信息科学与工程学院2012.10 引言引言引言引言光光光光纤纤纤纤光光光光栅栅栅栅是光通信是光通信是光通信是光通信领领领领域域域域发发发发展迅速的一展迅速的一展迅速的一展迅速的一种种种种器器器器件，其件，其件，其件，其应应应应用非常广泛用非常广泛用非常广泛用非常广泛实实用化的光用化的光纤纤光光栅栅及由其及由其构构成的各成的各种种光器光器件是光通信件是光通信传传输输系系统统必不可必不可少的光器件少的光器件线线性性啁啁啾光啾光纤纤光光栅栅由于其由于其插插入入损损耗小、

2、耗小、体体积积小、价格低廉、小、价格低廉、色散色散补偿补偿量大等量大等优优点，成点，成为为色散色散补偿补偿中最有效，最有前中最有效，最有前途的方法途的方法光光光光纤纤纤纤色散是光通信色散是光通信色散是光通信色散是光通信向高速率，向高速率，向高速率，向高速率，长长长长距离距离距离距离方向方向方向方向发发发发展的主要障展的主要障展的主要障展的主要障碍，色散碍，色散碍，色散碍，色散补偿补偿补偿补偿已成已成已成已成为为为为人人人人们们们们研研研研究的究的究的究的热热热热点点点点光纤光栅的发展光纤光栅的发展加拿大通信研究中心用氢离子激光束照射掺锗光纤使光栅的规模制作和重复性成为可能利用不同方法制作出各种

3、各样的光纤光栅首个光纤光栅横向侧面曝光法 相位掩膜法制作技术日益成熟1978年1988年随后90年代以后使光纤技术获得进一步发展 应应用用优优点点概念概念 光纤光栅的应用光纤光栅的应用应用应用激光器激光器其他应用其他应用EDFAEDFA掺铒光纤掺铒光纤放大器放大器光通信光通信传感器传感器色散补偿脉宽压缩波分复用/解复用器上/下话路复用器、滤波器 光纤光栅在光通信中的应用 闪耀型光纤光栅闪耀型光纤光栅相移光纤光栅相移光纤光栅超结构光纤光栅超结构光纤光栅啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅升余弦变迹升余弦变迹光纤光栅光纤光栅均匀光纤光栅均匀光纤光栅高斯变迹高斯变迹光纤光栅光纤光栅按光纤光栅的波导结构分类按光纤

4、光栅的波导结构分类 均匀光纤光栅是最普遍的光纤光栅，其光纤周期和折射率调制深度均为常数，光栅波矢方向和光纤轴向方向一致，折射率调制方程为：它是一种性能优异的窄带反射滤波器，具有较高的反射率。在光纤激光器，光纤通信及光纤传感领域具有广阔的应用前景。啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数，而是沿轴向变化，最常见的啁啾光纤光栅是线性啁啾光纤光栅，这种光栅的周期沿轴向呈线性单调变化。其折射率调制方程为：由于不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此线性啁啾光纤光栅能形成很大的反射带宽和稳定的色散，因而被广泛应用于波分复用通信系统中的色散补偿和光纤放大器中的增益平坦。均匀光纤光栅啁啾光纤光栅 均匀光纤光栅折射率调制

5、波形啁啾光纤光栅折射率调制波形图1 均匀光纤光栅与啁啾光纤光栅折射率调制波形 现有光纤通信网要求现有光纤通信网要求提高提高传输传输速率速率增加中增加中继继距离距离扩扩大容量大容量限制因素限制因素限制传输速率的提高限制传输速率的提高光源啁啾和光纤色散光源啁啾和光纤色散限制中继距离限制中继距离光纤的损耗光纤的损耗限制扩容限制扩容光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散色散是光纤的传输特性之一。光信号在光纤中传输因其不同频率或不同模式成分的群速度不同而引起色散。因此，色散反应了光信号沿光纤传播时的展宽。光纤的色散现象对光纤通信极为不利。它使得光信号脉冲展宽、强度下降，从而增加误码率，影响通信质量。光纤数字通

6、信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲之间发生重叠现象，即发生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。色散现象对光纤通信的影响 掺铒光纤放大器的出现使得光纤损耗的影响变得次要，色散便上升为首要限制，因此色散补偿已成为光纤通信实现超长距离、超高速传输的关键问题之一。如今全球已经埋设的单模光纤大多是一阶色散零点位于1.31um波长处的常规单模光纤，由于1.55um是石英光纤3个低损耗窗口中损耗最低的一个，在此波长处常规光纤的

7、色散系数约为17ps/(nm.km)，因此色散问题更显突出。为消除光纤中的色散，人们提出过许多色散补偿的方案，上面提到光纤光栅的一个重要应用就是用作色散补偿器。色散补偿方法负色散光纤补偿法负色散光纤补偿法啁啾光纤光栅法啁啾光纤光栅法频谱反转法频谱反转法预啁啾技术预啁啾技术光孤子传输光孤子传输光纤的色散光纤的色散补偿补偿 光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究LamLam等提出利用等提出利用均匀光纤光栅的均匀光纤光栅的特性进行信号的特性进行信号的补偿补偿19821982年年各种函数形式的各种函数形式的变迹光纤光栅出变迹光纤光栅出现现。经过变迹后经过变迹后的光纤光

8、栅的光纤光栅，可可以很好地消除反以很好地消除反射带隙外振荡射带隙外振荡带来的影响带来的影响变迹技变迹技术发展术发展F.OuelletteF.Ouellette提出提出利用线性啁啾光利用线性啁啾光纤光栅进行补偿纤光栅进行补偿的理论模型的理论模型，并并且指出均匀光纤且指出均匀光纤光栅进行补偿的光栅进行补偿的缺陷缺陷19871987年年人们进行了深入人们进行了深入的研究的研究，并且利并且利用光纤光栅实现用光纤光栅实现了光脉冲的压缩了光脉冲的压缩此后此后提出对光纤光栅提出对光纤光栅进行优化设计进行优化设计，从而得到性能更从而得到性能更优的光纤光栅优的光纤光栅，最终获得理想的最终获得理想的补偿效果补偿效

9、果后来后来国外 在光纤光栅的光学特在光纤光栅的光学特在光纤光栅的光学特在光纤光栅的光学特性、变迹函数、优化性、变迹函数、优化性、变迹函数、优化性、变迹函数、优化设计、色散补偿、脉设计、色散补偿、脉设计、色散补偿、脉设计、色散补偿、脉冲压缩等方面取得了冲压缩等方面取得了冲压缩等方面取得了冲压缩等方面取得了一定的成果一定的成果一定的成果一定的成果对线性啁啾光纤对线性啁啾光纤对线性啁啾光纤对线性啁啾光纤光栅两个基本光光栅两个基本光光栅两个基本光光栅两个基本光学特性做了理论学特性做了理论学特性做了理论学特性做了理论研究研究研究研究光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究究

10、国内国内19961996年年19971997年年19981998年年20012001年年至今至今利用啁啾光纤光栅成功利用啁啾光纤光栅成功利用啁啾光纤光栅成功利用啁啾光纤光栅成功实现波分复用系统的色实现波分复用系统的色实现波分复用系统的色实现波分复用系统的色散补偿，和对标准单模散补偿，和对标准单模散补偿，和对标准单模散补偿，和对标准单模光纤光纤光纤光纤103km103km的色散补偿的色散补偿的色散补偿的色散补偿国内首次成功实国内首次成功实国内首次成功实国内首次成功实现了均匀光纤光现了均匀光纤光现了均匀光纤光现了均匀光纤光栅的可调色散补栅的可调色散补栅的可调色散补栅的可调色散补偿偿偿偿出现非线性啁

11、啾出现非线性啁啾出现非线性啁啾出现非线性啁啾光纤光栅色散补光纤光栅色散补光纤光栅色散补光纤光栅色散补偿方面的报道偿方面的报道偿方面的报道偿方面的报道 光脉冲在光纤及线性光栅中传输均会产生色散，但如果两者中产生的色散量值相等，符号相反，则在光纤中传输而被展宽的光脉冲经过一段啁啾光栅后其原始脉冲宽度可以恢复。对于现有的用光纤放大器补偿损耗的传输系统中。常规单模光纤处在反常色散区，即蓝移分量比红移分量传播得快，故引起脉冲展宽。对于线性啁啾光纤光栅，光栅周期沿轴向是线性变化的。根据布拉格条件，不同波长的光进入光栅将在不同的位置反射。设置光栅的参数使红移分量在光栅的近端反射，蓝移分量在光栅的远端反射，这

12、样就使得经光纤反射后的脉冲蓝移分量走得远，时间延迟长，红移分量走得近，时间延迟短，从而实现将展宽的脉冲压窄。啁啾光栅的特点是光栅的折射率非周期性变化，实质就形成一个带宽滤波器，光栅的不同位置对应于一个不同的布拉格反射波长。当光脉冲信号通过长度为 啁啾光栅（周期由大到小）时，假设信号的长短波长分量分别在光纤的头、尾部反射，则短波长分量比长波长分量多走了 路程，两波长之间的时延差为 ，从而补偿了由于群速度不同而导致的色散，起到压缩由于光纤传输所导致的光脉冲展宽的作用。对于常规单模光纤，零色散波长的典型值 =1.31um，当 时，色散D 时，色散D0，色散处于反常色散区，蓝移分量比红移分量传播得快，

13、色散补偿补偿实质就是让红移分量追上蓝移分量。经光纤传播而来的光脉冲的长波分量在光栅的起始端被反射，短波长分量在远端被反射，即光波经过光栅后，短波长分量较长波长分量有较长的延迟，即对展宽脉冲的压缩补偿。啁啾光纤光栅法啁啾光纤光栅法 图2 啁啾光栅色散补偿原理示意通常用色散参量 来描述啁啾光栅的色散特性，若 是光在光栅中一个来回的时间，是光栅波长带宽，相当于z=0处的布拉格波长和z=L处的布拉格波长之差。已知 ，其中 为有效折射率，则色散参量 可以定义为 单模光纤在1.31um处色散为0，在1.55um处色散约为17ps/（nm.km)，再由上式可得长度10cm，带宽0.2nm的光栅可以补偿300

14、km标准光纤引入的色散。啁啾光纤光栅法具有很大的色散，一般10cm的啁啾光栅足以补偿100Km光纤的色散，因而易于实现设备的小型化。一般制作于普通单模光纤或是与之兼容的特殊光纤上，且长度很短，所以附加损耗很小，而且几乎不受光线非线性作用。通过设计可以同时实现色散和色散斜率补偿，并且对放大器的ASE噪声有附加的滤波功能。啁啾光纤光栅作为色散补偿方案具有良好发展前景啁啾光纤光栅作为色散补偿方案具有良好发展前景，是色散补偿技术发展的重要方向是色散补偿技术发展的重要方向 短波长损耗短波长损耗短波长损耗短波长损耗温度补偿封装温度补偿封装温度补偿封装温度补偿封装使用寿命使用寿命使用寿命使用寿命PMDPMD

15、的的的的减小与消除减小与消除减小与消除减小与消除制备工艺制备工艺制备工艺制备工艺短波长短波长损耗损耗使用使用寿命寿命制备工艺制备工艺PMD的的减小与减小与消除消除温度补温度补偿封装偿封装 均匀Bragg光纤光栅的反射谱中存在较多的旁瓣，旁瓣的存在将反射无用波段的光波，从而影响整个光纤光栅的性能，对恢复经光纤光栅传输后展宽的脉冲极为不利。为减少旁瓣，同时克服均匀啁啾光栅光学特性不理想的有效办法就是采用对均匀啁啾光栅变迹处理，即在啁啾光栅的折射率变化中引入一个和光栅长度有关的函数包络，从而得到较为理想光谱特性。现假设有一输入信号的宽度为20ps且无啁啾的高斯脉冲，经色散为17ps/（km.nm）的

16、标准单模光纤传输100km后，其展宽波形如图3所示要实现对光纤产生的色散进行有效补偿，光纤光栅的参数必须选择合适，从而使其具有较大的反射系数，在带宽内保持较高的反射率、时延特性曲线具有良好的线性度，并且所提供的色散量与光纤产生的总色散大小相等而符号各异。选取高斯型和构建的变迹函数进行对比，函数形式如下：高斯型 自构型 两函数的波形及折射率调制函数波形由图4，图5给出 图3 光纤色散引起的脉冲展宽（平面）(a)高斯型（b）自构型 图4 高斯型和自构变迹函数波形 (a)高斯型（b）自构型 图5 高斯型和自构变迹函数折射率调制波形 两种光纤光栅选择相同的参数：光栅长度L=100.0mm，啁啾系数0.0022nm/mm，折射率调制幅度0.00002，中心反射波长为1550nm。两种变迹函数下的线性啁啾光纤光栅的光学特性如图6所示。变迹的目的是消除光纤光栅反射谱的旁瓣，平滑反射谱，同时抑制反射带宽内的时延特性曲线的振荡，保证时延特性曲线相对大的线性和相对大的色散补偿带宽，同时保证时延量满足补偿光纤引起的时延量的需要。从图中我们明显看到，两种变迹函数下的线性啁啾光纤光栅均达到此目的。而自构函数实现