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 引言引言光光纤纤光光栅栅是光通信是光通信领领域域发发展迅速的一展迅速的一种种器器件，其件，其应应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、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，
2、最有前中最有效，最有前途的方法途的方法光光纤纤色散是光通信色散是光通信向高速率，向高速率，长长距离距离方向方向发发展的主要障展的主要障碍，色散碍，色散补偿补偿已成已成为为人人们研们研究的究的热热点点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 应用优点概念 光纤纤光栅栅的应应用应用激光器其他应用EDFA掺铒光纤放大器光通信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
3、信中的应用 闪闪耀型光纤纤光栅栅相移光纤纤光栅栅超结构结构光纤纤光栅栅啁啁啾光纤纤光栅栅升余弦变变迹光纤纤光栅栅均匀匀光纤纤光栅栅高斯变变迹光纤纤光栅栅按光纤纤光栅栅的波导结构导结构分类类 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
4、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2()()1 cos()effeffnznzzz2()1 cos()effeffnznz 均匀光纤光栅折射率调制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提高传输速率增加中继距离扩大容量限制因素限制传输速率的提高光源啁啾和光纤色散限制中继距离光纤的损耗限制扩容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
5、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
6、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啁啾光纤光栅法频谱反转法预啁啾技术光孤子传输光纤的色散补偿 光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究Lam等提出利用均匀光纤光栅的特性进行信号的补偿1982年各种函数形式的变迹光纤光栅出现。经过变迹后的光纤光栅，可以很好地消除反射带隙外振荡带来的影响变迹技术发展F.Ouellette提出利用线性啁
7、啾光纤光栅进行补偿的理论模型，并且指出均匀光纤光栅进行补偿的缺陷1987年人们进行了深入的研究，并且利用光纤光栅实现了光脉冲的压缩此后提出对光纤光栅进行优化设计，从而得到性能更优的光纤光栅，最终获得理想的补偿效果后来国外 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一定的成果一定的成果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学特性做了理论学特性做了理论研究研究光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究国内1996年1997年1998年2001年至今利用啁啾光纤光栅成功利用啁啾光纤光栅成
8、功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，和对标准单模光纤光纤103km的色散补偿的色散补偿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栅的可调色散补栅的可调色散补偿偿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
9、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
10、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，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gLDDD2gL2/ggLv 图图2 啁啁啾光栅栅色散补偿补偿原理示意通常用色散参参量 来来描述啁啁啾光栅栅的色散特性，若 是光在光栅栅中一个来个来回的时间时间，是光栅栅波长带宽长带宽，相当当于z=0处处的布拉格波长长和z=L处处的
11、布拉格波长长之差。已知 ，其中 为为有效折射率，则则色散参参量 可以定义为义为 单单模光纤纤在1.31um处处色散为为0，在1.55um处处色散约为约为17ps/（nm.km)，再由上式可得长长度10cm，带宽带宽0.2nm的光栅栅可以补偿补偿300km标标准光纤纤引入的色散。gDteffngD2/efftLnc 2/geffDnc 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
12、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，是色散补偿技术发展的重要方向 短波长损耗短波长损耗温度补偿封装温度补偿封装使用寿命使用寿命PMD的的减小与消除减小与消除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
13、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2().exp()effeffznznGFWHM32238().()effeffnznLzzL 图
14、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
15、均达到此目的。而自构函数实现的变迹光纤光栅的反射谱与时延特性曲线的平滑度更优于高斯型。（a）高斯型（b）自构型图6 高斯型和自构变迹函数变迹线性光纤光栅的反射谱与时延特性曲线 (a)高斯型（b）自构型 图7 两种变迹函数变迹线性啁啾光纤光栅补偿展宽脉冲效果 经两种光栅补偿后的脉冲波形如图7所示，从图中可以看出，脉冲形状基本恢复到原状，只是在恢复脉冲的右端出现了一个小小的旁瓣。但不难看出自构函数下的啁啾光纤光栅的补偿效果明显优于高斯函数下的变迹光纤光栅。其一，自构型补偿后的脉冲的幅度明显高于高斯型；其二，自构型的右端旁瓣峰值明显小于高斯型；第三，自构型的FWHM也略小于高斯型。通过以上分析比较可
16、以看出，自构变迹函数变迹线性光纤光栅能很好的实现对展宽脉冲的补偿。从图中还可以得出：不同变迹函数变迹下的线性光纤光栅将使最终的补偿效果出现差异。构造良好的变迹函数并选取最佳的参数可以获取更好的色散补偿效果。华华中理工大中理工大学学2000.3.6申申请请了了“用于高速用于高速传输传输系系统统中的光中的光学学色散色散补偿补偿器器”的中的中国专国专利，利，该该光光学学色散色散补偿补偿器，器，包括光包括光输输入端、光入端、光输输出端、二者之出端、二者之间间有色散有色散补偿补偿装置，色散装置，色散补偿补偿装置包括多端光路引装置包括多端光路引导导器件和器件和啁啁啾光啾光纤纤光光栅栅。2001年年发发表表
17、“实实用用啁啁啾光啾光纤纤光光栅栅色散色散补偿补偿器的器的研研制制”的的论论文，介文，介绍绍采用相位采用相位掩膜法制掩膜法制备实备实用化的用化的啁啁啾光啾光纤纤光光栅栅色色散散补偿补偿器。器。为为了了检验检验器件的性能，器件的性能，还还在在10Gbit/s的的传输传输系系统统上做了上做了补偿补偿50km光光纤纤的的传输实验传输实验在在10Gbit/s或或40Gbit/s长长途干途干线线或或城域城域网进网进行色散行色散补偿补偿，可，可应应用用SDH传输传输系系统统、DWDM传输传输系系统统和全光和全光网络网络，设计设计及生及生产产符合符合Telcordia GR-1209及及GR-1221标标准
18、。准。1999年年发发表表“线线性性啁啁啾光啾光纤纤光光栅栅色散色散补偿补偿器器的特性的特性与设计与设计”的的论论文，文，该论该论文用文用数值数值方法方法研研究了色散究了色散补偿补偿器的平均色散、器的平均色散、时时延波延波动动、反射反射带宽带宽和反射率等重要特性和反射率等重要特性与与光光栅长栅长度、度、啁啁啾系啾系数数、耦合系、耦合系数数等等参参量的量的关关系。系。深深圳华为圳华为技技术术有限公司有限公司华华中科技大中科技大学学上海紫珊光上海紫珊光电电技技术术有限公司有限公司 对10Gb/s的色散补偿器，其色散调节范围3501150ps/nm,插入损耗1.7dB，插入损耗抖动0.5dB，时延抖
19、动40ps,偏振相关损耗0.3dB，偏振模色散1.0ps。美国美国JDS Uniphase公司公司波长范围15201565nm，色散补偿范围7001400ps/nm，FWHM带宽0.51.0nm，插入损耗0.2nm，色散调节范围1400ps/nm，时延抖动 6ps，插入损耗4dB，偏振模色散0.5ps。日本三菱日本三菱电子公司电子公司 1 饶饶云江，王义义平，朱涛涛.光纤纤光栅栅原理与应与应用M.北京，科学学出版社，2001.2 李建新，夏月辉辉，陈陈雪等.利用光纤纤光栅进栅进行色散补偿补偿的数值数值分析和实验研实验研究J.中国国激光，2001，A28(7):625-628.3 贾贾大功，郭强
20、，马马彩缤缤，张红张红霞，李岩，赵赵振.光纤纤通信系统统中的可调谐调谐色散补偿补偿技术术.激光与红与红外，2011，41（1）：2-6.4 王耀兴兴，李唐军军，钟钟康平.宽带宽带可调谐调谐光纤纤光栅栅色散补偿补偿器系统设计统设计.光通信研研究，2012,169（1）：1-3.5 王铁军铁军，黄黄德修.色散补偿补偿技术术的最新进进展J.光通信技术术，2004，（6）：57-59.6 魏道平，赵赵玉成等.利用啁啁啾光纤纤光栅进栅进行色散补偿补偿的研研究.光学学技术术J，Vol.26 No.1，2001.1:76-78.7 马卫东马卫东.实实用啁啁啾光纤纤光栅栅色散补偿补偿器的研研制.光通信技术术，2001，（6）：18-21.Thank You!信息科学与工程学院信息科学与工程学院
