光纤光栅及其色散补偿的理论简介

啁啾光纤光栅法
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 L 冲信号通过长度为 g 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 2Lg路程，两波长之间的时延差为 2Lg / vg ，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。
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： z ) 2] 高斯型 neff ( z ) neff .exp[ G( FWHM 3 8 自构型 neff ( z ) neff . 3 ( Lz z 2 ) 2 L 两函数的波形及折射率调制函数波形由图4，图5给出
光纤光栅及其色散补偿 的理论简介
光纤光栅及其色散补偿的理论简介 高杨 2012.10
2012.10
信息科学与工程学院 信息科学与工程学院
引言
光纤光栅是光通信领 域发展迅速的一种器 件，其应用非常广泛
光纤色散是光通信 向高速率，长距离 方向发展的主要障 碍，色散补偿已成 为人们研究的热点
光纤光栅的发展
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
加拿大通信 研究中心 用氢离子 激光束照射 掺锗光纤
使光纤技 术获得进 一步发展
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
概念
优点
应用
光纤光栅的应用
光通信
激光器
EDFA 掺铒光纤 放大器
光纤的色散补偿
负色散光纤补偿法
啁啾光纤光栅法
色散补偿方法
频谱反转法
预啁啾技术
光孤子传输
光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究
1982年 变迹技 术发展 1987年 此后 后来
Lam等提出利用 均匀光纤光栅的 特性进行信号的 补偿
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
（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
光纤的损耗和色散
色散现象对光纤通信的影响
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 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。
图2 啁啾光栅色散补偿原理示意 通常用色散参量 D来描述啁啾光栅的色散特性，若 t 是光在光栅中一个来回的时间， 是光栅波长带宽， g 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t 2 Lneff / c ，其中 neff 为有效折射率，则色散 参量 Dg可以定义为 Dg 2neff / c 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300km标准光纤引入的色散。
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。 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。
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色散系数约为 17ps/(nm.km)，因此色散问题更显突出。
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。
加拿大O/E land公司
波长范围1520~1565nm，色散补偿范围700~1400ps/nm， FWHM带宽0.5~1.0nm，插入损耗<0.5dB，时延抖动50ps。
华中科技大学
2001年发表“实用啁啾光纤光栅色散补 偿器的研制”的论文，介绍采用相位掩 膜法制备实用化的啁啾光纤光栅色散 补偿器。为了检验器件的性能，还在 10Gbit/s的传输系统上做了补偿50km 光纤的传输实验
上海紫珊光电技术有限公司
在10Gbit/s或40Gbit/s长途干线或 城域网进行色散补偿，可应用SDH
国内
1996年
1997年
1998年
2001年
至今
出现非线性啁啾
对线性啁啾光纤
利用啁啾光纤光栅成功 实现波分复用系统的色 散补偿，和对标准单模 光纤103km的色散补偿
国内Leabharlann Baidu次成功实
在光纤光栅的光学特 性、变迹函数、优化 设计、色散补偿、脉 冲压缩等方面取得了 一定的成果
光纤光栅色散补
偿方面的报道
光栅两个基本光
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。
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。
国内外光纤光栅色散补偿器的部分研究、产品和专利的概况
华中理工大学
1999年发表“线性啁啾光纤光栅色散补偿器 的特性与设计”的论文，该论文用数值方法 研究了色散补偿器的平均色散、时延波动、 反射带宽和反射率等重要特性与光栅长度、 啁啾系数、耦合系数等参量的关系。
深圳华为技术有限公司
2000.3.6申请了“用于高速传输系统中的光学 色散补偿器”的中国专利，该光学色散补偿器， 包括光输入端、光输出端、二者之间有色散 补偿装置，色散补偿装置包括多端光路引导 器件和啁啾光纤光栅。
应用
传感器
其他应用
光纤光栅在光通信中的应用
色散补偿
脉宽压缩
上/下话路
复用器 、滤波器
波分复用/
解复用器
闪耀型光纤光栅 啁啾光纤光栅
相移光纤光栅
升余弦变迹 光纤光栅 均匀光纤光栅
超结构光纤光栅
高斯变迹 光纤光栅
按光纤光栅的波导结构分类
均匀光纤光栅
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： n ( z ) n [1 cos( 2 z )] eff eff 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
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：
2 z ( z )]} 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
neff ( z ) neff ( z ){1 cos[
F.Ouellette提出 利用线性啁啾光 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
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
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
国外
光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究
对于常规单模光纤，零色散波长的典型值 D =1.31um，当 < D 时，色散D<0， 光纤处于正色散区，红移分量（长波长分量）比蓝移分量（短波长）传 播得快。当 >D 时，色散D>0，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
유비쿼터스 환경
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
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
限制因素
现有光纤通信网要求
限制传输速率的提高
提高传输速率
光源啁啾和光纤色散
增加中继距离
限制中继距离
光纤的损耗
扩大容量
限制扩容
传输系统、DWDM传输系统和全光
网络，设计及生产符合Telcordia GR-1209及GR-1221标准。
美国JDS Uniphase公司
对10Gb/s的色散补偿器，其色散调节范围350~1150ps/nm, 插入损耗<1.7dB，插入损耗抖动<0.5dB，时延抖动<40ps, 偏振相关损耗<0.3dB，偏振模色散<1.0ps。
学特性做了理论 研究
现了均匀光纤光
栅的可调色散补 偿
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。