光纤光栅及其色散补偿的理论简介
线性啁啾光纤光栅及其色散补偿的理论研究
摘 要
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。实用化的光纤光栅及 由其构成的各类光器件是光通信传输系统必不可少的光器件，光纤色散是光通信向高速 率，长距离方向发展的主要障碍，色散补偿己成为人们研究的热点。线性啁啾光纤光栅由 于其插入损耗低、体积小、价格低廉、色散补偿量大等多方面的优点，而成为色散补偿中 最有效，最有前途的方法。 论文首先利用耦合模理论对光纤光栅的光学特性进行了详细的分析,进而详细地介绍 了求解非均匀光纤光栅的常用方法----传输矩阵法。循序渐进的引入均匀光纤光栅、均匀线 性啁啾光纤光栅、变迹线性啁啾光纤光栅的概念，并对三种光栅的光学特性进行了详细的 对比。 对自己构建的变迹函数变迹线性啁啾光纤光栅进行了充分的讨论。对于啁啾度和长度 一定的光栅系统，根据最佳变迹应满足的条件，确定了自构最佳变迹函数的形式，并对该 函数变迹下的线性啁啾光纤光栅的光谱特性进行了模拟仿真，归纳出当光栅参数变化时对 光栅光学特性的一些影响，这对设计光栅补偿元件是具有一定实际意义的。仿真结果同时 显示：自构变迹函数变迹下的线性啁啾光纤光栅其反射谱具有较大的带宽，对时延特性曲 线及色散曲线的振荡具有良好的抑制作用，且时延曲线保持着足够量的时间延迟。仿真结 果表明，自构建的变迹函数的光学特性是良好的。 对光纤光栅用于色散补偿理论作了较为详细的介绍。并在选取相同参数情况下（在该 参数下已实现在标准单模光纤中超过 100km，10Gb/s 的色散补偿信号的传输） ，分别用高 斯型和自构变迹函数下的线性啁啾光纤光栅补偿 100km 标准单模光纤产生的色散，仿真结 果显示：自构函数变迹下的线性啁啾光纤光栅补偿展宽脉冲效果更优。 最后对全文进行了总结。
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第一章
光纤通信系统中的色散补偿问题综述
光纤通信系统中的色散赔偿问题综述1.Introduction光纤通信含有高速率、大容量、长距离以及抗干扰性强等特点。
但损耗和色散是长久妨碍光纤通信向前发展的重要因素。
随着着损耗问题的解决，色散成为决定光纤通信系统性能优劣的重要因素。
如何控制色散方便提高光纤通信系统的性能，成为光纤通信研究的热门课题之一。
现在对于光纤的色散已经提出了诸多赔偿办法，重要有色散赔偿光纤（DCF），啁啾光纤光栅，均匀光纤光栅，相位共轭（中点谱反转），全通滤波器、预啁啾等。
随着以上各办法缺点的暴露，学者们提出了光孤子色散赔偿技术，又相继提出了色散管理孤子，密集色散管理孤子等技术。
色散管理成为近年来光纤通信前沿研究的重要热点。
2.Concept of Dispersion由于信号在光纤中是由不同的波长成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的波长成分和模式成分有不同的传输速率，从而引发色散。
也能够从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是说光脉冲在通过光纤传输期间，其波形随时间发生展宽，这种现象称为光纤的色散。
3.Dispersion Causes普通把光纤中的色散分为三种类型：模式色散、模内色散和偏振色散。
a)模式色散模式色散是多模光纤才有的。
多模光纤中，即使是同一波长，模式不同传输速度也不同，它所引发的色散称为模式色散。
不同模式的光在光纤中传输时的传输常数不同，从而使传输同样长的距离后，不同模式的光波之间产生了群时延差，假设光纤能够传输多个模式，其中高次模达成输出端所需的时间较长，成果使入射到光纤的脉冲，由于不同模式达成的时间不同，或者说群时延不同，在输出端发生了脉冲展宽。
b)模内色散模内色散亦称颜色色散或多色色散。
重要是由于光源有一定带宽，信号在光纤中会有不同的波长成分，信号的不同波长分量含有不同的群速度，成果造成光脉冲的展宽。
模内色散涉及材料色散和波导色散。
c)偏振色散普通的轴对称单模光纤是违反“单模”名称的。
事实上有可能传输着两个模，即在光纤横截面上的两个正交方向(设为x 方向与y 方向)上偏振的(即在这些方向上含有场分量的)偏振模，同时由于实际的光纤中必然存在着某些轴不对称，那么，光纤会存在双折射，模传输常数β对于x，y 方向偏振模稍有不同，就会使这两个模式的传输速度不同，由此引发的色散叫偏振色散。
色散补偿的原理
色散补偿的原理色散补偿（dispersion compensation）是一种常见的光纤通信技术，它是为了弥补光在光纤内因色散而引起的信号失真而发展出来的一种技术。
色散是光在介质中传输时，由于不同频率的光波速度不同而引起的现象，它会导致光信号在光纤中传输时出现信号失真、色散扩展等问题。
因此，为了保持信号品质、提高光纤通信效率，需要对光信号进行色散补偿。
色散补偿的原理是在光纤通信系统中增加一个补偿器件，使补偿器件能够补偿因色散而引起的信号失真。
如图1所示，信号在传输过程中会因为时间延迟而出现失真。
色散补偿就是在发送端（transmitter）或者接收端（receiver）添加一些器件，减少这种时间延迟的影响，保证信号能够按照原先的信号速率传输，并且在传输距离较远的时候能够保持高质量的传输。
图1：光信号因色散引起的失真为了实现色散补偿，技术人员可以采用一些具体的策略。
比如，在传输端，可以使用预失真技术（pre-emphasis）来强化信号的宽带，从而降低信号的失真和色散；或者可以采用限制带宽的技术，减少信号受到色散的影响；或者选择合适的光纤材质，使纤芯的折射率变化能够与色散的变化呈反向变化，从而实现一定程度的补偿。
在接收端，可以采用时间反激励技术（time-reversal），将补偿器件与光接收器组合在一起，保证信号的补偿效果。
时间反激励技术利用了一个非线性反馈回路，来将通过光传输通道的信号进行恢复，并调整信号的相位、幅度等特征，来改善信号传输的质量。
除此之外，还可以采用其他的补偿技术，比如项链状补偿和光子晶体补偿等，来实现对光信号的补偿。
这些技术都是基于对光信号相位、幅度等特征进行有效调整，能够降低信号失真、提高光纤通信的效率。
综上所述，色散补偿是一种关键的光纤通信技术，它的实现需要引入一定的器件和技术，以解决光信号在传输过程中由于色散而引起的失真问题。
通过合理的方案设计，可以为光纤通信系统提供高性能、高效率的信号传输。
啁啾光纤光栅
度为
τ
1
脉冲宽度 为 τ 1
4 ln 1 +
= τ
(2 β
τ
2 0
2
L
f
0
)
2
#
iω 2 U ' f ( Lf , ω ) = U ( 0, ω ) exp i β ( β22L f 2ω Lf U ( L f , ω ) = U ( 0, ω ) exp 2 2
CFBG的反射谱也存在旁瓣， CFBG的反射谱也存在旁瓣，反射带宽内反射 的反射谱也存在旁瓣 谱不平坦，时延特性曲线存在较大的振荡， 谱不平坦，时延特性曲线存在较大的振荡， 线性度差。 线性度差。
#
通过切趾技术，可以有效抑制反射谱的旁瓣， 通过切趾技术，可以有效抑制反射谱的旁瓣，获 得较高的旁瓣抑制比，同时减少时延曲线的振荡。 得较高的旁瓣抑制比，同时减少时延曲线的振荡。 光纤光栅的折射率调制为： 光纤光栅的折射率调制为：
2
+ ...
φ '' 群速时延， 使光脉冲发生色散。假定 ρ (ω ) 在 群速时延， 使光脉冲发生色散。 脉冲的带宽内为常数， 脉冲的带宽内为常数，且抽出光纤光栅的时 延因子
φ 0 使光脉冲产生固定相移， φ ' 使光脉冲产生 使光脉冲产生固定相移，
iω 2 ' '' U f ( Lf , ω ) = U ( 0, ω ) exp ( β2 L f + φ ( ω ) ) 2
β2ω2Lf Uf ( Lf ,ω) = ρ (ω)U ( 0,ω) exp i +φ (ω) 2
光纤光栅由 ρ (ω )来调制脉冲的幅度
光纤光栅及其色散补偿的理论简介概要34页PPT
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢你的阅经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
色散补偿技术
， ，
为 分别OP为DC两前1 段后光两D纤段2 中光的纤通的道长平度均光功率
1 2
1P1L12P2L2
， 分别L为1 两段L光2纤的始端输入峰值功率
， 分别为两段光纤的衰减系数
对于OPC接P在1 链路P中2 点，两段光纤特性一样，则只需取 即可同时满足上述两条件。 P 1 P 1 1 e x 1 L 1 p1 L 1 P 2 P 2 1 e x 2 L 2 p 2 L 2
波长(nm)
光输入
光输出
➢ 二.特点 1. 结构紧凑，插入损耗低，极化不敏感 2. 可提供较大的负色散值，最大可达6000ps/nm 3. 带宽较窄，带宽和负色散值成反比 4. 带宽和色散可调 ➢ 三.应用
单信道：10Gb/s外调制系统，在G.652传输270Km DWDM:通过温度调制（对啁啾光栅），利用光栅实现8、16信道的色散和色散斜率的补偿。
色散补偿技术
➢ 一.工作原理
1. 全通光均衡器
2.
（色散补偿滤波器）
1) F-P腔组成
2) 特性：
3)
a. ,d一定4)
n＝1，2，3…
5)
反射带宽较窄
n0
n
2d n
b.在反射带宽范围内，不同频率分至的时延不同， 即具有色散。
时为正色散， 时为负色散。色散补偿时工
4.
采用全通多腔反射滤波器技术制成的可调色散补偿器在10Gb/s和40Gb/sDWDM系统进行多
信道的色散补偿
色散补偿技术
➢ 一.工作原理
1. 光相位共轭器
① 功能
② (1)光载频变换
③ (2)光相位共轭（频谱反转）。光载频的相位原来是，经OPC变成了-，即若输入光脉冲为正 啁啾，输出脉冲变成了负啁啾。
光纤色散补偿技术
光纤的色散分类不同的光分量(不同的模式或不同的频率等)通常以不同的速度在光纤中传输，这种现象称为色散。
色散是光纤的一种重要的光学特性，色散引起光脉冲的展宽、严重限制了光纤的传输容量及带宽。
对于多模光纤，起主要作用的色散机理是模式色散或称模间色散(即不同的模以不同的速度传输引起的色散)。
对于单模光纤，起主要作用的色散机理是色度色散或称模内色散(即不同的光频率在不同的速度下传输引起的色散〕。
由于多模光纤受模间色散的限制，传输速率不能超过100Mb/s，单模光纤则比多模光纤更优越，在长途干线实际应用中用的也都是单模光纤，此处也仅考虑单模光纤的色散。
单模光纤的模内色散主要是材料色散和波导色散。
材料色散是指由于频率的变化导致介质折射率变化而造成的传输常数或群速变化的现象;波导色散是指由于频率的变化导致波导参数变化而造成的传输常徽或群速变化的现象。
模内色散主要是实际光源都是复色光源的结果。
另外在单模光纤中，实际上传输着两个相互正交的线性偏振模式，但由于光纤的非圆对称、边应力、光纤扭曲、弯曲等造成轻微的传输速度差，从而形成偏振模色散。
高速光纤通信系统需要色散补偿目前，全世界范围内，已经教设的1.3 µm零色散光纤总长度超过5000万公里，而我们知道现在光纤通信系统的工作波长为1.5µm，这样光纤就存在D≈16ps/km•nm的色散、该色散限制光通信系统的传输速度在2Gb/s以下。
即使是新教设的光纤、为了限制四波混频现象也仍需使用非零色散位移光纤。
故为了克服色散对通信距离及通信速率的限制，必须对光纤进行色散补偿。
另外，随着光纤通信和色散补偿方案的迅速发展，一些高速传输系统的传输速率已达到几十甚至几百Gb/s以上。
这时，偏振模色散的影响亦不可忽视光纤色散补偿方案目前，已有多种群速度色散补偿方案被提出，如后置色散补偿技术、前置色散补偿技术、色散补偿滤波器、高色散补偿光纤(DCF)技术和凋啾光纤光栅色散补偿技术，以及光孤子通信技术等。
色散补偿原理
色散补偿原理色散补偿原理是指在光通信系统中，由于光纤对不同波长的光信号传输速度不同而产生的色散效应，通过一定的方法或器件来抵消或补偿这种色散效应，以保证光信号的传输质量和稳定性。
色散补偿技术是光通信系统中非常重要的一部分，对于提高光信号的传输速率、扩大传输距离、提高系统性能都起着至关重要的作用。
光纤通信系统中的色散效应是由于光在光纤中传输时不同波长的光信号由于色散导致传输速度不同而产生的。
一般来说，光纤通信系统中的色散效应主要包括色散的模式，即色散的波长和色散的位相。
在光通信系统中，色散效应会导致光信号的波形失真、频率偏移、相位畸变等问题，从而影响光信号的传输质量和稳定性。
为了解决光纤通信系统中的色散效应，人们提出了多种色散补偿原理和技术。
常见的色散补偿原理包括预补偿原理、后补偿原理、混合补偿原理等。
预补偿原理是指在光信号传输前通过一定的方法对光信号进行预处理，使得光信号在光纤中传输时能够抵消或减小色散效应。
后补偿原理是指在光信号传输后通过一定的方法对光信号进行处理，以抵消或减小色散效应。
混合补偿原理则是指在光信号传输前后均进行补偿处理，以最大程度地减小色散效应。
色散补偿技术主要包括电子补偿技术、光子补偿技术和光纤设计优化等。
电子补偿技术是指通过在光信号传输前后加入特定的电子器件或电路来对光信号进行处理，以抵消或减小色散效应。
光子补偿技术是指通过光学器件或光学方法对光信号进行处理，以减小色散效应。
光纤设计优化则是指通过改变光纤的结构或材料，以减小色散效应。
总的来说，色散补偿原理是光通信系统中非常重要的一部分，对于提高光信号的传输质量和稳定性具有至关重要的作用。
随着光通信技术的不断发展，人们对色散补偿原理和技术也在不断进行研究和改进，以满足日益增长的光通信需求。
希望通过不断的努力和创新，能够更好地解决光纤通信系统中的色散效应，提高光信号的传输速率和质量。
17-光纤色散及补偿方法简述
目录色散及其补偿介绍 (2)一、色散的基本概念 (2)1.1 基本概念 (2)1.2 光纤中色散的种类 (2)1.3 光纤色散表示法 (2)1.4 单模光纤的色散系数 (3)1.5 光纤色散造成的系统性能损伤 (3)1.6 减小色散的技术 (4)1.7 偏振模色散（PMD） (6)二、非线性问题 (7)色散及其补偿介绍当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。
EDFA的出现为1.55um波长窗口实现大容量、长距离光通信创造了条件，并使光纤通信中衰耗的问题得到了一定的解决。
然而光纤的色散影响仍然是制约因素之一，加之引入光放大器使光信号功率提高之后，光纤的非线性影响又突显出来。
一、色散的基本概念1.1 基本概念光纤色散是由于光纤所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象。
所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。
所谓光信号畸变，一般指脉冲展宽。
1.2 光纤中色散的种类光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式色散。
材料色散和波导色散也称为模内色散，模式色散也称为模间色散。
材料色散是由于光纤材料的折射率随光源频率的变化引起的，不同光源频率所所应的群速度不同，引起脉冲展宽。
波导色散是由于模传播常数随波长的变化引起的，与光纤波导结构参数有关，它的大小可以和材料色散相比拟。
材料色散和波导色散在单模光纤和多模光纤中均存在。
模式色散是由于不同传导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度，所引起的脉冲展宽。
模式色散主要存在于多模光纤中。
简而言之，材料色散和波导色散是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的，模式色散是由于光纤传输的信号不是单一模式所引起的。
1.3 光纤色散表示法在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差，时延差越大，表示色散越严重。
因而，常用时延差来表示色散程度。
时延并不表示色散值，时延差用于表示色散值。
若各信号成分的时延相同，则不存在色散，信号在传输过程中不产生畸变。
单模光纤中的色散及色散补偿技术
单模光纤中的色散及色散补偿技术This manuscript was revised on November 28, 2020光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点)姓名:__彭坚大_ 学号:_ 专业班级:_电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。
Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.关键词：色散效应，色散补偿1.引言色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同,而引起传输信号畸变的一种物理现象。
在光纤中,脉冲色散越小,它所携带的信息容量就越大。
其链路的色散累积直接影响系统的传输性能,自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。
所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。
光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。
但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。
解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。
2.色散补偿原理光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。
光纤色散补偿技术
光纤的色散分类不同的光分量(不同的模式或不同的频率等)通常以不同的速度在光纤中传输，这种现象称为色散。
色散是光纤的一种重要的光学特性，色散引起光脉冲的展宽、严重限制了光纤的传输容量及带宽。
对于多模光纤，起主要作用的色散机理是模式色散或称模间色散(即不同的模以不同的速度传输引起的色散)。
对于单模光纤，起主要作用的色散机理是色度色散或称模内色散(即不同的光频率在不同的速度下传输引起的色散〕。
由于多模光纤受模间色散的限制，传输速率不能超过100Mb/s，单模光纤则比多模光纤更优越，在长途干线实际应用中用的也都是单模光纤，此处也仅考虑单模光纤的色散。
单模光纤的模内色散主要是材料色散和波导色散。
材料色散是指由于频率的变化导致介质折射率变化而造成的传输常数或群速变化的现象;波导色散是指由于频率的变化导致波导参数变化而造成的传输常徽或群速变化的现象。
模内色散主要是实际光源都是复色光源的结果。
另外在单模光纤中，实际上传输着两个相互正交的线性偏振模式，但由于光纤的非圆对称、边应力、光纤扭曲、弯曲等造成轻微的传输速度差，从而形成偏振模色散。
高速光纤通信系统需要色散补偿目前，全世界范围内，已经教设的1.3 µm零色散光纤总长度超过5000万公里，而我们知道现在光纤通信系统的工作波长为1.5µm，这样光纤就存在D≈16ps/km•nm的色散、该色散限制光通信系统的传输速度在2Gb/s以下。
即使是新教设的光纤、为了限制四波混频现象也仍需使用非零色散位移光纤。
故为了克服色散对通信距离及通信速率的限制，必须对光纤进行色散补偿。
另外，随着光纤通信和色散补偿方案的迅速发展，一些高速传输系统的传输速率已达到几十甚至几百Gb/s以上。
这时，偏振模色散的影响亦不可忽视光纤色散补偿方案目前，已有多种群速度色散补偿方案被提出，如后置色散补偿技术、前置色散补偿技术、色散补偿滤波器、高色散补偿光纤(DCF)技术和凋啾光纤光栅色散补偿技术，以及光孤子通信技术等。
07-光纤光栅
种类——FBG光纤光栅的应用——光纤放大 器EDFA
用于EDFA的增益平坦化。普通EDFA存在增益谱的不 平坦性，即对于不同波长信号具有不同的增益。这种增益 的不平坦性会导致各信道信号的严重失真，特别是对于长 距离的级联EDFA，其影响将更加严重。EDFA的增益均衡是 建立在DWDM全光网和进行全光传输的重要前提，因此必 须解决EDFA增益的不平坦性。目前，利用长周期光纤光栅 LPFG（Long Period Fiber Grating）可以较完美地解决这个问 题。这是因为LPFG对特定波长具有衰减作用。
式，这取决于光栅以及不同传播常数决定的相位条
件，即：
1
2
2
如果希望将一个前向传输模式耦合成一个后向传输基模，
应满足的相位条件是：
2
1 2
01 (01) 201
种类——FBG光纤光栅
如果希望将前向传输模式耦合成一个后向包层模， 此时和同号，则较大，这样所得到的光纤是长周期 光纤光栅（LPG），一般为数百。LPG的基本特性表 现为一个带阻滤波器，阻带宽度一般为十几至几时 纳米。
激光二极管
光隔离器
写有光栅的EDF
1.55m激光输出
DFB光纤光栅激光器示意图
种类——FBG光纤光栅的应用——光纤放大 器EDFA
EDFA泵浦光源980nm和1480nm大功率半导体激光器的波 长稳定。注入电流、工作温度、以及器件的老化都会造成泵 浦激光器的输出模式老化（即输出波长变化），若用光纤光 栅作为分布反馈的反射镜，便可对泵浦激光器进行稳频，从 而实现稳定的波长输出。
第9章 光纤光栅
光纤光栅131978年，加拿大Hill 等人使用如左图所示的实验装置将488nm（后来他人用514.5nm）的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉格光栅（FBG ）。
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的模式与后向传输的模式之间发生耦合，而使前向传输的模式的能量传递给后向传输的模式，形成对入射光波的反射。
其反射波长即布拉格波长为λB=2n effΛ，其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。
输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动I I I4二、光纤光栅的写入方法用掺杂光纤制作光栅的方法主要有内写入法和外写入法。
内写入技术是一个全息制作过程，它利用光在纤芯内传播时形成驻波所产生的双光子吸收的原理。
外写入技术则主要有相位掩模法、逐点写入法、干涉法、成栅技术等。
内写入法利用菲涅尔反射，使得反射光与入射光在适当条件下干涉，在纤芯内部形成驻波。
由于光致折射效应，在沿光纤长度的方向通过曝光可以诱导出周期性的折射率变化形成光栅。
这样制作的光栅，曝光时对装置的稳定性要求很高，得到的折射率的变化较小，仅为10-6，而且Bragg波长不易改变。
由于该技术的写入效率低，写入的Bragg波长受激光写入波长限制等原因，制作的光栅性能太差，所以该方法已较少使用。
89四、应变和温度的同时测量1、温度减敏和补偿封装①由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅（只感受温度变化），用于消除温度变化的影响。
这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。
②采用热膨胀系数极小，且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装，将很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。
③采用具有负温度系数的材料进行封装或设计反馈机构，可以对光纤光栅施加一定的（反向）应力，以补偿温度导致的布喇格波长的漂移，使ΔλT/λ的值趋近于0。
单模光纤中的色散及色散补偿技术
光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点) 姓名:__彭坚大_ 学号:_11216020418 专业班级:_电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。
Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.关键词：色散效应，色散补偿1.引言色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同,而引起传输信号畸变的一种物理现象。
在光纤中,脉冲色散越小,它所携带的信息容量就越大。
其链路的色散累积直接影响系统的传输性能,自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。
所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。
光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。
但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。
解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。
2.色散补偿原理2.1 光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。
光纤光栅——精选推荐
光纤光栅光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
简介1978年，加拿大光纤光栅工作原理通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。
Hill 的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注光纤光栅入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。
后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。
1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。
1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。
1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。
这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。
这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-20这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。
定义光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（光纤光栅利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。
研制成功1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。
Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。
光纤光栅及其色散补偿的理论简介
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。
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
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。
色散补偿技术
4、光相位共轭色散补偿
光相位共轭（OPC）色散补偿法又称中间频 谱反转法。光相位共轭器是利用光介质中的非线 性效应——“四波混频”获得输入光脉冲的频谱反转 脉冲，即相位共轭脉冲。光相位共轭色散补偿是 在两根长度和色散特性相同的传输光纤之间插入 光相位共轭器，经第一根光纤传输后发生畸变的 信号脉冲经相位共轭器转换为相位共轭脉冲，再 经第二根光纤的传输而被整形恢复。
基于LP01模的单模DCF在设计时采用较小的 光纤内径，得到较高的相对折射率差Δ，从而实 现在1550nm处较大的负色散。
(2)DCF的品质因数
DCF的品质因数FOM（Figure ofห้องสมุดไป่ตู้Merit）定义为
FOM D
D——色散系数，单位（ps/nm·km）
α——衰减系数，单位（dB/km）
色散补偿光纤DCF与常规单模光纤色散特性
色散补偿光纤DCF 预啁啾技术 色散均衡器 光相位共轭色散补偿 色散支持传输 偏振模色散（PMD）补偿技术
1、色散补偿光纤DCF
光脉冲信号经过长距离光纤传输后，由于色散效应而产生 了光脉冲的展宽或畸变，这时可用一种在该波长区具有负色散 系数的光纤来进行补偿。DCF就是一种具有很大负色散系数的 光纤，用来补偿常规光纤工作于1310nm或1550nm处所产生 的较大的正色散。
3、色散均衡器
典型的色散均衡器是利用与光纤相反色散特性 （相反群时延斜率）的器件补偿光纤色散。 色散均衡的种类有许多。这里介绍啁啾光纤光栅和F-P 腔色散均衡器两种。
(1)啁啾光纤光栅
啁啾光纤光栅（Chirped Fiber Grating）是 在光学波导上刻出一系列不等间距的光栅，光栅 上的每一点都可以看成是一个本地布拉格波长的 通带和阻带滤波器，不同波长分量光在其中传输 的时延不同，且与光纤的色散引起的群时延正好 相反，从而可补偿由于光纤色散引起的脉冲展宽 效应。
光纤光栅原理及应用_2
栅的应变可表示为 1 sin 2
2
式中，ν是轴距MF作用的梁表面任一点的扭应变，可表
示为
DM F
2GI P
式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性
矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，
则波长漂移量为
1 pe sin 2 0DMF
4GIP 2021年2月10日星期三
21
1550nmWDM系统中光分插复用器的 滤波器
FWHM=0.2~1nm, R=100%
FWHM=0.2~1nm, Isolation＞30dB
FWHM=0.1~1nm, Isolation＞50dB
长距离传输的色散补偿(1550nm)
FWHM=0.1~10nm, D=1600ps/nm
1530nm~1560nm光放大器的 增益平坦器
2021年2月10日星期三
10
光纤光栅的封装工艺与技术
（3）掺N2（氮气） ➢SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加倍 ➢折射率变化～2.8×10-3
2021年2月10日星期三
11
光纤光栅工作原理
三、光纤光栅的波长调谐技术 光纤光栅的波长调谐是指对制作好的光纤光栅
进行操作，通过不同物理效应改变光纤光栅的光栅 常数（栅距Λ）及光栅位置的折射率分布，使其反 射（或透射）波长产生一定的漂移量，以达到调谐 光纤光栅反射（或透射）波长的目的。 1. 电磁调谐
将光纤光栅固定在磁致伸缩棒上，连同该磁致 伸缩棒置于均匀磁场中，磁致伸缩棒将磁力转化为 应力作用于光栅上，从而完成光纤光栅波长的连续 均匀调谐。103mT的磁场产生1.1nm的漂移量。
2021年2月10日星期三
12
光纤光栅工作原理
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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。
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
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。
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。
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
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。
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
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[
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。
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
（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
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
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。
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
国内首次成功实
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
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้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
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
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