光纤色散补偿技术Word

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 µ m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。后置色散补偿技术是通过电子技术在光信号接收端补偿光纤色散引起的脉冲展宽，多用于相干光纤通信系统，适应于低码速的通信系统，传输距离仅有几个色散长度。前置色散补偿技术主要包括预啁啾技术、完全频率调制技术、双二进制编码技术、放大器诱导啁啾技术和光纤诱导啁啾技术，无论哪种前置色散补偿技术都要在光脉冲进人光纤之前产生一个正的凋啾( C>0)、以实现脉冲压缩。色散补偿滤波器技术是采用Fanry一Perat 干涉和Mach一Zehnder干涉技术进行色散补偿。然而相对高的损耗和较窄的带宽限制了Fabry -Perot干涉技术的应用，对输入光偏振比较灵敏和带宽比较窄是Mach--zehnder干涉技术的缺点。下面将主要对色散补偿光纤(DCF).啁啾光纤光栅色散补偿(DCG)技术和光孤子通信技术做一简单的介绍、讨论。

色散补偿光纤

色散补偿光纤的基本思想是让光信号通过不同的光纤段，这些光纤段具有不同的色散。色散补偿光纤思想在1980年就已经被提出来了，然而，只有到了1990年光纤放大器的出现才加速了色散补偿光纤的发展步伐。DCF主要有两种设计:单模DCF和多模DCF。在单模DCF中，光纤的归一化截止频率V很小(V ≈ 1)，大部分光纤模式都在折射率比较小的

包层中传输，将产生D≈—l00ps/km·nm的色散，最近，色散超过一200ps/km·nm的色散补偿光纤亦已研制成功。但是，单模色散补偿光纤的损耗很高(α≈0. 5dB/km )，且由于其芯径比较小，相对地增加了入射光的功率，导致非线性失真严重。为了进免以上缺点、提出了一种新型、双模色散补偿光纤，其归一化截止频率V ≈2.5。虽然这种双模DCF与单模DCF 的损耗几乎相同，但可以增加几个量级的负色散参数(约为－770ps/km· nm },同时增加了补偿距离和补偿带宽。然而，此种双模DCF还需要一个将基模转换为高阶模的模式转换器，结构复杂，增加了一部分介人损耗。

啁啾光纤光栅色散补偿

所谓光纤光敏性就是在紫外激光作用下，纤芯折射率发生永久性的变化。利用光纤光敏性和特定曝光方法，能够形成纤芯折射率变化的周期性结构—光纤光栅。光纤光栅是在线式反射器件。

光纤光栅具有介人损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便、光谱响应特性(光谱形伏、带宽、反射率、边模抑制比》的动态可控制等特点。光纤光栅在色散补偿中的应用如图2所示.

目前流行的光纤光栅制作技术主要有两种，即全息写入技术(图3)和相位掩模写入技术(图4),

全息写人技术就是利用干涉仪形成的干涉条纹写人光纤光栅。干涉

条纹的间距就是光纤光栅的周期∧，∧=λ/2Sin(θ/2)，而光纤光栅反射波长λ=2N eff∧=2Sin(θ/2)，因此可以通过改变两光束夹角来控制光纤光栅反射波长。为了得到良好的干涉仪条纹，所用紫外激光需要保证有一定的相干长度，同时在曝光过程中精确保证整个干涉仪稳定。因此，必须仔细设计整套的干涉仪写入系统。否则，尽管这种方法使用灵活，缺乏良好的稳定性也终将导致其难以适合批里生产。

另一种常用的方法是相位掩模写人方法。相位掩模本身就是一个在石英衬底上刻蚀的光栅，通过控制刻蚀深度使衍射光的0级受到抑制，绝大部分的衍射光对称分配在±1级。±1级衍射光相互干涉产生的干涉条纹在纤芯形成光纤光栅。在实际制作中，光纤直接放置于掩模下，与掩模接近接触{near contact)。光纤光栅周期L为相位掩模板周期的二分之一利用计算机辅助集成制造系统能够克服紫外光源有限宽度的限制，并且能够灵活控制写入光栅的长度和切趾函数等参数。相位掩模写入方法对紫外激光相干长度无特殊要求，写人速度快，写人过程受外部环境的影响小，因此是最受欢迎的光纤光栅制作方法。

色散补偿调啾光纤光栅的优点是结构小巧，很容易接入光纤通信系统.然而也存在一些急需克服的缺陷，如带宽过窄、群时延非线性、额外的介入损耗及需要解决制作过程的实用化，如制作过程的可重复性、封装、温度补偿等。

光孤子通信

孤子是一种波动，其能量局限于一个有限的范围内，以一定的速度传播，且在传播的动态平衡中保持形状不变。从物理实质上讲，光孤子的形成是光纤介质的色散和非线性效应的相互补偿的平衡结果。光孤子通信系统具有以下非常诱人的的优点:

*容量大，普通光纤通信系统单信道的传输速率为几个Gb/ s,光孤子通信系统可达20Gb/s，甚至超过l00Gb/s.

*复用简单、造价低廉.

*全光通信，适用于下一代的超高速、大容盆的通信系统.

*误码率低，抗干扰能力强。

*利用非线性效应平衡色散的同时也克服了非线性效应。

然而光孤子的发展仍受下列因素的限制:

*要求放大器的间距远小于孤子周期(一般色散位移光纤，放大器间距为25一35 km)，限制了传输距离。对超高速(>100 Gb/s)通信系统，由于光孤子的周期较小，需利用分布式