光纤通信系统中的可调谐色散补偿技术

光纤 通 信 系统 中的可调 谐 色 散补 偿 技术
贾大 功 ， 强 ， 郭 马彩 缤 ， 张红霞 ， 李 岩， 赵 振
（ 天津大学精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术科学教育部重点实验室 ， 天津 ３０ ７ ） ００ ２
摘
要： 对于 高 比特 率 的光纤通 信 系统 ， 由温度或 功率 变化 导致 的色散 波动高 于 系统 的色散容
ｌ ６
激 光 与 红 外
第 ４ 卷 １
备 动态可调谐 功 能才能适 应下一 代光通 信 网发展 的
需要。
线性 变化 的应 力或 温 度 。对于 非 线性 啁啾 Ｆ Ｇ， Ｂ 由
于其不 同波 长处 的 Ｃ Ｄ值 不 同 ， 其 施加 均 匀 变 化 对
的应力或 温度会 使 Ｃ Ｄ曲线 向长 波长 或短 波 长方 向 平移 ， 而引起 给定 波 长处 Ｃ 从 Ｄ值 的变 化 。 理想 的色散 补偿器 要求在 较宽 的补偿频 带 内有 线性 的时延 特性 。啁啾光 纤光栅 虽能 在较宽 的频带
ｂ ｅ ｙ． ｉ ｌ ｒ ｆ
Ｋｅ ｒ ｓ： ｈ ｏ ｔ ｉｐ ｒｉｎ；ｕ ａ ｌ ｉｐ ｒｉ ｎ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｎ ｆ ｅ —ｐ ｉ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ｃ ｒ ｍａｉ ｄ ｓ ｅ ｏ ｔ ｎ ｅ ｄ ｓ ｅ ｏ ｏ ｅ ｓ ｔ ； ｂ ｒｏ ｔ ｃ ｍｍｕ ｉ ａｉｎ ｃ ｓ ｂ ｓ ｏ ｉ ｃ ｎｃｔ ｏ
基金项目： 国家 自然科 学基金项 目（ ｏ ６５ ７ １ ） 天津市 自然 Ｎ ．０ ７ ０ ３ ； 科学基金（ ｏ０ Ｊ Ｙ Ｊ０ ３０ ； Ｎ ．９Ｃ Ｂ Ｃ １０ ） 深圳市传感器技术重点实验室开放
基 金 （ ． Ｓ ２０ ０ ） 助 。 ＮｏＳＴ ０ ９ ９ 资
高速光纤通信系统的主要 限制 因素¨ 。通常 ， 光 纤通信 的色散容量会随着系统传输速率的增加而急
中图分类 号 ：Ｎ ２ ． １ Ｔ ９９ １
文献标 识码 ： Ａ
Ｔｕ ａ ｌ ｉｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｍ ｐ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ｐ ｉ ａ ｂ ｒ ｎ ｂ ｅ ｄ ｓ ｅ ｓｏ ｏ ｅ ｓ ｔｏ ｎ ｏ ｔｃ ｌｆ ｅ ｉ ｃ ｍ ｍ ｕ ｉａ ｉｎ ｓ ｓｅ ｏ ｎ ｃ ｔｏ ｙ ｔ ｍ
１ 引 言
光纤 法 ， 光纤布 拉格光 栅补偿 模块 法 ， 源预 啁啾法 光
随着 人 们对 通 信带 宽 需求 的迅速 增 长 ， 光纤 通 信 骨干 网上单通 道传 输 速 率 一直 在 朝 着 高速 率 、 大
容量 和长距 离 的方 向发 展 。而光纤损 耗 和色散 的存
等 。但 是 固定 补偿 后 传输 系 统 的 累 积 色 散 还 有 残 余， 对于 色散容 纳能力 小 的高速 系统 ， 系统对 于 探测 累积 色散 的微小 波 动非 常 敏感 ， 因此 即使进 行 了完 善 的静态 色散补 偿 ， 难 以保 证 系 统 的性 能 。 因此 也
切趾 的方法解决 上述 问题 。虽 然均匀 光栅 已经被用 于Ｃ Ｄ补偿 ， 由于其截 止频带 （ 带宽 ） 相对较 窄 （ 常 通
虚像 相位 阵列是 一种可 对正 负色散进 行宽带 补
偿 的器件 。它使 用 微透 镜 技术 和角 色散 原 理 ， 不 使 同的波 长 的光 传 输 不 等 的 距 离 ， 现 要 求 的群 延 实
ｐ ｎ ａｏ ｓ ｈ ｖ ｅ ｎ ｄ ｍｏ ｓ ａｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｓ ｃ ｓ Ｃ Ｂ Ｖ Ｐ Ｇ— ｔｒ ｒ ｍｅｅ ， Ｗ Ｇ ｎ Ｌ Ｔ ｅ ｏ ｅ ａ・ ｅ ｓ ｔｒ ａ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ｔ ｔｄ ｉ ｓ ａ ｅ ，ｕ ｈ ａ Ｆ Ｇ， Ｉ Ａ， Ｔ ｉ ｅｆ ｏ ｔｒ Ａ ｒ ｈ ｎ ｅ ａ ｄ Ｐ Ｃ． ｈ ｐ ｒ ｔ ｉ ｇ ｐ ｎ ｉ ｌ ｎ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉｓｏ ｅ ｅ ｔｃ ｎｑ ｅ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ａ ｄ ｔ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｅ ｄ ｏ ＤＣ ｒ ｓ ｉ ｕ ｓ ｄ ｎ ｒ ｃｐ ｅ ａ ｄ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｆ ｈ ｓ ｈ ｉｕ ｓａｅ ａ ａ ｙ ｅ ， ｎ ｅ ｅ ｏ ｉｇ ｔ ｎ ｆ ｉ ｉ ｃ ｔ ｅ ｈ ｒ Ｔ ｓａ ｅ ａ ｏｄ ｓ ｓ ｅ ｌ ｃ
剧减 小 ， 因此 高 速 系统 的色散 容 纳 能 力相 当小 。 目 前， 已经存 在许 多成熟 的 固定 色散补 偿方法 ， 于补 用 偿 光纤通信 系统 中大范 围的 固定 色 散 ， 色散 补 偿 如
作者简介： 贾大功（ ９ ２一）男 ， 士， １７ ， 博 副教授 ， 研究方向为光互 连， 光通信 ， 光纤传感和光电检测技术 。 收 稿 １期 ：０００ －２ 修 订 日期 ：０ ００ ￣８ ３ ２１－ ０ ； ９ ２ １ －９
第 ４ 卷 第 １期 １
２１年 １ ０１ 月
激 光 与 红 外
Ｉ Ｓ Ａ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖ０ ． １． ． １４ Ｎｏ １
Ｊ ｎ ａｙ， ０ １ ａ ｕ ｒ ２ １ ．
文章编号： ０— ７ （０１０－ １－ １ １ ０８２ １）１ ０５ ８ ０ ５ ０ ０
・ 综述 与评 论 ・
迟
。借助使 用 凸透 镜 或 凹 透镜 ， 既可 以对 负 色
小于 ０ １ｎ ， ． ｍ） 因此不 能用于高 速 系统 。
啁 啾 Ｆ Ｇ 的 截 至 频 带 相 对 较 宽 。 由于 啁 啾 Ｂ
散 进行补 偿 ， 可 以对 正 色散 进 行 补偿 。其工 作 原 也
理 如 图 １所示 。
Ｆ Ｇwenku.baidu.com光学周 期 Ｂ
沿 光 栅 长 度方 向变 化 ， 得 布 使
拉 格波 长也沿光栅 长 度 方 向变 化 ， 因此入 射 光脉 冲 中的不 同频 率分 量在光栅 的不 同位置被 反射 。实际 上， 啁啾 Ｆ Ｇ的截 止频带 可 以看 为光栅 不 同位置 上 Ｂ
许 多小 截止频 带 的叠 加结 果 ， 些小 截 至 频带 随 布 这
脉 冲传播方 向线性增 大 （ 布拉格 波 长增 大 ）则 输 即 ，
入 光脉 冲的低频 分量 延 时 比高 频分 量 大 ， 即产生 反 常色散 。反之 产 生正 常 色散 。设 为光 波在 长 度
从 单模光 纤 出射 的入射 光经准 直透镜 准直后 再 经半 圆柱镜 聚焦到玻 璃平 板上 。玻 璃平板 的入射 面
ｄｓ ｒｉ ｕ ｔ ｔ ｎ ， ｎｂｅｄ ｐｒｏ ｏ ｐ ｎａ ｒ （ Ｄ ｓ ｒ ｎｅ ｅ． ａ ｏ ｓｙｅ ｆｕ ａｌ ｄｓｅｓ ｎｅｍ ｉ ｓ ｎｆ ｃ ａｉ ｓｔ ａｌ ｉ ｓ ｎｃｍ ｅ ｓｔ ｅ ｐ ｏ ｌ ｕ ｏ ｕ ｓ ｉ ｅ ｏ Ｔ Ｃ ）ａｅ ｅｄｄ Ｖ ｒ ｕ ｐｓ ｎ ｅ ｉ ｒｏ ｏ — ｓ ｉ ｔ ｏｔ ｂ ｐ ｉ
３ 虚像相位阵列 （ｉｕｌ ｒ ｅ ｈｓｄａ ａ ，ＩＡ） ｖ ｔａｙｉ ａ ｄｐ ａｅ ｒ ｙＶＰ ｒ ｌ ｎｇ ｒ
用于 Ｃ Ｄ补偿 需 要 用其 透 射 光 。然 而 ， 以下 原 因 阻 止 了普 通 均 匀周 期光 栅 用 于 Ｃ Ｄ补 偿 ： 光 栅 的 三 ① 阶色散 ； ②在截 止频带 周 围 ， 光栅 的透射谱 具有很 严 重 的抖 动 （ａｉ ｖｒ ｔｎ）③ 透 射率 降低 。 可通过 ｒｐ ａｉｉ ｓ ； ｄ ａｏ
拉 格波 长的变 化 而 改 变 。如 果 光栅 的周 期 沿 光
图 １ 虚 拟成 像 相 位 阵 列 进 行色 散 补 偿 的 原 理 图
Ｆ ｇ １ ｓ ｈ ｍａｉ ｉ ｇ ａ ｏ ｙ ａ ｃ ｌＣＤ ｃ ｍｐｅ ｓ ｔ ｎ ｉ ． ｃ ｅ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｄ ｎ ｍｉ ａ ｏ ｃ ｎ ａｉ ｏ ｂ ｓｄ ｏ Ｐ ａ ｅ ｎ ＶＩ Ａ
Ｊ ａｇｎ ， Ｕ ｉ ｇ ＭＡ Ｃ ｉ ｉ， Ｈ Ｎ ｏ ｇｘａ Ｌ ａ ， Ｈ Ｏ Ｚ ｅ Ｉ Ｄ —ｏ ｇ Ｇ Ｏ Ｑａ ， ａ ｂｎ Ｚ Ａ Ｇ Ｈ ｎ —ｉ，Ｉ ｎ Ｚ Ａ ｈｎ Ａ ｎ － Ｙ
（ ｅ ａｏａ ｒ ｆ ｐｏｅ ｃ ｏ ｉ ｆｒ ｔｎａｄＴ ｃｎｃｌ ｃ ｎｅ Ｍ ｎｓ ｆ ｄ ｃｔ ｎ Ｋ ｙＬｂｒｔ ｙｏ ｔ—ｌ ｔ ｎｃ Ｉ ｏ ｉ ｎ ｅｈ ｉ ｉ ｃ ， ｉｉｒ ｏ ｕａｉ ， ｏ Ｏ ｅ ｒ ｓ ｎ ｍａ ｏ ａＳｅ ｔ ｙ Ｅ ｏ Ｃ ｌｇ ｆ ｒｃ ｉ ｓｕ ｅｔ Ｏ ｔ— ｅｔ ｎ ｓＥ ｇｎｅ ｎ ；ｉ ｊ ｎｖｒｔ，ｉ ｊ ００ ２ Ｃ ｉ ） ｏｅｅｏ ｅｉｏ Ｉ ｔ ｍ ｎ ＆ ｐｏ ｌｃ ｏｉ ｎｉｅｒ ｇ Ｔａ ｉ Ｕ ｉ ｓｙＴａ ｉ ３ ０７ ，ｈｎ ｌ Ｐ ｓｎｎｒ ｅ ｒ ｃ ｉ ｎｎ ｅｉ ｎｎ ａ
的振荡性， 反射谱存在较多的旁瓣 ， 必须用切趾方法 抑制 反射谱 中 的旁瓣 ， 少 时延 的振 荡性 』 减 。钟形 的切趾包络函数在光栅中心位置的耦合系数最大 ， 两端逐 渐减 小 ， 使得 光 栅 的本 地 布 拉 格反 射 波 长 的 旁瓣 减小 ， 而减小 时延 的振荡性 。 从
（） １
２ 温度或 应力调谐 型啁 啾光纤 光栅 （ Ｆ Ｇ） ＣＢ Ｆ Ｇ可被看 作一 个光滤 波器 ， Ｂ 入射 光在 Ｆ Ｇ 的 Ｂ
截止 频带 （ｔ ｂｎ ） 围内被反射 ，ｔ ｂｎ ｓ ｐ ａｄ 范 ｏ ｓ ｐａｄ的中心 ｏ
波长称 为布拉 格波 长 ， ： 有
Ａ ＝
・
内提供 较大 的线性 群 速 度色 散 ， 其 时延 存 在很 大 但
在则 限制着 信号 的高速 率长距 离传输 。低 损耗光 纤
和掺饵光纤放大器 （ Ｄ Ａ 的成熟有效地解决了高 ＥＦ ）
速光 纤通信 系统 中的损 耗 问题 ， 因此 色 散成 为 当前
为了保证高速通信系统 的信号传输质量， 必须对动 态变 化 的残余色 散 进行 补 偿 ， 散补 偿 单 元必 须 具 色
限。 因此 ， 色散 补偿 单元 必须 具 备 动 态 可调 谐 功 能才 能 适 应 下 一代 光 通信 网络发 展 的需 要。 本 文介 绍 了几 种 动态可调 谐补偿 技术 的基本 原理 性 能特 点及 其 国 内外研 究 情况 ， 中包 括 啁 其
啾光 纤光栅 法、 虚像 相位 阵列 法、 Ｇ—Ｔ干 涉仪法 、 阵列 光 纤光栅 法和平 面 光 波 导法 ， 并且 简 要 讨论 了可调谐 色散补偿 技 术今后 的发展 方 向。 关键 词 ： 色散 ； 可调谐 色散 补偿 ； 光纤通 信
其 中 ， 有 效 折 射 率 ； 为 光 栅 周 期 。Ｆ Ｇ用 于 ｎ为 Ａ Ｂ
Ｃ Ｄ补偿 可分为均 匀周期 Ｆ Ｇ和啁啾 Ｆ Ｇ两 种 。 Ｂ Ｂ 根据耦合 模理论 ， 均匀 周期 Ｆ Ｇ 的截 止 频带 内 Ｂ 色散 为 ０ 只在截止 频带外 引人色 散 ， ， 因此 均匀 Ｆ Ｇ Ｂ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｉｈ ｂ ｎ ａｅ ｏ ｔ ａ ｏ ｓ ｒ ｃ ：ｎ ｈｇ ａ ｄ ｒｔ ｐｉ ｌ ｍｍｕ ｉａ ｉｎ ｓ ｓ ｍｓ ｓ ｃ ｓ４ ｐ ｙ ｔｍ， ｉｐ ｒｉｎ ｆ ｃｕ ｔ ｎ ｃ ｕ ｅ ｙ 【 ｃ ｃ ｎ ｃ ｔ ｙ ｔ ｕ ｈ ａ ０ Ｇｂ ｓ ｓ ｓｅ ｄ ｓ ｅ ｓ ｕ ｔ ａｉ ａ ｓ ｄ ｂ ｏ ｅ ｏ ｌ ｏ ｆ ｃｏ ｕ ｈ ａ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｃ ａ ｇ ｎ ｏ ｒ ｖ ｒａｉ ｎ ｉ ｂ ｙ ｎ ｈ ｉｐ ｒｉ ｎ ｔ ｌｒ ｎ ｅ Ｔ ｏ ｅ ｓ ｔ ｏ ｈ ｓ ａ ｔ ｒ ｓ ｃ ｓ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｈ ｎ ｅ ａ ｄ ｐ ｗｅ ａｉ ｔ ｓ ｅ ｏ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓ ｅ ｓｏ ｏｅ ａ ｃ ． ｏ ｃ ｍｐ ｎ ａｅ ｆｒ ｔ ｅ ｅ ｓ ｏ