啁啾波导光栅

啁啾波导光栅

摘要：本文简述了光纤的色散以及啁啾波导光栅色散补偿原理，并简单介绍了目前波导光栅以及可调谐特性的研究现状，并对波导光栅的调谐技术进行了对比分析，最后进行总结。

关键词：色散、延时、光栅、调谐

一、研究背景

光纤光栅是一种通过一定的方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅是一种无源滤波器件，其实质是改变光纤芯区折射率，随着光纤光栅制作技术的日益成熟，利用不同的方法可制作出各种各样的光纤光栅，这些光纤光栅可以用来制作光纤激光器、色散补偿器、波长转换器、上/下话路复用器、EDFA增益均衡器等。

近年来,随着互联网业务的迅速增长，多种新型宽带业务应运而生，对宽带通信业务容量与速率的要求也越来越高。但迄今为止，商用光纤通信系统的传输速率仍被限制在几十G bit / s 以下，这从根本上阻碍了光纤通信的发展。限制光纤中光信号传输的两个重要因素是损耗和色散。损耗限制了光信号传输的距离，色散限制了通信容量。虽然损耗问题随着1990 年掺铒光纤放大器的出现得到了较好的解决，但却加剧了色散的累积，使得色散问题更加突出，因此如何有效地控制光纤色散成为国内外研究的热点问题。

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，这在波分复用系统中尤为重要。因此，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。

目前，色散补偿的技术有：1.啁啾光栅法2.预啁啾技术3.光孤子传输4.编码（DB码）5.微环、光子晶体。

1982年，F. Ouellette首先提出采用啁啾Bragg光栅作为反射滤波器实现色散补偿的理论，但直到20世纪90年代制造工艺的进一步发展才使其得到实际应用。啁啾光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、结构紧凑、插入损耗低和非线性效应小，具有对偏振不敏感等技术优势，而且可以通过应力或者温度进行动态调谐。因此光纤啁啾光栅成为了对色散进行有效补偿的器件之一。另外，光纤光栅的制备工艺也日趋成熟，短波长损耗、温度补偿封装、PMD的减小与消除以及光纤光栅的使用寿命等问题也先后被解决，因此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。

啁啾光纤光栅可以用来补偿色散，可以实现很小的器件补偿大的色散，并且最近可调谐的啁啾光栅也在被广泛的研究，可以实现对不同波长的调谐。有很好的应用前景。

二、相关原理:

（1）光纤色散：

在光纤中传输的光信号脉冲的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真即脉冲展宽。

光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。

光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，由于光纤在传输中的脉冲展宽，于是会出现脉冲与脉冲相重叠的码间干扰现象，而形成传输码的失误。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。并且，光纤的脉冲的展宽程度，随着传输距离的增长而越来越严重。因此，色散限制了光纤的传输距离。

光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。

1、 模式色散

光纤的模式色散，只存在于多模光纤中。由于每一种模式到达光纤终端时间先后不同，造成脉冲的展宽，从而出现色散现象。当折射率分布指数α=2 时即抛物线分布，其最大脉冲展宽为：

4mod 308el L n C

τ∆= L –光纤的长度

n0–光纤中心的折射率

2、材料色散

当含有不同波长的光脉冲，通过光纤传输时，由于不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，因其传输速度不同而引起的脉冲展宽，导致色散。已证明，材料色散所引起的脉冲展宽由下式表示：

m m L D λτλ∆=- 222m D d n d C λλ=-÷

Dm - 材料色散系数。

C – 真空中的光速；

n- 材料的折射率；

3、波导色散又称结构色散

它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分频率高或波长短的光线进入包层，在包层中传输，因包层的折射率低，因而传播速度大，而引起光脉冲展宽导致色散。

波导色散所引起的脉冲展宽由下式表示：12()g

g n n D V C τλ-=

⋅ Dg(V) 是阶跃型光纤的无因次色散系数，它是归一化频率V 的函数，通常Dg (V)=±0.5。

4、偏振模色散（PMD ） 单模光纤，只能传输一种基模11LP 的光。基模实际上是由两偏振方向相互正

交的模场11x HE 和11Y HE 所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，

11x HE 和11Y HE 存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间产变化的非线性

偏振；产生双折射现象，即x 和y 方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。此群延时差可用下式近似表示：

x y

p n n C τ-=

x n ，y n 分别为沿x 和y 方向偏振模的折射率。p τ的单位为：[ns/km]。

（2）啁啾光栅：

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(){1cos[()]}eff eff n z n z z πδδ=++ΦΛ

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。