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1、北京交通大学硕士学位论文基于莫尔光栅的DWDM色散补偿器的设计姓名：邢玉俊申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：裴丽;江中澳20050301摘要D w D M 技术的不断发展使得单椴光纤中传输的光波遒数目和单波道的速率不凝瓣提高，对D W D M 系统申的色散零 偿阏题摅鑫了更毫煞簧袋。要求毙撩其寿较宽翡李 嫠带竟，嚣瓣斡缮多个紧密排列的不同中心波长信道的魏散；要求光栅具备甑散斜率补偿和色散可调谐补偿能力。目前用乎色散补偿的光纤光栅大多为窄带的啁啾光纾光栅，要实现D W D M 系统宽带的多傣道色散枣 偿敢逶豢瓣 薮濠怒将且拿不同孛心波长瓣蹩援缀联。然嚣姿攀根光纤中传输的D W D
2、 M 标准波长的数目比较大时，这种靠级联许多根窄带啁嗽搬纤光栅来实现多储遒色散补偿的做法变得不可取。改进光栅的写入技术，在同一根光纤上依次写入不同的光栅，可竣使光栅具有多德道反射谱特性秘辩延特性。这释多傣遴毙摆( 舡函蛞一e h m e lg 撼i n g s ) 与逶遘不穗巾心波长毙疆级联褥形成豹光栅具有相似的特性。但是，相比之下，多信道光栅具有甄高的稳定性，更低的搅耗。线性啁啾冀尔光栅是一种多信道光掇，它是一种余i 客切趾戆线缝餐彀毒拉戆您褥，毽是在甄令余S 蓑毽络之瘸舂帮戆穰移。正是由于这种特殊酌折射率结构，使得线性莫尔光栅具有遴续多中心波长的反射谱特性，并且不同反射谱有相同的时延特性。
3、用于反射时，莫尔光栅鼹示了良好的多倍嫩时延特性。因此，设计良好戆线挂莫尔巍撵在D w D M 系统鹣魏数於偻孛具有潜在茨痉懑。缀乡有文献辩这一阚蘧进行详绷拘论述。本论文韵燕疆琶的就是设计这样一种基于线性奠尔光栅的I n J T 标准D W D M 波长色散补偿器。北京交通大学硕士学位论文第1 章绪论第董章绪论l 。l 光纤通信发展历程光纤通信正作频率为1 0 1 4 H z 数量级，比微波的工作频率高1 0 4 l 扩镣，理论上英逶蕊客爨毙徽波蠢l 扩1 0 5 倍，爨戮翘蔼毙波滋抒通信一直是人们努力追求的目标。从上个世缌6 0 年代褒今，光纤通信技零取褥巨大鲍发展耪进步。越是基于必绥逶售爨提
4、供毂巨大戆廉价通信容量，现代信恩社会才得以蓬勃发照。可以畿不夸张的说，光纾逶信是现代通信和傣惠社会的基石。光缍透信技零毂发展方兴未艾，光纤通信从传统的骨干网上的单纯的光传输扩瑕剜光交换、光接入，全光通信时代疆在到来。光纾通信缒发展掰稚是入稻不断认识党纤基本特性的过程。光纤的传输损耗、色散和非线性是光纤通信在发展过程中遇到的三大难题“。走绛传赣蒺糕是人类最荦谈溪嚣巍纾特毪，经过死十年不懈的努力，蠲前对从光纤本身降低损耗的问题已经遮到了极限。嚣懿戆毙绎毒终援本已缀霉疆是l 。3 8 觏楚豹醒啜毅蜂基本游失，使得1 3 l ，删和1 5 5 ，删两个通信窗口连通，形成一个：i 黩4 0 0 纳米的竞
5、纾损耗区域籽1 ，这一嚣域基本土覆盖了S 波段、c 波段和L 波段可供光纤利用的整个窗口。掺铒光纤放大器( E D F A E r b i 啪D 峥D e dF i 融A m p l i 螽嚣) 稳拉曼教大器( R A R a 氆a nA m 翻蘸e r ) 翡磷翻藏功m 舶，便波长放丈范围扩殿到了1 2 9 2 至1 6 6 0 坩删的波段，基本上覆盖了这4 0 0 删戆纛损耗波段。雳黻在我竞遴傣孛，援裁霾蘧己缀基甏京交惩夫学硬士学位论文第l 黎绪论本解决，损耗不樽怒限制光通信系统性能的主要因素。现有的D W D M 传输系统速率越来越高，单信道传输速率达到钧G ，单绎速率遮翻l 虹暂s 鞋
6、上强。陡繁竞露酸速率鹣援褰，走瑟冲越来越窄，频谱藏度越来越大，戮黼龙纤色散将使脉冲滕宽和畸变，产生码间干扰“ 。导致接收机误粥率的增加，严重阻碍了光纤高速系统的发展。在克服光纤色散方顾，人们做了很多努力。普通单摸光纾G 6 5 2 冀零色散波长在1 3 l 埘 处，在蟊蓠光纾遥信广泛1 5 5 0 弹掰波长处肖大约1 7 筇，乔m 赫酌色散，这一色散豹存在给1 5 5 0 聊z 窗口处开通长距离的高速光纤通信系统带来了很大的困难。人们自然想到将光纤的零色散点位移捌1 5 5 0 聊l 处，以消除其色散嬲影姨。毽本曹先磅戳处这耱色散使移必纾( B s F s p e r s l 熊簸i 娥F i
7、 b c r ) ，并在垒国藏灞蠹广泛瘦廷。毽怒疆着D w D M 投零豹发震，在一根光纤中传输的波长信道数越来越夥。由于多波长通道的传输，在光纤截面上的脊效功率密度剧增，非线性问题对D w D M 系统性能的影响变得很突出。光绎熬线绞效应主要毒：嚣波混菝( F w M 笋。辩W 鑫v eM i x i n g ) 、自相位调制( S P M - S e l F p h a s eM o d l I l a d o n ) 、置翱位调制( x P M - c r o s s - p h a s eM o d u I a t i o n ) 、布照渊散射( s B s 。s t i 黼I I a
8、 t e dB r i l l o t l i ns c a n e r i I 培) 、喇曼散射( s R s - s t 赫u l a l e d 蛐a I ls c a t t 刚n g ) 等。其审最突出的是露液漉颇效应。霆波混颓效应表瑗为：秀令镶号波长强嚣线性作霜下将产黛疆令波长。这嚣鬻褰易在D W D M 系统的信道间产生串话干扰以及肖效功率的消耗。增大光纤的有效截面积可以降低芯区的光功率，从简可以在一定程度上缓解非线性效应的作用：理论鞠实践又证明，一定爨色散的存在可以抑涮非线性效应的产嫩。所鞋2弛索交逯式学硬学往论文蘸 案罐论从这两个方面出发，人们提出了一种折中方案：即将光纾的零
9、色散点偏离1 5 5 删窗口使之在1 5 5 坤波长处抟色散不为零，约又2 6 琳，瑚1 翩骛琶教。予是先嚣窭溪了Q 6 s 5 A 竞纾移G 6 5 5 释先纾蛄1 。但是G 6 5 5 光纤在1 5 5 朋，波长处的色散德比较小，并不能非常有效的抑制非线性效应，所以在G 6 5 5 光纤上歼邋波道间隔为5 0 G l l z 的w D M系统仍然具有一定的阑难。在全球藏阑内浅范铺设豹骛邋单模光纾& 6 5 2 在1 5 5 0 删簸露大约1 7 群，聊# 翩的色散，霹谬蠢效蠡奄箨割菲线性，从而可以开通波道间隔为5 0 G 】嗽的W D M 系统。其骚通过合理的色散补偿技术，在现有的G 6
10、5 2 光纤上开通大容量的黼速度的光邋信系统没有问题“ 1 。1 2 光纤色散补偿技术回顾现有的色散於偿技术主要蠢：色散补偿光纤( D 钟国l s 跚s 诗nC 德攀e 珏鼹硅髓F i 酶r ) 、稠彀蠢绎竞糖( C 踣C h 幻西F i b e rB 雄g gG 僦n g ) 、激光预稠瞅、中点光谱反转技术、光孤子通信、色散支持传输( D s T - D i s p e r s nS u p p o 出dT r a n s 械s s i o n ) 、正负色散做移光纤交豁传输等【“一3 1 。术瓴散 F 偿量有线，只静在脉冲传输的初始阶段起到一定懿转动终雳，农长距离簧赣落号般大惹不起终鼷；孛
11、杰漤反转法对于单一波长高遮搬纾遥信系统色散补偿非常有效，但是对予w D M系统，频谱反转技术于w D M 标准波长体系存在矛盾，并n 在系统中凭法实现上下话路；为了保证光孤子传输，放大器的间隔必须小于孤子周期。若传输速度进一步提高，则党疆予周裳下降到只鸯足公里，匏窳交逶大学疆圭学秘论文籀l 肇缝论单引入放大器的造价就非常昂贵。同时光孤子传输在脉冲很窄时高阶饿散和高阶非线性散殿对光孤子通信系统带来的影响非常不利1 8 】；色散支跨菝术哭逶戍与格弱纛弱点传狯，不戆在砖臻孛实现上下话藏，并且对系统发射概和接收瓤兹参数羧求十分严格，不其备横向兼释性；采用正负交替D s F 进行长距离传输时，四波混频(
12、 F W M ) 和交叉相位调制( x P M ) 对系统的影响比较大【1 4 l 。以上几种色散补偿方法存在这样或者那榉鹣缺陷，缀难在实鼯的光绎传输系统中粪至E 的实溺纯。弱羲最蔽熬鹣懋纾色散毒 楼按拳必魏效毒 嫠竞纾( D 簖) 帮羁啾光纤光栅( C F B G ) 。色散补偿光纤越一种具有较大负色敝系数和负色散斜率的特殊光纾。按照其工作艨理的不同，色散补偿光纤可以分为单模色散李 偿瓷纾窥驳模色数孝 馁巍绎嚣秘基本类羹。攀模色数李 嫠巍纾熬基本藤瀵是在纤芯使用商辑射率差或者多包瑟以增强三只，模的负波导色散。被模色散补偿光纤的熬本原理是将三R 1 模变成三日。模，色散补偿后再激五墨，模变为厶
13、模。妇予模式变换复杂，所殴双模D c F 强实际中比较少羯弼。采趸色数枣 谣先野c F ) 遴行氇散脊谣豹愚戆攀在1 9 9 0颦就被提出，但是，盛别光纤放大器发明以厨，色散补偿光纤才受到了广泛的重视和研究。由于色散补偿光纤的产品比较成熟、性能稳定、不翁受温度等外界环境的影响及很宽的工作带宽等酶点，色教孙僚光野液了嚣蘸最实露懿转色数蛰缮方法之一劳褥翼了广泛戆磷究。0 F c 2 l 上，日零N E c 报道了总的传输容量为1 0 9 2 T b ，s 的传输系统就是利用D C F + P S C F ( P u r eS i l i c aC o F i b e r ) 十I u ) F 限e
14、 v e r s e dD i s p e r s i o nF i b e r ) ，实现了s + C + L 波段、4 0 G b ，s 光信号的1 1 7 k m 传输4北京交通大学硕士学位论文第l 章绪论【l s 】。虽然D C F 得到广泛的应用，但是用其来补偿色散还存在大量的问题：插入损耗大、低色散和色散斜率不匹配的缺陷、造价昂贵等。目前除L ，u c e m 公司最新推出的c 波段和L 波段特殊设计的色散补偿光纤来对其生产的G 6 5 2 光纤和G 6 5 5 ( T r u e W a v eR s ) 光纤可实现色散和色散斜率的同时补偿，大多数DcF 的色散斜率不能与G 6
15、5 2 光纤或G 6 5 5 光纤完全匹配，当某个波长的色散得到完全补偿时，在其余波长就会形成残余色散，且总的残余色散随传输距离的增加而加大并且由于DcF 引入的插入损耗，还需改进EDFA 的性能与结构，增加成本1 们。光纤光栅就是光敏光纤在选定波长光照射后形成的折射率呈固定周期性分布的一种无源光器件。其色散补偿原理如下图l l 所示：图l 一1 光栅的色散补偿原理图1 所示为啁啾光纤光栅，其谐振波是光栅位置的函数，不同波长的光在光栅的不同位置反射，因而不同波长的光在光栅中所经历的时延不同。通过环形器，将光从光栅的长周期端入射，则长波长在光栅中经历的时延小余短波长在光栅中所经历的时延，该时延于
16、光纤传输时造成的时延正好相反，二者引入的时延差相互抵消，使脉冲得以恢复。图l 一2 是一个光纤光栅的反射谱和时延曲线，可以看到在光栅反射带宽范围内，光栅的时延曲线基本上为一条直线，其斜率就是该光纤光栅所补偿的色散量。北京交通大学硕士学位论文第l 章绪论图1 2 光纤光栅的反射谱和时延曲线啁啾光纤光栅与现有光纤系统兼容性好，具有较低的传输损耗和插入损耗，色散补偿量大，能够实现光纤色散和色散斜率的同时补偿，价格低廉，易于大批量生产。因此啁啾光纤色散补偿器被公认为具有良好前景的色散补偿方案f 1 7 J ，尤其将光纤光栅用于补偿现已经大规模铺设的G 6 5 2 光纤的色散更显示出其巨大的经济价值。当然啁啾光纤光栅补偿色散也有其固有的不足：温度漂移、时延波纹、光功率波动、包层模附加损耗大以及色散补偿带宽比较小等【8 j 。这些是啁啾光纤光栅实用化过程中必须解决的几个问题。随着D w D M 技术的不断升级和广泛应用，对光栅色散补偿提出了新的要求。要求光栅具备较大的色
