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1、啁啾光纤光栅及其色散补偿啁啾光纤光栅及其色散补偿 兰涛兰涛 韩旭韩旭#主要内容主要内容色散及色散补偿技术色散及色散补偿技术啁啾光纤光栅及理论分析啁啾光纤光栅及理论分析色散补偿系统色散补偿系统#光纤的色散光纤的色散色散是信号能量中的各种分量由于在传输介质中色散是信号能量中的各种分量由于在传输介质中传输速度不同传输速度不同, , 所引起的信号畸变。引起光脉冲展所引起的信号畸变。引起光脉冲展宽和码间串扰宽和码间串扰, , 最终影响通信距离和容量。最终影响通信距离和容量。将单模光纤中模式的相位系数在中心频率附近展将单模光纤中模式的相位系数在中心频率附近展开成泰勒级数开成泰勒级数: :脉冲展宽主要因素脉
2、冲展宽主要因素#光纤通信中的色散补偿技术光纤通信中的色散补偿技术中间光相位共轭技术中间光相位共轭技术预啁啾技术预啁啾技术色散补偿光纤色散补偿光纤双模光纤色散补偿双模光纤色散补偿啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅#色散补偿光纤色散补偿光纤#1550nm波长的色散值范围波长的色散值范围-10至至2100ps/nm最小值最大值布里渊散射域值(dBm)6非线性系数(n2/Aeff)(W-1)1.4*10-9有效面积(Aeff)(um2)20最大光功率注入(dBm)23最小值最大值使用温度范围-570存储温度范围-4085环境/可靠性测试符合TelcordiaGR-2854和GR-1221标准#啁啾光纤光栅啁啾光
3、纤光栅色散补偿光纤光栅色散补偿光纤光栅主要优点：主要优点：可单通道或多通道工作可单通道或多通道工作非线性低非线性低损耗低损耗低封装紧凑封装紧凑#啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅色散补偿光纤光栅色散补偿光纤光栅啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数，而是沿轴啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数，而是沿轴向变化。不同的栅格周期对应不同的布拉格反向变化。不同的栅格周期对应不同的布拉格反射波长，不同波长的入射光在啁啾光纤光栅的射波长，不同波长的入射光在啁啾光纤光栅的不同位置反射不同位置反射图图1 1啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅#布拉格反射波长随光纤光栅的位置而变化，布拉格反射波长随光纤光栅的位置而变化，在某点在某点Z处所对应的
4、布拉格反射波长为处所对应的布拉格反射波长为：获得啁啾光纤光栅的方法有两种：一种是改获得啁啾光纤光栅的方法有两种：一种是改变光栅的有效折射率，另一种是改变光栅周变光栅的有效折射率，另一种是改变光栅周期期。#图图2 2 啁啾光纤光栅的折射率随啁啾光纤光栅的折射率随z z变化的示意图变化的示意图啁啾光纤光栅的折射率表示如下：啁啾光纤光栅的折射率表示如下：是布拉格周期，是布拉格周期， 表示折射率的相位，通表示折射率的相位，通常用来描述光栅的啁啾量。常用来描述光栅的啁啾量。#啁啾光纤光栅补偿原理啁啾光纤光栅补偿原理#理论分析理论分析光脉冲在光纤中传输时光脉冲在光纤中传输时, ,其归一化幅值其归一化幅值U
5、( z , T)U( z , T)满足下列传输方程满足下列传输方程:初始幅值为初始幅值为U(0 , T) , U(0 , T) , 经过长度为经过长度为Lf Lf 的光纤后幅值为的光纤后幅值为U( Lf , U( Lf , T) ,T) ,两者的傅里叶变换分别为两者的傅里叶变换分别为U(0 ,)U(0 ,)和和U( Lf ,) , U( Lf ,) , 则在频域则在频域中存在下列关系中存在下列关系: :#色散改变了脉冲每个频谱分量的相位，改色散改变了脉冲每个频谱分量的相位，改变量依赖于频率和传输距离。变量依赖于频率和传输距离。假定啁啾光纤光栅的复频域假定啁啾光纤光栅的复频域 ，其，其中中 和和
6、 分别为幅度和相位的响应，经分别为幅度和相位的响应，经过光纤光栅反射后的输出脉冲过光纤光栅反射后的输出脉冲光纤光栅由光纤光栅由 来调制脉冲的幅度来调制脉冲的幅度#将相位响应展开为泰勒级数将相位响应展开为泰勒级数: : 使光脉冲产生固定相移，使光脉冲产生固定相移， 使光脉冲产生使光脉冲产生群速时延，群速时延， 使光脉冲发生色散。假定使光脉冲发生色散。假定 在在脉冲的带宽内为常数，且抽出光纤光栅的时脉冲的带宽内为常数，且抽出光纤光栅的时延因子延因子#假设入射脉冲为高斯脉冲假设入射脉冲为高斯脉冲, ,脉冲宽度为脉冲宽度为 0 0 , , 则则其归一化振幅为其归一化振幅为通过长度为通过长度为Lf Lf
7、 的光纤后脉冲宽度的光纤后脉冲宽度 为为代代入入#通过光纤光栅对色散补偿后其脉冲宽度为通过光纤光栅对色散补偿后其脉冲宽度为#理想补偿的情况下，要求理想补偿的情况下，要求 通过光纤光栅的通过光纤光栅的压缩比为，即压缩比为，即MM反映了光纤光栅压缩脉冲的能力反映了光纤光栅压缩脉冲的能力#线性啁啾光纤光栅：光栅折射率调制幅度沿轴向线性啁啾光纤光栅：光栅折射率调制幅度沿轴向保持常数，而周期沿光栅轴向线性变化的光栅。保持常数，而周期沿光栅轴向线性变化的光栅。周期的表达式为周期的表达式为 对应初始波长对应初始波长 的周期的周期, C, C为啁啾系数为啁啾系数表示布拉格波长沿纵向表示布拉格波长沿纵向z z的
8、变化率，单位的变化率，单位nm/cmnm/cm#光栅的传播常数随光栅长度变化的光栅的传播常数随光栅长度变化的根据布拉格条件，反射光波的传播常数根据布拉格条件，反射光波的传播常数随空间位置的变化为随空间位置的变化为对对 进行展开进行展开啁啾光纤光栅性能啁啾光纤光栅性能增加光栅长度可以改变其性能增加光栅长度可以改变其性能#为对应光栅中心点的反射光角频率为对应光栅中心点的反射光角频率反射光频率随位置的变化为反射光频率随位置的变化为光栅两端反射的光频分量的频率间隔为光栅两端反射的光频分量的频率间隔为从光栅两端反射的光频分量的时延差从光栅两端反射的光频分量的时延差#啁啾光栅的色散量啁啾光栅的色散量对一定
9、长度的啁啾光栅，增大啁啾系数对一定长度的啁啾光栅，增大啁啾系数C C时时带宽增加，但色散量减小，为此用带宽和色带宽增加，但色散量减小，为此用带宽和色散的积来表示啁啾光栅的补偿能力散的积来表示啁啾光栅的补偿能力啁啾光栅的色散补偿能力随光栅长度的增大而啁啾光栅的色散补偿能力随光栅长度的增大而增大增大#折射率均匀调制的折射率均匀调制的FBGFBG的反射谱，除了位于的反射谱，除了位于零失谐附近的主反射峰外，其两侧有一系零失谐附近的主反射峰外，其两侧有一系列的旁瓣。反射率旁瓣的存在会严重地影列的旁瓣。反射率旁瓣的存在会严重地影响光栅的滤波特性响光栅的滤波特性CFBGCFBG的反射谱也存在旁瓣，反射带宽内
10、反射的反射谱也存在旁瓣，反射带宽内反射谱不平坦，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。切趾技术可以有效的改善光栅的性能。切趾技术可以有效的改善光栅的性能。#通过切趾技术，可以有效抑制反射谱的旁瓣，获通过切趾技术，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： 为切趾函数，常用的切趾包络函数主要有为切趾函数，常用的切趾包络函数主要有余弦、柯西和汉明函数余弦、柯西和汉明函数#余弦窗余弦窗柯西窗柯西窗汉明窗汉明窗高斯窗高斯窗布莱曼窗布莱
11、曼窗#优化啁啾光纤光栅色散补偿优化啁啾光纤光栅色散补偿啁啾光纤光栅由于带宽有限啁啾光纤光栅由于带宽有限, ,多用于补偿单波系统多用于补偿单波系统, ,但但在对系统进行改进的基础上可以实现多波长同时补在对系统进行改进的基础上可以实现多波长同时补偿色散和色散斜率。偿色散和色散斜率。#应用简介应用简介容易实现器件的小型化容易实现器件的小型化: :啁啾光纤光栅一般制作于普通啁啾光纤光栅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，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，而且几乎不受光纤非线性影响，所以附加损耗很小，而且几乎不受光纤非线性影响，啁啾光纤光栅通常对信道分别进行补偿，可以通过设啁啾光纤光栅通常对信道分别进行补偿，可以通过设计，很方便在色散补偿的同时实现色散斜率补偿，并计，很方便在色散补偿的同时实现色散斜率补偿，并且还对放大器的且还对放大器的ASEASE噪声有附加的滤波功能。噪声有附加的滤波功能。#波分复用光通信系统中的分插复用器波分复用光通信系统中的分插复用器谢谢！
