光纤光栅跟其色散补偿的理论简介文档.ppt

光纤光栅及其色散补偿的理论简介 高杨 2012.10 * 信息科学与工程学院 光纤光栅及其色散补偿的理论简介 信息科学与工程学院 2012.10 引言 光纤光栅是光通信领 域发展迅速的一种器 件，其应用非常广泛 实用化的光纤光栅及由其构成的各种光器件是光通信传输系统必不可少的光器件 线性啁啾光纤光栅由于其插入损耗小、体积小、价格低廉、色散补偿量大等优点，成为色散补偿中最有效，最有前途的方法 光纤色散是光通信 向高速率，长距离 方向发展的主要障 碍，色散补偿已成 为人们研究的热点 光纤光栅的发展 加拿大通信 研究中心 用氢离子 激光束照射 掺锗光纤 使光栅的 规模制作 和重复性 成为可能 利用不同方法 制作出各种各样的 光纤光栅 首个 光纤光栅 横向侧面 曝光法 相位 掩膜法 制作技术 日益成熟 1978年 1988年 随后 90年代以后 使光纤技术获得进一步发展 应用 优点 概念 光纤光栅的应用 应用 激光器 其他应用 EDFA 掺铒光纤 放大器 光通信 传感器 色散补偿 脉宽压缩 波分复用/ 解复用器 上/下话路 复用器 、滤波器 光纤光栅在光通信中的应用 闪耀型光纤光栅 相移光纤光栅 超结构光纤光栅 啁啾光纤光栅 升余弦变迹 光纤光栅 均匀光纤光栅 高斯变迹 光纤光栅 按光纤光栅的波导结构分类 均匀光纤光栅是最普遍的光纤光栅，其光纤周期和折射率调制深度均为常数，光栅 波矢方向和光纤轴向方向一致，折射率调制方程为： 它是一种性能优异的窄带反射滤波器，具有较高的反射率。在光纤激光器，光纤通 信及光纤传感领域具有广阔的应用前景。 啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数，而是沿轴向变化，最常见的啁啾光纤光栅是线性啁啾光纤 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： 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。 均匀光纤光栅 啁啾光纤光栅 均匀光纤光栅折射率调制波形 啁啾光纤光栅折射率调制波形 图1 均匀光纤光栅与啁啾光纤光栅折射率调制波形 现有光纤通信网要求 提高传输速率 增加中继距离 扩大容量 限制因素 限制传输速率的提高 光源啁啾和光纤色散 限制中继距离 光纤的损耗 限制扩容 光纤的损耗和色散 色散是光纤的传输特性之一。光信号在光纤中传输因其 不同频率或不同模式成分的群速度不同而引起色散。 因此，色散反应了光信号沿光纤传播时的展宽。光纤的 色散现象对光纤通信极为不利。它使得光信号脉冲展宽、 强度下降，从而增加误码率，影响通信质量。光纤数字通 信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导 致了脉冲与脉冲之间发生重叠现象，即发生了码间干扰， 从而形成传输码的失误，造成差错。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。另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，也必须 减小中继距离以保证通信质量。 色散现象对光纤通信的影响 掺铒光纤放大器的出现使得光纤损耗的影响变得次要， 色散便上升为首要限制，因此色散补偿已成为光纤通信 实现超长距离、超高速传输的关键问题之一。 如今全球已经埋设的单模光纤大多是 一阶色散零点位于1.31um波长处的 常规单模光纤，由于1.55um是石英 光纤3个低损耗窗口中损耗最低的一个， 在此波长处常规光纤的色散系数约为 17ps/(nm.km)，因此色散问题更显突出。 为消除光纤中的色散， 人们提出过许多色散 补偿的方案，上面提 到光纤光栅的一个重 要应用就是用作色散 补偿器。 色散补偿方法 负色散光纤补偿法 啁啾光纤光栅法 频谱反转法 预啁啾技术 光孤子传输 光纤的色散补偿 光纤光栅色散补偿性能的理论和实验研究 Lam等提出利用 均匀光纤光栅的 特性进行信号的 补偿 1982年 各种函数形式的 变迹光纤光栅出 现。经过变迹后 的光纤光栅，可 以很好地消除反 射带隙外振荡 带来的影响 变迹技 术发展 F.Ouellette提出 利用线性啁啾光 纤光栅进行补偿 的理论模型，并 且指出均匀光纤 光栅进行补偿的 缺陷 1987年 人们进行了深入 的研究，并且利 用光纤光栅实现 了光脉冲的压缩 此后 提出对光纤光栅 进行优化设计， 从而得到性能更 优的光纤光栅， 最终获得理想的 补偿效果 后来 国外 在光纤光栅的光学特 性、变迹函数、优化 设计、色散补偿、脉 冲压缩等方面取得了 一定的成果 对线性啁啾光纤 光栅两个基本光 学特性做了理论 研究 光