（通信与信息系统专业论文）光纤的色散和色散补偿研究.pdf

摘要 光纤通信网以空l m 巨大的容量奠定了人类迈进信息社会的基石。随看光纤传输损 耗问题的基本解决，光纤色散和非线性问题随即成为发展高速、大容量光通信系统的 主要障碍。由于光纤的色散能够有效抑制四波混频等非线性效应，因此对光通信系统 进行升级扩容的关键将集巾体现在色散问题上。改变光纤的零色散点是一个折中方案， 但不能从根本上解决问题。究竟采取何种技术和手段才能经济有效地解决光纤色散问 题，是目前国际光通信领域的主要研究热点之一。1 本文着重研究了光纤的色散和色散补偿问题，分析阐述了在g 6 5 2 光纤j ：成功实 现4 x 1 0 g b s4 0 0 k m 和8 0 0 k m 传输的色散补偿传输系统。获得创新性成果如下： 深入研究了各种光纤的色散特性，得出了对实际工程具有重要意义的结论。 g6 5 2 光纤的大色散可有效克服包括四波混频效应的各种非线性效应，通过光纤光栅 色散补偿，完全能够实现通道间距为5 0 g h z 的w d m 系统传输；g 6 5 5 光纤在长距离 的高速通信系统中仍需进行色散补偿，且很难实现通道间距为5 0 g h z 的w d m 系统。 经测试表明，温度范围山4 0 。c 6 0 变化时，d c f 、g 6 5 2 光纤和g 6 5 5 光纤在s 波段、 c 波段和l 波段的色散和色散斜率的变化不大，首次给出了色散补偿元件在室内恒温 条件下的色散补偿效果具有野外适用性的结论性依据。指明色散斜率不匹配是现有d c f 用于色散补偿的一大缺陷。 运用耦合模理论刘光纤光栅的光谱特性和时延特性进行了研究。从时域和频域 两个方面分析了高斯脉冲经过啁啾光纤光栅反射后的传输特性，分析了外加应力作用 下光栅各种参数的变化情况，研究了不同折射率调制程度、光栅切趾、相差等子结构、 光纤光栅掩膜板质量等对光纤光栅反射谱和时延特性的影响，为制作满足d w d m 实 际应用的光纤光栅得出有重要意义的结论。 设计了高精度扫描移动平台和光纤高压氢载等装置，探索和优化了光纤光栅的 制作过程，研制了满足i t u t 建议波长的光纤光栅 制作的光纤光栅反射谱功率波动 小于l d b ，最低者达到0 1 d 3 ；时延波动小于2 0 r l s 甚至可小于1 2 p s ：包层模损 耗小于o 5 d b ；用特殊材料封装后，其温度特性可降至o 0 0 0 5 n m ；偏振模色散小于 l p s 。1 成功实现4 x 1 0 g b s4 0 0 k m 普通单模光纤传输系统的色散补偿，最佳功率代价为 负值，居国际领先水平。 成功实现4 1 0 g b s8 0 0 k m 普通单模光纤传输系统的色散补偿，功率代价均小于 2 d b 。这一实验结果超过了i t u t 建议光通信系统无光电中继只能传输8 2 2 d b 距离 的标准，取得了突破性进展。 首次对光纤光栅色散补偿实现4 x1 0 g b s8 0 0 k m 光纤传输系统的偏振模色散进 行了长时间的监测。测试结果表明，对1 0 g b s 传输系统，p m d 对系统的影响不大， 无须进行p m d 补偿。因此提出1 0 g b s 的光通信系统较为适合日t i f f 我固国情，尤其足 符合西部地区光通信网建设的要求。 关键词：长距离光纤通信，光纤光栅，色散补偿 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e l - c o m m u n i c a f t o nn e t w o r k e s t a b f i s h e st h ef o o t - s t o n eo f p e o p l e sc o m m u n i c a t i o nw o r l d b e c a u s eo fi t su n p a r a l l e l e dh u g ec a p a c i t y a l o n gw i t ht h es o l v i n go f o p f i c a lf i b e rl o s s ，d i s p e r s i o na n d n o n l i n e a re f f e c tb e c o m et h em a j o ro b s t a c l e sf o r 山ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e 。d ，b i gc a p a c i t yo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a st h en o n l i n e a re f f e c tc a nb ec o n q u e r e db yd i s p e r s i o n , s ot h ek e y p r o b l e mf o c u s e so n t h e d i s p e r s i o np r o b l e m b yc h a n g i n gt h e z e r o d i s p e r s i o nw a v e l e n g t h i sa c o m p r o m i s es c h e m e b u ti t c a n ts o l v et h ep r o b l e mr a d i c a l l y h o wt os o l v et h ed i s p e r s i o np r o b l e m e c o n o m i c a l l y a n de f f e c t i v e l yi sar e s e a r c hh o t s p o ti nt h ew o r l d i nt h i st h e s i s ，t h ed i s p e r s i o na n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n o f o p t i c m f i b e ra r e i n v e s t i g a t e d b yu s i n g t h eg o o d q u a f f t yo p t i c a lf i b e rb m g gg r a t i n g s ( f b g ) ，t h ed i s p e r s i o ni ss u c c e s s f u l l yc o m p e n s a t e db y f b g i n t h e 4 x 1 0 g b s 4 0 0 k m a n d8 0 0 k m g 6 5 2 t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h e m a i n a c h i e v e m e n t sa r e a s f o l l o w s a n a l y z i n gt h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n to p f i c a l f i b e ri nd e t a i l a n dg e t t i n gt h e i m p o r t a n tr e s u i t sf o rt h ee n g i n e e r i n g t h eh i g hd i s p e r s i o no fg 6 5 2f i b e ra t 1 5 5umt r a n s m i s s i o n w i n d o wc a nr e s t r i c tt h en o n l i n e a re f f e c t , a n de a s yt 0a c h i e v et h ew d m s y s t e mw i t hc h a n n e ls o a c e 5 0 g h zb vf b g d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n g 6 5 5 丘b e l s t i l ln e e d st h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni nt h e 曲s p e e d , l o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o na n di ti sd i 伍c u l tt ob u i l dt h ew d m s y s t e mw i t hc h a n n e is p a c e 5 0 g h z ，t e s t i n gt h ed i s p e r s i o na n dd i s p e r s i o ns l o p eo f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ( d c f ) g 6 5 2a n d g6 5 5f i b e ri ns ca n dlb a n d , w i t ht h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m - 4 0 t o6 0 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a t t h et w op a r a m e t e r sa r es t a b i l i z a t i o n , w h i c hp r o v i d i n gt h ee v i d e n c ef o rt h ed i s p e r s i o nc o m p o n e n t st h a t d i s p e r s i o nc o m p e n s a t e da tr o o mt e m p o m m r e , p o i n t i n go u tt h a tt h ed i s p e r s i o ns l o p eo fd c f d o e s n t m a t c ht h o s eo f g 6 5 2f i b e ra n dg 6 5 5f i b e r , a n dt h i sp r o b l e mw o u l db eo l l eo f t h el i m i t a t i o n sf o rd c f s a p p l i c a t i o n - a n a l y z i n gt h eo p t i c a lp r o p e r t i e sa n dt i m ed e l a yp r o p e r t i e sb yc o u p l e dm o d et h e o r y , a n dt h e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg a u s sp u l s er e f l e c t e df r o mf b ga r ea n a l y z e di nt i m ea n df r e q u e n c y d o m a i n a n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r sc h a n g e a b l eo ff b gu n d e rs t r e s s r e s e a r c h i n gt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tr e f r a c t i v em o d u l a t i o na n dp h a s em a s k q u a l i t y , g e t t i n gt h ei n f l u e n c eo f m f i a c f i v ea p o d i z a f i o n a n dp h a s es h i f to nf b g a l lt h i sw o u l d p r o v i d e t h ei n s t r u c t i o nf o rf a b r i c a t i n gt h ef b gt h a ts a i l s f i e dt h e d w d ms y s t e m d e s i g n i n gh i g hp r e c i s i o np r o g r a mc o n t r o l l e ds c a n n i n gs t a g e ，a n dt h eh i g h - p r e s s u r eh y d r o g e n 1 0 a d e ds e t t i n g sa n ds oo n e x p l o r i n ga n do p t i m i z i n gt h ef a b r i c a t i o nc o u r s eo f f b g m a k i n gf b g s 、i m t h ew a v e l e n g t ht h a tf i tt h e u _ tc r i t e r i o nt h e o p t i m a ld e s i g n e df b g w i t ht i m ed e l a yt i p p l el e s st h a n 2 0 v s e v e n l e s s t h a n 1 2 p s m l e c l a d d i n g m o d e l o s s i s l e s s t h a n 0 5 d b t h e t e m p e r a t u r e t o e 面c i e n t i s l e s s t h a n 0 0 0 0 5 n m j t h e p o l a r i z a t i o n m o d e d i s p e r s i o n i s l e s s t h a n l p s i m p l e m e n t i n gt h e4 1 0 ( 3 b ，s4 0 0 k mt r a n s m i s s i o ns y s t e mo ng 6 5 2 f i b e rw i t hd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n b y f b g t h e b e s t p o w e r p e n a l t y i s n e g a t i v e a n d t h er e s u l t i s k e e p a b e a d i n t h e w o r l d i m p l e m e n t i n gt h e4 1 0 g b s8 0 0 1 a nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo ng 6 5 2 f i b e lw i t hd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nb yf b g t h ep o w e rp e n a l t yi sl e s st h a n2 d b i ne a c hc h a n n e l ，n u - ts u g g e s tt h a tt h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c es h o u l db e8 2 2 d b i f t h ed i s t a n c ei si n c r e a s e d , t h ep h o t o e l e c t r i cr e p e a t e rm u s tb e a d d e d sr e s u l te x c e e d st h e u - tc r i t e r i o n , a n dg a i n sas c i e n t i f i cb r e a k t h r o u g h a tt h ef i r s tt i m e , t e s t i n gt h ep o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) o f f b g ，a n dm o n i t o r i n gt h e p o ft h e4 1 0 g b s8 0 0 k i nf b gd i s p e r s i o nl r a n s m i s s i o ns y s t e mi nal o n gt i m e t h er e s u l ts h o w s t h a t i n1 0 g b s s y s t e m t h ep m dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n i s n t n e e d e d d e v e l o p i n gt h e 1 0 g b s t r a n s m i s s i o ns y s t e mf i tt h es i t u 撕o no f c h i n a k e y w o r d s ：l o n gl e n g 【| lo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a lf i b e rg r a t i n g ， d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n 第一章绪论 第一节光纤通信的发展进程 光波的频率为1 0 ”h z 数量级，比常用微波的频率高1 0 4 1 0 5 倍，因而其通信容量 原则上比微波高1 0 4 1 0 5 倍，正是由于这一特点，利用光波进行通信一直为人们所向往。 2 0 世纪6 0 年代初激光器的问世激发了半导体激光器的蓬勃发展，并很快进入了商用。 1 9 7 0 年起，人们集中力量研究低损耗光导纤维，到2 0 世纪8 0 年代中期工业化生产的 光纤损耗已接近了低损耗的极限。这两大基本问题的突破为实现光通信奠定了基础。 光纤通信的发展历程就是人们不断认识光纤基本特性的过程。光纤的传输损耗、 色散和非线性是光纤通信在发展中遇到的三大难题i 。 损耗 光纤传输损耗是人类最早认识的光纤特性。经过不懈努力，到8 0 年代中期，普通 单模光纤的损耗在1 5 5um 窗口已降至0 2 d b 左右。随着工艺的改进，现在大批量生 产的光纤损耗平均值在该窗口处约为o 1 9 d b k m 左右，基本上接近了锗、硅光纤的极 限。光纾掺氟可使纤芯折射率下降，从而降低了瑞利散射，使1 5 5 i im 窗口的损耗仅 为o 1 5 4 d b i 但掺氟光纤的生产过程复杂，造价较高，不利于大规模推广。可以说， 目前对从光纤本身降低损耗问题的解决已达到了极限。掺铒光纤放大器( e d f a e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r )的发明和实用化，使光纤长距离传输的损耗问题从根本上得 到了解决岬i 。尤其是拉曼放大器( r a - r a m a na m p l i f i e r ) 的研制成功i “1 i ，使波长放大的 范围扩展到了1 2 9 2 n m 至1 6 6 0 h m 的波段，基本覆盖了包括s 波段、c 波段和l 波段 可供光纤利用的整个窗口，如图1 1 所示。 w l v e l e n g t h ( n 那n 图1 1 光纤的损耗谱 色散 随着光传输速率的提高m i ，光脉冲越来越窄，而光纤的色散则使脉冲展宽和畸变， 并产生码间干扰”3 i ，结果导致接收机误码率增大，严重阻碍了光纤高速系统的发展。 尤其是普通单模光纤，即g 6 5 2 光纤，零色散波长位于1 3 1um 处，但在最低损耗窗 口1 5 5l am 处的色散达到了1 6 - - q 7 p s k m n m ，如图1 2 所示。人们自然想到，如果能 里裔暑蓦，l目el嚣州基兽l 些垄垄垫坠苎耋堇耋篁冀堡二：一一! 笙= 童缝迨 把光纤的零色散点位移到1 5 5um 窗口处，就可在这个低损耗窗e 1 开通长距离的高速 光纤通信系统。同本首先研制成这种色散位移光纤( d s f d i s p e r s i o n s h i f t e df i b e r l ，即 g 6 5 3 光纤”“”，并在其全国主要干线上迅速铺设。这在当时无疑是一个进步，但由于 光纤放大器( e d f a ) 的发明，使得波分复用( w d m w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统迅速走向实用化，一根光纤可在1 5 5 um 窗口开通8 、1 6 、3 2 、6 4 甚至1 0 0 多个 通道，这就可使光纤通信容量获得前所未有的发展。由于多波长多通道的传输，其有 效传输功率剧增，非线性的问题就上升为主要矛盾。 售1 5 号 基。 磊 鼍。 1 1 、1 3 1 0 n m f 波长( pm ) 图1 2 普通单模光纤的典型色散曲线 7 非线性 当光纤中的光场较强时，由于电子在强场作用下对简谐运动的偏离，光纤对外场 的电极化响应将呈现出非线性。普通单模光纤在1 5 5um 处的有效模场直径仅有9 1 0 um ，在w d m 系统中，当多个波长的功率加在有效截面积为7 0 多u m 2 的纤芯上时， 受强光场的作用的影响，产生了光纤的非线性效应：四波混频( f w m f o u rw a v e m i x i n g ) 、自相位调制( s p m s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ) 、互相位调制 l 的 高阶孤子，空间演化周期为： z o = 三禹 z ， 可以看到，传输速率越高，脉冲越窄，则光孤子传输的孤子周期越短。为保证光 孤子传输，放大器的间隔必须小于孤子周期。若传输速率进一步提高，则光孤子周期 下降到只有几公里，单是引入放大器的造价就十分昂贵。 光孤子传输在高速率系统中受到阻碍的原因，还包括相邻光孤子脉冲之间的相互 作用，及脉冲很窄时的高阶色散和高阶非线性效应对光孤子通信系统带来的不利影响。 由于上述众多原因，光孤子通信系统进入实用化的希望非常渺茫。 色散支持传输( d s t ) 3 ”6 d s t 技术是一种全新的传输方式，它采用移频键控方式，在常规单模光纤上传输。 从发射端发出一个调频信号，据文献介绍，该信号经过光纤传输后由于色散效应转化 5 - 成一个调幅信号，但是具体中间过程无详细报道。在接收端采用积分器或低通滤波器 及一个判决电路，即可恢复原始信号。d s t 用非常简单的装置和直接调制激光器就可 实现长距离普通单模光纤之间的跨接，具有对光纤中的非线性效应不敏感的优点，但 是系统的性能强烈依赖于器件的内部特性，很难实用化，并且无法实现信号传输途中 的上下话路。该方案支持传输时系统的升级性不好，不利于系统扩容。 解决色散问题的新办法 由于色散问题已经引起世界各国科学家的广泛重视，近年来一些新的色散补偿技 术和克服色散增加传输距离的新方法不断涌现”“1 i 。在e c o c 2 0 0 0 上，i b m 的e h o r s t 等人提出了一种可调谐环行谐振腔色散补偿器i “i ，结构如图1 7 所示。其基本原理是 光信号经过一个耦合器进入光纤环，在光纤环中光信号由于法布里一玻罗( f - p ) 效应 相互干涉，其相位通过一个相位调制器进行调节，由于不同频率的信号在光纤环中的 时延不同，从而实现对信号的色散补偿。 量1 0 0 i 暑 萤” - 2 502 5 r e l l a t l v ef r e q u e n c y 【g h z 图1 7 单个环行谐振腔的群时延( 插图为可 调谐环行谐振腔色散补偿器结构) 圈1 8 四个环行谐振腔色散补偿器级 联后对应的色散和附加损耗 图1 8 为四个环行谐振腔色散补偿器级联后的附加损耗和色散曲线，可以看到， 总的色散值为一1 4 4 0 p s r i m ，且时延曲线的线性度较好。但是这种色散补偿方式所用的 光纤环很小，必须采用光路集成，而这又会存在较大的偏振模色散( p m d - p o l a r i z a t i o n m o d ed i s p e r s i o n ) 和插入损耗。另外，由于各个环行腔中的光程很难严格控制，多个 补偿器级联还需考虑其叠加效应，因此这种补偿器目前在实际应用中难于实现。 图1 9 可调色散补偿器结构 图1 1 0 色散补偿机理 在e c o c 2 0 0 0 上还提出了一种利用光学透镜阵列的方法来实现色散补偿i ”i 。结 构如图1 9 所示。该补偿器对信号的色散补偿原理如图1 1 0 所示。g l a s sp l a t e 将汇聚 后的不同频率信号在其中来回反射，经过不同的时延差，从而实现脉冲的色散补偿。 这种方法的优点是可以通过图中3 一d 反射镜上下位置的移动对色散大小进行调制，实 验中的色散调节范围为8 0 0 + 8 0 0 p s n m 。但是由于光路调节复杂，且对透镜的制作有 特殊要求，而且由于是分立光器件组成的，外界微小的震动都将产生很大的影响，因 此离实用化尚存在很大距离。 2 2 较成熟的色散补偿技术 6 上面介绍的几种色散补偿方法，由于存在不同的缺陷，难于在实际的光纤传输系 统中真正实用化。目前发展最成熟的技术主要是色散补偿光纤( d c f d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nf i b e r ) 和啁啾光纤光栅( c f b g c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 色散补偿。 色散补偿光纤( d c n l 4 “o i 色散补偿光纤是一种具有较大负色散系数和负色散斜率的特殊光纤，由于普通单 模光纤在1 5 5 0 n m 窗口具有1 7 p s n m k m 左右的色散，并具有正的色散斜率，因此可将 其直接接入普通单模光纤传输系统中，使整条光纤线路在e d f a 提供的增益波长范围 内满足w d m 系统对光纤色散的要求。早在2 0 世纪7 0 年代就提出了色散补偿光纤这 种技术，其生产工艺比较复杂，成本较高，但应用简便。 色散补偿光纤已经在全世界的高速通信系统中得到了广泛应用，许多传输系统都 是通过d c f + g 6 5 2 光纤实现的。为了提高传输距离，有的传输系统采用了d c f + g 6 5 2 光纤+ 特殊光纤组合，也就是通常所说的色散管理。o f c 2 0 0 1 上，日本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1 5 1 1 ，就是利用d c f + p s c f 伊u r es i l i c ac o r e f i b e r ) + r d f ( r e 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。阿尔卡特报道了在c + l 波段，d c f + t e r a l i g h t t m 光纤实现传输距离1 0 0 k i n ，传输 容量为1 0 2 t b s ( 2 5 6 4 2 7 g b s ) 的传输系统j 5 2 l 。这两个系统都没给出功率代价值。 虽然d c f 已被广泛应用于现有的光纤通信系统，但利用其进行色散补偿尚存在大 损耗、低色散和色散斜率不匹配的缺陷。各国研究人员已对d c f 所存在的问题引起了 重视，e c o c 2 0 0 1 就有多篇文章提到新型d c f 的研制湖，但这些光纤均需要特殊设 计，造价很高，而且其增大负色散必然又使得d c f 的有效截面积减小，这样又容易产 生非线性，造成了二者的相互矛盾。本文将以专门篇章对此进行分析。 按照工作原理的不同，色散补偿光纤可分为单模色散补偿光纤和双模色散补偿光 纤两种基本类型。单模色散补偿光纤的基本原理是在纤芯使用高折射率差或多包层以 增强l p 。模式的负波导色散。双模色散补偿光纤的基本原理是将l p 。模变成l p 。模， 色散补偿后再由l p 。模变成l p 。模，由于模式变换的复杂性，故双模d c f 的实际应 用较少。 啁啾光纤光栅( c f b g ) 色散补偿 采用适当的光源和光纤增敏技术，几乎可以在各种光纤上不同程度地写入光栅 l i 。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1 6 ”。 光纤光栅进行色散补偿的示意图如图1 n 所示。光波经过光栅后起到色散均衡的 作用，从而实现色散补偿。 图1 1 1 光纤光据色散补偿示意图 其基本原理是：啁啾光纤光栅中，谐振波是位置的函数，因此不同波长的入射光 7 在啁啾光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延，短波长分量经受的时延长，长 波长分量经受的时延短，光栅所引入的时延与光纤中传输时造成的时延正好相反，二 者引入的时延差相互抵消，使脉冲宽度得以恢复。图1 1 2 是一个光纤光栅的反射谱和 时延曲线。可以看到带宽范围内的时延曲线基本为一条直线，其斜率就是该光纤光栅 所能补偿的色散量。 图1 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1 7 ”“，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l “”i ，折射率调制可以根据 需要来通过不同的曝光过程加以控制，且价格低廉，易于大批量生产。因此，啁啾光 纤光栅色散补偿器已被公认为具有很好应用前景的色散解决方案i ，一”。 目前，光纤光栅的温度漂移、时延纹波、光功率波动和包层模附加损耗大等，是 实现光纤光栅色散补偿实用化系统必须解决的几个主要问题。本文将对这些问题分别 进行研究。 当光通信系统的色散和色散斜率得到有效补偿后，偏振模色散( p m d ) 成为高速、 长距离光纤光栅色散补偿系统的主要影响因素。光纤光栅偏振模色散( p m d ) 的问题 是光纤光栅实用化过程中所遇到的最大障碍之，我们通过深入的研究与实验，成功 地解决了这一问题。对单个光纤光栅的p m d 和光纤光栅色散补偿传输系统的p m d 研 究和测试表明，p m d 对1 0 g b s 传输系统的影响不大，无须进行补偿。因此，本文认 为发展1 0 g b s 的光通信系统比较适合目前中国的国情。 第三节光纤光栅的国内外研究现状 近年来，光纤光栅紫外光照射生长动力学、光学特性和成栅技术等方面的研究取 得了重大进展1 “- - 9 0 l 。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，从光纤通信、光纤传感 到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将可能发生一次变革性飞跃。光纤光栅的出 现将会引起光纤技术应用传统设计思想的极大变革。可以说光纤光栅技术，是继掺铒 光纤放大器技术之后在光纤技术领域的一个新的发展里程碑。 3 1 光纤光栅的研究是一个全球性的技术研究热点1 9 1 , 一9 5 l 。 目前世界上有很多科研机构都在进行光纤光栅及相关器件的研究开发。英国致力 于紫外写入光纤光栅研究的有南安普顿大学、h u l l 大学、英国电信实验室( b tl a b s ) 8 产置-裔ia可口基； 和阿斯顿大学等研究机构，美国有华盛顿海军研究实验室，b e l l 实验室等，加拿大有 电信研究实验室，澳大利亚有悉尼实验室，f 1 本有n t t ，n e c 等。此外，法国电信公 司、同本s u m i t i m o 电子公司以及西班牙、意大利、德国、韩国、丹麦等国家的一些研 究机构也在光纤光栅的制作及应用方面丌展了大量的研究工作，并在近年的国际会议 和期刊上发表多篇文献进行相关报道。 中国有北京大学、清华大学、吉林大学、南丌大学、华南师范大学、邮电部武汉 科学研究院、中科院上海光机所、中科院半导体所、北京邮电大学等研究单位都丌展 了相关的研究，并取得了很多有意义的成果。北方交大从1 9 9 3 年至今，在光纤光栅领 域已经开展了将近9 年的研究工作，在光纤光栅的研制及应用方面取得了大量的理论 和实验成果。 3 2 线性啁啾光纤光栅的研究进展 光纤光栅的发展始于1 9 7 8 年，k o h i l l 等人i “1 首先发明了光纤光栅内写入法，即 写入光由光纤的端面引入，在光纤内形成驻波导致折射率调制，形成光纤光栅。但是 由于它的通信波长不在通信波段内，因而在其后很长一段时期内也没有引起人们的关 注。 1 9 8 9 年，g m e l t z 等人胛饯明了光纤b r a g g 光栅的外写入法，即全息写入法，光 从光纤的侧面写入，利用光的相干性在光纤上直接形成干涉条纹，从而研制成功了第 一支布喇格谐振波长位于通信波段的光纤光栅。至此，人们才对光纤光栅在光通信中 的应用价值引起重视，继而光纤光栅的研究开始飞速发展。 1 9 8 6 年，o u e l l e t t e 第一次提出了可以利用啁啾光纤光栅对光纤的色散进行补偿的 思路l ”。1 9 9 4 年j a r w i l l i a m s 等人首次实现线性嘱啾光纤光栅色散补偿的试验1 w 。 司年k o h i l l 及其合作者报道了采用光纤光栅进行色散补偿的1 0 g b s1 0 0 k m 传输系统 1 1 0 0 l , 首次论证了切趾对改善光纤光栅时延特性的作用。但是由于制作等方面的原因， 他们所研制的光纤光栅的时延曲线的线性度并不理想，直接影响了色散补偿的效果， 功率代价在2 d b 左右。接着g a r t h e 等人首次提到用悬臂梁方法对光纤光栅的色散补偿 量进行调谐，并利用光纤光栅色散补偿实现了1 0 g b s 和2 0 g b s1 6 0 k m 传输1 1 0 一i 。通过 调谐方法用同一个光栅分别进行了1 0 g b s8 0 k m 和1 6 0 k m 光纤传输的色散补偿，当误 码率( b e r b i te r r o rr a t e ) 为1 0 4 时，功率代价分别为o 2 d b 和1 2 d b 。用同一个光栅 对2 0 g b s8 0 k m 和1 6 0 k m 光纤传输的色散也分别进行了补偿，由于光栅带宽不足，传 输系统的功率代价分别为1 1 d b 和5 d b 。1 9 9 6 年w h l o h 等人研制出单路1 0 g b s7 0 0 k m 的传输系统”l ，通过一个1 0 c m 长的光纤光栅进行色散补偿，但是该系统传输性能极 差，当b e r = 1 0 。o 时，对应的功率代价大于3 5 d b ，基本上无法传输，其原因在于制作 出的光栅功率谱波动太大，时延纹波较大。 近年来，随着光通信系统的不断升级扩容，光纤光栅色散补偿被广泛应用于w d m 和d w d m 的传输系统中。1 9 9 9 年a h g n a u c k 等人用一个长度为1 米，带宽为6 n m 的啁啾光纤光栅实现了4 1 0 g b s7 5 k m 光纤传输系统的色散补偿l l 叫，单个光栅的插 入损耗为4 d b ，光栅的色散量为一1 3 3 0 p s n m ，当误码率为1 0 。9 时，对应各信道的功率代 价为0 6 - - 1 2 d b 。2 0 0 1 年，s r a m a c h a n d r a n ，b m 等人利用两个长周期光纤光栅和一段 2 公里长的高阶模光纤制成了光纤色散补偿器”“i i ”i ，用于实现4 0 g b s 、1 0 0 0 k m ( 1 0 0 k m 1 0 ) 光纤的色散补偿，当输入功率调整到4 d b m 时，功率代价为l d b 。但是由于该补 偿器中采用的是长周期光纤光栅，而长周期光纤光栅的温度系数极大，因此温度稳定 性是限制其真j 下实用化的一大难题。在近两年的o f c 和e c o c 会议上关于光纤光栅色 9 ；! ! 垄至塑叁笙些! ! 兰堡篁塞釜= 空缝迨 散补偿的研究也有很多报道”“1 ，如l d g a r r e t t 等人利用两个宽带啁啾光纤光栅实现3 2 1 0 g b s 、3 7 5 k md w d m 光纤传输系统的色散补偿，两个光栅的补偿总带宽为1 8 n m ， 测试出的系统各信道对应q 值范围为1 8 3 5 d b 2 1 4 d b i l 0 7 i 。加拿大的m a r t i nr o c h e t t e 首次提出了对光纤光栅色散补偿系统的p m d 进行补偿，并使用一段很短的高双折射 光纤对传输7 5 0 k m 和1 1 2 5 k m ( 环路，7 5 k m 环) 距离时的啁啾光纤光栅色散补偿系 统的p m d 进行补偿，将脉冲分别压缩3 7 6 p s 和4 5 6 p s i ”w 。 为了提高光纤光栅在色散补偿方面的灵活性，在o f c 和e c o c 会议上有多篇文章 介绍了光纤光栅色散调谐。贝尔实验室通过在光纤上集成一个薄膜加热器制作的温度 稳定的可调谐光纤光栅。其对短周期光纤光栅的调谐表明，中心波长的变化与温度近 似成线性关系，1 0 0 。c 之内，可将中心波长改变l n m 左右；对长周期光纤光栅的调谐 表明，5 0 之内，可将中心波长改变2 0 n m 左右i i 。美国南加立福尼亚大学使用一个 取样非线性啁啾光纤光栅对色散管理系统中色散斜率的不匹配进行了可调谐补偿，并 将其运用于3 x 1 0 g b s 分别传输9 0 0 k m 和1 2 0 0 k m 的两个系统，均取得很好效果。i 。 高速光通信系统中，如果不进行色散补偿，传输速率和传输距离非常有限。当光 信号传输速率上升到8 0 g b s 时，最大传输距离不超过2 k m ，其色散容差仅3 2 7 p s n m 。 英国n o r t e l 网络公司的j a j f e l l s 在e c o c 2 0 0 0 报道了采用一个四端口环行器和两个 二次方光纤光栅相结合，总的时延和色散特征由二者共同决定，使两个光栅的合成时 延为一条直线，可调谐范围1 0 0 6 0 0 p s n m ，能对4 0 g b s 传输信号进行色散补偿1 1 i 。 在o f c 2 0 0 1 上以同样原理又研究了一种能对8 0 g b s 传输信号进行色散补偿的大范围 可调谐双光纤光栅色散补偿器，带宽0 。8 n m ，色散容差上升为8 8 4 。9 p s n m ，且q 值为 1 5 d b “。东京大学报道了通过张力和压缩光栅，实现了光纤光栅波长大范围调谐的 方法，其调谐范围为1 5 2 5 1 5 6 5 n m ，共4 0 n m ，覆盖了e d f a 的放大光谱范围i i 。美国 朗讯公司的b j e g g l e t o n 报道了将一个锥型集成薄膜加热器沉积在啁啾光纤光栅上， 通过改变加热器中电压的大小调整光纤光栅的色散量，从而实现1 6 0 g b st d m 系统的 可调谐色散补偿，补偿量为5 0 r i s n m ( s m f - 3 k m ) ，功率代价1 3 d b ，但是未给出误码 率的大小”“i l ”。美国海军研究实验室的s t v o h r a 报道了将光纤布喇格光栅置于一个 聚合物的边缘，通过在聚合物表面施加不同的横向应力，使光纤布喇格光栅的带宽可 调谐，从而实现动态色散补偿。其时延调谐范围：1 5 0 p s n r n 3 5 0 0 p s n m ，带宽调谐范 围：0 1 4 n m - 3 n m l “6 i 。 在光栅制作方面，英国南安普顿大学采用一种反转扫描的新方法，成功研制的光 纤光栅具有很好的光谱和时延特性，其l d b 带宽为0 3 n m ，3 d b 带宽为0 4 r i m ，光栅 长度小于1 0 c m ，且光栅的时延曲线线性度较好，可用于1 0 g b s ，8 0 k m 信号的色散补 偿”。我们估计多光栅串联后性能将急剧变坏。法国a l c a t e lc o r p o r a t e 研究中心在光 纤光栅的制作方面，制作了具有光滑反射谱的闪耀光纤光栅8 i 。英国3 m 公司改进光 栅制作方法，通过在光纤上涂敷特殊结构薄膜制作了 1 0 m 的超长光纤光栅1 1 1 9 1 ，由于 短波损耗等因素的影响，这种光栅的特性并不理想，且使用和封装困难，很难将其实 际应用于光纤的色散补偿。 在光纤光栅的应用方面，由于光纤光栅激光器1 1 2 ”2 ”、光纤光栅滤波器i ”、分接 头i “”、波分复用器器件i ”“2 ”、耦合器i 1 2 7 i 、调制器2 ”、增益均衡器2 ”等器件的 研制步伐进展很快，目前正朝着各种光学器件的全光纤化和集成化方向发展，这将会 成为光通信领域一个重大的突破”“”i 。 此外，英国南安普顿大学还致力于新型光敏光纤的研究，先研制了芯子中含s n o ： 的新型光敏光纤，实验表明含0 1 5 m 0 1 s n o ，的光纤与含1 0 m 0 1 g e o ，的光纤，二者 的光敏性等同i l ；在e c o c 2 0 0 0 上又报道了改变在光纤芯子中掺锗提高光纤光敏性的 1 0 一贯做法，代之以掺s n o ：和n a o ：，实验表明该光敏光纤的折射率调制可达6 2 1 0 。 采用掺s n o ：和n a o ：光敏光纤制作的光栅，稳定性得到了显著提高m “。 国内清华大学、北京大学、中科院半导体所、北京邮电大学等一些从事光纤光栅 制作和应用研究的单位，近年来也取得了不少新成就。 北方交通大学光波技术研究所长期从事光纤色散、光纤偏振模色散问题研究，在 国内首次采用波长扫描法、偏振o