（通信与信息系统专业论文）线性啁啾光纤光栅的研制及其在高速光纤通信系统中的色散补偿.pdf

abs t ract b as e d o n d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e s , r e a l i z i n g h i g h s p e e d o p t i c a l s i g n a l s t r a n s m i s s i o n o v e r l o n g d i s t a n c e s t a n d a r d s i n g l e m o d e f i b e r a n d u p g r a d i n g t h e m u c h i n s t a l l e d s t a n d a r d o p t i c a l f i b e r s y s t e m s t o o p e r a t e a r o u n d 1 .5 5 1r m l o w l o s s w i n d o w a r e o f gr e a t m o m e n t b o t h i n t h e o ry a n d p r a c t i c e , c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s o ff e r m a n y a d v a n t a g e s i n c l u d i n g l o w i n s e rt i o n l o s s , c o m p a c t n e s s , c o s t e ff e c t i v e , h i g h d i s p e r s i o n v a l u e a n d t h e a b s e n c e o f n o n l i n e a r e ff e c t , t h e r e b y s h o w i n g t h e m o s t p o w e r f u l a n d s t r o n g c o m p e t i t i v e o f t h i s d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y . 侧、闷 i n t h i s p a p e r , the o p t i c a l p r o p e rt i e s in v e s t i g a t e d f i r s t l y . u s in g p r o g r a m o f l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r gr a t i n g s a r e d e e p l y c o n t r o l l e d m i c r o t r a n s l a t i o n - s c a n n i n g b e a m t e c h n i q u e a n d c o n c a v e c y l i n d r i c a l l e n s e s l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s h a v e b e e n c h i r p e d f i b e r gr a t i n g c o m p e n s a t o r s , w e w i t h p h as e m as k s a n d 2 4 8 n m e x c i m e r l a s e r , p r o d u c e d . b as e d o n t h e b r o a d b a n d li n e a r l y h a v e s u c c e s s f u l l y p e r f o r m e d h i g h o p t i c a l s i g n a l s t r a n s m i s s i o n o n s t a n d a r d s i n g l e m o d e fi b e r s . t o f o r m e r w o r k s , i t h as t h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r s : d a t e r a t e wi t h t h e 1 . b y d e e p t h e o ry a n d m a n y e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s o n t h e p r o p e rt i e s o f l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s , w e c o n c l u d e t h a t t h e p r o d u c t s o f t h e i r d i s p e r s i o n v a l u e s a n d r e fl e c t i v e b a n d w i d t h s a r e n e a r l y c o n s t a n t s t o t h e s a m e k i n d o n e s w h e n t h e i r l e n g t h s k e e p f i x e d . t h e l e n g t h s m u s t b e p r o l o n g e d i f b o t h o f t h e d i s p e r s i o n v a l u e a n d b a n d w i d t h n e e d t o b e i n c r e as e d s i m u l t a n e o u s l y . 2 . t h e e ff e c t o f v a r i o u s a p o d i z a t i o n p r o f i l e s o f c o m m o n u s e o n t h e d i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c s , gr o u p d e l a y r i p p l e s , b a n d w i d t h a n d r e fl e c t i v i t y o f l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s h a v e b e e n c o n s i d e r e d a n d t h e o r e t i c a l l y s t u d i e d i n d e t a i l . 3 . f o r t h e f i r s t i n c h i n a , u s in g t h e p r o g r a m c o n t r o l l e d m i c r o t r a n s l a t i o n - s c a n n i n g b e a m t e c h n i q u e , w e h a v e f a b r i c a t e d l i n e a r l y c h ir p e d f i b e r g r a t i n g s w i t h d i ff e r e n t b a n d w i d t h s a n d n o m i n a l d i s p e r s i o n s o n t h e s c a n n i n g b e a m t r a n s l a t io n s t a g e d e s i g n e d a n d p r o d u c e d b y o u r s e l v e s . 4 . d e t a i l e d t h e o r e t i c a l a n d e x p e r im e n t a l i n v e s t i g a t i o n s h a v e b e e n p e r f o r m e d a b o u t t h e e ff e c t o f u v s p a t i a l i n t e r f e r e n c e o n t h e f i b e r g r a t in g s w r i tt e n w i t h p h a s e m a s k . b a s e d o n t r im m i n g t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e f ib e r a n d m as k i n t e g r a t e d w i t h c o n c a v e c y l i n d r i c a l l e n s e s m e t h o d , w e h a v e e a s i l y r e a l i z e d g a u s s i a n a p o d i z a t i o n a n d c e n t e r r e fl e c t iv e w a v e l e n g t h s h i ft i n g a n d p r o d u c e d p e r f e c t l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s w i t h d e l a y r i p p l e s l e s s t h a n士 2 0 p s , a n d f o u r l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s w i t h w a v e l e n g t h s a g r e e m e n t w i t h i t u - t g r i d s as w e l l . u s i n g t h e s a m e m e t h o d , f o r t h e f i r s t t i m e t o o u r k n o w l e d g e , w e h a v e a l s o o b t a i n e d l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s w i t h 4 a n d 8 r e fl e c t i v e w a v e l e n g t h s a gr e e m e n t w i t h i t u - t g r i d s o f 0 . 8 n m o r 1 . 6 n m s p a c i n g i n t h e s a m e s e g m e n t o f p h o t o s e n s i t i v e f i b e r . 5 . f o r t h e f i r s t d e mo n s t r a t i o n i n c h i n a , 4 0 g b / s s i n g l e c h a n n e l t r a n s mi s s i o n o v e r 1 2 2 k m o f s t a n d a r d s i n g l e mo d e f i b e r h a v e b e e n c a r r i e d o u t ( 1 3 t ; k 1 l 1) w i t h t h e d i s p e r s i o n c o m p e n s a t in g b r o a d b a n d l in e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t in g s s p e c i a l l y p r o d u c e d , t h e t r a n s m i ss i onp e n a l t y i s 1 . 5 d b . k e y w o r d s : o p t i c a l fi b e r ma s k , l i n e a r l y c o mmu n i c a t i o n s , dr s p e r s r o nc o mp e n s a t i o n , p h a s e c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s i v 北方交通大学博士学位论文 第一章 绪论 第一章绪论 第一节 引 言 二十世纪六、 七十年代， 激光器和低损耗光纤相继问世， 拉开了光纤通信的 序幕。 与此同时， 随着科学技术的进步和社会的发展， 计算机和互联网日 益普及， 又大大地刺激了人们对信息交换的需求。 正是光纤、 激光器、 系统设备、 计算机、 互联网共同构筑的通信平台创造出一个崭新的信息时代。 由于光纤通信、 计算机技术和网络技术的快速发展， 使得通信网的带宽和传 输容量大大提高， 光纤通信作为其骨干网得到了 十分迅速的发展。 高速、 大容量、 长距离光纤传输系统不断涌现， 通信容量不断提高。 二十世纪九十年，由于数据 业务的快速增长， 给因特网创造了空前繁荣的时代。 尤其是国际互联网的日 益普 及和人们对信息交换的渴求，使得因特网的数据通信容量大约每6 个月翻一番。 同时， 由于电子商务倍受青睐及其蓬勃发展， 人们对以因 特网为其支撑的电子商 务寄予了极高的希望和期待，也使得对因特网的投资大幅攀升。 然而， 好景不长，由于信息技术咨询公司连篇累犊地发表报告， 过分渲染网 络公司的发展前景， 导致互连网的畸形发展。 风险投资商则不计成本， 疯狂抢购 网络公司的股票。在美国，1 9 9 9年风险投资商对 2 9 2家网络公司的投资总额就 高达2 4 1 亿美元。网络公司这样的畸形发展是不可能长久的，自 从 2 0 0 0 年的下 半年开始， 由于大量的投资不能及时得到回抱， 那些没有赢利的网络公司便失去 了资金支持， 纷纷倒闭。 短短一年多时间， 人们趋之若鹜的网络经济热潮溅起了 “ 泡沫， ，以因特网为基础的网络零售商、完全依赖广告收入的网站以 及风险投 资商受到了沉重的打击， 使得国际上纷纷扬扬的电子商务浪潮变得寂静， 并逐渐 波及到网络设备制造商和光纤网络产品制造商。 例如世界著名的朗讯公司也陷入 了空前的困境，同时也使得空前繁荣的美国硅谷陷入了萧条， 裁员、 重组之声不 绝于耳。由于投资不能及时得到回报， 在技术上花起钱来大手大脚和对因特网抱 有幻想的时期己 经被捏紧钱夹子和纯碎的实用主义的时代所取代， 这就是所谓的 “ 效率时代”的来临。 中国科学院院士简水生教授站在技术的高度， 最近撰文指出， 产生这一现象 的根本原因是，虽然已经建立了信息的 “ 宽带高速公路” ，但与之相配套的高速 宽带的光交换网、 城域网、 局域网以及接入网等并没有建立， 而且上网费用和网 络服务质量以及网络安全等都是值得考虑的因素。 不过令人欣慰的是， 由于投资的急剧增加， 使得支持因特网的光纤通信技术 发展很快，并取得了坚实的进步。 科研工作者不懈地开发新光纤、 新器件、 新系 统来实现高速率、 大容量、 长距离的光纤通信系统. 随着光纤制造技术日 趋完善， 再加上器件和系统的飞速发展带来了光纤品种不断推陈出新， 使得光纤通信的容 量不断靠近光纤的 理论极限 传输容量。 o f c 2 0 0 1 报道，实验上已 经实现了 通信 容量 达2 7 3 x 4 0 g b / : 共1 0 .9 2 t b / s 的 传 输系 统 p l 。 它 是 利 用偏 振复 用 懈复 用技 术， 综合利用光纤的三个通信波段，在两种不同类型的光纤组合成的 1 1 7 k m线路上 进行了 传输， 其信 道间 隔为5 0 g h z ， 误码率小 于1 0 -9 ， 这也是目 前为 止所 报道的 最大通信容量。 正是高速率、 大容量、 长距离光纤通信促使光纤通信技术由 最初 的 损耗转向 色散、 色散斜率、 非线性效 应、 偏振 模色散 等2 - 8 1 光纤是传输光信息的载体， 它的发展对光通信系统的影响起基础性作用。 目 前全世界敷设的 光纤己 超过2 亿多公里， 每年还仍以 超过5 0 0 0 万公里的 速度在 增加敷设，预计到2 0 0 4 年全世界每年敷设的光纤量将达到上亿公里。我国已敷 设的光纤数约为3 0 0 0 万公里， 预计到2 0 0 4 年我国每年敷设的光纤量将超过 1 3 0 0 万公里。 但是必须注意到， 在这些己 经敷设的光纤中， 8 0 %以 上是普通 ( 标准) 单模光纤 ( s t a n d a r d m o n o m o d e f i b e r , s m f ) , s mf光纤是非色散位移光纤 ( g . 6 5 2 ) ，大批量工业化生产的 g .6 5 2光纤在 1 .5 5 1 m处的平均损耗约为 0 . 1 9 d b / k m ， 在这一低损耗通信窗口 ， 大约有2 0 0 n m宽的可供使用通信波段， 相 当 于2 5 t b i t/ s 的 通信容 量9 1 。 随 着各种光纤制 造新技 术的 不断 发展， 通信窗口 进 一步向 长波长方向 和短波长方向 拓展， 使得可供使用的 波长范围达4 0 0 n m ， 这相 当于5 0 t b i t / s 的通信容量。 写。 “ 里 韶 0 . 6 r 0 .4 已 呈。 .2 r 0 a m p fi f y i n g w a v e l e n g th r a n g e o f r a m a n a m p li fi e r 1 2 7 0 = - 1 6 7 0 - 卜 - 一 .一1 一 a ll waeeliber 、l-band ，tl 17 . 0 0 130 0 1 400 15 00 wa v e l e n g t h ( r u n ) 1 0 0 0 1 7 0 0 图 l i喇曼放大器的有用功率增益波长范围 由于光纤放大器技术的不断发展，覆盖 c波段的掺饵光纤放大器 ( e d f a ) 已经非常成熟，同时出现了覆盖l波段的掺磅光纤放大器以及覆盖 s波段的掺 惬光纤放大器。 最近光纤喇曼放大器( r a m a n a m p l i f i e r ) 研制成功并开始在光纤 线路上实际运用 i 。 一 。 当光纤受到比 传输信号较短波长的足够大功率抽引后， 能 够在很宽的信号波带提供有用的功率增益，甚至在 1 2 7 0 n m至1 6 7 0 n m整个长波 2 述买 塑 些 登 呼霖 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一% - * 9 iq 长 波 段 提 供 放 大( 如 图1 .1 所 示 ) ， 增 益 达4 0 d b , 输 出 功 率 + 2 0 d b 。 正 是 光 纤 放 大 技 术 的 发 展 与 成 熟 以 及 低 损 耗 光 纤 的 大 量 敷 设 使 得 光 纤 通 信 的 中 继 距 离 不 断 加 长， 长 距 离、 大 容 量 光 纤 通 信 系 统 不 再 受 光 纤 损 耗的 限 制。 随 着 光 纤 通 信 的 飞 速发 展， 光 信 号 传 输 速 率 不 断 提 高 ， 人 们 逐 渐 认 识 到 光 纤 色 散的 重 要 性。 然 而 ， 正 如 上 面 所 述 ，目 前 所 敷 设 的 光 纤 中 ， g .6 5 2 光 纤 的 数 量 在已 敷 设 光 纤中 占 绝 对的 主 导 地 位。 众 所 周 知 ， g .6 5 2 光 纤 在1 .3 1 p m处 色 散 为 零 ， 在 最 低 损 耗 窗 口1 .5 5 p m 处 约 有1 7 p s / n m .k m的 色 散 ， 这 将 使 高 速 光 脉 冲 产 生 严 重的 展宽 和畸 变， 增 加 误 码 率。 在1 .5 5 p m处， l o g b / s 的 信号 只能 传 输 约6 0 k m , 4 0 g b / : 的 信号 仅能 传 输4 k m ， 而8 0 g b / s 的 信号 传 输 还 不 到2 k m ， 从 而限 制了 光 纤 通信 系 统向 更高 速 率的 发 展。 于 是， 人 们 通过改 变光 纤的 折 射 率 分 布 来改 变 波 导色散， 从而使光纤的总色散 在 1 . 5 5 p m波长上为零， 这样便研究开 发出了 在 1 .5 5 p m波长上兼有最低衰减和最大带宽的g .6 5 3光纤即色散位移光纤 ( d i s p e r s i o n - s h i ft e d f i b e r , d s f ) e o p t i c a l l a u n c h p o w e r = 3 d b m l c h a n n a l d i s p e r s i o n - s h i f t e d f i b e r ( 2 5 k m) n o n z e ro- d i s p e r s i o n f i b e r ( d 0 k m ) .之卫口po甲 ， 月 5 . 5 5 wa v e le n g t h ( 1 n m l d i v .) ( a ) 零色 散光纤中 四波棍频的 影响 1 5 4 6 . 5 5 wa v e le n g t h ( ，n m l d iv . ) ( b ) 非零色 散光 纤能有效拟制 四波棍频 图 1 .2四波混频对波分复用通信系统的影响 为实现长传输距离、 高传输速率、 大容量传输发展需要用光纤放大器来延长 传输距离， 用波分复用技术来增大传输容量， 用时分复用来提高传输速率。 这样， 在用光纤放大器和波分复用， 甚至密集波分复用相结合的高速率、 大容量、长距 离光纤通信系统中，由于多波长的传输， 其有效传输功率剧增， 从而产生了非线 性效应， 主要有:四波混频、自 相位调制、互相位调制、布里渊散射、喇曼散射 等。 其中四波混频 ( f o u r w a v e m i x i n g , f wm) 会造成相邻信道之间的串 扰， 产 生新的频率分量。 拟制四波混频的最有效办法就是增大不同波长的传输速度的差 异， 使不同波长传输的脉冲迅速走离， 也就是说光纤具有一定量的色散可以有效 克服四 波混频的影响。 所以 在色散位移光纤中， 由 于在1 . 5 5 p m处色散 近似为零， 受到了四波混频的影响而不能实现密集波分复用，如图1 .2 ( a ) 所示; 而在非零色 一 一一 一，. 一-一-. 自 . . . . . . . . . . . . . .， 叫. . .口. . . . . 3 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 散 光 纤g .6 5 2 中 实 现 波 分复 用 便 不 存 在四 波 混频的 影 响， 如图1 .2 ( b ) 所 示。 于 是， 人们设计出t g . 6 5 5 光纤即非零色散位移光纤( n o n z e r o d i s p e r s i o n s h i ft e d f i b e r , n z - d s f ) ， 它将零色散点 偏离1 . 5 5 p m ， 使之在1 . 5 5 p m波长处的 色散不为零， 约 有2 - 6 p s / n m .k m的 色 散， 这 就既 克 服了 色 散的 影 响， 又能 有 效 地 抑 制四 波 混 频 对 波分 复 用系 统的 影 响 2 4 -2 9 1 。 目 前 ， 普 遍认 为g .6 5 5 光 纤是比 较理 想的 选 择， 国 内 外都掀起了铺设g .6 5 5光纤的高潮， 而且己将其作为工业标准，至今，已经研 制出了各种性能参数的 n z - d s f光纤。但是必须看到，由于历史的原因，过去 g . 6 5 2 光纤已大量铺设， 彻底重新铺设新型光纤必然带来巨大资金浪费和时间的 延误。而且，g .6 5 2 光纤不但价格便宜，而且具有良 好的机械强度和抗非线性， 其制造成品率上也是最高的。 另外， 虽然g .6 5 2 光纤的色散值最大， 但其色散斜 率相对其它新型光纤 ( c o rn i n g l e a f , l u c e n t t m e w a v e ) 却是最小的。 面对未来对光纤通信系统的传输速率和距离越来越大的要求， 怎样使现己 铺 设的大量g .6 5 2 光纤线路升级和扩容?现在是否还需要继续铺设g .6 5 2 光纤?这 是具有很大现实意义的问题。 利用己 大量铺设的g .6 5 2 光纤系统， 在1 .5 5 u m低损耗窗口 进行波分复用甚 至密集波分复用， 将其升级为高速或超高速光纤通信系统， 就必须进行色散管理 或色散补偿3 0 - 5 8 1 。 即使是采用低色散值的g .6 5 5 光纤， 在长距离传输的 情况下( 如 超过3 0 0 k m) ，仍须色散补偿。 最新的研究表明:当信道间隔等于5 0 g h z 时，因 g .6 5 5 光纤的色散值较小而重新出现非线性对信号的影响， 克服非线性的最佳色 散 值 应 保 证 在 + 8 到 + 1 2 p s / n m左 右 5 9 1 ， 而 且 ， 随 着 密 集 波 分 复 用 的 快 速 发 展， n z - d s f光纤的大量铺设以 及光纤通信传输速率向4 0 g b / s 甚至更高速率迈进， 传输光纤的色散斜率或高阶色散将会严重影响系统的传输质量， 而这在低速率的 情况下几乎可以忽略。 因此， 高速系统对色散补偿的要求明显提高。比如， 在传 输速率为4 0 g b / s 时， 色散余量要低于士 5 0 p s / n m ， 而当传输速率达到1 6 0 g b / s 时， 色散补偿要准确到士 7 p s / n m ， 这相当于准确到士 4 0 0 m 的标准单模光纤的总色散。 因此， 在高速率长距离的光纤通信系统中， 必须对光纤传输系统的色散和高阶色 散同时进行准确补偿6 0 - 7 3 1 由此可见， 色散补偿技术是未来高速、 大容量、 长距离光纤通信系统是中必 不可少的 重 要技术。 最近， 光纤制 造技术已 经能 够消灭s m f 在1 .3 8 5 3 m附 近出 现的由o h根离子造成的 损耗峰， 这种光纤可以 在1 .2 8 - 1 .6 8 p m共4 0 0 n m的波长 范围内具有低损耗，称之为全波光纤 ( a l l w a v e f i b e r ) 。这种光纤非常适合于波 分复用， 具有广阔的前景。 但是全波光纤在色散与非线性方面并没有突出的表现， 在高速长距离密集波分复用系统中仍须对色散和色散斜率进行补偿，可以预见， 全波光纤和色散补偿技术相结合构成了未来光纤通信传输的远景。 一. . . . ，. . . 4 第一章绪论 北方交通大学博士学位论文 第二节高 速光纤通信系 统中的色 散补偿技术及鉴别 前面己 经介绍过， 光纤通信的 发展趋势是高速和长距离， 但光纤的色散效应 大大地限制了通信容量的提高， 光纤色散作为限制光纤通信发展的另一个主要因 素显得日 益突出， 尤其是 在常规单模光纤大量铺设的 情况下， 色散补偿技术就显 得尤为重要。 到目 前为止，己 形成了多种色散补偿方法， 现在分别予以介绍并给 予比较鉴别。 1 . 利用色散补偿光纤实 现色散补偿7 4 - 8 4 色散补偿光纤是一种具有较大负色散系数的 特殊光纤。 通过专门设计光纤的 结构和折射率分布，可以 使光纤在第三窗口1 . 5 5 r m处， 具有较大的负色散系数 和负的斜率。 应用色散补偿光纤的负色散系数和负斜率就可以 在宽带范围内补偿 光纤在线路中 所积累的色散。 色散补偿光纤是一种较成熟的补偿技术， 早在 2 0 世纪7 0 年代就己 经提出了这种技术，8 0 年代末开始应用，到了9 0 年代色散补 偿光纤进入了商品化应用阶段。 现在， 色散补偿光纤己经在全世界的高速通信系 统中获得了广泛应用。 2 . 利用惆啾光纤光栅进行色散补偿8 5 - 1 0 5 碉啾光纤光栅是另一种很有前途的色散补偿技术， 其发展速度很快。 应用pi g 啾光纤光栅进行色散补偿的想法可追溯到2 0 世纪8 0 年代末， 近年来受到了 人们 的广泛注意。 大量的理论和实验研究表明， 应用惆啾光纤光栅进行色散补偿具有 很高的有效性和可靠性， 并已经走向商用化。 惆啾光纤光栅的主要优点在于， 它 是一种全光纤无源器件， 可以在光纤上直接写入， 所以， 它的插入损耗低，能与 传输光纤完全匹配。 此外， pf aj 啾光纤光栅的色散补偿量大、 体积小、 重量轻、 成 本低。 利用惆啾光纤光栅进行色散补偿的 基本原理是: 常规单模光纤在 1 . 5 5 p m 处 色散 系 数为 正 值， 处 在反 常 色散 区18 2 0 ， 光 脉 冲的 短 波 长 分 量 较 长 波 长 分 量 传播地快。 而当光脉冲通过惆啾光纤光栅时， 惆啾光纤光栅的每一点反射都是光 波长的函数， 传播光波的长波长分量在光栅的起始端被反射， 而短波长分量在光 栅的远端反射， 即短波长分量的时延较长波长分量的时延大， 从而将能将展宽的 光脉冲进行压缩， 起到补偿传输线路色散的作用。 3 . 预惆啾法实现色散补偿 1 0 6 - 1 0 9 在常规单模光纤中， 由于群速度色散效应， 脉冲的不同频率分量在光纤内以 不同的速度传输， 从而导致脉冲展宽。 对于无初始惆啾的高斯脉冲， 无论在光纤 的正常色散区还是反常色散区，脉冲有相同的展宽量。但若初始脉冲带有凋啾， 经过具有不同色散 ( 正或负)的光纤传输后， 脉冲的演变情况就不同 有惆啾， 且与色散引起的惆啾反号时， 其结果使脉冲的净pim 啾减小， 。当脉冲带 窄。 在两者惆啾相等处， 达到最小脉冲宽度。随着传输距离的增加， 导致脉冲压 色散引起的 . . . . . . . . . . . . . . . . 5 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 惆啾超过初始惆啾而起作用， 脉冲才开始展宽， 这样就增加了光纤的中继传输距 离， 实现了预惆啾脉冲对光纤色散的补偿. 但是， 必须指出， 利用预惆啾法所能 补偿的色散量很有限， 增加色散补偿传输距离会显著增加系统的复杂程度。 而且， 要对系统升级， 传输速率超过 i o g b / s 以 后预惆啾的作用就不明显了， 它仅适用 于低速率向i o g b / s 的升级。 4 .中 点光 谱反 转技术 11 1 0 -1 15 1 中点光谱反转色散补偿技术是将光信号的光谱在接近传输线的中点处反转， 从而使信号在前半段光纤传输中的恶化在后半段的传输中得到修正。 理论上， 在 数十g b / s 的 速率下， 光信号也可在常规单模光纤上传输上千公里的距离，同时 该技术还能在一定程度上克服光纤的k e n非线性的影响，可升级性较好。 但利 用中点光谱反转技术的系统组成较为复杂，需要额外的光放大器、非线性器件、 单频激光器等， 使系统造价提高， 而且， 通过光谱反转很难彻底恢复初始脉冲形 状。 特别是在波分复用的情况下， 经中点光谱反转后得到的光波长会有变化， 使 原来的标准光波长不再符合i t u - t的标准要求。 另外， 利用该技术无法在传输途 中实现上下话路的功能， 因此无法用于全光网 络中。 中点 光谱反转技术不是十分 成熟，目 前尚 未真正实用化。 5 . 色散支持传输技术 1 1 6 - 1 1 8 1 色散支持传输技术可以将通信系统的传输距离提高几倍， 然而， 考虑非线性 后， 其支持的传输距离明显减小。 使用此方法时系统中使用直接调制， 无需额外 的调制器; 接收端使用直接检测， 因 此造价不高， 使用起来比 较容易， 但因为系 统的性能强烈地依赖于其中器件的内 部特性， 所以 很难实用化。 而且， 色散支持 传输只适用于严格的点到点传输， 也不能在传输途中实现上下话路， 并且要求端 机和线路长度严格匹配。 另外， 使用色散支持传输时系统的升级性不好， 不利于 系统扩容。 6 . d u o b in a r y 编 码技 术 1 19 - 12 11 由于色散的影响与信号频谱宽度有关， 因此， 采用一定的编码技术可以改变 码流的频谱宽度，从而减小色散的限制。 7 . 色散补偿的 新方法7 , 1 2 2 - 1 2 5 1 由于色散补偿技术在全世界范围内的普遍重视和广泛采用， 新的色散补偿技 术或克服色散增加传输距离的方法不断出现。 最近报道了新颖而非常有效的多级 全通滤波器色散补偿新方法， 它是利用光纤环形腔进行色散补偿的， 是一种多级 宽带色散补偿器， 能够适应波分复用中的多信道同时色散补偿。 它具有低插入损 耗、 色散量大、 色散可正可负以 及色散值波动小等优点。 但由于其偏振模色散的 问题尚未解决，因而不能用于高速系统中， 其实用化还有待时日。 6 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 通过上面的论述和分析鉴别可以 看出， 目 前发展最成熟的技术主要是色散补 偿光纤 ( d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n f i b e r , d c f ) 和惆啾 光纤光栅 ( c h i r p e d f i b e r g r a t i n g , c f g ) 。 色散补偿光纤发展较 早， 生 产技 术成熟， 能 直接应 用于波 分复 用， 应 用简 便， 其 偏 振 模 色 散 值也 较 小， 一 般 在0 .5 p s / s g rt ( k m ) 以 下。 目 前 世界 上己 经 进入 商品 化的 色散 补 偿光 纤， 其典 型 色 散 值为 一 8 0 p s / n m .k m ， 补偿1 0 0 k m的g .6 5 2 光纤 在1 .5 5 1r m处的 色 散 约 需2 1 k m的 色散 补 偿 光纤 来 补偿。由 于 色散 补 偿 光纤 的制作过程中， 其色散值重复性不好， 所以一般都提供色散补偿模块实施色散补 偿，补偿 1 0 0 k m的g . 6 5 2 光纤的这种模块售价高达1 8 0 0 美元。而且色散补偿光 纤的 衰减较高， 通常达到每公里0 . 6 d b ， 这样用在线路中 进行色散补偿将需要额 外的光纤放大器进行功率补偿， 加之色散补偿光纤为了实现大负色散， 结构与普 通光纤不同， 其纤芯直径较小， 从而产生很高的非线性。 而相比之下， 应用惆啾 光纤光栅进行色散补偿， 不但色散补偿量大， 成本低廉， 而且惆啾光纤光栅的插 入损耗低、 体积小、 重量轻， 是一种全光纤的无源偏振不敏感器件。 另外， 运用 惆啾 光纤光栅不 会产生非 线 性， 能 对高阶色 散进行 补偿等 1 2 6 1 当 波分复用系统的 单信道速率达到4 0 g b / s 或更高时， 系统的性能优劣强烈 地依赖于接受端的总色散值余量， 系统对色散值的变化也更加敏感， 这种变化会 对系统的性能产生很不利的影响， 而在低速的情况下是可以忽略的。 这就要求在 高速率、 长距离的密集波分复用系统中， 必须实施动态色散补偿， 也就是色散补 偿必须适应实际 色散的改变而改变。实施动态色散补偿的原因主要是因为:1 ) 由于光纤放大器的增益不平坦等引起传输功率的改变，导致附加的非线性相移， 从而使得系统的色散补偿的最佳结果发生改变， 或者使不同信道的色散值发生改 变 1 2 7,12 8 ; 2 ) 光 纤 网 络 的 动 态 重 组( d y n a m ic r e c o n f ig u r a tio n ) ， 如 路 由 改 变 或 信 道位置发生改变， 使得总的积累色散和非线性相移发生变化; 3 )由于外界环境 的变化 ( 如温度的改变) ，使得传输条件改变，从而使光纤的色散值经常发生变 化。 由于碉啾光纤光栅的a啾量很容易通过外界因素来改变， 所以， 惆啾光纤光 栅具有独特的易于实施动态色散补偿的优点，这是其它色散补偿技术无法比拟 的。 迄今为止， 己经有多种方法来通过改变惆啾光纤光栅的惆啾量而改变惆啾光 栅的 色 散 值， 主 要的 方 法 有: 温 度 梯 度法 8 8 ,12 9 1 ，电 压 控 制调 节 法 14 ,13 0 -1 3 4 1 、 应 力 调节法8 6 , 1 3 5 - 1 3 7 等。 一， 目. 户 叫 卜.卜 . . . . .月 脚 户 户 . . 叭 ， . 目. . . 目 . 目 .叫 叫归 . 叫. 月 . 七 目 . . . . . 目 . . . . . 白 . . . . . . . . . . . . . 卜 目 卜 . . . . 目 . . . . 卜 . . 目 . . 口 卜 . 目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 第三节 惆啾光纤光栅在高速光纤通信系统中的色 散补偿 及其研究进展 从上面一节的分析中可以看出， 在未来高速长距离的光纤通信系统中， 利用 碉啾光纤光栅实现色散补偿具有许多显著的 优点。 由于运用aj aj 啾光纤光栅进行色散补偿时， 是利用其反射时延特性， 所以惆啾 光纤光栅一般必须与环形器相连接，这样就增加了其使用成本。 不过可喜的是， 目 前商品化的环形器的价格已 经大大降低。 通过我们对惆啾光纤光栅的透射时延 进行测试后表明， 其透射色散值波动很大， 而且带内 平均色散值接近零，同时由 于光栅的反射祸合传输损耗很大， 所以我们认为利用ap p 啾光纤光栅本身的反射祸 合传输以 及利用惆啾光纤光栅的透射传输不能实现色散补偿。这与参考文献 1 4 0 , 1 4 1 所得 到的 利 用 光 栅的 透 射 传 输 来 进 行 色散 补 偿， 或 仅 仅同 时 利 用 几 个 光 栅的反射传输来实施色散补偿而省去使用环形器的结论是不相同的。 正是由于惆啾光纤光栅在色散补偿中的重要应用和 其独特的优点以及广阔 的市场前景， 促使国内外的研究机构对pi g 啾光纤光栅及其色散补偿进行了大量的 卓有成效的 研究。1 9 8 7 年， 加拿大退太华通信研究中 心的f . o u e l l e tt e 首次提出 了 可利用线 性惆 啾 光栅进行 色散补 偿的 理 论 1 4 2 1 0 1 9 9 1 年他又利用祸 合模理 论， 设计了 用于 色散补偿的 惆啾光栅， 并指出 可以 直接在光纤上写入 这种光 栅 1 4 3 1 1 9 9 4 年， j . a . r . w i lli a m : 首次 利 用 线性惆 啾 光 纤 光 栅 进 行了 色散 补 偿 实 验9 3 1 同 年， k . o . h i l l 等首次论证了 对线性惆啾光纤光栅进行切趾处理可使得其色散 值线性度更好， 并实际制作了 切趾线性惆啾光纤光栅， 而且将所得到的光栅用于 1 .5 5 x m波长l o g b / s 的 光信号i o o k m常 规单模光纤的 色散补 偿传输， 取得了良 好 的 结果1 4 4 ,1 4 5 ) . d . g a rt h e 等 还在1 9 9 4 年首次 利用机械调谐的 方法， 从而 运用同 一个惆啾光纤光栅分别实现了 l o g b / s 和 2 0 g b / s两种不同 传输速率的光信号在 1 6 0 k m和8 0 k m常规单模光纤上的色散补偿传输， 但2 0 g b / s 传输的功率代价高 达 5 d b ( b e r = 1 0 9 ) 。当 然， 利用这种方法， 可一定范围内 满足不同 波长和不同 光纤长度传输系统的 色散补偿的需要 8 8 1 。 由 此碉啾光栅在色散补偿中的 应用日 益 广泛并取得了很大的进展。 1 9 9 5 年， 英国南安普顿大学w. h . l o h 等用一个i o c m长的线性惆啾光纤光 栅实 现了i o g b / s 光信号 超过4 0 0 k m常 规单 模光纤的 色散补偿 传输1 0 2 1 ， 功 率代价 为3 d b ( b e r = 1 护) 。 实验中 所用惆啾光栅系用扫描曝光法制作， 其反射率为7 5 % , 带宽。 . 1 n m ，色散值高达一 6 0 0 0 p s / n m o 1 9 %年， 他们用两个l o c m长的m l 啾光栅 相级联组成光栅对， 实 现了l o g b / s 在5 0 0 k m普通单模光纤上的 传输 1 0 3 1 ， 功率代 价为4 d b ( b e r = 1 0 -9 ) 。 同 年， 他 们 又 用同 样长 单个 惆 啾 光 栅实 施 色散 补 偿， 结 合二 进制编 码， 实 现了l o g b / s 的 信号7 0 0 k m普通单 模光纤的 传 输。 1 9 1 ， 功 率代价 仍是4 d b ( b e r = 1 0 9 ) 。 但以 上 所 进 行的 色散 补 偿实 验， 功 率 代 价 都 较高 ， 而 且 s 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 光栅的带宽都很小， 时延波纹很大， 对光源的波长稳定性要求很高。