（光学工程专业论文）基于级联girestournois腔的可调色散补偿器件.pdf

i 摘 要 在现代光纤通信系统中，随着用户对通信容量的需求日益增加，同时信道速率不 断提高，系统的色散容限也越来越低。掺铒光纤放大器的研制成功使得光纤损耗不再 成为信号传输的限制因素，色散对信号传输的限制成为国内外学者研究的重点，色散 补偿技术是光纤通信中的一项关键技术。本论文提出了一种全新的色散补偿值可调的 色散补偿方案，即基于级联 gires- tournois 腔的新型温度调节色散补偿器件。 本论文首先介绍了光纤通信中色散的成因和分类，以及当前国内外色散补偿研究 方面的现状，比较了各种色散补偿方案的优劣，提出可调色散补偿技术的重要性。然 后从多光束干涉的理论出发，分析了单个 g- t 腔的相位延迟特性，并计算了四个 g- t 腔级联的时延特性受不同参数的影响，通过 vc 编写了四腔级联的时延和峰峰值群时 延抖动（ppgdr）曲线的模拟软件，直观的分析参数对时延特性的影响。 在理论推导和分析后，我们设计了一种基于反射性级联 g- t 腔的可调色散补偿器 件。介绍了该器件的设计思路与关键技术，以及色散补偿值和补偿带宽的调节方法， 特别是对精密温度控制电路的设计进行了详细分析。 经过上述对级联 g- t 腔的分析和推导后，我们完成了四腔级联可调色散补偿器件 的实验室样品制作，详细介绍了样品制作的各个关键步骤。同时测试了这种器件的损 耗与时延特性。通过与理论值的比较，设计的色散补偿器件能达到- 1100ps/nm 的补偿 值，同时色散补偿带宽为 20ghz，调节范围- 790ps/nm 至- 1100ps/nm，温度稳定性良好， 达到了我们设计的目的。 在文章的最后，基于对 g- t 腔色散补偿技术的研究，提出了一种色散斜率补偿的 方案，以期待应用于未来的光纤通信系统中。 关键词：色散补偿 gires- tournois（g- t）腔 温度调节 时延 ii abstract in modern optical fiber communication systems, with the development of optical communication, the requirement for communication capacity is unlimited, and the channel rate is increased continuously, the dispersion tolerance is decreased at the same time. the loss of fiber is not principal factor that confine the development of optical communication since the invention of erbium- doped fiber amplifier. dispersion is one of the main limited factors to the transmission distance and dispersion compensation becomes a key technology and major research issue. in this paper, a tunable dispersion compensator based on g- t etalon and temperature controlling is designed. at first this paper analyzes the cause of the fiber dispersion, how it is defined and the classification of dispersion. the current international and domestic development and development trend in dispersion compensation is reviewed. compared with each other, understand the importance of developing tunable dispersion compensator. then stared with the theory of multi- beam interference, presents the group delay characteristic of four cascaded g- t etalons. software which used to simulate the group delay and peak to peak group delay ripple (ppgdr) curve of four cascaded g- t etalons was designed. after analysis, the compensator based on reflected etalon is designed and realized. construe the principle of every element of the compensator carefully, especially the precision temperature controller. the tunable method of dispersion compensation value and bandwidth is put forward. be proved the feasibility of this dispersion compensator by theoretical analysis above, the laboratory sample has been completed. in this paper, introduce the various key steps of the laboratory sample. at the same time, test the laboratory samples, and get the actual dates of the loss and dispersion compensation value. with the comparison of the theoretical value, the tunable dispersion compensator can get - 1100ps/nm dispersion compensation value and 20ghz bandwidth, the tunable scale is from - 790ps/nm to - 1100ps/nm, it also haves good temperature stability. at last of this paper, be based of the feasibility of practical applications, we show a method of dispersion slope compensation, of course just for reference purposes. key words: dispersion compensation gires- tournois(g- t) etalon temperature adjust group delay 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 (请在以上方框内打“ v” ) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 引言 从 20 世纪 60 年代开始，光纤通信技术有了飞速的发展，利用光纤进行信息传输 的技术获得了突破。限制高速率光信号长距离传输的因素主要包括光纤损耗、色散以 及其他光学非线性效应。掺铒光纤放大器（erbium- doped fiber amplifier, edfa）的研制 成功使得光纤损耗不再成为信号传输的主要限制因素。因而在高速率、密集波分复用 和长距离的光信号传输中，色散便成为了首要限制因素1。 例如，利用密集波分复用技术传输光信号时，由于传输信道细分为小间隙的多波 长进行传输，同时传输速率也在不断提高，相应的色散容限2则大大下降。对传播在无 色散补偿的 g.652 光纤中的信号，当信道速率从 2.5gbit/s 提高到 100sgbit /时，系统 的色散容限为 3 102 . 1nmps / 4 106 . 1nmps /降低到小于 5ps/nm。 目前在全球范围内铺设的普通单模光纤在 1550nm 处通信窗口处存在的 kmnmps/17色散。如果不进行色散补偿的处理，信号无法正常传输。如何为其解决色 散补偿问题是国内外光通信研究方向的热点，随着光纤通信的发展，我国进行色散补 偿技术的研发存在必要性。 1.2 色散分类及色散补偿技术 1.2.1 色散的成因及分类 由于光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，这些成分有不同 的传播速度，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，从而引起比较复杂的色散现象3。 光纤色散包括模间色散、材料色散、波导色散和偏振模色散4。 模间色散是存在于多模光纤中的色散，也称为模式色散或模色散。多模光纤中， 即使是同一波长的光，由于不同的模式有不同的群速度，则在光纤中传播的渡越时间 不一样，那么到时输出端的先后也不一样，这样会在输出端叠加形成展宽了的脉冲波 形。在多模光纤中，模间色散是主要的，材料色散和波导色散相对较小。 在单模光纤中，材料色散和波导色散的综合效应被称为色度色散（chromatic 2 dispersion） ，简称为色散。材料色散是由于光纤折射率随波长变化产生的。波导色散 是由于波导的结构参数与波长有关产生的。本论文中讨论的色散也就是色度色散。 偏振模色散是当光纤的正交特性受到破坏时，即光纤不是理想圆对称时，光纤会 呈现出双折射特性。如果输入光脉冲激励了两个正交偏振分量，并以不同的群速度沿 光纤传输， 会导致光脉冲展宽， 这就是偏振膜色散 （pmd- polarization mode dispersion） 。 1.2.2 常用的色散补偿技术 目前国内商用光纤通信系统使用的 g.652 光纤在传输过程中会产生正色散值的反 常色散，对其进行色散补偿的基本思路是产生与之相反的色散。下面介绍几种常见的 色散补偿技术。 色散补偿光纤是当前国内色散补偿的唯一商用化产品5。其基本原理是利用色散补 偿光纤特殊的折射率特性，而产生的负色散。其优点是使用灵活、方便、可靠、易于 光纤传输网的升级和扩容，同时带宽足够大。其缺点是成本高，特别是当传输距离和 速率提高时，会带来突出的线性影响。 光纤光栅补偿技术是基于光纤布拉格光栅（fbg，fiber bragg grating）的色散补 偿器件，也是目前国内外研究的重点之一。通过在光纤或光波导上刻光栅使不同波长 的光在光栅的不同区域反射，这样不同波长的光反射后会产生不同的群时延6,7,8。 啁啾 光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、结构紧凑、插入损耗低喝非线性效应校，具有 对偏振不敏感等技术优势，还可以通过应力或者温度进行动态调谐。 光子晶体光纤是一个新的研究领域。光子晶体光纤由同一种材料制成，因此纤芯和 包层折射率不会因材料的不同而受到限制，两者的力学和热学特性可以做到完全匹配。 光子晶体光纤的模式特性随波长变化很快，故可以再大波长范围内得到理想的色散。 光子晶体光纤的优点是：支持光的单模传输的频率范围很大、可以通过改变纤芯面积 来改变光纤的非线性效应、可灵活设计色散和色散斜率9。 电子色散补偿（edc）技术受到科研人员关注的原因是其具有小型化、低功率和低 成本的优势。edc 是基于电子滤波均衡技术来进行色散补偿的，通过对接收的光信号 在电域进行抽样、软件优化和信号复原，能有效地调整接收信号的波形，恢复由于色 散、pmd 和非线性引起的光信号展宽和失真，从而实现色散补偿10。 3 其他的色散补偿技术还有基于集成光学环形腔的色散补偿仪器11,12、 基于平面波导 技术的色散补偿方案13,14、利用中点谱反转法进行色散补偿补偿15,16,17、虚像相位阵列 法以及色散支持传输法18,19。 1.3 可调色散补偿的意义 当前实用化光通信网络的单信道光传输速率己经达 10gbit/s20， 40 gbit/s21的传输 系统即将实用化，色散成为光信号传输质量劣化、误码率增加的不可忽视的因素。同 时，高速光通信系统升级的色散补偿问题也将会从单信道色散补偿技术转向多信道色 散补偿技术，从单通道的色度色散补偿转向色散和色散斜率的同时补偿，从固定单一 的色散补偿量转向色散补偿值可调的补偿22。光传输系统的色散补偿对主干网和城域 网都是维护传输质量的必要技术措施。 1.3.1 可调色散补偿的必要性 从国内外实验研究23,24,25来看， 单一的色散补偿已经无法满足目前光纤网络的实际 需求，可调色散补偿技术由于对优化光网络传输质量、充分发挥网络灵活性起到重要 作用，已成为色散问题的一个重要的研究方向。这是由于：面对日趋复杂的光纤网络 结构，越来越快的传输速度，静态的色散补偿技术无法解决传输系统的累积色散值的 冗余。其次，当传输速率很高时，环境的微小变化就会使的色散变化超过系统的色散 容限，例如光纤的零色散波长会随着温度的变化漂移26，这就要求通信中的色散补偿 值具有可调功能。为了使光通信网络实现高效、可配置灵活组网，都需要动态可调的 色散补偿器件27。 1.3.2 可调色散补偿研究进展 可调色散补偿可以简单看作是由色散补偿单元和色散调节单元的组合。目前，可 调节色散补偿单元的可调节功能主要有以下两种方法实现：一是在固定式色散补偿结 构上附加一个可调节单元，通过具体控制调节单元的物理状态实现动态色散补偿28； 另一种是调节色散补偿单元本身结构的物理参数，以改变色散补偿响应29。第二种调 节方式是现在国内外研究的重点，也是本论文中研究的重点。 在国外， 加拿大的 teraxion公司已经在基于光纤光栅的可调节色散补偿器件方面取 4 得很大的成果，生产出了性能比较优良的产品，但是价格非常昂贵。 以色列的 civcom公司现在已经发布的可调色散补偿器 （todc） ， 型号为 glassic 。 这款 gl- todc 可集成到 300 针 msa转发器中，用来延伸这些转发器的传输距离（如 采用 nrz 调制模式可传送 200km+） 。glassic 是基于 civcom公司独有的 sfs （固 态自由空间）技术，能以狭窄的通道间隔（25ghz甚至更高）涵盖 c 或 l- band 窗口， 插损小于 2db，色散调节范围大，支持最高速率可达 12.5gbps。glassic todc 可用 于单通道和多通道补偿，以及光纤仿真应用。但是其价格也比较昂贵，而且该公司也 垄断了在这一方向的知识产权。 1.4 课题研究内容及论文主要工作 本论文研究了 gires- tournois(g- t)腔对色散进行补偿的基本原理， 在此基础之上设 计了一种基于温度调节的级联 g- t 腔色散补偿器件，分析这种结构元件的色散补偿特 性。制作出精密温度控制器和用于多信道色散补偿的可调色散补偿器件，给出了该器 件的参数测试结果，并在此基础上分析这种色散补偿器件的结构和特性。 在理论研究方面，介绍了光纤色散有关的基本概念以及 g- t 腔相位延迟的理论模 型；介绍了级联 g- t 腔进行可调色散补偿的原理；对级联 g- t 腔的色散- 温度特性进行 了研究。在实验方面，设计与测试精密温度控制电路，搭建与测试基于 g- t 腔补偿技 术的光路，实现了预期的补偿效果，并提出改进方案。 全文各章节内容安排如下: 第一章介绍了国际、国内色度色散研究现状及发展趋势：论述光纤的色散原理和 分类，列举和比较了几种色度色散补偿方案，并分析了可调节色散补偿器的必要性。 第二章讨论了 g- t 腔的相位延迟特性；建立了四腔级联的反射型 g- t 腔的时延特 性和色散补偿值可调的模型；从理论上研究了基于温度调节色散值的补偿器件的基本 原理，并对其相关指标进行了阐述。 第三章详细阐述了基于 g- t 腔可调节色散补偿器件的设计结构，分析它的各个组 成部分的工作原理，并对方案中的关键技术进行了说明。 第四章重点介绍了精密温度控制电路的设计，分析了硬件电路设计和软件设计的 5 思想，并给出了温度控制实验结果。 第五章从制作角度阐述这种基于 g- t 的可调色散补偿器件的各个制作工序。测试 了该色散补偿器件的达到的技术指标和补偿效果，以及实验结果分析。 最后总结全文。 1.5 本章小结 这一章简述了色散补偿的一些基本常识。第一节阐述了光纤通信系统中进行色散 补偿的重要意义。第二节简单的对当前常用的一些色散补偿技术方案进行了介绍，指 出各自的优点及不足。第三节阐述了可调色散补偿对现代光纤通信系统的必要性。第 四节对本论文的研究内容做了概括。 6 2 可调色散补偿器件理论研究 2.1 gires- tournois(g- t)腔的色散原理 2.1.1 g- t腔的相位延迟特性 gires- tournois(g- t)腔是一种特殊的 f- p 腔，其腔的两个反射面一面的反射率为 100%， 另一面的反射率小于 100%30， 如图 2- 1 所示。 其中 1 m面的反射率小于 100%， 2 m 面的反射率近似为 100%。当光从部分反射面 1 m进入腔内，在腔内振荡后，从同 一侧出射的时候，理论上出射光场与入射光场的振幅相同，只是相位随不同波长发 生改变。由于光波不断地在腔内反射，使得反射光方向产生多光束。光束在腔内的 来回反射使光束的相位发生改变， 由时延公式 d d =)(知相位变化能够产生时延。 式中表示时延，表示光束相位差，表示入射光的角频率。时延的改变可以引起 色散， d d d=)(。如果产生负色散值的正常色散，则能补偿光纤传输引起的反常 色散31。 图 2- 1 g- t 腔的色散原理 2.1.2 g- t腔的色散理论 由图 2- 1，现对g- t 腔反射光场上任何一点 p 点的复振幅 32 进行推导。 与 p 点对 应的多光束的入射角为 0 ，它们在 g- t 腔内的入射角为，因而相邻两光束的光程差 为 cos2nd= (2- 1) 7 由相位差公式，知两光束的相位差为 cos 4 nd= (2- 2) 式中，d为 g- t 腔的腔长，n为 g- t 腔基片的折射率，是光波在真空中的波长。 假设光束从空气入射到第一片 g- t 腔基片时的反射系数和透射系数分别为 1 r、 1 t， 从基片进入空气的反射系数和透射系数分别为 1 r 、 1 t ；光束从空气进入第二片玻璃基片 的反射系数和透射系数分别为 2 r、 2 t，从基片进入空气的反射系数和透射系数分别为 2 r 、 2 t ，并设入射光和反射光的复振幅分别为 )(i a和 )(r a，则从 g- t 腔反射回来的各光 束的振幅依次为,.)(,)(, )(2 2 1 2 11 )( 2 1 2 11 )( 2 11 )( 1 iiii arrrttarrrttarttar因此， 各反射光束在 p 点 的光场分别为 += += += = )3(exp)( )2(exp)( )(exp )(exp 0 )(2 2 1 2 11 )( 4 0 )( 2 1 2 11 )( 3 0 )( 2 11 )( 2 0 )( 1 )( 1 tiarrrtte tiarrrtte tiartte tiare ir ir ir ir (2- 3) 式中，是光波的角频率， 0 是位相常数。 各反射光束在干涉场上 p 点相干涉的合成场的复振幅为 )(2 2 12 112 12 112 111 )( .)3exp()()2exp()()exp( ir airrrttirrrttirttra+= (2- 4) 由上式得到 )( 21 21)( )exp(1 )exp( ir a irr irr a = (2- 5) 为了减少透过损耗，可设定令 12 ,1rr r= ，则 g- t 腔的反射系数为 )exp(1 )exp( ir ir r tg = (2- 6) 上式是 g- t 干涉仪反射谱的响应特性，由于复反射率的模数为 1，入射光场会无 损耗反射出来，但是相位会发生改变，即 g- t 干涉仪可看成是相位延迟器。 1 r、 1 t、 1 r 、 1 t 、 2 r、 2 t、 2 r 、 2 t 以及两个表面反射率 1 r、 2 r和透射率 1 t 、 2 t各 量的关系为 8 = = = = 22 2 2 22 22 11 2 1 11 11 11 11 rtrtt rr rtrtt rr (2- 7) 因此，反射光在 p 点的光强为 22 ( )( )( )*( ) 11 22 22 1 212 2cos 12cos rrri rrrr iaai rrr r + = + (2- 8) 则反射光的对比度为 22 11 22 22 1 212 2cos contrast10lg() 1 2cos rrrr rrr r + = + 令 12 ,1rr r= ,设)exp( )( =iba r ，其中 b 为常数，则： )( )exp(1 )exp( )exp( i a ir ir ib = (2- 9) 其中 b 为常数，令 b=1，求得相位延迟 33为 cos)1 (2 sin)1 ( rr r arctg + = (2- 10) 相位对波长求导得到时延为 )1 (cos2 1cos2 2 )( 2 rr r c nd d d cd d + = = (2- 11) 再由时延对波长求导得到色散为 22 2 )1 (cos2 sin)1 ()cos(16 )()( rrc rrnd d d d + = (2- 12) 对时延而言，当2cos/(1,2,3)ndm m=时，反射光场强最低，时延值最大， 色散为零，我们称此波长为谐振波长。在谐振波长附近，小于谐振波长时 g- t 腔产生 正色散，大于谐振波长时 g- t 腔产生负色散。 从公式(2- 11)可以看出， g- t腔的部分反射面的反射率r会影响时延曲线。 如图2- 2， r 越大，曲线的谐振峰时延值越大， 3db带宽越小；r 越小，曲线的谐振峰时延值越小， 9 3db带宽越大。当反射率为 20%时， g- t 腔获得的时延最大值为 25ps；当反射率为 40% 时，g- t 腔获得的时延最大值为 45ps；当反射率为 60%时，g- t 腔获得的时延最大值 为 75ps。 图 2- 2 不同反射率下的时延曲线 2.2 g- t 腔的温度特性 采用 k9 玻璃制作的 g- t 腔在温度发生变化时，其体积会发生变化，体积变化的 大小通过线膨胀系数来衡量。例如，对于普通 k9 玻璃，其线性膨胀系数为 6 5.7/()10mc = 。 。 当 g- t 腔的腔距为 d=2mm 时， 每改变 1， 则腔距改变量 （d） 为 11.4nm；温度改变为 0.1时，腔距改变量（d）为 1.14nm。由此可见，当温度调 节精确到 0.1时， 我们能精确控制 g- t 腔的腔距 d。 由2cos/(1,2,3)ndm m=， 因此精确控制温度可以精确改变谐振波长。 当腔距 d 取不同值时，设光垂直入射，即=0 时，自由频谱范围 fsr=100ghz, n=1.46(腔的折射率), c= 8 103m/s，根据式(2- 8)、式(2- 9)，求得反射率为 30%的 g- t 腔 的时延曲线。图 2- 3 中依次为取曲线 1 的 g- t 腔腔距 1 d为 1mm，曲线 2 的 g- t 腔腔距 2 d为(1+ 5 10)mm， 曲线 3 的 g- t 腔腔距 3 d 为(1+ 5 103 )mm。 从图中可以得到， 当 g- t 腔的波长改变 10nm，30nm 时，获得最大时延值得谐振波长发生漂移。 波长(nm) 时延(ps) 10 图 2- 3 不同腔距下的时延曲线 2.3 级联 g- t 腔的色散特性 2.3.1 多腔级联色散补偿器件的基本原理 采用单级 g- t 腔进行多信道色散补偿，色散补偿量比较有限。此外，为了实现色 散补偿量的可调节，需要对色散补偿元件进行改进和完善。基于 g- t 腔的多腔级联结 构，可以用于多信道色散补偿，不仅色散补偿量大大增加，而且色散补偿值动态可调。 这种结构解决了单级 g- t 腔干涉仪进行色散补偿时存在的问题，同时其结构简单，色 散补偿值容易调节34,35,36。 图 2- 4 多腔级联色散补偿器结构示意图 波长(nm) 时延(ps) 曲线 1 曲线 2 曲线 3 温控器 温控器 温控器 环形器 光输入 光输出 11 如图 2- 4 所示，初始光从 input 进，通过第一个单级 g- t 腔色散补偿模块后再进入 第二个单级 g- t 腔色散补偿模块，然后再进入第三个，依次下去。在本论文中，我们 设计的是四级 g- t 腔级联的色散补偿器件。对于每一个色散补偿模块，都有其单独的 温度控制器，用于调节各自的 g- t 腔腔距 d，以达到色散值可调的目的。 2.3.2 腔距确定 由于四个 g- t 腔级联无法达到 100ghz色散补偿带宽的要求，我们考虑 50ghz的 信道间隔的情况。由物理光学公式可知，相邻两束光的光程差为 2nd = (2- 13) 设 ? 对应的干涉级次为（m+1） ，相邻干涉级次 m 对应的谐振波长为 ()+ ， 2(1)()ndmm =+=+ ，因此 m = ，由此可以达到： 2()nd =+ (2- 14) = (2- 15) 2()() c nd =+ =+ = (2- 16) 2 c d n = (2- 17) 因此当频率间隔为 50ghz时，可以计算出厚度 d=2.054mm。对于 50ghz的信 道间隔，根据国际通信行业标准，至少应达到 10ghz的色散补偿带宽才能保证通信质 量。 2.3.3 时延分析软件的设计 对于多腔级联的色散补偿方案，其级联后的总时延为各 g- t 腔时延的总和。即： 111 11 cos2)1 ( 12 )( rr r c nd + = 总 .+ nnn nn rr r c nd cos2)1 ( 12 + 通过初步计算，为获得色散补偿值- 1200ps/nm 和补偿带宽 20ghz(即 0.16nm)的色 散补偿仪器时，需要 3- 10 个 g- t 腔级联才能实现。在本设计中，我们采用了四个 g- t 12 腔级联的方式，这种设计能获得低的插入损耗和插入损耗抖动，低的群时延抖动和偏 振膜色散（pmd）。 在确定色散补偿值和色散补偿带宽范围的条件下，衡量色散补偿优劣的指标是峰 峰值群时延抖动（ppgdr，peak to peak group delay ripple） 。在带宽范围内，ppgdr 越 小，表明时延曲线的线性度越好，色散斜率也越好，则色散补偿效果越好；ppgdr 越 大，表明时延曲线的线性度变差，色散斜率劣化，则色散补偿效果不佳。 对于四个 g- t 腔而言，有两组共八个参数，分别为： 1 r、 2 r、 3 r 、 4 r， 1 d、 2 d、 3 d 、 4 d。以 ppgdr 为衡量标准，通过计算机优化处理，可以得到理论色散补偿值为 - 1200ps/nm， 带宽为 20ghz时四个 g- t 腔的最佳参数。 在确定四个 g- t 腔的反射率后， 我们通过调节 g- t 腔的腔距，调节的范围为 200nm以内，可以实现色散补偿值的动态 调节。因为是微调 g- t 腔的腔距，因此器件的自由频谱范围（fsr）不会改变。 在这里，我们使用了一维 brent 方法和多维情况下的方向集（powell）方法，使用 c 语言编写程序，通过两层循环得到四个 g- t 腔的最佳反射率。当四个 g- t 腔的反射 率依次为： 1 r=57%、 2 r=43.5%、 3 r =30%、 4 r= 15%，此时不仅能满足色散值和带宽 的需要，而且色散斜率最好37。 图 2- 5 时延和 ppgdr 分析软件界面 13 为了方便模拟色散值的调节，我们用 vc 编写时延和 ppgdr模拟软件的界面。在 四个 g- t 腔反射率一定得情况下，通过调节 1 d、 2 d、 3 d 、 4 d可以对色散补偿值和带 宽进行调节。如图 2- 5，可见该软件可以进行五个 g- t 腔级联的时延分析，同时可以方 便的对 ppgdr 进行观察。 软件可以模拟四个 g- t 腔级联后的时延叠加曲线， 可以计算不同参数下的色散值 和 ppgdr，同时还可以调节不同的 g- t 腔参数，计算和分析在不同参数下的色散补 偿值和曲线在带宽范围内的线性度， 对于理论模拟和指导实验中温度调节有很大的意 义。 2.3.4 模拟获得的色散值 通过上节的时延模拟软件，在 1 r=57%、 2 r=43.5%、 3 r =30%、 4 r= 15%已经确定 的条件下，我们通过调节四个 g- t 腔的腔距 1 d、 2 d、 3 d 、 4 d，可以得到设计的色散 补偿模块补偿带宽为 20ghz，色散补偿量从- 800ps/nm至- 1200ps/nm。图 2- 6 是四腔级 联获得- 1000ps/nm 色散值的时延曲线，此时 1 d=2.05mm、 2 d=2.05nm+40nm、 3 d =2.05nm+95nm、 4 d=2.05nm+144nm。图 2- 7 是其 ppgdr 曲线，可见最大的 ppgdr 值为 10.309ps，表明在带宽范围内时延曲线的线性度良好。 图 2- 6 四腔级联获得- 1000ps/nm 色散值时的时延曲线 波长(nm) 时延(ps) 14 图 2- 7 四腔级联获得- 1000ps/nm 色散值时的 ppgdr 曲线 图 2- 8 是四腔级联获得- 1100ps/nm 色散值的时延曲线，此时 1 d=2.05mm、 2 d=2.05nm+38nm、 3 d =2.05nm+79nm、 4 d=2.05nm+148nm。图 2- 9 是其 ppgdr曲线， 可见最大的ppgdr值为24.881ps， 与四腔级联获得- 1000ps/nm色散值的时延曲线相比， 此时 ppgdr 增加，表明带宽范围内的线性度变差。 图 2- 8 四腔级联获得- 1100ps/nm 色散值时的时延曲线 波长(nm) 时延(ps) 波长(nm) 时延(ps) 15 图 2- 9 四腔级联获得- 1100ps/nm 色散值时的 ppgdr 曲线 图 2- 10 是四腔级联获得- 1200ps/nm 色散值的时延曲线，此时 1 d=2.05mm、 2 d=2.05nm+32nm、 3 d =2.05nm+78nm、 4 d=2.05nm+125nm。图 2- 11 是其 ppgdr 曲线， 可见最大的ppgdr值为25.335ps， 与四腔级联获得- 1100ps/nm色散值的时延曲线相比， 此时 ppgdr再次增加，表明带宽范围内的线性度再次变差。根据国际标准，我们能容 忍的 ppgdr极限为 40ps。因此我们设计的色散补偿模块的 ppgdr 能满足国际标准的 要求。 图 2- 10 四腔级联获得- 1200ps/nm 色散值时的时延曲线 时延(ps) 波长(nm) 波长(nm) 时延(ps) 16 图 2- 11 四腔级联获得- 1200ps/nm 色散值时的 ppgdr 曲线 通过理论模拟，我们能获得色散补偿值- 1200ps/nm、补偿带宽 20ghz、不高于30ps 的 ppgdr 和 400ps/nm 的可调范围的级联曲线。 2.3.5 平行度确定 根据等厚干涉的原理，单个 g- t 腔在发生干涉时，如果其两个表面存在不平行的 现象，根据楔板夹角公式 /2ne= (2- 18) 通过初步实验，当观察干涉条纹的条纹间距 e 为m 3 108 、n=1.46、u55. 1=（钠 光灯） 时， g- t 腔由于不平行度带来的损耗可以忽略， 由此可以求出得到大约为 13.7?。 2.3.6 温度控制精度 本方案是通过改变每个 g- t 腔的腔距来实现色散补偿值得调节，由于四个 g- t 腔 的反射率分别为 1 r=57%、 2 r=43.5%、 3 r =30%、 4 r= 15%，根据时延公式 2- 11，四个 个 g- t 腔谐振波长处的时延值依次减小。当固定第一个 g- t 腔的谐振波长时，第二个 g- t 腔的腔距调节对整个时延曲线的影响最大，因此第二个腔的温度变化量决定了本 方案中的温度调节精度。由 2.2 节中的讨论知，我们需要达到的温度控制精度为 0.1。 2.3.7 最大温度改变量 当需要改变信道时，则整个时延曲线平移一个周期，则光谱位移量大约 0.4nm，由 波长(nm) 时延(ps) 17 于已知公式可知： =tdd/ (2- 19) 当=0.4nm，=1550nm 时，45=t。在色散调节过程中，需要调节的最大 温度变化量是当整个时延曲线平移半个周期时，此时温度改变为 22，即 22max=t可以满足色散调节的要求。 2.4 本章小结 本章介绍了色散补偿器件的基本原理。第一节从理论上推导了单级色散补偿模块 的色散特性。第二节介绍了 g- t 腔的温度特性。第三节介绍了多腔级联色散补偿器件 的基本原理和相关技术指标的确定。 18 3 色散补偿器件的模块结构分析 3.1 色散补偿器件的模块结构 3.1.1 基于 tec色散补偿器件的设计结构 tec温控器 g- t腔1g- t腔2g- t腔3g- t腔4 环形器1 环形器2环形器3 环形器4 1端口(input） 1端口 2端口 3端口 2端口 3端口1端口 2端口 3端口1端口 2端口 3端口(output) 图 3- 1 温度控制色散补偿器件原理图 我们所设计的可调节色散补偿器件（tunable dispersion compensator，tdc）是 由四个三端口环行器，四个色散补偿单元组成的多腔色散补偿器件。每个单元包括一 个单芯准直器，一个 g- t 腔，一个 tec 温度控制器以及一个环形器。 光从第一个环形器的 1 端口进， 依次通过四个色散补偿模块后从第四个环形器的 3 端口出。 对每个色散补偿模块，我们使用了独立的温度控制器，这样不仅便于温度调节， 同时也避免了不同模块间的温度影响。 这种结构带来的损耗主要是环形器的固有损耗和准直器的对准耦合损耗。 3.1.2 单个 g- t腔模块结构 in/out 准直器 g- t腔胶木光学平台 散热片 tec 热敏电阻 图 3- 2 单个 g- t 腔模块结构图示 19 我们设计的每个 g- t 腔色散补偿模块包括以下六个部分： (1) tec 制冷片：tec 制冷片采用与 g- t 腔紧密相贴的结构，便于对 g- t 腔进行 温度控制。tec 的尺寸为 20mm20mm 5mm。通过 tec 的两个引脚与模块外的温度 控制电路板相连，实现温度的实时可调。 (2) 环氧胶木平台：综合考虑到机械稳定性和温度稳定性的因素，设计出以上结构 的环氧胶木平台，用于光路和 tec 的固定。 (3) 热敏电阻：热敏电阻是检测 g- t 腔实际温度的传感器，通过其获得 g- t 腔的 实时温度，将温度反馈给温度控制电路，将此温度与设定温度相比较，准确控制 g- t 腔温度。 (4) g- t 腔：g- t 腔在胶木台中采用的是机械固定的方式。g- t 腔的材料采用的是 特种 k9 玻璃制作。 (5) 准直器：准直器主要光输入和光反射输出。当准直器调整到对准 g- t 腔后， 将其用 a/b 胶固定在环氧胶木平台上。 (6) 散热片： 散热片是为了有效的散除 tec 进行温度控制产生的热量，特别是制冷片 工作在制冷模式的时候。散热片和 tec 通过螺钉用机械固定的方式仅仅的贴在一起。 3.2 色散补偿模块主要器件介绍 3.2.1 光纤准直器 光纤准直器是光学设计和光器件研发中最基本的光学器件，它由光纤头和准直透 镜组成。其主要用途是将光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光学接口处光和与 光纤之间的耦合效率。常用的准直透镜是四分之一节长的自聚焦透镜38。 c- lens光纤准 直器是我国自主研发的产品39，图3- 3是典型的c- lens光纤准直器的结构40。 图3- 3 c- lens光纤准直器结构图 平滑表面 光纤尾纤 粘合处 20 在设计中，可以在两个光纤准直器之间形成的准直区域中插入各种具有特定功能 的光学元件，如色散补偿器件，因而从光纤准直器出射的光束质量的高低将直接影响 这些无源器件的工作性能例如损耗等。 两个单模光纤准直器耦合时，准直器的失配会使单模光纤间产生不同附加损耗。 两个光纤准直器之间的插入损耗主要来源于以下三个方面41： (1) 两光纤准直器的横向偏离损耗，图 3- 4 是光纤准直器横向偏离的示意图，其中 d 是两光纤横向偏离的距离，图 3- 5 是横向偏离距离 d 对耦合光强的影响。从图 3- 5 中 可以看出，当横向偏离距离达到 500 m时，两光纤准直器基本不能通光。 图 3- 4 光纤准直器横向偏离示意图 图 3- 5 光纤准直器横向光强曲线 (2) 两光纤准直器的轴向偏离损耗，图 3- 6 是光纤准直器轴向偏离的示意图，其中 x是两光纤轴向偏离的距离，图 3- 7 是轴向偏离距离 x对耦合光强的影响。从图 3- 7 可 见，轴向偏离距离 x 对耦合光强影响要小于横向偏离距离 d，当轴向偏离距离 x 达到 0.5m时，两光纤准直器不能通光。 间距 (m) 光强(%) 21 x 图 3- 6 光纤准直器轴向偏离示意图 图 3- 7 光纤准直器轴向偏离光强曲线 (3) 两光纤准直器的偏角损耗，图 3- 8 是光纤准直器偏角的示意图，其中是两 光纤偏角的角度，图 3- 9 是偏角角度对耦合光强的影响。从图 3- 9 可见，偏角角度 对耦合光强影响很大，当偏角角度达到 0.2 时，两光纤准直器不能通光。 w1=w2 图 3- 8 光纤准直器偏角耦合示意图 图 3- 9 光纤准直器偏角耦合光强曲线 间距(m) 光强(%) 光强(%) 角度 (o ) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 100000 200000 300000 400000 500000 22 通过以上计算和曲线模拟可知，准直器的插入损耗对横向偏离距离及偏角比较敏 感，插入损耗随轴向偏离距离的变化很小；所以在准直器的生产装配时应该注意控制 它的角度和横向偏离42。对于模场失配引起的插入损耗，可以通过光斑法来检验出射 光斑的大小43，使得在对调法中进行装配的两个准直器的光斑大小尽可能相同。 3.2.2 环形器 环形器的工作原理等同于隔离器，图 3- 10 是三端口和四端口环形器原理示意图， 光传送顺序沿顺时针方向，(a)中由 1 端输入的信号只能沿顺时针方向进入 2 和 3 端， 而不能沿逆时针方向进入 3 和 2 端，这样就防止了光线的反射。(b)的原理同(a)相同， 只是端口比(a)多一个。 图 3- 10 环形器原理示意图 环形器实现 g- t 腔级联的示意图见图 3- 11 所示，从单模光纤中出来的输入光线通 过环形器的 1 端口进入单光纤准直器后，准直光束入射到 g- t 腔上，在 g- t 腔内经过 多次反射，反射光耦合回准直器，环形器可以实现分光结构，将入射光