CN104052547B - 一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置，包括光纤，该装置还包括环形器、光纤‑波导耦合器、硅波导、波导耦合器、谐振腔和啁啾光栅，所述的光纤、环形器、光纤‑波导耦合器、硅波导和啁啾光栅依次顺序连接，所述的波导耦合器设置在硅波导和谐振腔之间，所述的谐振腔利用其非线性光学特性产生非线性相移，补偿光纤的非线性效应；所述的啁啾光栅的栅格周期沿轴向变化，能够使多种不同波长的入射光在不同的位置反射，产生大的群时延斜率，补偿光纤的色散效应。与现有技术相比，本发明实现具有实时补偿、体积小、易扩展等优点。

Description

一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置

技术领域

本发明涉及一种光纤非线性和色散效应补偿装置，尤其是涉及一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置。

背景技术

如图2所示，光纤通信系统主要由发射机、光纤传输以及接收机三大部分组成，发射机包括光源以及调制器，发射机发出的信号经过N段的光纤链路进行传输，每传输一段需要用放大器对信号进行放大，以补偿传输过程中的衰减，经过光纤传输后的信号被接收机接收，接收机的作用是对接收到信号进行色散以及非线性效应的补偿，并通过相干解调模块进行解调，还原出原数字信号。

光纤非线性效应主要是由克尔效应(Kerr effect)引起的，指的是介质的折射率随着光的强度而改变的一种现象。光的强度越强，所受的非线性效应越大。光纤的色散效应指的是不同频率的光信号以不同的速度传播的现象，它会导致脉冲的展宽。在光纤传输过程中，光纤的非线性与色散会相互作用，并且随着传输距离的增加而不断累积，从而限制了光纤的传输距离。因此，光纤色散以及非线性效应成为了实现超高速、超长距离光纤传输的一个最大障碍。

目前大多数的光纤色散以及非线性效应补偿技术都是通过数字信号处理的方式实现的，例如常用的数字反向传输技术就是通过数字信号处理来解逆的非线性薛定谔方程从而实现光纤传输的逆过程。这类方法虽然能够较好的补偿光纤的色散以及非线性效应，但是对于超高速、超长距离的光纤传输来说，该方法的计算量很大、复杂度很高，并且只能离线处理，不能实现实时的非线性及色散补偿。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置，包括光纤，该装置还包括环形器、光纤-波导耦合器、硅波导、波导耦合器、谐振腔和啁啾光栅，所述的光纤、环形器、光纤-波导耦合器、硅波导和啁啾光栅依次顺序连接，所述的波导耦合器设置在硅波导和谐振腔之间：

所述的谐振腔利用其非线性光学特性产生非线性相移，补偿光纤的非线性效应；所述的啁啾光栅的栅格周期沿轴向变化，能够使多种不同波长的入射光在不同的位置反射，产生大的群时延斜率，补偿光纤的色散效应。

所述的谐振腔利用其非线性光学特性产生非线性相移，具体为：当谐振腔处于欠耦合区时，产生负的非线性相移；当谐振腔不处于欠耦合区时，利用硅波导的四波混频效应产生输入信号的共轭信号，共轭信号经过波导谐振腔产生正的非线性相移，等效于原信号产生负的非线性相移。

所述光纤非线性及色散补偿装置的实现方法如下：

1)所述波导耦合器与谐振腔构成的环形谐振器由硅波导材质制作而成，其非线性折射率n₂的值为3×10^-18m²/W，是普通二氧化硅材质的100倍。同时，硅波导的有效面积能够做到很小，其非线性系数γ的值与二氧化硅光纤的相比能提升10000倍，更适合用于光纤非线性效应的补偿。

2)所述谐振腔能够使腔内的光强得到大大增强。环路光强与入射光强的比值为谐振腔的累积因子B。B的计算式如下：

$B=\frac{(1-r^2)a^2}{1-2\mathrm{ra}\cos \mathrm{\φ}+r^2{a}^2}\underset{\mathrm{\φ}=0,a=1}{\→}\frac{1+r}{1-r}$

其中，r为谐振腔的自耦合系数，a为单环路的幅度传输系数，φ为单环路的相移。当φ为2π的整数倍时，光信号会与谐振腔产生谐振，此时累积因子B能够达到几十以至几百，使得腔内的光强得到大大增强。

所述的谐振腔采用硅波导材质制成，其非线性特性得到增强，当信号功率较小时就能产生较大的负的非线性相移，并且由于谐振腔的共振效应，在腔内的光强得到大大增强，从而减小所需器件的尺寸，可以集成于微小的硅芯片中。

所述的谐振腔数量可设置多个，通过级联方式连接，进一步增强其非线性特性。使其能使用于小功率信号的非线性补偿。

所述的谐振腔形状为环形或者光栅状。

与现有技术相比，本发明具有等以下优点。

一、可以实现光纤非线性效应以及色散效应的实时补偿，降低接收信号的误码率，适用于超高速的光纤通信系统。

二、采用硅波导材质制成，具有尺寸小、能集成于硅芯片中的优点，同时其非线性特性也大大增强，能够在信号功率很小的情况下达到较大的负的非线性相移。

三、可采用多个环形谐振腔级联，使其非线性得到进一步增强，从而实现小功率信号的非线性补偿。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2是光纤通信系统结构示意图。

图3是谐振腔有效相移随功率变化图。

图4是多个环形谐振腔级联结构示意图。

其中，1为环形器、2为光纤-波导耦合器、3为硅波导、4为波导耦合器、5为波导谐振腔、6为啁啾光栅、7为光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置，包括光纤7、环形器1、光纤-波导耦合器2、硅波导3、波导耦合器4、谐振腔5和啁啾光栅6，所述的光纤7、环形器1、光纤-波导耦合器2、硅波导3和啁啾光栅6依次顺序连接，所述的波导耦合器4设置在硅波导3和谐振腔5之间；

所述的谐振腔5利用其非线性光学特性产生非线性相移，补偿光纤的非线性效应；所述的啁啾光栅6的栅格周期沿轴向变化，能够使多种不同波长的入射光在不同的位置反射，产生大的群时延斜率，补偿光纤的色散效应。

所述的谐振腔5利用其非线性光学特性产生非线性相移，具体为：当谐振腔5处于欠耦合区时，产生负的非线性相移；当谐振腔5不处于欠耦合区时，利用硅波导3的四波混频效应产生输入信号的共轭信号，共轭信号经过波导谐振腔5产生正的非线性相移，等效于原信号产生负的非线性相移。

光纤通信系统主要由发射机、光纤传输以及接收机三大部分组成，发射机包括光源以及调制器，发射机发出的信号经过N段的光纤链路进行传输，每传输一段需要用放大器对信号进行放大，以补偿传输过程中的衰减，经过光纤传输后的信号被接收机接收，接收机的作用是对接收到信号进行色散以及非线性效应的补偿，并通过相干解调模块进行解调，还原出原数字信号。

如图2所示为带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置的结构图。通过光纤7传输后的信号经过环形器及光纤-波导耦合器2进入谐振腔5中，补偿其在光纤传输过程中受到的非线性效应。谐振腔5输出的信号经过啁啾光栅6进行光纤色散效应的补偿，反射回来的信号再经过谐振腔5进行非线性补偿，谐振腔输出的信号经由环形器1的输出端，送到相干解调模块进行解调。

所述非线性效应以及色散效应的补偿方法如下：

一、非线性效应补偿

在光纤传输过程中，光纤7的非线性效应会使信号产生非线性相移，并且相移的大小与输入信号的功率成正比。要想补偿光纤信号的非线性，就必须使接收的信号产生相应的负的非线性相移。本发明采用非线性硅波导环形谐振腔补偿光纤的非线性效应。具体方法有两种：

1)如图3所示是一个硅波导环形谐振腔产生负的有效相移的实例，当谐振腔5工作于欠耦合区，此时，其产生的有效相移为负。可以看出，在一定的功率范围内，随着输入功率的增加，谐振腔5产生的负的有效相移的绝对值也越大，这与光纤非线性效应是一致的，因此可以用来抵消光纤非线性产生的相移。

2)利用硅波导的四波混频效应产生输入信号的共轭信号。共轭信号经过环形谐振腔产生正的非线性相移，等效于原信号产生负的非线性相移。

另外，为了进一步增强环形谐振腔的非线性特性，本发明还可以采用多个谐振腔5级联，如图4所示为谐振腔5的级联结构。

二、色散效应补偿

光纤色散效应指的是不同频率(波长)的光信号以不同的速度传播的现象。本发明采用啁啾光栅6补偿光纤的色散效应。啁啾光栅6的栅格周期不是常数而是沿轴向变化的。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栅6的不同位置反射，从而产生大的群时延斜率，与光纤色散效应的刚好相反，因此可以补偿光纤的色散效应。

Claims (2)

1.一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置，包括光纤(7)，其特征在于，该装置还包括环形器(1)、光纤-波导耦合器(2)、硅波导(3)、波导耦合器(4)、谐振腔(5)和啁啾光栅(6)，所述的光纤(7)、环形器(1)、光纤-波导耦合器(2)、硅波导(3)和啁啾光栅(6)依次顺序连接，所述的波导耦合器(4)设置在硅波导(3)和谐振腔(5)之间；

所述的谐振腔(5)利用其非线性光学特性产生非线性相移，补偿光纤的非线性效应；所述的啁啾光栅(6)的栅格周期沿轴向变化，能够使多种不同波长的入射光在不同的位置反射，产生大的群时延斜率，补偿光纤的色散效应；

所述的谐振腔(5)利用其非线性光学特性产生非线性相移，具体为：当谐振腔(5)处于欠耦合区时，产生负的非线性相移；当谐振腔(5)不处于欠耦合区时，利用硅波导(3)的四波混频效应产生输入信号的共轭信号，共轭信号经过波导谐振腔(5)产生正的非线性相移，等效于原信号产生负的非线性相移；

所述的谐振腔(5)采用硅波导材质制成；

所述的谐振腔(5)数量设置为多个，通过级联方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种带有谐振腔的光纤非线性和色散效应补偿装置，其特征在于，所述的谐振腔(5)形状为环形或者光栅状。