CN109031652A - 一种低损耗光通信色散补偿器及其色散补偿方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种低损耗光通信色散补偿器及其色散补偿方法，包括啁啾光栅纤芯、正向电致伸缩层、负向电致伸缩层、正向电极层、负向电极层以及电调谐单元。本申请实现了低损耗的色散补偿方案，且基于电致形变有机材料的电致形变效应，实现色散补偿范围的可调谐，具有适用动态范围宽、调谐速度快、调谐精度高且鲁棒性好、结构简单的优点。

Description

一种低损耗光通信色散补偿器及其色散补偿方法

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种低损耗光通信色散补偿器及其色散补偿方法。

背景技术

由于光脉冲信号中不同频率的光成分在光纤介质中的传播速度存在差异，因此，当光脉冲信号从光纤的输入端经过长距离传输到达光纤输出端以后，光脉冲波形发生了时域上的展宽，这种现象即为色散。色散是长距离光通信当中面临的主要障碍，会造成码间串扰，导致误码率上升。

目前解决该问题的主要手段是执行色散补偿，即引入一个负色散来限制和消除光脉冲的展宽。在光通信线路中负责引入该负色散的部件即是色散补偿器。现有的色散补偿器包括色散补偿光纤、色散补偿光纤光栅以及色散补偿滤波器等。

色散补偿光纤是目前比较成熟的色散补偿器，其具有补偿带宽比较宽、无源、可在光纤传输的任意位置插入等优点。但是，色散补偿光纤的损耗比较大，导致补偿后的光信号有比较大的衰减，为了补偿80KM-120KM光纤传输所造成的色散，色散补偿光纤带来的信号损耗可达8-10dB，因此一般还需要在色散补偿光纤的后端增加光信号放大器。可见，信号损耗大这一缺点增加了应用色散补偿光纤的成本。

色散补偿光纤光栅利用环形器将光信号射入啁啾光栅；其中高频成分的光在啁啾光栅的近端反射，因此其行进路程短，低频成分的光在啁啾光栅的远端反射，因此其行进路程长；相对来说低频成分的光经历了更长的时延，从而可以实现色散的补偿。色散补偿光纤光栅给光信号带来的损耗远小于色散补偿光纤，为了补偿80KM-120KM光纤传输所造成的色散，色散补偿光纤光栅的损耗仅为2-4dB。

作为色散补偿光纤光栅的重要组成结构，啁啾光栅是通过紫外光曝光直写的方式，使光纤纤芯产生折射率沿纤芯轴向的周期性变化，从而在纤芯内形成若干窄带的栅格，光信号当中每个波长的光在啁啾光栅中实际行程取决于纤芯中由折射率变化所产生的对应于该波长的栅格的位置。

但是，传统的啁啾光栅提供固定的栅格分布，因此只能针对固定色散量的光信号实施补偿。随着光通信系统的发展，希望色散补偿器可调谐，也就是可以补偿具有不同的色散量的光信号，也就是通过调谐栅格位置而改变各波长光信号在啁啾光栅内的行程，在实际应用中调谐的精度需要达到亚微米级别。现有技术中对啁啾光栅的调谐包括温度调谐以及应变调谐。温度调谐的调谐速度慢，受到环境温度变化的影响比较大。应变调节包括磁力拉伸、悬臂梁弯曲等方案，色散调节范围比较大，但是需要的附加器件结构较复杂、体积过大，成本高。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种低损耗光通信色散补偿器及其色散补偿方法，本申请以色散补偿光纤光栅为基础，实现低损耗的色散补偿方案，且基于电致形变有机材料的电致形变效应，实现色散补偿范围的可调谐。

本发明提供的一种低损耗光通信色散补偿器，包括啁啾光栅纤芯、正向电致伸缩层、负向电致伸缩层、正向电极层、负向电极层以及电调谐单元；

所述啁啾光栅纤芯在光纤纤芯内部沿纤芯轴向具有通过光纤折射率变化形成的若干栅格，所述栅格的分布位置确定了光信号当中每个波长的光在光纤纤芯内部的行程量；

所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层设置于啁啾光栅纤芯的外层；所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层各自包括基体以及电致伸缩材料层；所述基体包覆形成于所述啁啾光栅纤芯的外层，基体的外层包裹电致伸缩材料层；

正向电极层设置在正向电致伸缩层的电致伸缩材料层的外层，负向电极层设置在负向电致伸缩层的电致伸缩材料层的外层；所述正向电致伸缩层的基体以及正向电极层向正向电致伸缩层的电致伸缩材料层施加预定方向和大小的第一电场；所述负向电致伸缩层的基体以及负向电极层向负向电致伸缩层的电致伸缩材料层施加预定方向和大小的第二电场；

所述电调谐单元连接所述基体以及正向电极层、负向电极层，用于提供电信号以形成所述第一电场和第二电场，根据预定数值的色散补偿量调节第一电场和第二电场的强度大小。

优选的是，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层彼此镜像对称设置于啁啾光栅纤芯的外层，且镜像对称轴与纤芯轴向垂直。

进一步优选的是，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层各自的内端点与啁啾光栅纤芯的中心点重合。

优选的是，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的基体是采用溅射工艺紧密附着在啁啾光栅纤芯外层所形成的金属层。

优选的是，所述电致伸缩材料层采用外界电场刺激下可以沿着预定方向发生伸缩形变的聚合物材料。进一步优选的是，所述电致伸缩材料层采用聚氨酯弹性体。

优选的是，所述低损耗光通信色散补偿器还包括一个三端口环形器，具有三个端口，待色散补偿的光信号自第一端口输入环形器，第二端口与低损耗光通信色散补偿器的啁啾光栅纤芯相连，将光信号输入纤芯进行色散补偿，第三端口用于输出补偿之后的光信号。

优选的是，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的基体的厚度为所述啁啾光栅纤芯直径的0.8-1.2倍。

优选的是，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的电致伸缩材料层的厚度为纤芯直径的3.5-5倍。

本发明提供了一种利用上述低损耗光通信色散补偿器实现的色散补偿方法，包括：根据预定数值的色散补偿量，向正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的基体以及正向电极层、负向电极层分别提供电信号，以形成所述第一电场和第二电场；通过所述第一电场和第二电场使电致伸缩材料层发生形变，进而带动基体发生同步形变，再由基体带动纤芯沿轴向发生形变，改变光信号中各个波长的光在纤芯内的行程，实现对啁啾光栅纤芯色散补偿量的调节，达到预定数值的色散补偿量。

本发明采用色散补偿光纤光栅为基础，实现低损耗的色散补偿方案，且基于电致形变有机材料的电致形变效应，实现色散补偿范围的可调谐，具有适用动态范围宽、调谐速度快、调谐精度高且鲁棒性好、结构简单的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例的一种低损耗光通信色散补偿器结构示意图；

图2是本申请实施例的低损耗光通信色散补偿器的横截面结构示意图；

图3是本申请实施例的低损耗光通信色散补偿器与环形器组合结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

作为本申请的一个实施例，如图1所示，低损耗光通信色散补偿器包括啁啾光栅纤芯101、正向电致伸缩层102、负向电致伸缩层103、正向电极层104、负向电极层105以及电调谐单元106。

其中，啁啾光栅纤芯101在光纤纤芯内部沿纤芯轴向X具有通过光纤折射率变化形成的若干栅格，所述栅格的分布位置确定了光信号当中每个波长的光在光纤纤芯内部的行程量。所述栅格通过紫外曝光写入的的方法在光纤纤芯内制造，从而形成所需的空间折射率分布，可使光信号中不同波长的光沿纤芯的轴线方向在不同位置发生反射，即产生啁啾效应，不同波长的光在纤芯内行程的差异能够对光信号的色散起到压缩的作用，即引入一个负色散。

正向电致伸缩层102、负向电致伸缩层103彼此镜像对称设置于啁啾光栅纤芯101的外层，且镜像对称轴Y与纤芯轴向X垂直，二者沿纤芯101纤芯轴向X延伸，并且以纤芯的轴X作为自身的中心轴，二者长度相同。正向电致伸缩层102、负向电致伸缩层103各自的内端点E与啁啾光栅纤芯101的中心点重合，因此伸缩形变不会造成纤芯中心点偏移。

正向电致伸缩层102包括基体102A以及电致伸缩材料层102B；负向电致伸缩层103包括基体103A和电致伸缩材料层103B。其中，基体102A与基体103A分别包覆形成于所述啁啾光栅纤芯101的外层，基体102A、103A是采用溅射工艺紧密附着在啁啾光栅纤芯101外层所形成的金属层，且如图2所示，其横截面为环形。基体102A、103A的厚度为纤芯101直径的0.8-1.2倍，其中优选为1.03倍。所述基体102A、103A既作为所述电致伸缩材料层102B、103B的安装层，同时也兼做为一个电极层使用。

基体102A的外层包裹电致伸缩材料层102B，同样，基体103A的外层包裹电致伸缩材料层103B；如图2，电致伸缩材料层102B和电致伸缩材料层103B横截面均为环形。所述电致伸缩材料层102B和电致伸缩材料层103B均采用外界电场刺激下可以沿着预定方向发生伸缩形变的聚合物材料，例如可以采用聚氨酯弹性体。聚氨酯弹性体微观上看具有柔性的分子主链以及晶体单元，外界施加电场导致晶体单元极化而产生自旋转，带动分子主链重排进而发生形变。所述电致伸缩材料层102B和电致伸缩材料层103B采用聚氨酯弹性体制作的好处包括：伸缩量与电场的关系稳定，不会随着时间和循环次数增大而发生变化，且响应速度快、能量密度高、回复性好、驱动电压小、温度性能稳定，同时还具备良好的加工性能和较低成本。本实施例中所述电致伸缩材料层102B和电致伸缩材料层103B的厚度为纤芯直径的3.5-5倍，优选为4.2倍。

正向电极层104设置在电致伸缩材料层102B的外层，负向电极层105设置在电致伸缩材料层103B的外层。在调谐过程中，所述基体102A、以及正向电极层104分别作为彼此配合的电极而向电致伸缩材料层102B施加预定方向和大小的第一电场，促使电致伸缩材料层102B在纤芯轴向上发生拉伸形变，进而电致伸缩材料层102B带动具有良好伸展性的基体102A发生同步形变，再由基体102A带动正向段的纤芯101沿着轴向发生拉伸形变；同时，基体103A、负向电极层105通过施加预定方向和大小的第二电场，促使电致伸缩材料层103B发生收缩形变，进而由电致伸缩材料层103B带动基体103A发生同步形变，再由基体103A带动负向段的纤芯101沿轴向发生收缩形变；从而，改变光信号中各个波长的光在纤芯内的行程，实现对啁啾光栅纤芯101色散补偿量的调节。

电调谐单元106连接所述基体102A、103A以及正向电极层104、负向电极层105，用于提供电信号以形成所述第一电场和第二电场。电调谐单元106输入预定数值的色散补偿量，并根据该色散补偿量的大小调节所述第一电场和第二电场的强度，第一电场和第二电场的电场强度按照固定的对应关系而转化为电致伸缩材料层102B、103B的形变量，进而转化为纤芯101的形变量，进而调谐色散补偿量至预定的数值。

如图3所示，本发明实现的低损耗光通信色散补偿器还包括一个三端口环形器，具有A、B、C三个端口，待色散补偿的光信号自A端口输入环形器，B端口与低损耗光通信色散补偿器的啁啾光栅纤芯101相连，将光信号输入纤芯101进行色散补偿，C端口用于输出补偿之后的光信号。

本发明进而提供了一种利用上述低损耗光通信色散补偿器实现的色散补偿方法，包括：根据预定数值的色散补偿量，向正向电致伸缩层102、负向电致伸缩层103的基体102A、103A以及正向电极层104、负向电极层105分别提供电信号，以形成所述第一电场和第二电场；通过所述第一电场和第二电场使电致伸缩材料层102B、103B发生形变，进而带动基体102A、103A发生同步形变，再由基体102A、103A带动纤芯101沿轴向发生形变，改变光信号中各个波长的光在纤芯内的行程，实现对啁啾光栅纤芯101色散补偿量的调节，达到预定数值的色散补偿量。

可见，本申请以色散补偿光纤光栅为基础，实现低损耗的色散补偿方案，且基于电致形变有机材料的电致形变效应，实现色散补偿范围的可调谐，具有适用动态范围宽、调谐速度快、调谐精度高且鲁棒性好、结构简单的优点。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，包括啁啾光栅纤芯、正向电致伸缩层、负向电致伸缩层、正向电极层、负向电极层以及电调谐单元；

所述啁啾光栅纤芯在光纤纤芯内部沿纤芯轴向具有通过光纤折射率变化形成的若干栅格，所述栅格的分布位置确定了光信号当中每个波长的光在光纤纤芯内部的行程量；

所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层设置于啁啾光栅纤芯的外层；所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层各自包括基体以及电致伸缩材料层；所述基体包覆形成于所述啁啾光栅纤芯的外层，基体的外层包裹电致伸缩材料层；

正向电极层设置在正向电致伸缩层的电致伸缩材料层的外层，负向电极层设置在负向电致伸缩层的电致伸缩材料层的外层；所述正向电致伸缩层的基体以及正向电极层向正向电致伸缩层的电致伸缩材料层施加预定方向和大小的第一电场；所述负向电致伸缩层的基体以及负向电极层向负向电致伸缩层的电致伸缩材料层施加预定方向和大小的第二电场；

所述电调谐单元连接所述基体以及正向电极层、负向电极层，用于提供电信号以形成所述第一电场和第二电场，根据预定数值的色散补偿量调节第一电场和第二电场的强度大小。

2.根据权利要求1所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层彼此镜像对称设置于啁啾光栅纤芯的外层，且镜像对称轴与纤芯轴向垂直。

3.根据权利要求2所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层各自的内端点与啁啾光栅纤芯的中心点重合。

4.根据权利要求3所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的基体是采用溅射工艺紧密附着在啁啾光栅纤芯外层所形成的金属层。

5.根据权利要求4所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述电致伸缩材料层采用外界电场刺激下可以沿着预定方向发生伸缩形变的聚合物材料。

6.根据权利要求5所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述电致伸缩材料层采用聚氨酯弹性体。

7.根据权利要求6所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述低损耗光通信色散补偿器还包括一个三端口环形器，具有三个端口，待色散补偿的光信号自第一端口输入环形器，第二端口与低损耗光通信色散补偿器的啁啾光栅纤芯相连，将光信号输入纤芯进行色散补偿，第三端口用于输出补偿之后的光信号。

8.根据权利要求7所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的基体的厚度为所述啁啾光栅纤芯直径的0.8-1.2倍。

9.根据权利要求8所述的低损耗光通信色散补偿器，其特征在于，所述正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的电致伸缩材料层的厚度为纤芯直径的3.5-5倍。

10.一种利用上述任意一项权利要求所述的低损耗光通信色散补偿器实现的色散补偿方法，其特征在于，包括：根据预定数值的色散补偿量，向正向电致伸缩层、负向电致伸缩层的基体以及正向电极层、负向电极层分别提供电信号，以形成所述第一电场和第二电场；通过所述第一电场和第二电场使电致伸缩材料层发生形变，进而带动基体发生同步形变，再由基体带动纤芯沿轴向发生形变，改变光信号中各个波长的光在纤芯内的行程，实现对啁啾光栅纤芯色散补偿量的调节，达到预定数值的色散补偿量。