CN101943771B - 一种多通道光纤光栅色散补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道光纤光栅色散补偿器，它以光纤为基材，在其上刻写的光栅为interleaved振幅采样光栅，在一个采样周期中，包括多个不同中心波长的光栅周期，写入不同中心波长的光栅，当不同波长的光栅周期同时发生啁啾，得到的光谱的啁啾量是各个不同中心波长啁啾量的总和。采用该方法能有效提高光栅的能量利用率，得到高能量效率的反射通道；它还具有色散叠加效果，使每一个不同中心波长的光栅发生小的啁啾，从而得到大的色散，避免了啁啾系数太大而使得相邻光谱发生重叠的现象。本发明提供了一种窄带、宽频域、高能量效率的色散补偿器件，并为设计不同的光栅色散补偿器件提供了新的思路。

Description

一种多通道光纤光栅色散补偿器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅色散补偿器，特别一种具有多通道的光纤光栅色散补偿器，属光信息技术领域。

背景技术

多通道Bragg光纤光栅在制作多通道色散补偿器、滤波器系统中引起了人们的越来越多的关注。对于超长距离、高速率的密集波分复用(DWDM)传输系统来说，光纤光栅色散补偿是一种行之有效的色散补偿手段，它具有成本低、结构简单、插入损耗小、性能可靠等优点得到了大量的应用。

传统的多通道光纤光栅色散补偿是通过两种光栅来实现的。一种是振幅采样光纤光栅，一种是相位采样光纤光栅。在采样光纤光栅的制作过程中，振幅型采样光纤光栅是最容易实现的，在振幅型采样光纤光栅中要想得到色散补偿，最常用，最直接的方法就是采用采样光栅周期发生啁啾的方法。当需要比较大的色散补偿时，光栅的周期变化量(啁啾量)就会很大，使得光栅的各级反射光谱通道带宽大幅度扩展，从而使得相邻的光谱发生重叠，而影响到器件作为窄带滤波器的实用性，并且振幅采样光纤光栅先天在能量利用率和折射率调制方面存在不足，由于以上原因影响了振幅采样光纤光栅作为色散补偿器件在光通信领域的广泛使用。

相位采样光纤光栅作为色散补偿器件，以其高的能量利用率、平坦的反射通道的独特优势引起光学研究者的极大兴趣。但是在相位采样光纤光栅中，要达到所要求的多通道，高能量利用率，大的色散补偿器件必须通过对光纤折射率的精确调制来刻写，其精度达到亚微米级量级，这就增加了制作的难度和成本。因此，寻求一种制造容易，且能产生窄带、宽频域、高能量效率的色散补偿器，一直是设计者追求的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于制造，且能实现窄带、宽频域、高能量、高效率的多通道光纤光栅色散补偿器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种多通道光纤光栅色散补偿器，它以光纤为基材，在其上刻写的光栅为间插(interleaved)振幅采样光栅，在一个采样周期中，包括多个不同中心波长的光栅周期，每一个采样周期的采样函数表示为：

$s_i\left(z\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{z-p_i/2}{p_i}\right)\⊗\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(z-\mathrm{mP})\exp [-j2\mathrm{\πm}\frac{\mathrm{mod}(P,{\mathrm{\Λ}}_i)}{{\mathrm{\Λ}}_i}]$

其中，i为正整数，表示第i个不同中心波长的光栅周期；z为光栅的写入方向，即光纤轴向方向；

rect为矩形函数符号，其中函数

表示以p_i/2为中心，宽度为p_i的矩形，p_i为每一个不同中心波长的光栅长度；

为数学卷积符号；m为正整数，表示第m个采样周期，P为不同中心波长光栅的采样周期长度，δ为delta函数符号，其中函数δ(z-mP)表示当z取值等于mP时，函数取值为“1”，当z为其它数值时，函数取值为“0”；exp表示相位，该部分表示一个采样周期中不同中心波长光栅之间的重复项；mod为两个数值表达式作除法运算后的余数，Λ_i为每一个中心波长不同的光栅周期；j为复数因子，j²＝-1，表示光栅的相位，π表示圆周率。

采用改变光栅啁啾系数进行色散补偿，是光纤光栅实现色散补偿最常用和最直接的方法。振幅型采样光纤光栅是采样光纤光栅中最容易实现的，然而，对于传统的振幅型采样光纤光栅，在需要的色散补偿量和光谱反射通道之间存在着矛盾，当需要得到大的色散补偿时，光栅周期的啁啾改变量也会很大，导致光谱之间谱线加宽，从而使相邻的反射光谱发生重叠，破坏光栅的反射通道，直接影响光纤光栅作为窄带滤波器的功能。同时，振幅采样光栅自身存在着能量利用率低的缺陷，想要实现窄带、宽频域、高能量效率的色散补偿器，对振幅型光栅来说是比较困难的。而对于相位采样光纤光栅作为色散补偿器件而言，虽然能够实现高的能量利用率、平坦的反射通道，但是，要通过对光纤折射率的调制实现所要求的多通道、高能量利用率和大的色散补偿的目的，就需要对每一点的相位进行精确定位，其精确度要达到亚微米级，这就增加了实现的难度。本发明提供了一种新颖的interleaved振幅采样光纤光栅，其结构是在一个采样周期中，写入不同中心波长的光栅，当不同波长的光栅周期同时发生啁啾，得到的光谱的啁啾量是各个不同中心波长啁啾量的总和，即具有色散叠加的效果。

与现有技术相比，本发明技术方案提供的啁啾的interleaved振幅采样光纤光栅具有以下显著的优点：

1、该振幅采样光纤光栅制作是在一个采样周期中，写入各个不同中心波长的光栅，其刻写方式与振幅型采样光纤光栅的方法相同，对不同中心波长光栅之间的相对位置没有严格的限制，因此，容易实现。

2、本发明提供的多通道光纤光栅色散补偿器，在整个采样周期中都写满了光栅，充分利用了光栅，提高了光栅的利用率，因此，有很高的反射光谱能量效率。

3、每一个不同中心波长的光栅满足一定的波长条件，使各个不同中心波长的反射光谱发生叠加，得到高反射效率的反射通道。

4、光谱通道的色散值是各个不同中心波长色散值的总和，使每一个不同中心波长的光栅发生小的啁啾，而得到大的色散补偿，从而避免了啁啾系数太大而使得相邻光谱发生重叠的现象。基于以上优点，本发明提供了一种用interleaved振幅采样光纤光栅实现窄带、宽频域、高能量效率的色散补偿器的有效方法。

附图说明

图1是本发明实施例技术方案提供的interleaved振幅采样光纤光栅与传统的振幅采样光纤光栅它们的折射率调制Δn(z)随光栅长度变化分布的对比图；

图2是本发明实施例技术方案提供的interleaved振幅采样光纤光栅与传统的振幅采样光纤光栅当它们的啁啾系数c_i＝0时的反射光谱和群时延的对比图；

图3是本发明实施例技术方案提供的interleaved振幅采样光纤光栅中不同中心波长的光栅在总啁啾量相同的情况下的反射光谱图；

图4是本发明实施例技术方案提供的interleaved振幅采样光纤光栅中不同中心波长的光栅在总啁啾量相同的情况下的群时延图；

图5是本发明实施例技术方案提供的interleaved振幅采样光纤光栅与传统的振幅采样光纤光栅，不同中心波长的光栅在总啁啾量相同的情况下反射光谱和群时延关系的对比图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

本实施例提供一种多通道光纤光栅色散补偿器，它以光纤为基材，在其上刻写的光栅为interleaved振幅采样光栅，在一个采样周期中，包括i个不同中心波长的光栅周期，每一个采样周期的采样函数表示为：

$s_i\left(z\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{z-p_i/2}{p_i}\right)\⊗\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(z-\mathrm{mP})\exp [-j2\mathrm{\πm}\frac{\mathrm{mod}(P,{\mathrm{\Λ}}_i)}{{\mathrm{\Λ}}_i}]$

其中，i为正整数，表示第i个不同中心波长的光栅周期z为光栅的写入方向，即光纤轴向方向；

rect为矩形函数符号，其中函数

表示以p_i/2为中心，宽度为p_i的矩形，p_i为每一个不同中心波长的光栅长度；

为数学卷积符号；m为正整数，表示第m个采样周期，P为不用中心波长光栅的采样周期长度，δ为delta函数符号，其中函数δ(z-mP)表示当z取值等于mP时，函数取值为“1”，当z为其它数值时，函数取值为“0”；exp表示相位，该部分表示一个采样周期中不同中心波长光栅之间的重复项；mod为两个数值表达式作除法运算后的余数，P为不同中心波长光栅的光栅周期长度，Λ_i为每一个中心波长不同的光栅周期；j为复数因子，j²＝-1，表示光栅的相位，π表示圆周率，m表示第m个采样周期。

在制作interleaved振幅采样光栅时，本实施例技术方案是在一个采样周期P中，采用3个不同中心波长的光栅周期，即

(其中n_i分别为1、2和3，Λ_i为每一个中心波长不同的光栅周期，在这种情况下，采样函数的指数表达部分取值为“1”，即

每一个中心波长不同的光栅周期Λ_i满足Λ_i＝Λ_0i(1+c_iz)，其中：

i为正整数，表示第i个不同中心波长的光栅；

z为光栅写入方向；

Λ_0i＝λ_i/2n_eff为中心波长为λ_i的光栅周期，λ_i为第i个不同中心波长光栅的中心波长，λ₀表示指定的标准中心波长，其它不同中心波长的光栅与其满足关系式λ_i＝λ₀±iΔλ，Δλ为标准中心波长为λ₀的自由光谱范围，表达式为Δλ＝λ₀ ²/(2n_eff P)，n_eff为光栅的有效折射率，P为标准光栅的采样周期；

c_i为中心波长为λ_i的光栅啁啾系数，它与光栅的色散相对应，本实施例以光栅周期的啁啾系数c_i来表示光栅的色散。每一个反射通道总的啁啾量满足：c＝c₁+c₂+c₃+K+c_i，c_i表示为第i个不同中心波长光栅的啁啾系数。

在本实施例中，采用的参数如下：光栅有效折射率n₀＝1.485，折射率调制Δn(z)＝6.0×10^-4。interleaved振幅采样光纤光栅的中心波长分别以中心波长为1550采样光纤光栅反射谱的±3级为中心波长，取值分别为λ₁＝1547.977nm、λ₂＝1550nm、λ₃＝1552.023nm，标准中心波长为1550nm，不同中心波长的光栅长度p₁＝p₂＝p₃＝0.4em。

以传统的振幅型采样光纤光栅作对比，采用的中心波长λ₀＝1550，光栅长度p＝0.4cm，一个采样周期的长度为P＝1.2cm，光栅总长度L＝16.8cm。

参见附图1，它是本发明技术方案采用的interleaved振幅采样光纤光栅与传统的振幅采样光纤光栅，它们的折射率调制Δn(z)随光栅长度变化分布的曲线对比图。图1中，曲线(a)表示的是interleaved振幅采样光纤光栅中折射率调制Δn(z)随光栅长度变化的分布图；曲线(b)表示的是在传统振幅采样光纤光栅中折射率调制Δn(z)随光栅长度变化的分布图。由图1可以看出，采用本实施例所提供的interleaved振幅采样光栅，其折射率调制Δn(z)随光栅长度变化，遍布了整个采样周期，可以说它很好地利用了光栅，有效提高了光栅的利用率，因此，具有很高反射谱能量效率。

参见附图2，interleaved振幅采样光纤光栅周期在没有啁啾(没有色散)的情况下，即Λ_i＝Λ_0i(c_i＝0)，传统振幅采样和interleaved振幅采样光纤光栅反射谱对比图。图(a)为传统振幅型采样光纤光栅的反射光谱图，图(b)为interleaved振幅采样光栅的反射光谱图；图(c)为传统振幅型采样光纤光栅的群时延图，图(d)为interleaved振幅采样光栅的群时延图。

从图(a)可以看出，传统采样光纤光栅反射光谱的能量随光谱级数逐渐减少，光谱频域范围由于占空比的限制而很窄，只有0级、±1级和±2级；图(b)可以看出，interleaved振幅采样光栅的光谱的范围大幅度加宽，由图(a)的5个增加到11个，并且反射谱能量效率很高，有9个反射通道达到平顶，即反射率为1；由图(c)和(d)可以看出两种不同的采样光栅的群时延图在没有光栅啁啾的情况下是一致的。因此interleaved振幅采样光栅不管在反射谱的频域范围上、还是在光谱的能量效率上，都要优于传统的振幅采样光栅。

实施例二

本实施例采用如下参数：interleaved振幅采样光栅的对应中心波长为λ₁＝1547.977nm、λ₂＝1550nm、λ₃＝1552.023nm的啁啾系数分别为c₁、c₂、c₃，具体参数为c₁＝5.70×10^-5，c₂＝c₃＝0(图3曲线1)，c₁＝c₂＝c₃＝1.90×10^-5(图3曲线2)和c₁＝c₂＝c₃＝1.90×10^-5(图3曲线3)，其它参数同实施例一。

参见附图3，它为interleaved振幅采样光栅不同中心波长的光栅在总啁啾量相同的情况下的反射光谱图。其中，曲线1(方形点曲线)为只有λ₁发生啁啾(c₁＝5.70×10^-5，c₂＝c₃＝0)的图形；曲线2(圆形点曲线)为λ₂、λ₃发生啁啾而λ₁不发生啁啾(c₂＝1.90×10^-5，c₃＝3.7×10^-5，c₁＝0)的图形；曲线3(三角形点曲线)为λ₁、λ₂、λ₃同时发生啁啾(c₁＝c₂＝c₃＝1.90×10^-5)时的图形。

参见附图4，它是在interleaved振幅采样光栅在不同中心波长光栅在总的啁啾量相同情况时的群时延图。由图3和图4可以看出，虽然每一个中心波长的啁啾量不同，但是在总啁啾量相同的条件下，反射光谱和群时延图都符合得很好。这说明interleaved振幅采样光栅具有色散叠加的效果，即反射光谱显示的色散是各个不同中心波长色散值线性相叠加的效果(即总色散值等于各个不同中心波长的色散的累积和)。利用这一效果可以实现每一个不同中心波长的光栅发生小的啁啾量，而得到大的色散补偿的效果，从而避免了在传统振幅采样光栅中出现的由于啁啾系数太大而使得相邻光谱发生重叠的现象来制作高质量的光栅色散补偿器件。

实施例三

在本实施例中，采用参数如下：interleaved振幅采样光纤光栅的啁啾系数和中心波长分别为λ₁＝1547.977nm、λ₂＝1550nm、λ₃＝1552.023nm对应，分别为：c₁＝c₂＝c₃＝1.26×10^-5；传统的振幅型采样光纤光栅中心波长λ₀＝1550的啁啾系数为c₀＝3.78×10^-5。其它参数与实施例一的参数相同。

参见附图5，从图(a)可以看出传统的振幅采样光栅在光栅发生啁啾的情况下，反射光谱由于光谱的展宽，使相邻的光谱发生了重叠，通道之间的隔离度降低，影响了光栅的使用；图(b)可以看出，在总啁啾系数相同的情况下，本实施例提供的interleaved振幅采样光栅的反射通道之间的光谱隔离度依然良好，反射通道在光谱的能量上，光谱的频域范围上依然有好的质量。由图(c)看出，在传统的采样光栅中，由于光栅周期发生啁啾而使得光谱发生重叠，群时延范围变得非常小，在40ps～100ps只有60ps的范围；图(d)看出，在interleaved振幅采样光纤中，由于光谱的隔离度依然良好，光谱的群时延得到了大范围的扩展，从40ps扩展到190ps，有150ps的范围；因此，由图4可以看出interleaved振幅采样光栅在做光纤光栅色散补偿器件中有其独特的性质，为制作高质量光纤光栅色散补偿器，提供了一种新颖、有效和可实施的方法。

Claims (1)

1.一种多通道光纤光栅色散补偿器，它以光纤为基材，其特征在于：在其上刻写的光栅为间插振幅采样光栅，在一个采样周期中，包括多个不同中心波长的光栅周期，每一个采样周期的采样函数表示为：

$s_i\left(z\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{z-p_i/2}{p_i}\right)\⊗\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(z-\mathrm{mP})\exp [-j2\mathrm{\πm}\frac{\mathrm{mod}(P,{\mathrm{\Λ}}_i)}{{\mathrm{\Λ}}_i}]$

其中，i为正整数，表示第i个不同中心波长的光栅周期z为光栅的写入方向，即光纤轴向方向；

rect为矩形函数符号，其中函数

表示以p_i/2为中心，宽度为p_i的矩形，p_i为每一个不同中心波长的光栅长度；

为数学卷积符号；m为正整数，表示第m个采样周期，P为不同中心波长光栅的采样周期长度，δ为delta函数符号，其中函数δ(z-mP)表示当z取值等于mP时，函数取值为“1”，当z为其它数值时，函数取值为“0”；exp表示相位，该部分表示一个采样周期中不同中心波长光栅之间的重复项；mod为两个数值表达式作除法运算后的余数，Λ_i为每一个中心波长不同的光栅周期；j为复数因子，j²＝-1，表示光栅的相位，π表示圆周率。

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