CN113708841A

CN113708841A - 一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法

Info

Publication number: CN113708841A
Application number: CN202111121936.6A
Authority: CN
Inventors: 李彬; 魏淮
Original assignee: Communication University of China
Current assignee: Communication University of China
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2021-11-26

Abstract

一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法，属于光纤光栅及计算机技术领域。使用两个反向的啁啾光纤光栅构成光栅对，一个提供正的时延差，一个提供负的时延差，色散补偿量由两个光栅的差值来控制；每个啁啾光纤光栅的长度不再单独受所需补偿脉冲时延差的限制，只需要两个啁啾光纤光栅的差值符合时延差补偿量即可实现色散补偿。本发明产生的有益效果是：用于色散补偿的光栅对的中的光纤光栅的长度和用于高阶色散补偿的光纤光栅长度可根据超短脉冲的光谱宽度和光栅制作系统的设备如掩膜版长度光路系统等条件制作，每个啁啾光纤光栅的长度不再单独受所需补偿脉冲时延差以及高阶色散量的限制。放宽了光纤光栅的制作条件。

Description

一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法，属于光纤光栅及计算机技术领域。

背景技术

如图1、图2及图3所示，色散和高阶色散的定义，色散和高阶色散带来的影响。色散即不同波长(频率)的光在光纤中的传输速度不同(到达终点的时延不同)从而造成脉冲展宽，峰值功率下降。高阶色散是色散随波长的变化率，高阶色散的存在意味着不同波长对应的色散值不同。

啁啾光纤光栅色散补偿的原理：色散效应可以利用色散补偿器件(例如啁啾光纤光栅)来克服，通过设计色散补偿器件，使得不同波长的光信号在色散补偿器件中产生的时延差与在传输过程中产生的时延差恰好相反，从而消除不同波长的光信号到达终点的时延不一致的问题。

啁啾光纤光栅用于超短脉冲补偿时候遇到的问题：超短脉冲是指脉冲的时域宽度在fs，ps量级(<100ps)。这类脉冲有很高的峰值功率，因此具有非常重要的应用价值。对超短脉冲来说，由于其峰值功率较高，光谱宽度很宽，通常传输很短距离就需要进行补偿。补偿过程中，为保持如此小的脉冲宽度，需要具有高精度的色散补偿技术。同时，啁啾光纤光栅色散补偿利用了其不同位置反射不同的波长造成的光程差来补偿脉冲传输过程中色散带来的不同波长的时延差，所以啁啾光纤光栅的长度由所需补偿的时延差来决定。

超短脉冲脉冲宽度窄，传输距离短(～10米量级)，所以需要补偿的时延差非常小。以SMF(标准单模光纤)为例，在1550nm波段，10nm带宽的超短脉冲经过10米SMF传输所造成的时延差为：17ps/nm/km*10nm*10m＝1.7ps，因此需要的啁啾光纤光栅长度为：1.7ps/2*(3*10⁸m/s/1.45)＝0.176mm(1.45指的是光纤纤芯的折射率)，这就是说需要在0.176mm长度的光纤上写入啁啾光纤光栅。也就是说啁啾光纤光栅的周期要在整个0.176mm长度的光纤上从长波长变化到短波长(对应输出脉冲的波长范围10nm)，这使得单位长度写入的光栅条纹数非常有限(普通通信用于色散补偿的的啁啾光纤光栅长度14厘米，波长范围只有不到1nm)。

在极短的长度内写入周期变化的光栅会造成三个严重问题：

(1)制作啁啾光纤光栅用的相位掩膜版制作困难。

(2)光栅条纹数少，光栅反射率不够。

(3)光栅均匀性不好，尤其是使用阶梯啁啾技术制作掩膜版时。

此外对于高阶色散，往往具有比低阶色散更小的数值(相差几个数量级)，因此高阶色散补偿存在更大的难度。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法。

一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法,含有以下步骤：使用两个反向的啁啾光纤光栅构成光栅对，一个提供正的时延差，一个提供负的时延差，色散补偿量由两个光栅的差值来控制；每个啁啾光纤光栅的长度不再单独受所需补偿脉冲时延差的限制，只需要两个啁啾光纤光栅的差值符合时延差补偿量即可实现色散补偿。

色散补偿过程中超短脉冲依次经过两个光纤光栅反射，第一个光纤光栅加大脉冲色散，第二个光纤光栅用于脉冲原有的色散和第一个光纤光栅所带来的色散量补偿。

还可以使用多组光纤光栅对的组合分别对色散和色散斜率进行补偿，其中一组光纤光栅对为线性啁啾，用于色散补偿。第二组光纤光栅对为二次曲线啁啾，其二次曲线的二次项系数符号相反。依次类推可以增加第三组光纤光栅对(其啁啾曲线为三次曲线且三次项系数符号相反)用于更高阶的色散补偿。

用于色散和高阶色散补偿的两组光纤光栅对的连接方法可以是第一组光栅对和第二组光栅对的连接方式为级联连接或嵌套连接，使用嵌套连接方式。

在光纤光栅对内部的前后连接顺序上高阶色散光纤光栅对的啁啾曲线最高次项的系数和第一阶的色散补偿光栅对的两个光栅的前后顺序一致。

超短脉冲具有极短的脉冲时域宽度和极宽的光谱，在光纤中传输时容易受到光纤色散的影响，为克服色散带来的不利影响通常使用一个啁啾光纤光栅进行色散补偿(不同波长成分在光栅中走过不同的路径)。但由于超短脉冲所需时延补偿量很小，而光谱宽度(波长跨度)很大，因此所需的啁啾光纤光栅必须在很短的光纤长度内制作大波长跨度的啁啾光栅，光栅的条纹数受限，导致光栅制作难度大质量不能保证。

本发明使用一对具有啁啾特性相反，啁啾量稍有差别的光栅对组合来完成色散补偿，而最终的色散补偿量由两个光栅补偿量的差值决定，使得每个光栅的长度不再受到时延补偿量过小的限制，因而可以在适当的光纤长度上制作高质量的光栅来完成宽光谱小时延补偿。

此外，本发明提出借助多组光纤光栅对的组合可以分别对色散和色散斜率进行补偿，减小了由单个光栅一次完成色散和色散斜率补偿的制作困难。

本发明产生的有益效果是：用于色散补偿的光栅对的中的光纤光栅的长度和用于高阶色散补偿的光纤光栅长度可根据超短脉冲的光谱宽度和光栅制作系统的设备如掩膜版长度光路系统等条件制作，每个啁啾光纤光栅的长度不再单独受所需补偿脉冲时延差以及高阶色散量的限制。放宽了光纤光栅的制作条件。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1、色散效应示意图。

图2、啁啾光纤光栅及其光信号传输示意图。

图3、啁啾光纤光栅色散补偿原理示意图。

图4、啁啾光纤光栅折射率调制结构示意图。

图5、双啁啾光纤光栅对进行超短脉冲色散补偿的系统结构图。

图6、啁啾光纤光栅FBG1的啁啾特性。

图7、啁啾光纤光栅FBG2的啁啾特性。

图8、经过两个啁啾光纤光栅(FBG12)之后的各个波长的路径长度差。

图9、双啁啾光纤光栅超短脉冲高阶色散补偿系统结构图。

图10、啁啾光纤光栅FBGA的啁啾特性。

图11、啁啾光纤光栅FBGB的啁啾特性。

图12、经过啁啾光纤光栅对FBGAB之后总的啁啾特性。

图13、四个啁啾光纤光栅对进行超短脉冲色散和高阶色散补偿系统结构图。

图14、四个啁啾光纤光栅对进行超短脉冲色散和高阶色散补偿系统结构图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。

实施例1：如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13及图14所示，一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法,含有以下步骤：

使用两个反向的线性啁啾的光纤光栅构成光栅对，一个提供正的时延差，一个提供负的时延差，最终的色散补偿量由两个啁啾光纤光栅的不同波长对应的总时延差(路径长度差)来控制，从而把每个啁啾光纤光栅的长度和色散补偿的时延量解耦。

使用两个反向的非线性(二次，三次，四次等函数曲线)啁啾的光纤光栅构成光栅对，一个提供正的时延差，一个提供负的时延差，最终的色散补偿量由两个光栅的不同波长对应的总时延差(路径长度差)来控制，从而把每个光纤光栅的长度和高阶色散补偿的时延量解耦。

使用多对光栅组合把高阶色散和色散分开来进行控制，实现对色散和高阶色散的解耦和分别调节。

将啁啾光纤光栅均匀施加应力进行调整，从而调节光栅长度，实现可调节色散补偿。由于是利用路径差值补偿，调节后时延差可以为正或者负值，可在同一系统实现正常色散或者反常色散的补偿(普通单个啁啾光栅由于一端固定在环形器上，因此无法实现补偿色散的符号改变)。

每个啁啾光纤光栅的长度不再单独受所需补偿脉冲时延差的限制，只需要两个啁啾光纤光栅的差值符合时延差补偿量即可实现色散补偿。

这样脉冲本身的时延差对啁啾光纤光栅的长度限制得以克服。

采取类似的方案，对高阶色散，可以和低阶色散分离开，使用另外的啁啾光纤光栅对单独进行补偿(级联或嵌套高阶色散补偿光栅对)，该啁啾光纤光栅对的长度根据所需补偿的高阶色散量结合光纤光栅制作工艺实际情况进行调整。

实施例2：如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13及图14所示，一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法,含有以下步骤：

色散和高阶色散补偿，分别具体举一个例子：输入脉冲的光谱范围1545nm-1555nm。

以SMF(标准单模光纤)为例，10nm带宽的超短脉冲经过10米SMF传输所造成的时延差为17ps/km/nm*10nm*1*10-2km＝1.7ps，如果采用传统的单个CFBG(啁啾光纤光栅)补偿，所需的光栅长度为1.7ps*(3*108m/s/1.45)./2＝0.176mm。

在如此短的光纤上刻写带宽为10nm的啁啾光纤光栅，使得单位长度刻写光栅的条纹数量大大受限，从而使得其制作难度和光栅质量很难保证。

采用本发明的方法，如图5所示的色散补偿系统，使用双啁啾光纤光栅FBG1及双啁啾光纤光栅FBG2补偿，两个啁啾光纤光栅啁啾方向相反，部分抵消，从而可以降低光纤光栅制作难度。

这里两个光纤光栅的长度在10厘米左右。

双啁啾光纤光栅FBG1：1545nm光谱成分反射点对应光栅位置“0厘米”1555nm光谱成分反射点对应光栅位置“10.0176厘米”。

双啁啾光纤光栅FBG2：1545nm光谱成分反射点对应光栅位置“10厘米”1555nm光谱成分反射点对应光栅位置“0厘米”。

如图13所示的同时分开补偿色散和高阶色散的系统，使用两对光栅对，双啁啾光纤光栅FBG1及FBG2和双啁啾光纤光栅FBGA及FBGB。

双啁啾光纤光栅FBG1及FBG2用于色散补偿；符号相反，大小略有不同的线性啁啾。

如图9所示的高阶色散补偿系统，双啁啾光纤光栅FBGA及双啁啾光纤光栅FBGB用于高阶色散补偿，符号相反，大小略有不同的二次曲线啁啾。

两个啁啾光纤光栅对可以采用不同的空间啁啾量级，以方便不同量级的补偿量设定。

如图4所示，为啁啾光纤光栅的折射率调制周期随长度的变化，不同位置光栅周期不同从而构成啁啾光栅。

如图6所示，线性啁啾光栅FBG1的不同反射波长所对应的位于光纤光栅的长度位置。

如图7所示，线性啁啾光栅FBG2的不同反射波长所对应的位于光纤光栅的长度位置(FBG1和FBG2啁啾符号相反，且啁啾量大小具有微小差别)。

如图8所示，不同波长经过两个光栅FBG1和FBG2补偿之后的总光程差和波长的关系。因为FBG1和FBG2啁啾符号相反，且啁啾量大小具有微小差别，因此经过两个光栅后可实现不同波长差具有微小的光程差，实现总体高精度色散补偿，而放宽了FBG1和FBG2的制作精度。

如图10所示，二阶啁啾光栅FBGA的不同反射波长所对应的位于光纤光栅的长度位置。

如图11所示，二阶啁啾光栅FBGB的不同反射波长所对应的位于光纤光栅的长度位置(FBGA和FBGB啁啾符号相反，且啁啾量大小具有微小差别)。

如图12所示，不同波长经过两个光栅FBGA和FBGB补偿之后的总光程差和波长的关系。因为FBGA和FBGB啁啾符号相反，且啁啾量大小具有微小差别，因此经过两个光栅后可实现不同波长差具有微小的光程差，实现总体高精度高阶色散补偿，而放宽了FBGA和FBGB的制作精度。

如图13所示，将用于色散补偿的光栅对FGB1,FBG2和用于高阶色散补偿的FBGA,FBGB光栅对级联；脉冲光信号先后经过FGB1,FBG2，FBGA,FBGB；实现光脉冲信号的色散和高阶色散补偿。其中FGB1,FBG2完成线性色散补偿，FBGA,FBGB完成高阶色散补偿；两对光栅相对独立，可以分别选用合适的长度制作，避免了单一光纤光栅制作中因色散和高阶色散量级不同带来的光栅精度无法兼顾的问题。

如图14所示，将用于色散补偿的光栅对FGB1,FBG2和用于高阶色散补偿的FBGA,FBGB光栅对嵌套连接；脉冲光信号先后经过FGB1,FBGA,FBGB，FBG2；实现光脉冲信号的色散和高阶色散补偿。其中FGB1,FBG2完成线性色散补偿，FBGA,FBGB完成高阶色散补偿；两对光栅相对独立，可以分别选用合适的长度制作，避免了单一光纤光栅制作中因色散和高阶色散量级不同带来的光栅精度无法兼顾的问题。

对于图13和图14光纤光栅对内部的前后连接顺序上优选地采用高阶色散光纤光栅对的啁啾曲线最高次项的系数和第一阶的色散补偿光栅对的两个光栅的前后顺序一致，可以防止脉冲在色散补偿过程中因光栅啁啾反号使得脉冲过度压缩带来的非线性劣化。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法,其特征在于含有以下步骤：使用两个反向的啁啾光纤光栅构成光栅对，一个提供正的时延差，一个提供负的时延差，色散补偿量由两个光栅的差值来控制；每个啁啾光纤光栅的长度不再单独受所需补偿脉冲时延差的限制，只需要两个啁啾光纤光栅的差值符合时延差补偿量即可实现色散补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法，其特征在于色散补偿过程中超短脉冲依次经过两个光纤光栅反射，第一个光纤光栅加大脉冲色散，第二个光纤光栅用于脉冲原有的色散和第一个光纤光栅所带来的色散量补偿。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法，其特征在于还可以使用多组光纤光栅对的组合分别对色散和色散斜率进行补偿，其中一组光纤光栅对为线性啁啾，用于色散补偿。第二组光纤光栅对为二次曲线啁啾，其二次曲线的二次项系数符号相反。依次类推可以增加第三组光纤光栅对，其啁啾曲线为三次曲线且三次项系数符号相反，用于更高阶的色散补偿。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法，其特征在于用于色散和高阶色散补偿的两组光纤光栅对的连接方法是第一组光栅对和第二组光栅对的连接方式为级联连接或嵌套连接，使用嵌套连接方式。

5.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的用于超短脉冲色散和高阶色散补偿方法，其特征在于在光纤光栅对内部的前后连接顺序上高阶色散光纤光栅对的啁啾曲线最高次项的系数和第一阶的色散补偿光栅对的两个光栅的前后顺序一致。