CN1201513C - 用于补偿色散和偏振模弥散的布拉格光栅及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在光纤通信中用于色散补偿的反射式布拉格光栅，它具有如下式所示的有效折射率微扰：

其中z是沿光栅方向的坐标，Λ₀光栅起点的周期，Δn_dc有效折射率微扰在一个光栅周期内的平均值，Δn_ac是有效折射率微扰的快变分量的幅度，φ是一个附加的相位项，其中F(z)为一种新颖的具有非线性Ⅱ型啁啾的取样结构如下式所示：

。从而，本发明所述的布拉格光栅不依赖于由Δn_dc或φ随z变化而引起的啁啾(Ⅰ型啁啾)就可在光栅的某个特定的反射带内按需提供各种群时延响应谱以补偿色散，并且所述取样结构F(z)的取样周期远大于光栅周期。

Description

用于补偿色散和偏振模弥散的布拉格光栅及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及光纤通信中的静态色散补偿、动态色散补偿、动态偏振模弥散补偿。

发明背景

在光纤通信系统中，信息的载体是一系列的光脉冲。经过一定距离的传输之后，光脉冲会展宽，从而使得系统的性能下降，通信容量也受到限制。有多种因素可引起光脉冲展宽，其中很重要的两个是色散和偏振模弥散。

一个光波波包从发送端传到接收端所需时间被称作群时延。由于光纤的色散，具有不同中心频率的光波波包在光纤中传输的速度不同，所以它们的群时延也不同。如图1所示，一个光脉冲由两个波包构成，它们的中心频率分别为f₁和f₂。因为它们的群时延τ₁和τ₂不同，所以从接收端来看，它们在时间上分开了Δτ＝τ₁-τ₂。这就造成了在接收端所收到的光脉冲展宽。

在光纤具有偏振模弥散的情况下，电场分量在不同方向偏振的光波波包在光纤中的传播速度不同。如图2所示，一个光脉冲由两个波包构成，它们的电场分量分别沿x和y方向。因为它们的群时延τ₁和τ₂不同，所以从接收端来看，它们在时间上分开了Δτ＝τ₁τ₂。这就造成了在接收端所收到的光脉冲展宽。

在现有技术中，光纤光栅已经被提出用于消除色散和偏振模弥散的影响，这在所附的参考文件D1-D4中已有描述。图3(a)是光纤布拉格光栅的结构示意图，其中光纤的芯层和包层是两种折射率不同的介质材料，它们构成一个光波导，芯层中的阴影部分表示周期性的折射率微扰，其周期被称为光栅周期。包层和芯层的折射率通常被换算成波导的有效折射率n_eff，而芯层中的折射率微扰被换算成整个波导的有效折射率微扰，表述为：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{dc}}\left(z\right)+\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}z+\mathrm{\φ}\left(z\right)],---\left(1\right)$

其中，z是沿光纤纵向的坐标，Λ₀是光栅起点的周期，Δn_dc是有效折射率微扰在一个光栅周期内的平均值(也被称为有效折射率微扰的直流分量)，Δn_ac是有效折射率微扰的快变分量的幅度(也被称为有效折射率微扰的交流分量)，φ是一个附加的相位项，表示光栅周期的啁啾。Δn_dc、Δn_ac和φ可以是z的函数。图3b表示了三种光纤布拉格光栅的有效折射率微扰随光纤纵向坐标的变化示意图，其中，(A)是Δn_dc、Δn_ac和φ都为常数的情况；(B)是Δn_dc和Δn_ac随z变化的情况；(C)是φ随z变化的情况。当入射波包在真空中的中心波长满足

$\frac{2\mathrm{\π}(n_{\mathrm{eff}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δn}}\left(z\right))}{\mathrm{\λ}}-\frac{\mathrm{\πN}}{{\mathrm{\Λ}}_0}-\frac{1}{2}\frac{\mathrm{d\φ}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=0---\left(2\right)$

时，它就会被反射。式(2)中，N是一个正整数，而λ反比于波包的中心频率f：

$\mathrm{\λ}\∝\frac{1}{f}---\left(3\right)$

式(2)通常被称作相位匹配条件。

由式(2)可知，若Δn_dc或φ随z变化，具有不同中心频率的波包将在光栅的不同位置被反射，因此它们在光栅中滞留的时间就不同。具有这种结构特点的光栅被称作具有啁啾。在下文中，由Δn_dc或φ随z变化而引起的啁啾将本称作I型啁啾。

当一个具有中心频率f的光波波包入射到光栅，从它入射到离开光栅所需的时间被称作光栅在频率f处的群时延响应。如果光栅对图1中两个波包的群时延响应之差为τ₂-τ₁，那么由传输光纤所引起的色散就被补偿了。

如果一种材料对不同方向偏振的光具有不同的有效折射率，那么这种材料就被称为具有双折射特性。根据式(2)，若一个光栅形成于具有双折射的波导，具不同方向偏振的波包将在光栅的不同位置被反射，光栅对它们的群时延相应不同。因此，图2中由偏振模弥散引起的光脉冲展宽可以用这种光栅来消除。

在实际的光纤通信系统中，光波波包的群时延是随时间随机变化的，而当单信道速率较高时，系统对这种随机变化变得敏感，因此需要动态的(即动态的)色散补偿。偏振模弥散的问题一般在高速系统中才显得重要，所以偏振模弥散补偿通常都是动态的。这样就要求布拉格光栅具有如图4所示的群时延响应谱，这在所附的参考文件D3和D4中已有描述，其中f和τ分别代表入射波包的中心频率和群时延值。这种群时延响应谱的特征是，群时延的值是入射波包的中心频率的非线性函数。具有非线性I型啁啾的布拉格光栅就具有这样的群时延响应谱。

在光纤中产生布拉格光栅的方法是现有技术中公知的。在参考文件D5中描述了一种制造光栅的方法，如图5所示，其中的相位模板1是用对紫外光透明的玻璃平板制造的，它的一个表面具有周期性的凹槽结构。一段光纤2紧邻这个表面放置，垂直于相位模板入射的紫外光被相位模板的周期性凹槽结构衍射，+1和-1级衍射光在光纤中发生干涉，干涉的花样是周期性的，因而在光纤中曝光出一段光栅。

在参考文件D6-D14中描述了多种制造具有I型啁啾的布拉格光栅的方法，其中参考文件D6和D7中所述方法中，相位模板表面凹槽的啁啾与光栅的啁啾相同，所以相位模板表面凹槽的周期是非恒定的，而这样的相位模板比一般的相位模板昂贵。参考文件D8-D12报道的方法分别是在制造光纤光栅的过程中弯曲光纤、拉伸光纤、改变有效折射率均值沿光纤的分布、改变应变沿光纤的分布、在扫描紫外光光束的时候移动光纤，这些方法都需要高精度的控制装置，而参考文件D13和D14报道的方法分别是在光栅形成之后，对其施加一个应变梯度和温度梯度，这使光栅封装的复杂性增加。

现有技术中提出了一种具有周期性取样结构的布拉格光栅，被称为取样布拉格光栅。图6a和6b表示了均匀取样布拉格光栅的结构，它的有效折射率微扰被一个周期性的包络调制，也就是说式(1)的右边乘上了一个周期性的包络函数F(z)而成为

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{dc}}\left(z\right)+\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_{\text{0}}}z+\mathrm{\φ}\left(z\right)\left]\right\}F\left(z\right)---\left(4\right)$

F(z)被称作取样函数，而它的周期被称作取样周期(用Z表示)。如图7所示，一个取样布拉格光栅具有多个反射带，它们都是由F(z)的一个相应的傅立叶分量引起的。其中的数字2、1、0、-1和-2分别是这五个反射带的相应的傅立叶级次。

如果取样周期Z随坐标z变化，即Z是z的函数Z(z)，F(z)就被称作具有取样周期的啁啾。这种啁啾在下文中被称作II型啁啾。在所附参考文件D15对用同时具有I型啁啾和线性II型啁啾的布拉格光栅来补偿波分复用光纤通信系统中多个信道的色散进行了分析。但是，这样的II型啁啾是线性的，它只有一个可变参数，即Zz随z线性变化的变化率。由线性II型啁啾所产生的群时延响应的一阶分量和高阶分量都是这个参数决定的，所以它们不可能被分别控制。这就带来了以下问题：第一，不可能仅仅由线性II型啁啾来获得实际所需的各种群时延响应谱；第二，当Z随z线性变化的变化率较大时群时延响应的高阶分量变得不可忽略，并且使群时延响应谱的形状变得不规则。因此，线性II型啁啾难以被单独用于色散补偿，即使在与I型啁啾相结合而用于多信道色散补偿的情况下，对布拉格光栅的群时延响应的主要贡献仍然来自于I型啁啾，而II型啁啾仅被用于补偿各个信道之间的色散量的微小差别。

发明概述

本发明的目的是为了解决I型啁啾需要结构复杂且价格昂贵的相位模板、对制造过程中控制精度要求高或使封装复杂度增加等问题，而线性II型啁啾难以被单独用于色散补偿等问题。

为此，本发明提出了一种具有新取样结构的反射式布拉格光栅，所述光栅的折射率微扰如上式(4)所示：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{dc}}\left(z\right)+\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}z+\mathrm{\φ}\left(z\right)\left]\right\}F\left(z\right)---\left(4\right)$

其特征是F(z)为非线性II型啁啾，即它的取样周期Z随沿光栅的坐标z的变化是非线性的。更确切地说，这种新型的取样结构可以用下面的取样函数来表示：

$F\left(z\right)=F^{\′}\left(z^{\′}\right)=F^{\′}(z+\underset{n=1}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{p_n+1})---\left(5\right)$

其中F’(z’)是一个周期性的包络，譬如方波、正弦波等，始于光栅的起点，止于光栅的终点。具有如式(5)所示的非线性II型啁啾的取样结构将为傅立叶级次为m的反射带的有效折射率微扰贡献一个附加的等效相位项：

${\mathrm{\φ}}_e\left(z\right)=\frac{2\mathrm{m\π}}{Z_0}\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{p_n+1}---\left(6\right)$

由式(6)可知，等效相位项的第n阶分量唯一地由相应的参数a_n和p_n决定。通过设定一组a_n和p_n(n＝1，2，3，…)，在光栅的某个特定的反射带内可以获得多种多样的群时延响应谱。因此，通过合理地设定式(5)中a_n和p_n(n＝1，2，3，…)的数值，可以使布拉格光栅的群时延响应谱与实际所需的群时延响应谱一致。从而可以实现色散补偿的目的。

本发明的基本思路就是根据实际所需的群时延响应谱来确定式(5)中的取样结构F(z)。从式(5)可知，F(z)是将一个周期性函数F’(z’)经过如下坐标变换

$z^{\′}=z+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{p_n+1}---(7-a)$

变换而得。具体地，首先，从F’(z’)中选取N个点(z’_k，F’(z’_k))(k从1取到N)，并且保证N足够大以致于在F’(z’)的每个周期中至少选取2个点。其次，将z’_k和z_k代入式(7)得到关于z_k的方程

${z^{\′}}_k=z_k+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z_k}^{p_n+1}---(7-b)$

然后，通过现有技术中公知的解析或者数值的方法解此方程得到z_k，再令F’(z’_k)＝F(z_k)，就能获得F(z)中相应的点(z_k，F(z_k))，这些点就代表了取样结构F(z)。

根据所需的群时延谱来确定p_n和a_n(n＝1，2，3，…)的方法的流程图。在步骤1，根据实际所需的群时延响应谱τ(λ)合理地选取一组p_n和a_n(n＝1，2，3，…)作为初始值(例如“发明详述”中的实施例子1或2)；然后，进到步骤2，根据前面所述的坐标变换的方法由一个周期性的取样函数F’(z’)获得相应的具有非线性II型啁啾的取样函数F(z)；然后，进到步骤3，通过数值模拟或者实验来获得具有如F(z)所描述的取样结构的布拉格光栅的群时延响应谱τ’(λ)；然后，进到步骤4，比较τ’(λ)与τ(λ)，看它们是否在实际要求的精度内相符；若相符，则进入步骤6，整个过程结束，否则返回步骤5，修改p_n和a_n(n＝1，2，3，…)的值，又重复上述过程。

通过以上方法可以按照所需要的群时延谱来获得所需要的非线性取样结构函数F(z)，从而得到所需要的有效折射率微扰Δn_eff。

与参考文件D15中所提出的同时具有I型啁啾和线性II型啁啾的布拉格光栅相比，本发明所提出的布拉格光栅具有非线性II型啁啾，因此它可以用于色散补偿、动态色散补偿和动态偏振模弥散补偿，而无论光栅是否还同时具有I型啁啾。

与I型啁啾相比，本发明具有以下优点：1.因为II型啁啾不依赖于相位模板表面的周期性凹槽结构，所以当运用相位模板法来制造这种布拉格光栅时，相位模板表面的周期性凹槽结构可以具有恒定的周期，这就增加了设计和制造的灵活性，并且因为避免了使用结构复杂的相位模板而降低了制造成本；2.F(z)的取样周期一般比光栅周期大2至3个数量级，所以与I型啁啾相比，在制造过程中更容易实现对II型啁啾的精确控制。

与线性II型啁啾相比，本发明具有以下优点：1.在光栅的某个特定的反射带内可以获得多种多样实际所需的群时延响应谱；2.可以被单独用于色散补偿；3.与I型啁啾相结合时，其作用不限于补偿各个信道之间的色散量的微小差别，而可以在一个信道内调整光栅的群时延响应谱。

附图简述

图1是由色散引起光脉冲展宽示意图。

图2是由偏振模弥散引起光脉冲展宽示意图。

图3a是现有技术中的光纤布拉格光栅的结构示意图。

图3b是现有技术中的三种光纤布拉格光栅的有效折射率微扰随光纤纵向坐标的变化示意图，其中，  (A)是Δn_dc、Δn_ac和都为常数的情况；(B)是Δn_dc和Δn_ac随z变化的情况；(C)是随z变化的情况。

图4是现有技术中用于动态色散补偿和偏振模弥散补偿的布拉格光栅的群时延响应谱示意图。

图5是现有技术中用相位模板制造光纤布拉格光栅示意图。

图6a是现有技术中的均匀取样的光纤布拉格光栅的结构示意图。

图6b是现有技术中的均匀取样的光纤布拉格光栅的有效折射率微扰随光纤纵向坐标的变化示意图。

图7是现有技术中的均匀取样的光纤布拉格光栅的群时延响应谱。

图8a是根据本发明的具有非线性II型啁啾的取样光纤布拉格光栅的结构示意图。

图8b是根据本发明的将一个周期的取样函数F’(z’)变换为一个具有非线性II型啁啾的取样函数F(z)的示意图。

图9是根据本发明的按实际所需的群时延响应谱获得相应的具有非线性II型啁啾的取样结构的流程图。

图10a是一个根据第一实施例的取样布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱。

图10b是一个现有技术中只具有线性I型啁啾的布拉格光栅的群时延响应谱，在此引用作为与图10(a)的比较。

图11是在温度为20℃和100℃、无应变和有0.05％张应变的情况下，一个根据第二实施例的取样布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱。

图12a是在温度为20℃和100℃的情况下，一个根据第三实施例所述的取样布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱。

图12b是在无应变和有0.05％张应变的情况下，一个根据第三实施例所述的取样布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱。

图13是只有线性I型啁啾以及将线性I型啁啾与根据第一实施例的非线性II型啁啾相结合的情况下，一个布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱。

发明详述

图8a描述了一种具有非线性II型啁啾取样结构的布拉格光栅，

实施本发明的基本思路就是根据实际所需的群时延响应谱来确定式(5)中的取样结构F(z)。从上述式(5)可知，F(z)是将一个周期性函数F’(z’)经过如下式(7-a)坐标变换

$z^{\′}=z+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{p_n+1}---(7-a)$

变换而得。F’(z’)是通常所采用的周期性取样结构，譬如方波、正弦波等。图8b表示了将周期性的取样结构F’(z’)经过如式(5)所描述的坐标变换而得到具有非线性的II型啁啾的取样结构F(z)的方法，其中的F’(z’)是一个方波。具体地，首先，从F’(z’)中选取N个点(z’_k，F’(z’_k))(k从1取到N)，并且保证N足够大以致于在F’(z’)的每个周期中至少选取2个点。其次，将z’_k和z_k代入式(7)得到关于z_k的方程

${z^{\′}}_k=z_k+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z_k}^{p_n+1}---(7-b)$

然后，通过现有技术中公知的解析或者数值的方法解此方程得到z_k，再令F’(z’_k)＝F(z_k)，就能获得F(z)中相应的点(z_k，F(z_k))，这些点就代表了取样结构F(z)。

图9示出了根据所需的群时延谱来确定p_n和a_n(n＝1，2，3，…)的方法的流程图。在步骤1，根据实际所需的群时延响应谱τ(λ)合理地选取一组p_n和a_n(n＝1，2，3，…)作为初始值(例如“发明详述”中的实施例于1或2)；然后，进到步骤2，根据前面所述的坐标变换的方法由一个周期性的取样函数F’(z’)获得相应的具有非线性II型啁啾的取样函数F(z)；然后，进到步骤3，通过数值模拟或者实验来获得具有如F(z)所描述的取样结构的布拉格光栅的群时延响应谱τ’(λ)；然后，进到步骤4，比较τ’(λ)与τ(λ)，看它们是否在实际要求的精度内相符；若相符，则进入步骤6，整个过程结束，否则返回步骤5，修改p_n和a_n(n＝1，2，3，…)的值，又重复上述过程。

利用上述方法可得到下面几种具有非线性II型啁啾的布拉格光栅，其中在下面所述的第一实施例和第二实施例的取样结构使布拉格光栅的群时延响应谱分别是入射波包中心波长的一次和二次函数，而实际所需的群时延谱一般含入射波包中心波长的一次和二次幂成分较多。因此，在运用图9所示的迭代方法时，可用这两种取样结构的p_n和a_n作为迭代的初始值，其优点是可以减少迭代的次数。

在第一实施例中，本发明提出了一个不具有I型啁啾但具有非线性II型啁啾的取样布拉格光栅，其取样结构由令式(5)中p₁＝1而a_n＝0(对于n＝2，3，…)得到，如下式所示

                F(z)＝F′(z+a₁z²)                    (8-a)

也就是说，这种取样布拉格光栅的取样结构F(z)是将一个周期性函数F’(z’)经过如下式所示的坐标变换

                z′＝z+a₁z²                          (8-b)变换而得。其中的a₁与实际所需的群时延响应谱有关，可由图9所示的方法得到。图10(a)显示了一个这种取样布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱(由参考文件[16]所述的传输矩阵法模拟得到)。设计这个光栅时用的F’(z’)是一个周期Z0＝0.5mm、占空比＝0.5、取值为0和1的方波，并且在坐标变换中取a₁＝-2.5×10^-3mm^-1。Δn_dc(z)和φ(z)分别为常数Δn_dc和φ，并且都取零。从图中可以看出，在一级近似下，群时延响应是入射波包中心波长的一次函数。因此，这种光栅可以用来静态补偿光纤通信系统中的二阶色散。图10(b)显示了一个只具有线性I型啁啾的布拉格光栅的群时延响应谱，该光栅的啁啾量为0.083nm/cm。将图10(a)和(b)进行比较可以看出，在实际所需的波长范围内，利用II型啁啾可以获得和I型啁啾等效的群时延响应谱。

在第二实施例中，本发明提出一个不具有I型啁啾但具有非线性II型啁啾的取样布拉格光栅，其取样结构由令上述式(5)中p₁＝1/2而a_n＝0(对于n＝2，3，…)得到，即

               F(z)＝F′(z+a₁z^3/2)                (9-a)也就是说，这种取样布拉格光栅的取样结构F(z)是将一个周期性函数F’(z’)经过如下式所示的坐标变换

               z′＝z+a₁z^3/2                      (9-b)变换而得。其中的a₁与实际所需的群时延响应谱有关，可由图9所示的方法得到。图11显示了一个这种取样布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱(由参考文件D16所述的传输矩阵法模拟得到)。设计这个光栅时用的F’(z’)是一个周期Z₀＝0.5mm、占空比＝0.5、取值为0和1的方波，并且在坐标变换中取a₁＝0.11×10^-1/2mm^-1/2。Δn_dc(z)和φ(z)分别为常数Δn_dc和φ，并且都取零。从图11中可以看出，在一级近似下，群时延响应是入射波包中心波长的二次函数。因此，这种光栅可以用来静态补偿光纤通信系统中的三阶色散。将图11和参考文件D16中只具有非线性I型啁啾的布拉格光栅的群时延响应谱进行比较可以看出，在实际所需的波长范围内，利用II型啁啾可以获得和I型啁啾等效的群时延响应谱。

图11中还同时显示了将光栅的温度升高到100℃或者对它产生0.05％的张应变之后的群时延响应谱。在两种情况下，群时延响应谱都沿横坐标平移了一段距离，而每个波长对应的群时延谱的斜率都发生了变化。因此，将这种光栅加上一个能调节光栅的温度或者能使光栅产生动态的应变的装置，它就可以被用于动态色散补偿。

在第三实施例中，本发明还提出了这样一种布拉格光栅，它具有与第二实施例中的取样布拉格光栅相同的取样结构，且不具有I型啁啾，而它所在的光波导是由具有双折射特性的材料制成，因而对两个方向偏振的光的群时延响应谱之间有一个相对的平移。图12(a)和(b)显示了一个这种取样布拉格光栅的-1级反射带的群时延响应谱，其中实线和虚线分别代表两个不同偏振方向的情况，图12(a)是温度T为20℃和100℃时的比较，图12b是无应变和应变为0.05％时的比较。除了所在的光波导具有双折射特性之外，该光栅的其它结构都与第二实施例中的光栅相同。因此，单独看对某一个方向偏振的光的群时延响应谱，与图11没有区别。但在每一个波长上，对两个方向偏振的光的群时延响应存在一个差值，并且因为在一级近似下两个偏振方向的群时延响应是入射波包中心波长的二次函数，所以它们的差值是入射波包中心波长的一次函数。将光栅的温度升高到100℃或者对它产生0.05％的张应变之后，两个偏振方向的群时延响应谱都沿横坐标平移了一段距离，同时它们的差值也随之移动。因此，将这种光栅加上一个能调节光栅的温度或者能使光栅产生动态的应变的装置，它就可以被用于动态偏振模弥散补偿。将这种光栅用于动态色散补偿还有一个优点：它对两个偏振方向的群时延相应的差值是是入射波包中心波长的一次函数，这有利于降低温度和应力调谐的难度(而这一点是利用线性II型啁啾无法做到的)。

上述实施例子中的布拉格光栅都只具有非线性II型啁啾，但非线性II型啁啾的运用与I型啁啾的运用并不相互排斥。因此，实际上一个布拉格光栅可以同时具有这两种啁啾，二者互为补充。

在第四实施例中，我们使一个取样布拉格光栅同时具有线性I型啁啾以及上述第一实施例中所述的非线性II型啁啾。线性I型啁啾可以用现有技术中公知的带线性啁啾的相位模板来获得，但一个特定的相位模板所产生的I型啁啾是固定的，这使得布拉格光栅的群时延响应谱的斜率也是固定的，所以若要获得具有不同斜率的群时延响应谱，就要使用不同的相位模板，这就增加了科研和生产中花费在相位模板上的成本。然而，因为非线性II型啁啾是不依赖于相位模板的，所以当一个布拉格光栅同时具有这两种啁啾时，可以通过调整非线性II型啁啾的参数来调整群时延响应谱的斜率。图13显示了线性I型啁啾与上述第一实施例中所述的非线性II型啁啾相结合前后的布拉格光栅的群时延响应谱，其中实线代表无II型啁啾的情况，而短划线和点划线分别代表具有上面第一实施例中所述非线性II型啁啾且a₁＝5×10^-4mm^-1和a₁＝-5×10^-4mm^-1的情况。从图13中可以看出，加上非线性II型啁啾之后，群时延相应谱的斜率改变了，并且当a₁取正数时斜率减小，而当a₁取负数时斜率增加，这就大大增加了设计和制造的灵活性，并节省了在相位模板上的开销。

根据本发明的实施例，本发明提出了一种具有非线性II型啁啾取样结构的布拉格光栅，它不依赖I型啁啾就可在光栅的某个特定的反射带内按需提供各种群时延响应谱以补充色散，并且所述非线性II型啁啾取样结构F(z)的取样周期远大于光栅周期。从而降低了节省了相位模板上的开销，并且使得制造工艺中所需的控制精度降低，从而降低了制造成本。同时，本发明还克服了已有技术中的线性II型啁啾难以被单独用于色散补偿的问题，在光栅的某个特定的反射带内可以获得多种多样实际所需的群时延响应谱，并且与I型啁啾相结合时，可以在一个信道内调整光栅的群时延响应谱。但是，应理解上述实施例仅作为示意性而非限制性的，在所述权利要求中确定的本发明保护范围内可作各种变型或改进。

参考文件：

D1：F.Ouellette，“使用在光波导中的线性啁啾布拉格光栅滤波器来消除色散(Dispersion cancellation using linearly chirped Bragg grating filters inoptical waveguides)，”Opt.Lett.，Vol.12，no.10，pp.847-849，1987.

D2：K.O.Hill，F.Bilodeau，B.Malo，T.Kitagawa，S.Thériault，D.C.Johnson，and J.Albert，“用于补偿光纤色散的啁啾光纤布拉格光栅(Chirpedin-fiber Bragg gratings for compensation of optical-fiber dispersion)，”Opt.Lett.，vol.19，no.17，pp.1314-1316，1994.

D3：K.-M.Feng，J.X.Cai，V.Grubsky，D.S.Starodubov，M.I.Hayee，S.Lee，X.Jiang，A.E.Willner，and J.Feinberg，“利用一钟新型的电压调谐的具有非线性啁啾的光纤布拉格光栅对10-Gb/s的光通信系统进行动态的色散补偿(Dynamic dispersion compensation in a 10-Gb/s optical system using anovel voltage tuned nonlinearly chirped fiber Bragg grating)，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.11，no.3，pp.373-375，1999.

D4：S.Lee，R.Khosravani，J.Peng，V.Grubsky，D.S.Starodubov，A.E.Willner and J.Feinberg，“利用具有双折射和非线性啁啾的光纤布拉格光栅进行可调谐的偏振模弥散补偿(Adjustable compensation of polarizationmode dispersion using a high-birefringence nonlinearly chirped fiber Bragggrating)，”IEEE Photon.Technol. Lett.，vol.11，no.10，pp.1277-1279，1999.

D5：K.O.Hill and G.Meltz，“光纤布拉格光栅的基本原理和概论(FiberBragg grating technology fundamentals and overview)，”J.LightwaveTechnol，.vol.15，no.8，pp.1263-1276，1997.

D6：T.Komukai and M.Nakazawa，“用于高阶色散补偿的具有非线性啁啾的光纤布拉格光栅的制造(Fabrication of non-linearly chirped fiber Bragggratings for higher-order dispersion compensation)，”Opt.Commun.，vol.154，no.1-3，pp.5-8，1998.

D7：R.Kashyap，P.F.McKee，R.J.Campbell and D.L.Williams，“一种制造全光纤的光致啁啾光栅的新方法(Novel method of producing all fibrephotoinduced chirped gratings)，”Electron.Lett.，vol.30，no.12，pp.996-998，1994.

D8：K.Sugden，L.Bennion，A.Molony，and N.J.Copner，“在曝光过程中使光纤形变而在光敏光纤中产生的啁啾光栅(Chirped gratings produced inphotosensitive optical fibres by fibre deformation during exposure)，”Electron.Lett.，vol.30，no.5，pp.440-442，1994.

D9：K.C.Byron and H.N.Rourke，“通过拉伸而写入的方法来制造啁啾光纤光栅(Fabrication of chirped fibre gratings by novel stretch and writetechnique)，”Electron.Lett.，vol.31，no.1，pp.60-61，1995.

D10：J.A.R.Williams，L.A.Everall，L.Bennion，and N.J.Doran，“用于色散斜率补偿的光纤布拉格光栅的制造(Fiber Bragg grating fabrication fordispersion slope compensation)，”IEEE Photon.Technol. Lett.，vol.8，no.9，pp.1187-1189，1996.

D11：M.A.Putnam，G.M.Williams，and E.J.Friebele，“锥形的具有应变梯度的啁啾光纤布拉格光栅的制造(Fabrication of tapered，strain-gradientchirped fibre Bragg gratings)，”Electron.Lett.，vol.31 no.4，pp.309-310，1995.

D12：W.H.Loh，M.J.Cole，M.N.Zervas，S.Barcelos，and R.I.Laming，“基于移动光纤一扫描光束方法的利用均匀相位模板制造的结构复杂的光栅(Complex grating structures with uniform phase masks based on themoving fiber-scanning beam technique)，”Opt.Lett.，vol.20，no.20，pp.2051-2053，1995.

D13：P.C.Hill and B.J.Eggleton，“应变梯度引起的光线布拉格光栅的啁啾(Strain gradient chirp of fibre Bragg gratings)，”Electron.Lett.，vol.30，no.14，pp.1172-1174，1994.

D14：J.Lauzon，S.Thibault，J.Martin，and F.Ouellette，“利用温度梯度来产生线性啁啾的光纤布拉格光栅的实施和鉴定(Implementation andcharacterization of fiber Bragg gratings linearly chirped by a temperaturegradient)，”Opt.Lett.，vol.19，no.23，pp.2027-2029，1994.D15：X.-f.Chen，Y.Luo，C.-c.Fan，T.Wu，and S.-z.Xie，“具有取样周期啁啾的取样布拉格光栅的解析表述及其在波分复用光通信系统的色散管理中的应用(Analytical expression of sampled Bragg gratings with chirp in thesampling period and its application in dispersion management design in aWDM system)，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.12，no.8，pp.1013-1015，2000.

D16：T.Erdogan，“光纤光栅光谱(Fiber grating spectra)，”J.LightwaveTechnol.，vol.15，no.8.，pp.1277-1294，1997.

Claims (17)

1.一种光导波器件，包括：

一段用于传输光能量并具有一个有效折射率n_eff分布的光波导；

在所述光波导上形成的一段用于提供所需群时延谱的有效折射率微扰区域，其中所述折射率微扰如下式(4)所示：

${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{dc}}\left(z\right)+{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}z+\mathrm{\φ}\left(z\right)\left]\right\}F\left(z\right)---\left(4\right)$

其中z是沿光栅方向的坐标，Λ₀光栅起点的周期，Δn_dc有效折射率微扰在一个光栅周期内的平均值，Δn_ac是有效折射率微扰的快变分量的幅度，φ是一个附加的相位项，表示光栅周期的啁啾，F(z)被称作取样函数，而它的周期被称作取样周期Z，其特征在于：

F(z)是由一个具有周期性包络的函数F’(z’)通过坐标变换得到的，如下式(5)所示：

$F\left(z\right)=F^{\′}\left(z^{\′}\right)=F^{\′}(z+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{p_n+1})(n=\mathrm{1,2,3}\·\·\·)---\left(5\right).$

2.权利要求1的光导波器件，其特征在于：a₁≠0，而当n＝2，3，…时a_n＝0；而p₁＝1，从而式(5)所表示的取样函数F(z)为：

            F(z)＝F′(z+a₁z²)

3.权利要求2的光导波器件，其特征在于：Δn_dc(z)与φ(z)分别为常数Δn_dc与φ，从而式(4)所示的有效折射率微扰为：

${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{dc}}+{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}z+\mathrm{\φ}\left]\right\}{F}^{\′}(z+a_1{z}^2).$

4.权利要求1的光导波器件，其特征在于：a₁≠0，而当n＝2，3，…时a_n＝0；而p₁＝1/2，从而式(5)所示的取样函数F(z)为：

            F(z)＝F′(z+a₁z^3/2)

5.权利要求4的光导波器件，其特征在于：Δn_dc(z)与φ(z)分别为常数Δn_dc与φ，从而式(4)所示的有效折射率微扰为：

${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{dc}}+{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}z+\mathrm{\φ}\left]\right\}{F}^{\′}(z+a_1{z}^{3/2})$

6.权利要求4的光导波器件，其特征在于：所述光波导是由具有双折射特性的材料制成。

7.权利要求5的光导波器件，其特征在于：所述光波导是由具有双折射特性的材料制成。

8.权利要求4的光导波器件，其特征在于：所述光导波器件还包括一个用于改变光波导中的温度分布和/或使光波导产生一个纵向应变的装置。

9.权利要求5的光导波器件，其特征在于：所述光导波器件还包括一个用于改变光波导中的温度分布和/或使光波导产生一个纵向应变的装置。

10.权利要求6的光导波器件，其特征在于：所述光导波器件还包括一个用于改变光波导中的温度分布和/或使光波导产生一个纵向应变的装置。

11.权利要求7的光导波器件，其特征在于：所述光导波器件还包括一个用于改变光波导中的温度分布和/或使光波导产生一个纵向应变的装置。

12.权利要求1-11中任何一项所述的光导波器件，其特征在于：所述光波导是光纤。

13.用于制造一种光导波器件的方法，包括以下步骤：

提供一种用于传输光能量并且具有沿导波方向分布的有效折射率n_eff的光波导，

在所述光波导的一段上形成用于提供所需群时延谱的有效折射率微扰区，其中所述有效折射率微扰如下式(4)所示：

${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{dc}}\left(z\right)+{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}z+\mathrm{\φ}\left(z\right)\left]\right\}F\left(z\right)---\left(4\right)$

其中z是沿光栅方向的坐标，Λ₀光栅起点的周期，Δn_dc有效折射率微扰在一个光栅周期内的平均值(也被称为有效折射率微扰的直流分量)，Δn_ac是有效折射率微扰的快变分量的幅度(也被称为有效折射率微扰的交流分量)，φ是一个附加的相位项，表示光栅周期的啁啾，F(z)被称作取样函数，而它的周期被称作取样周期Z，其特征在于：

按照所需要的群时延谱，由一个具有周期性包络的函数F’(z’)通过坐标变换而确定F(z)，如下式(5)所示：

$F\left(z\right)=F^{\′}\left(z^{\′}\right)=F^{\′}(z+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{p_n+1})(n=\mathrm{1,2,3}\·\·\·)---\left(5\right).$

14.权利要求13所述的方法，其特征在于：

按照所需群时延谱来确定在有效折射率微扰Δn_eff中的取样函数F(z)的步骤包括：

根据所需的群时延响应谱τ(λ)，合理地选择一组p_n和a_n(n＝1，2，3，…)作为初始值；

根据下式

${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=\{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{dc}}+{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{ac}}\left(z\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}z+\mathrm{\φ}\left]\right\}{F}^{\′}(z+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{p_n+1})$

计算具有一个非线性取样结构的布拉格光栅的群时延响应谱τ’(λ)；

确定所计算的群时延响应谱τ’(λ)是否与所需的群时延响应谱τ(λ)之差在所需精度内；

重复上述选择、计算和确定步骤，直至所计算的群时延响应谱τ’(λ)与所需的群时延响应谱τ(λ)之差在所需精度内。

15.权利要求14所述的方法，其特征在于：

所述选择步骤包括：

将a_n＝0(n＝1，2，3，…)和p₁＝1选择作为初始值。

16.权利要求14所述的方法，其特征在于：

所述选择步骤包括：

将a_n＝0(n＝1，2，3，…)和p₁＝1/2选择作为初始值。

17.权利要求13-16中任意一项的方法，其特征在于：

所述周期性取样函数F’(z’)的包络为一个方波。

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