CN1425932A - 能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，包括光输入端，光输出端，在光输入端与光输出端之间有能同时滤波和色散补偿的装置，其特点是：能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件是多端口光方向耦合型器件与啁啾光纤光栅连接构成。本发明能同时进行光学滤波和色散补偿的步骤如下：提供多个波长信号光，需要得到某些特定波长不失真的信号光；将上述多波长信号光传输至能同时实现滤波和色散补偿的器件，该器件在提取出预定波段信号光的同时，压缩脉冲展宽，进行色散补偿；从能同时实现滤波和色散补偿的器件中输出不失真的预定信号光。

Description

能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件

                            技术领域

本发明属于光通信器件领域，特别是一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件。

                            背景技术

为满足日益增长的通信系统扩容需要，充分利用光纤的巨大带宽资源，密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技术作为当今光纤通信系统扩容的最佳方案，其发展趋势将是更高速率、更长距离、更大容量，具体表现在通信系统中每路波长复用数增多，信道间隔减小。

这种高速DWDM传输系统对器件性能提出更高要求，要求新的通信器件能促进更高的谱效率，具有更强的灵活性和更低的成本。滤波器作为系统中的关键器件，要在窄的信道间隔基础上，具有高反射率、窄带宽，良好的信道隔离度，较低的插入损耗，较小的串扰和较高的带宽利用率。由于系统的色散容差与信号速率的平方成反比，高速传输系统对色散控制的要求也越来越高，在传输更短距离后就必须进行准确、有效色散补偿。

目前，DWDM系统中通用的滤波技术主要有多层介质膜滤波、阵列波导光栅(Array Waveguide Grating，AWG)和光纤Bragg光栅(Fiber BraggGrating，FBG)。

多层介质膜滤波器由多层高反射膜组成，是一种利用多光束干涉原理制成的滤波器。温度特性比较好，通带较平坦，在隔离度、偏振损耗和偏振模色散方面具有良好的光学特性。

阵列波导光栅是以光集成技术为基础的平面波导器件，也是利用光束干涉原理制成的滤波器件。由于采用平面波导技术，具有结构紧凑，易于批量生产，重复性好等特点。

光纤Bragg光栅是一种全光纤器件。它利用光纤的光敏性，通过紫外光的照射使光纤纤芯的折射率产生周期性扰动，形成了具有波长选择性的反射器。光纤光栅的周期、长度和折射率的调制强度一起决定了光栅反射率的高低和带宽的大小。利用FBG的波长选择性制作的在线光纤滤波器具有成本低、与光纤兼容、易于集成等优点，能实现窄信道滤波。

在色散补偿方面，DWDM系统所使用的传输光纤通常都是单模光纤，其色散可分为色度色散(即群速色散，Group Velocity Dispersion，GVD)和偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)。对于色度色散补偿，目前常见的解决方案有采用色散补偿光纤(Dispersion Compensated Fiber，DCF)和啁啾光纤光栅(Chirped Fiber Bragg Grating，CFBG)两种。

DCF是一种具有大负色散、小纤芯尺寸的单模光纤，能进行色散补偿。但是，由于DCF的衰减系数较普通单模光纤高，当色散补偿量较大时，较长的DCF对系统引入的附加衰减也越大，需要额外补偿这些损耗，增加了系统成本。此外DCF用于波分复用系统时，容易产生非线性效应，使信号间产生串扰。

CFBG指光栅周期沿长度方向发生一定变化的FBG。采用CFBG可以方便地对各信道进行精确的色散补偿，它补偿能力强，成本低，对光纤链路的升级也比较容易。具有附加损耗小、器件微型化、耦合性好等特性。

在光纤通信系统中，为了提取不失真的有用光信号，目前通常先采用色散补偿器件对信号进行色散补偿，脉冲整形后，再用滤波器件提取信号，其中，所使用的色散补偿器件和滤波器件一般都采用前面所述的公知技术。这种分别采用两种独立器件实现色散补偿和滤波功能的方式虽然可以满足要求，但由于器件使用的多次性和个异性，具有插入损耗较大，成本较高等不足。

                            发明内容

本发明的目的是提供一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，它能不失真地滤出预定光信号，又能对预定光信号提供一定量的色散，予以色散补偿，使器件在滤出光信号的同时进行色散补偿，且插入损耗小，成本低，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明采用的方案是：一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，包括光输入端、光输出端，在光输入端与光输出端之间有能同时进行滤波和色散补偿的装置，其特点是光输入、输出端由多端口光方向耦合型器件提供，啁啾光纤光栅作为同时进行滤波和色散补偿的装置，所述多端口光方向耦合型器件的一个输入端作为整个光学器件的光输入端，其一个输出端作为整个光学器件的光输出端，其一个输入输出端连接啁啾光纤光栅。

能同时进行光学滤波和色散补偿的步骤如下：

提供多个波长信号光，需要得到某些特定波长不失真的信号光；将这些多波长信号光传输至能同时实现滤波和色散补偿的器件，该器件在提取出预定波段信号光的同时，压缩脉冲展宽，进行色散补偿；从能同时实现滤波和色散补偿的器件中输出不失真的预定信号光。

在上述方案中，啁啾光纤光栅作为关键部件，其滤波性能和色散补偿特性由其特征曲线(反射谱和时延曲线)决定。根据高速DWDM传输系统对滤波和色散补偿的要求，啁啾光纤光栅要能同时实现这两种功能，对其反射谱和时延曲线都有很高要求，反射谱必须在窄的信道间隔基础上，具有高反射率、窄带宽和较高的带宽利用率，同时时延曲线要具有良好的平滑度和线性度。不同结构的光栅具有不同的特征曲线。为得到高性能的特征曲线，必须设计特定的光栅结构以达到指标要求。

光栅的结构设计指根据目标特征曲线，设计出光栅结构参数。通常用切趾函数Δn(z)和局部啁啾量Λ(z)描述啁啾光纤光栅的结构特征，z表示光栅轴向位置参数。当Λ(z)是线性函数时，光栅的啁啾形式为线性；非线性啁啾光纤光栅的Λ(z)是非线性函数。典型的切趾函数有高斯函数、双曲正切函数、余弦函数和升余弦函数等，它们的函数曲线都是对称的钟型。虽然经这些函数切趾后的CFBG反射谱变得光滑，时延抖动有所改善，但反射率较低，带宽利用率不高，时延曲线平滑度较差，线性度不够好。由此，必须选用一种有效的设计方法才能保证啁啾光纤光栅滤波特性优良、色散补偿能力好、插入损耗小和非线性效应弱。

较简单的光纤Bragg光栅设计方法是一阶波恩近似法，利用光栅反射谱和耦合系数间近似的傅立叶变换关系得到光栅结构参数，该方法只适用于低反射率光栅，在设计高反射率光栅时具有局限性。另一类方法采用具有精确解的积分方程描述光栅中电磁波的传播特性，通过求解方程，得到光栅结构参数。但通常不易求出方程解析解，需对目标谱进行有理函数限制或采取特定的数学求解算法，该类方法计算效率较低，结果精确性较差。

此外，还有一种基于因果讨论的光栅设计方法，从光栅矩阵分析法出发，将光栅等分成多层，充分考虑电磁波传播介质层的结构和物理特性，在场沿光栅传播的同时，根据简单的因果关系，逐层确定每一层介质结构参数。该方法具有计算效率高、结果精确等优点。分析表明采用该方法设计的光栅的分析特征曲线和目标特征曲线基本重合，所以在理论设计上，可以通过设定优良的目标特征曲线，得到高品质、优性能光纤Bragg光栅的结构参数。

啁啾光纤光栅的制作可采用多种公知方法，如相位掩膜法、光纤/掩膜移动扫描法、二次曝光法等等。对于本发明中的啁啾光纤光栅，如前所述，其结构参数是根据具体的滤波和色散补偿要求进行个体设计后得到的，目标参数的不同，光栅的结构也不同。为降低制作成本，可以选用光纤/掩膜移动扫描法制作本发明中的啁啾光纤光栅，该方法易于实现，并且方便、灵活，便于控制。

                            附图说明

图1是啁啾光纤光栅的原理图。

图2是啁啾光纤光栅的特征曲线(反射谱和时延曲线)图。

图3是啁啾光纤光栅的设计方法说明图。

图4是根据一目标指标设计的啁啾光纤光栅的结构参数图和特征曲线图。

图5是本发明的技术方案。

图6是本发明的非限定性实施例一。

图7是本发明的非限定性实施例二。

图8是本发明的非限定性实施例三。

                            具体实施方式

下面参照附图，详细描述本发明采用的原理，同时图示说明本发明中的关键部件——啁啾光纤光栅的设计方法和根据目标指标设计的啁啾光纤光栅结构参数，以及本发明的技术方案，并结合三个非限定性实施例来更为明晰地描述本发明的上述目的和优点。

参照图1，示意本发明中的关键部件——啁啾光纤光栅的原理图。在啁啾光纤光栅中，反射带宽内的反射波长(即谐振波长)是光纤光栅位置的函数，即沿光纤光栅的每一点都有一个本地Bragg波长，因此不同波长的光在啁啾光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延。如图所示，光纤中传播光波的长波长分量在光栅的起始端被反射，传播光波的短波长分量在光栅的远端反射，即光波经过光栅后，短波长光的时延较长波长光的时延长，这样就补偿了色散所导致的短波长分量在前、长波长分量在后的情况。因此啁啾光纤光栅可以起到色散均衡的作用，实现色散补偿。由于啁啾光纤光栅是对反射带宽内波长进行色散补偿，所以可利用啁啾光纤光栅同时实现滤波和色散补偿。

参照图2，示意本发明中的关键部件——啁啾光纤光栅的特征曲线(反射谱和时延曲线)图。如图所示，啁啾光纤光栅的反射谱具有一定的带宽，且带内具有一定的时延，相当于一具有一定色散量的带通滤波器，表明啁啾光纤光栅不仅具有波长选择性，而且能同时进行色散补偿。

不同结构的啁啾光纤光栅具有不同的特征曲线，也就具有不同的滤波和色散补偿特性。图中的啁啾光纤光栅是经高斯函数切趾的线性啁啾光纤光栅，由图可知该光栅的特征曲线并不理想。为使光栅具有较好的滤波性能和色散补偿能力，必须选取有效的光栅设计方法，以得到理想特征曲线。

参照图3，示意说明本发明中的关键部件——啁啾光纤光栅所采用的设计方法。

图3a示意说明光栅矩阵分析法中的光栅离散模型，将光栅等分成M段，每段长度为Δ，近似认为每一段都是均匀介质，则随着分段数M的增加，可用折射率阶跃的M段均匀介质来逼近连续的折射率分布。分别用R(z，δ)，S(z，δ)表示前向和后向传播场的缓变振幅，二者之间的耦合系数q_i(z)(i＝1，2，......M)在均匀介质中为常数，则图中第i段场传播的矩阵表现形式为： $\left[\begin{array}{c}{R}_{i+1}(z+\mathrm{\Δ},\mathrm{\δ})\\ S_{i+1}(z+\mathrm{\Δ},\mathrm{\δ})\end{array}\right]=T_i\·\left[\begin{array}{c}{R}_i(z,\mathrm{\δ})\\ S_i(z,\mathrm{\δ})\end{array}\right]----\left(1\right)$

式中T_i的表达式是： $T_i=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{B_i}\mathrm{\Δ}\right)-i\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\γ}}_{B_i}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{B_i}\mathrm{\Δ}\right)& \frac{q_i\left(z\right)}{{\mathrm{\γ}}_{B_i}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{B_i}\mathrm{\Δ}\right)\\ \frac{q_i{\left(z\right)}^{*}}{{\mathrm{\γ}}_{B_i}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{B_i}\mathrm{\Δ}\right)& \mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{B_i}\mathrm{\Δ}\right)+i\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\γ}}_{B_i}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{B_i}\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right]----\left(2\right)$ 其中， $\mathrm{\δ}=2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}),$ n_eff是有效折射率，λ_b为Bragg反射中心波长； ${\mathrm{\γ}}_{B_i}^2={\left|q_i\left(z\right)\right|}^2-{\mathrm{\δ}}^2;$ q_i(z)是耦合系数，与光栅结构参数之间的关系是 $q_i\left(z\right)=\frac{\mathrm{\π\Δn}\left(z\right)}{\mathrm{\λ}}{e}^{-j[\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ}\left(z\right)]}----\left(3\right)$

矩阵T_i表征光栅分段离散化后光场在第i段光栅中的传播特性。下面进一步对矩阵T_i予以近似。

如图3b所示，将这段光栅看作是一个独立的复反射器，设反射器左、右向的复反射系数分别为p_i、-p_i ^*，则该反射器的传输矩阵为： $T_{{\mathrm{\ρ}}_i}={(1-{\left|{\mathrm{\ρ}}_i\right|}^2)}^{-1/2}\left[\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{\ρ}}_i^{*}\\ -{\mathrm{\ρ}}_i& 1\end{array}\right]----\left(4\right)$ 同时，用位相矩阵 表征反射器中场的净传播，表示为： $T_{{\mathrm{\Δ}}_i}=\left[\begin{array}{cc}\exp \left(\mathrm{i\δ\Δ}\right)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{i\δ\Δ})\end{array}\right]----\left(5\right)$ 用

近似代替T_i，则由式(1)有： $\left[\begin{array}{c}{R}_{i+1}(z+\mathrm{\Δ},\mathrm{\β})\\ S_{i+1}(z+\mathrm{\Δ},\mathrm{\β})\end{array}\right]=T_i\·\left[\begin{array}{c}{R}_i(z,\mathrm{\β})\\ S_i(z,\mathrm{\β})\end{array}\right]\≈T_{{\mathrm{\ρ}}_i}g{T}_{{\mathrm{\Δ}}_i}g\left[\begin{array}{c}{R}_i(z,\mathrm{\β})\\ S_i(z,\mathrm{\β})\end{array}\right]----\left(6\right)$ 其中 的复反射系数p_i的表达式是： ${\mathrm{\ρ}}_i=-\tanh \left(\right|q_i\left|\mathrm{\Δ}\right)\frac{q_i^{*}}{\left|q_i\right|}----\left(7\right)$

因此，将光栅看作由一系列间隔为Δ的复反射器P₁，P₂......P_M级联构成，这是一个因果、稳定的线性系统。按照因果性讨论，系统某时刻的输出只取决于此时刻和此前时刻的输入，则第i个复反射器P₁在时间t＝0时的脉冲响应与反射器P_j(j＞i)无关，所以P_i的复反射系数p_i可由p_i(δ)＝R_i(δ)/S_i(δ)在时间t＝0时的傅立叶逆变换F^-1[r_i(δ)]_t＝0算出，从而得到

再利用矩阵 $T_i\≈T_{{\mathrm{\ρ}}_i}g{T}_{{\mathrm{\Δ}}_i}$ 将场传输至离散化的第i+1段光栅，计算出r_i+1(δ)＝R_i+1(δ)/S_i+1(δ)，对r_i+1(δ)作傅立叶逆变换F^-1[r_i+1(δ)]_t＝0，得到p_i+1；......按此过程，在场沿光栅传播的同时逐段进行，依次得到p₁，p₂，......p_M。最后根据式(7)，计算出耦合系数q₁，q₂，......q_M，由式(3)得到光栅结构参数。图3c示意说明该计算过程。

图3c中r₁(δ)是物理可实现目标谱。实际设计中，为使理想目标谱r(δ)物理可实现，根据系统的因果性，采用有限长单位冲激响应(FIR)数字滤波器设计方法中的窗函数设计思想，对r(δ)进行加窗切趾，得到r₁(δ)。

当光栅是均匀FBG时，光栅没有啁啾量和相位变化，耦合系数q是实数。当光栅是CFBG时，耦合系数q为复数，其位相θ_q(z)表征光栅啁啾特性。

参照图4，示意说明根据实际的滤波和色散补偿要求设计的啁啾光纤光栅的结构参数(切趾函数和局部啁啾量)及其特征曲线。

图中所示的啁啾光纤光栅结构参数图是按照以下滤波和色散补偿指标进行设计的：

参数名称	具体指标
		中心波长	1550nm波段ITU标准波长
通道间隔	50GHz(0.4nm)
		反射带宽	@-30dB：0.5nm
@-1dB：0.3nm
	反射率		99.5％
色散补偿		1360ps/nm

具体设计过程是：首先根据目标指标，选用如下形式的超高斯函数表示理想目标谱： $r\left(\mathrm{\δ}\right)=\sqrt{0.995}\exp {[-\left(\frac{\mathrm{\δ}}{814}\right)}^6\left]\exp \right[-\frac{i{\mathrm{\β}}^{\′\′}L}{2}{\left(\frac{\mathrm{C\δ}}{n}\right)}^2]$ 其中β″是传输常数β对频率的二阶导数，L为色散补偿距离，C是光速(3×10⁸m/s)，n为有效折射率。取β″＝-21.7ps²/km(对应色散系数D＝17ps/nm.km)，L＝80km，设n＝1.5，中心波长λ_b＝1550nm，波长调谐范围为4nm，光栅长度10cm，选取汉宁窗(Hanning)作为窗函数。在上述参数的基础上，按照图3所述方法设计啁啾光纤光栅。

如图4所示，光栅的切趾函数没有具体的解析表达式，是通过数值模拟得到的函数曲线；光栅啁啾形式为非线性。从图中特征曲线可知，所设计的啁啾光纤光栅完全符合滤波和色散补偿指标的要求。

参照图5，示意本发明的技术方案。图中，光从多端口光方向耦合型器件的一个端口输入，按照光传输方向进入经过个体设计的啁啾光纤光栅，经光栅反射且已色散补偿了的预定信号光重新进入多端口光方向耦合型器件，最后从耦合型器件的输出端口输出。

参照图6，示意本发明非限制性实施例一。此例中多端口光方向耦合型器件是3dB光耦合器，在Mach-Zehnder干涉仪的两个干涉臂上置有两个相同的啁啾光纤光栅。具体结构如图所示。多个波长的传输信号λ₁，λ₂，......λ_n从3dB光耦合器的一个端口入射，设啁啾光纤光栅的中心波长是λ₂，可从端口2得到已色散补偿的信号λ₂。

参照图7，示意本发明非限制性实施例二。此例中多端口光方向耦合型器件是3端口光环行器，利用多个级联的啁啾光纤光栅，无需再采用单独的色散补偿器件，就可以同时解复用出多个不失真的信号光。如图所示，复用信号是λ₁，λ₂，......λ_n，设四个级联的啁啾光纤光栅的中心波长分别是λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，这四个啁啾光纤光栅都是根据具体的滤波和色散补偿要求进行设计的。在同一光纤中传输的多个波长λ₁，λ₂，......λ_n进入光环行器H端口3-1，信号光λ₁，λ₂，λ₃，λ₄依次从啁啾光纤光栅C₁，C₂，C₃，C₄反射后，再经光环行器H端口3-3下载，同时实现4个信号不失真的解复用。由图可知，采用这种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件进行多个信号的解复用，具有结构紧凑，插入损耗小等优点。

参照图8，示意本发明非限制性实施例三。由能同时实现光学滤波和色散补偿的器件构成一种光分插复用器(Optical Add/Drop Multiplexer，OADM)，实现单个信号的上、下载。如图所示，两个3端口光环行器H₁，H₂作为多端口光方向耦合型器件，啁啾光纤光栅C(设中心波长是λ₂)位于两个环行器之间；光复用信号λ₁，λ₂，......λ_n进入环行器H₁，λ₂经光栅反射并色散补偿后从H₁的端口3-3下载；信号λ_n+1从光环行器H₂端口3-3上载，与其它信号合波后经H₂的端口3-2输出。该光分插复用器的优点突出表现在不增加器件结构复杂性的前提下，同时实现了信号下载和色散补偿。

上述实施例中的啁啾光纤光栅都是根据实际应用的滤波和色散补偿要求进行个体设计的，可以根据本领域技术人员公知的方法进行制造，因此不做进一步描述。

本发明实施例的选择和描述是为了更好地解释本发明的实际应用，以使本领域技术人员最优地应用本发明。

上述对本发明实施例的描述只用于示例和说明，并不是将本发明限制在所述形式中。根据本发明的说明，可在不脱离所附权利要求书限定的本发明的原理和范围的条件下，对实施例进行修改和变化，得到其它形式的实施方案。

Claims (9)

1、一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，包括光输入端，光输出端，在光输入端与光输出端之间有能同时滤波和色散补偿的装置，其特征在于：能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件是多端口光方向耦合型器件与啁啾光纤光栅连接构成。

2、根据权利要求1所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：多端口光方向耦合型器件有多个端口，其一个输入端作为整个器件的光输入端，一个输出端作为整个器件的光输出端，一个端口接啁啾光纤光栅。

3、根据权利要求1所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：啁啾光纤光栅是根据具体的滤波指标和色散补偿指标进行设计的，光栅的切趾函数和啁啾量的具体表现形式由目标指标确定，通过设计不同的啁啾光纤光栅结构以满足不同的滤波和色散补偿要求。

4、根据权利要求1所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：多端口光方向耦合型器件是光环行器。

5、根据权利要求1所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：多端口光方向耦合型器件是光耦合器。

6、根据权利要求1所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件用于波长复用信号。

7、根据权利要求1或2所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：多端口光方向耦合型器件是3dB光耦合器，在Mach-Zehnder干涉仪的两个干涉臂上置有两个相同的啁啾光纤光栅，多个波长的传输信号从3dB光耦合器的一个端口入射，从端口2可得到已色散补偿的与啁啾光纤光栅的中心波长相同的信号。

8、根据权利要求1或4所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：多端口光方向耦合型器件是3端口光环行器，利用多个级联的啁啾光纤光栅，无需再采用单独的色散补偿器件，就可以同时解复用出多个不失真的信号光。

9、根据权利要求1或6所述的一种能同时实现光学滤波和色散补偿功能的器件，其特征在于：由能同时实现光学滤波和色散补偿的器件构成一种光分插复用器(Optical Add/Drop Multiplexer，OADM)，实现信号的上、下载。

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