CN1987537A - 补偿宽带色散的啁啾长周期光纤光栅及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用两个级联的完全相同的超长长度啁啾长周期光纤光栅(CLPG)补偿宽带连续色散的方法，并据此设计了一种CLPG的制作系统及制作方法。制作系统的光纤收放装置与精密移动装置结合，控制光纤在写入过程中的移动，同步收放光纤光栅，写入超长长度，将写好的CLPG收盘；张力的调节使写入过程稳定且具有高重复性；CO₂激光器出射激光经过光路调节汇聚到光纤上写入CLPG。采用此制作方法制作的CLPG用于色散补偿时集合了宽带宽，色散补偿量大、纹波小、损耗小、非线性弱等特点，而且成本低，具有良好的宽带连续色散补偿性能。

Description

补偿宽带色散的啁啾长周期光纤光栅及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种用啁啾长周期光纤光栅补偿宽带色散的方法及其设计的啁啾长周期光纤光栅制作系统和方法，属于光纤通信系统色散补偿技术领域。

背景技术

光纤色散是实现长距离、高速、密集波分复用(DWDM)光纤通信系统传输的主要限制因素，所以进行色散补偿是传输系统中最为关键的技术之一。对于色散补偿，目前最常用的方法是色散补偿光纤(DCF)技术和啁啾光纤Bragg光栅(CFBG)色散补偿技术。色散补偿光纤(DCF)补偿色散有插入损耗大，非线性效应强，无法补偿色散斜率等缺点。啁啾光纤Bragg光栅(CFBG)用于色散补偿虽然具有插入损耗小，易调谐，对非线性低敏感等特点，但是其补偿带宽窄，只能满足单通道的补偿；DWDM系统中，必须采用不同波长的CFBG补偿不同通道的色散，成本很高，而且各个CFBG间反射率的不均衡以及各通道之间的串扰给传输系统带来了更大的麻烦；瑞典的Proximion公司研究出了超宽带的CFBG弥补上述缺点，但是此种方法非常复杂，成本极高，不易实现。

本发明提出一种利用啁啾长周期光纤光栅(CLPG)补偿宽带色散的方法，并据此设计了其制作系统和方法，制作的CLPG用于色散补偿，不仅具有CFBG补偿色散的特点，更具有宽带连续色散补偿的能力，且制作成本低。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的、集合了现有方法的优点、克服了现有技术的缺点、更具应用前景的补偿色散的方法，即利用啁啾长周期光纤光栅补偿色散的方法；同时设计出啁啾长周期光纤光栅(CLPG)的制作系统及其方法，将制作的CLPG应用于宽带色散补偿。本发明使用了两个级联的超长长度的CLPG实现宽带连续的色散补偿；设计出制作CLPG的制作系统，制作高重复性的CLPG，利用该系统制作的CLPG具有良好的特性，具有宽带连续色散补偿的能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提出的补偿色散方法的主要原理是：在光纤通信系统中，不同波长的光经过CLPG时在其不同位置发生耦合，耦合时进入不同介质传输，从而不同波长的光经过CLPG后传输速度有了差异，产生时延差。当光以恰当方向入射时，时延曲线的斜率为负，形成负色散，因此可以补偿单模光纤中的正色散。CLPG的长度越长，补偿的色散就会越大；用两个CLPG级联的目的是使不同波长的光再耦合回到同一介质中传输，即在光纤芯子中传输。所以，具有超长长度的CLPG级联可以实现宽带连续色散补偿。其特征在于包含以下步骤：

步骤1：首先要制作出CLPG，制作方法是：CO₂激光器出射占空比可调的脉冲光，这种脉冲光经过光路调节系统汇聚到光纤上，通过控制激光的占空比，缝隙光阑的宽度，聚焦光斑的大小，通过编程控制移动平台移动速度的变化，固定出射占空比，周期线性变化的光斑；利用反光镜，使光纤背面同样受到照射，实现轴对称写入光纤光栅，在移动平台移动的同时，未涂覆光纤进行同步收放，即放出未写入光栅的光纤，收回已写好的CLPG；

步骤2：写入的长周期光纤光栅具有超长长度，且精密控制光栅周期变化，调整各个参数，使得CLPG性能达到最佳；

步骤3：CLPG用于色散补偿时，是两个完全相同的CLPG级联，且级联的方式为光栅周期较大的一端在外侧，而两个光栅周期较小的一端，即耦合波长较短的一端相对在内侧，级联后的CLPG作为一个整体与光纤熔接加在传输光纤中恰当的位置，作为传输型器件实现色散补偿。

两个级联的超长长度的啁啾长周期光纤光栅用于色散补偿的原理如下：

长周期光纤光栅是一种传输型器件，具有插入损耗小、无后向反射、易调谐，对非线性不敏感等特点，与光纤Bragg光栅相比，其带宽要宽得多。啁啾长周期光纤光栅可以实现更宽的带宽，其时延曲线具有负斜率，即利用其负色散进行色散补偿。用CLPG进行色散补偿的原理如下：沿着光纤光栅光从周期较大的一端入射，此时较长的波长发生模式耦合，到包层中传输，传输速度快，而此时较短的波长仍在芯子中传输，速度慢，传到光栅周期最小的一端开始耦合到包层传输。从CLPG这一段看，不同波长传输速度的不同造成时延差，产生负色散。级联一个完全相同的CLPG使光返回芯子，只不过对应长短波长的方向相反，即周期较大端位于外侧，周期较小端位于内侧。通过这两个CLPG，光经历了从芯子到包层又回到芯子的过程，所以在长短波长的时延分别为两倍光纤光栅长度除以在包层或芯子的群速度，而色散的表达为它们的时延差除以光纤光栅的带宽，即：

$D=\frac{\mathrm{\Δ\τ}}{\mathrm{\Δ\λ}}=\frac{2L(n_{\mathrm{eff}-01}-n_{\mathrm{eff}-1m})}{\mathrm{c\Δ\λ}}---\left(1\right)$

其中L是光纤光栅的长度，n_eff表示有效折射率，下标01指纤芯基模，1m指1阶m次包层模式，c表示真空中的光速，Δλ示CLPG的带宽。总之CLPG利用不同波长的光在芯子包层中传输的速度差实现时延差，从而产生负色散，达到补偿色散的目的。从(1)式可知，要获得大的负色散值而且保持较宽的带宽，增加CLPG长度是最现实的方法。通过上述分析可以预见，利用超长长度的CLPG补偿色散将是一种很有发展前景的宽带色散补偿方案。

本发明设计的啁啾长周期光纤光栅(CLPG)制作系统各部分组成以及制作方法如下：

CLPG制作系统包括：光纤收放装置、张力可调装置、计算机编程控制的精密移动装置、光路调节装置以及CO₂激光器五部分组成，可以高重复性的写入超长长度的啁啾长周期光纤光栅。

1、可被伺服电机控制移动的光纤收放装置，它包括：主动轮、从动轮、V型槽导轮等，主动轮在伺服电机的控制下按照设定的速度对写好的CLPG收盘，此时CLPG被缠绕在主动轮控制的光纤盘上；V型槽导轮的作用是控制光纤位置在写入过程中不发生移动及扭转，V型槽导轮的数量较多是因为这样可以使比较长的光纤在移动过程中更加稳定，不易断裂；从动轮在主动轮的控制下负责放出未写入光纤光栅的裸纤；光纤的收放装置在伺服电机的控制下实现超长长度CLPG的写入。该装置用于承载光纤，确保光纤移动过程中的稳定，收回已写好的光栅部分，放出未写入光栅的光纤，使得超长的CLPG更好的放置保存。

2、张力可调装置，包括张力调节装置和测试装置，张力调节部分装载于从动轮上，它的作用是在光纤光栅制作过程中可以拉直且应力不会过大，不仅保证写入特性的稳定，也保证光纤不被拉断；张力测试加载在V型槽导轮部分；张力的可调节确保了写入光纤光栅的良好特性，稳定性以及高重复性。

3、计算机编程控制的精密移动装置，它与光纤收放装置，光路调节装置结合，控制光纤光栅周期的逐点变化，从而精确控制光纤光栅的写入，实现啁啾变化的长周期光纤光栅。

4、光路调节装置，它包括聚光光路、缝隙光阑、反光镜、高度调节部分，聚光镜聚焦，缝隙光阑调节光斑大小，反光镜使得光纤光栅折射率调制径向均匀对称，高度调节使光纤保持水平且和激光在同一高度，不仅保证了写入光纤光栅的优良特性，而且在光纤光栅周期的控制上也起到一定作用。该装置保证出射激光以最集中的能量均匀照射在光纤上，同时和移动装置共同确定了光纤光栅的周期。

5、CO₂激光器出射高频的脉冲光，使光纤芯子在激光的照射下释放残余应力，瞬间致密化，使得折射率瞬间升高，从而形成光纤光栅结构；CO₂激光器作为写入CLPG的光源，其功率可调，模式可调(连续模式，重复脉冲模式，单脉冲模式)，脉冲持续时间可调以及占空比可调；采用CO₂激光器写入光纤光栅无需光纤具有光敏性，大大降低了制备材料的成本。

这五个部分相互结合构成整个制作系统，其制作CLPG的方法是：CO₂激光器出射占空比可调的脉冲光，这种脉冲光经过光路调节系统汇聚到光纤上。通过控制激光的占空比，缝隙光阑的宽度，聚焦光斑的大小，通过编程控制移动平台移动速度的变化，就可以实现出射占空比固定，周期线性变化的光斑；反光镜的作用是使光纤背面同样受到照射，实现轴对称写入光纤光栅。在移动平台移动的同时，未涂覆光纤进行同步收放，即放出未写入光栅的光纤，收回已写好的CLPG。通过这样的方法，可以快速而方便的实现超长长度的CLPG的制作。

本发明的有益效果如下：

利用啁啾长周期光纤光栅(CLPG)补偿色散的方法，由于CLPG具有特性稳定，带宽很宽，时延色散特性很好，纹波系数小，属于传输型器件，其用于色散补偿时成本较低，插入损耗小，非线性效应很弱，色散补偿量大，具有宽带连续色散补偿能力。

由此设计的CLPG制作系统及其方法主要具有以下优势：

1、因为用于色散补偿的CLPG要得到大的色散值必须具有很长的长度，并且是完全相同的两个CLPG。利用本发明设计的系统可方便地高重复性的写入超长长度的长周期光纤光栅。

2、利用本发明设计的系统中的CO₂激光器(功率可调，模式可调)、计算机控制的精密移动装置以及光路调节装置来控制光纤光栅的周期及其变化，采用逐点写入的方法实现啁啾的长周期光纤光栅。

3、利用此系统和方法制作的CLPG具有宽带宽，平坦透射谱，时延色散特性良好的特点，完全有能力实现宽带连续色散补偿。

附图说明

图1是本发明CLPG用于宽带连续色散补偿的原理图；

图2是本发明设计的CLPG制作系统的示意图；

图3是本发明出射激光照射在光纤上的光路调节示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

步骤1：首先要制作出具有特性稳定，光谱平坦，带宽很宽，时延线性，色散恒定且色散值较大，纹波系数小，损耗小，非线性不敏感的CLPG，以此满足宽带色散补偿的要求，且实现补偿后系统性能达到最佳；为此，设计了专门用于制作CLPG的制作系统并提出其制作方法；

步骤2：制作系统具有写入超长长度光纤光栅的能力，具有可精密控制光栅周期变化的能力，恰当调整各个参数，使得CLPG性能达到最佳；

步骤3：CLPG用于色散补偿时，是两个完全相同的CLPG级联，且级联的方式为光栅周期较大的一端在外侧，而两个光栅周期较小的一端，即耦合波长较短的一端相对在内侧，级联后的CLPG作为一个整体与光纤熔接加在传输光纤中恰当的位置，作为传输型器件实现色散补偿。

如图1所示，给出了光在CLPG中传输的示意图，芯子部分的阴影表示光纤光栅，阴影的粗细表示了光栅周期的大小，在光入射的一端周期较大，对应的耦合波长较长，所以光一入射，波长最长的光λ₁就到包层中传输了，而波长最短的光λ₂直到光栅的末端才耦合到包层传输，我们就是依靠不同波长的光传输速度的差异造成负色散值来补偿单模光纤中的正色散。当然，为了使光仍回芯子中传输，我们需要级联一个完全相同的长周期光纤光栅，只是对应的光栅周期相反。

如图2所示，首先是在光学平台上架起的可被伺服电机控制移动的光纤收放装置，包括主动轮，从动轮，V型槽导轮等。主动轮在伺服电机的控制下按照设定的速度对写好的CLPG收盘，此时CLPG被缠绕在主动轮控制的光纤盘上，因为整个写入系统的光纤是裸光纤，所以为了防止裸光纤断裂，光纤盘的弯曲半径要很大；V型槽导轮的作用是控制光纤位置在写入过程中不发生移动及扭转，V型槽导轮的数量较多是因为这样可以使比较长的光纤在移动过程中更加稳定；从动轮在主动轮的控制下负责放出未写入光纤光栅的裸纤。

第二是张力可调装置包括张力调节装置和测试装置，张力调节部分装载于从动轮上，它的作用是在光纤光栅制作过程中可以拉直且应力不会过大，不仅保证写入特性的稳定，也保证光纤不被拉断；张力测试加载在V型槽导轮部分。

第三是计算机编程控制的精密移动装置，即伺服电机，它可以控制主动轮的转动从而控制光纤的移动。

第四是光路调节装置，也是整个系统中保证写入光纤光栅质量的很关键部分，由聚光光路、缝隙光阑、反光镜、高度调节部分组成，通过精密调整可以使光路系统达到最佳。高度调节保证了光纤在移动中的稳定以及激光光斑的高低位置恰当，因为图2为设计的CLPG写入系统的俯视示意图，所以高度调节部分未标出；具体的光路调节如图3所示，聚焦镜的作用是以尽量高的功率汇聚在光纤上，使光纤芯子的折射率发生瞬间变化，同时光斑缩小也有助于控制光栅周期；高精度的缝隙光阑在控制光纤光栅的周期时起重要作用，它与激光器输出脉冲的占空比，脉冲重复频率，光纤移动速度共同控制光纤光栅的周期变化；反光镜的作用是使光纤光栅芯子的折射率调制径向对称均匀，光栅特性更加优良稳定。

最后，CO₂激光器出射高频的脉冲光，使光纤芯子在激光的照射下释放残余应力，瞬间致密化，使得折射率瞬间升高，从而形成光纤光栅结构。通过该系统，我们就可以写入超长的CLPG用于色散补偿，而且由于光纤收放系统的使用使得写入的CLPG更好的被保存和放置。

利用制作系统制作CLPG的方法是：CO₂激光器出射占空比可调的脉冲光，这种脉冲光经过光路调节系统汇聚到光纤上。通过控制激光的占空比，缝隙光阑的宽度，聚焦光斑的大小，通过编程控制移动平台移动速度的变化，就可以实现出射占空比固定，周期线性变化的光斑；反光镜的作用是使光纤背面同样受到照射，实现轴对称写入光纤光栅。在移动平台移动的同时，未涂覆光纤进行同步收放，即放出未写入光栅的光纤，收回已写好的CLPG。通过这样的方法，可以快速而方便的实现超长长度的CLPG的制作。

图3是从激光器出射后的激光进行光路调节的示意图，通过光路调节激光以非常稳定的状态照射在光纤上，保证写入光栅的质量，同时对光纤光栅的周期也有一定的控制作用。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实施例，但本发明的其它变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式，因此，在本发明所公开内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (7)

1、一种利用啁啾长周期光纤光栅(CLPG)补偿宽带色散的方法，根据传输中不同波长的光经过CLPG时在不同位置发生耦合，在不同时刻从光纤芯子耦合进包层中传输，由于芯子包层具有不同的折射率，所以造成不同波长的光传输速度不同，即产生时延差，当光从恰当方向入射时，产生负斜率的时延特性，即负色散，可以补偿光纤中的正色散；其特征在于包含以下步骤：

步骤1：首先要制作出CLPG，制作方法是：CO₂激光器出射占空比可调的脉冲光，这种脉冲光经过光路调节系统汇聚到光纤上，通过控制激光的占空比，缝隙光阑的宽度，聚焦光斑的大小，通过编程控制移动平台移动速度的变化，固定出射占空比，周期线性变化的光斑；利用反光镜，使光纤背面同样受到照射，实现轴对称写入光纤光栅，在移动平台移动的同时，未涂覆光纤进行同步收放，即放出未写入光栅的光纤，收回已写好的CLPG；

步骤2：写入的长周期光纤光栅具有超长长度，且精密控制光栅周期变化，调整各个参数，使得CLPG性能达到最佳；

步骤3：CLPG用于色散补偿时，是两个完全相同的CLPG级联，且级联的方式为光栅周期较大的一端在外侧，而两个光栅周期较小的一端，即耦合波长较短的一端相对在内侧，级联后的CLPG作为一个整体与光纤熔接加在传输光纤中恰当的位置，作为传输型器件实现色散补偿。

2、一种制作CLPG的制作系统，其特征在于，它包括：利用光纤收放装置、张力调节及测试装置、计算机编程控制的精密移动装置、光路调节装置以及CO₂激光器等构成的长周期光纤光栅制作系统，可以高重复性的写入超长长度的啁啾长周期光纤光栅。

3、根据权利要求2所述的制作啁啾长周期光纤光栅(CLPG)的制作系统，其特征在于：可被伺服电机控制移动的光纤收放装置，包括主动轮，从动轮，V型槽导轮，主动轮在伺服电机的控制下按照设定的速度对写好的CLPG收盘，此时CLPG被缠绕在主动轮控制的光纤盘上；V型槽导轮的作用是控制光纤位置在写入过程中不发生移动及扭转，从动轮在主动轮的控制下放出未写入光纤光栅的裸纤；光纤的收放装置在伺服电机的控制下实现超长长度CLPG的写入。

4、根据权利要求2所述的制作啁啾长周期光纤光栅(CLPG)的制作系统，其特征在于：张力可调装置，包括张力调节装置和测试装置，张力调节部分装载于从动轮上；张力测试加载在V型槽导轮部分。

5、根据权利要求2所述的制作啁啾长周期光纤光栅(CLPG)的制作系统，其特征在于：计算机编程控制的精密移动装置，与光纤收放装置，光路调节装置连接。

6、根据权利要求2所述的制作啁啾长周期光纤光栅(CLPG)的制作系统，其特征在于：光路调节装置，它包括聚光光路、缝隙光阑、反光镜、高度调节部分，聚光镜聚焦，缝隙光阑调节光斑大小，反光镜使得光纤光栅折射率调制径向均匀对称，高度调节使光纤保持水平且和激光在同一高度。

7、根据权利要求2所述的制作啁啾长周期光纤光栅(CLPG)的制作系统，其特征在于：CO₂激光器出射高频的脉冲光，使光纤芯子在激光的照射下释放残余应力，瞬间致密化，使得折射率瞬间升高，从而形成光纤光栅结构。

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