CN2552019Y - 多波长色散/色散斜率补偿器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多波长色散/色散斜率补偿器及制作方法，是采用一个环行器与一个超分级啁啾光栅连接，超分级啁啾光栅是多段周期分级的啁啾结构的整体光栅，分段数与总的通道数对应，通过控制各分级光栅的光栅长度及啁啾量对不同的通道给予不同的补偿量，实现各通道的不同色散/色散斜率补偿，多通道的波长间隔包括ITU－T约定的任意波长间隔，通道数包括ITU－T约定的任意通道数。其不同通道的各分级光栅的色散量补偿对应密集波分复用系统中该通道带宽内的色散量，所有分级光栅对应的色散斜率补偿对应密集波分复用系统中传输光纤的色散斜率。

Description

多波长色散/色散斜率补偿器

                       技术领域

本实用新型涉及一种多波长色散/色散斜率补偿器及制作方法，它是基于光纤Bragg光栅的多波长色散/色散斜率补偿器，可以对密集波分复用系统中输入的多个波长/通道的高速光信号进行色散及色散斜率补偿。

                       背景技术

光纤的衰耗及色散是限制光信号在光纤中传输的两大因素。目前，光纤的衰耗通过EDFA及Raman放大器等技术有效地得到了解决。随着光传输速率的提高(10Gb/s或40Gb/s)及传输距离的延长，光纤色散对光传输的限制却愈来愈引起人们的关注。

色散是光脉冲在光纤传输当中的自然展宽。这种展宽效应是由于脉冲的不同频率成分以不同速度传播引起的。当展宽效应引起相邻脉冲相互交叠时，就会导致严重的码间干扰。

对于传输多个波长的DWDM(密集波分复用)的高速传输系统，还需要考虑色散斜率的影响。色散斜率是指光纤中不同波长所对应色散的改变速率。色散斜率将会导致各个信道的色散累积量的不同。

不同光纤的色散及色散斜率不同。目前大量铺设的G.652光纤在1310nm波长附近是零色散，在1550nm波长附近色散量约为17ps/nm/km。色散斜率约为0.07ps/nm²/km。

克服色散最常用的方法是使用色散补偿光纤(DispersionCompensated Fiber，DCF)和啁啾光纤Bragg光栅(Chirped Fiber BraggGrating，CFBG)进行补偿。

DCF在1550nm波段可以设计成较大的负色散，制作成补偿模块。商用水平的补偿模块色散补偿量达到-1350～-2040ps/nm。DCF能补偿光纤的色散和色散斜率。然而，DCF在缓和色散限制的同时也会对光传输产生负面的影响。DCF的衰减系数比普通单模光纤大(通常为0.9dB/km左右)。补偿的色散量越大，补偿光纤越长，对线路增加的附加衰减越大。目前，DCF在系统中通常的用量约为传输光纤长度的十分之一。如100公里传输光纤需要约10公里的DCF补偿模块。为补偿这些损耗所引入的掺铒光纤放大器增加了系统成本，也可能引起诸如光通道信噪比、信号波形恶化等问题。此外，一般色散补偿光纤芯径小(大约4～5μm)容易产生非线性效应。

对光纤进行色散补偿的另一种有效方案是采用啁啾光纤Bragg光栅(CFBG)。CFBG是通过紫外光在光纤纤芯引起折射率周期性变化。与DCF不同，CFBG体积小，补偿1700ps/nm的色散通常仅需几个厘米长的光栅。而且，这种方式损耗低、不易受非线性效应影响、与偏振无关。

传统光纤光栅色散/色散斜率补偿的原理是利用光纤Bragg光栅进行，色散补偿基本原理如图1所示。光纤Bragg光栅一般采用啁啾结构的光栅。啁啾光栅是一种光栅间距渐变的光栅。不同的光栅间距对应不同的Bragg波长(反射波长)。啁啾光栅可设计成线性色散补偿器补偿低阶色散，也可设计成非线性色散补偿器同时补偿色散和色散斜率。

由于不同频率分量在光纤中具有不同的传输速度，使得输入脉冲在经过长距离光纤传输后发生了展宽。这时脉冲中短波长成分λj比长波长成分λr传播速度快，经过啁啾光纤光栅反射后，由于不同的波长分量在光栅中的不同位置发生反射，脉冲的短波长成分将获得比长波长成分大的时延，从而使脉冲被重新压窄。

图2是1米长的线性啁啾光栅(带宽9.5nm)的时延和波长的关系，可以看出在整个带宽内色散约为1000ps/nm。

图3是1米长的二次型啁啾光栅(带宽9.5nm)的时延和波长的关系，在带宽内平均色散约为1000ps/nm，时延与波长不成线性关系，带内色散不再是常数，可用来进行色散斜率的补偿。专利00204252公布的光纤光栅补偿器，提出了对于多波长分别补偿的思路。但是，它采用多个环行器和多个独立的光栅并没有超出现有技术的范围，仍然存在结构复杂、体积大、成本高、工艺不先进的问题，同时没有解决色散斜率补偿的问题。

                       发明内容

本实用新型的目的是提出一种基于光纤Bragg光栅的多波长色散/色散斜率补偿器及制作方法，这种器件基于超分级结构啁啾光栅，只用一个环行器实现对多个通道的色散/色散斜率进行补偿，同时还能够有效地抑制在通道之间未用波长范围内由放大器产生的自发辐射噪声。并采用简单、先进的制作方法。

本实用新型的技术方案由环行器、啁啾光栅组成，特别是采用一个环行器与一个超分级啁啾光栅连接，分级啁啾光栅是多段周期分级的啁啾结构的整体光栅，分段数与总的通道数对应，通过控制各分级光栅的光栅长度及啁啾量，进而实现各通道的不同色散/色散斜率补偿，多通道的波长间隔包括ITU-T约定的任意波长间隔，通道数包括ITU-T约定的任意通道数。

所述的多波长色散/色散斜率补偿器，其不同通道的各分级光栅的色散量补偿对应密集波分复用系统中该通道带宽内的色散量，同时，所有分级光栅对应的色散斜率补偿对应密集波分复用系统中传输光纤的色散斜率。

所述的多波长色散/色散斜率补偿器，各分级光栅空间周期成线性分布，且各分级光栅啁啾量或者长度可以不一样，这种形式光栅在各个通道内色散量恒定，通道之间的色散量不同，可以补偿由于色散斜率引起的通道间色散量的差异。

所述的多波长色散/色散斜率补偿器，光栅空间周期成非线性分布，这种形式光栅在各个通道内色散量非恒定，可以同时补偿通道内的低阶色散和高阶色散。

对大通道数可以将所述多通道色散补偿器中各个分级光栅分组，将每组的多个分级光栅封装在单个装置中，再将多组串接起来实现多通道的色散/色散斜率的补偿。

本实用新型的优点是采用超分级啁啾光栅作为色散补偿，具有精确控制各个通道的带宽、间隔及色散的优点，而且还大大地减小了啁啾模板的制作复杂度。因为分级光栅实际上由多个固定周期光栅组成，与线性啁啾光栅模板相比，前者更易于设计、制作。由于采用超分级啁啾光栅，只需要一个环行器，因此结构简单、体积小、成本低、工艺先进，并且实现了用一个器件同时解决色散/色散斜率补偿的问题。

                       附图说明

图1是传统光纤光栅色散/色散斜率补偿的原理图，图2是1米长的线性啁啾光栅(带宽9.5nm)的时延和波长的关系图，图3是1米长的二次型啁啾光栅(带宽9.5nm)的时延和波长的关系图，图4、图5、图6是本实用新型的原理图，图7体现了分级光栅中周期与位置之间的关系图，图8为超分级光栅的示意图，图9与图10是基于方案一设计的三通道100GHz色散补偿器的反射及时延谱图。1-1、2-1、3-1代表单模光纤，1-2-1、2-2-1、3-2-1代表环行器输入端口，1-2-2、2-2-2、3-2-2代表环行器输入输出端口，1-2-3、2-2-3、3-2-3代表环行器输出端口，1-3、2-3、3-3代表光纤。

                       具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。图4是本实用新型的原理图。光由单模光纤1-1输入到达环行器端口1-2-1，然后经过端口1-2-2到达超分级光栅1-4。通过光栅1-4反射后，光信号就得到色散/色散斜率的补偿，反射回来的光再经过环行器端口1-2-2经由端口1-2-3输出到光纤1-3。

本实用新型涉及一种基于光纤Bragg光栅的多波长色散/色散斜率补偿器有三种实施方案：

第一种：如图4所示，由具有线性分级啁啾结构光栅1-4构成的色散补偿器。各分级光栅的光栅空间周期成线性分布，且各分级光栅啁啾量和长度一致。这种形式光栅在各通道内色散量相同，可以用来补偿系统的低阶色散(色散)。

第二种：如图5所示，由具有线性分级啁啾结构光栅2-4构成的色散补偿器。各分级光栅空间周期成线性分布，且各分级光栅啁啾量或者长度不一样。这种形式光栅在通道之间色散量不同，可以用来补偿系统的由于高阶色散(色散斜率)在各通道上引起的低阶色散(色散)差异。

第三种：如图6所示，由具有非线性分级啁啾结构光栅3-4构成的色散补偿器。光栅空间周期成非线性分布，这种形式光栅在各个通道内色散量非恒定，可以同时补偿通道内的低阶色散(色散)和高阶色散(色散斜率)。

下面详细地介绍超分级啁啾光栅的工作原理。超分级啁啾光栅是由几段分级啁啾光栅组成。其中每段分级啁啾光栅对应着一个补偿通道。首先介绍分级光栅原理。普通啁啾光栅的周期随位置连续变化，而分级啁啾光栅的周期是不连续变化的，在各小段区域之间建立起啁啾。下面是分级光栅周期与区域成线性关系的例子，图7体现了周期与位置之间的关系，光栅长为L，分为N段，那么折射率调制随空间变化量Δn(z)可表示为： $\mathrm{\Δn}\left(z\right)={\mathrm{\Δn}}_{\max }\cos \left[\frac{2\mathrm{\πz}}{{\mathrm{\Λ}}_0-\mathrm{int}(\mathrm{zN}/L)\mathrm{\δ\Λ}}\right]$ 其中 $\mathrm{\δ\Λ}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{N},$ Δλ为光栅的反射带宽，int()是取整函数。N的取值随着Δλ增大而增大。当分级光栅周期与区域成非线性关系时(例如二次函数型)，时延和波长之间不在成线性关系，这时光栅可用来同时补偿带内的色散和色散斜率。

图8为超分级光栅的示意图，第一段分级光栅在起始位置对应的本地布拉格反射波长为λ_start ¹，在末端对应的波长λ_stop ¹，依次类推第i级波长分别为λ_start ⁱ、λ_stop ⁱ。第i段光栅的带宽和中心波长分别为 ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{start}}^i-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stop}}^i,$ $\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{start}}^i+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stop}}^i}{2},$ 与分级光栅两端的周期有关，因此通过选择每段分级光栅两端的周期，就可以调整反射谱的带宽及各通道间隔。光栅的色散量和光栅长度、光栅的啁啾量有关，调节这任意一个或几个可以改变啁啾光栅的色散量。因此方案二中可以通过控制各分级光栅的光栅长度、光栅的啁啾量，进而实现了各通道的不同色散补偿。

图9与图10是基于方案一设计的三通道100GHz色散补偿器的反射及时延谱，通道间隔为0.8nm，带宽为0.4nm，通道内色散约为1000ps/nm。

多通道的波长间隔包括ITU-T约定的任意波长间隔，(如：400GHz，200GHz，100GHz，50GHz，25GHz，或12.5GHz)。通道数包括ITU-T约定的任意通道数。所述多通道的色散补偿器的通道数包括2个或2个以上ITU-T约定的通道数(如2，4，8，16，32，40，80，160等)。

制作本实用新型多波长色散/色散斜率补偿器的方法是采用在紫外激光器下光相位掩膜板曝光或直接干涉一次性写入多个通道的方法制作。

上述的制作方法，是在一个光相位掩膜板或直接干涉写入装置预先设计出各所述多通道色散补偿器的各个分级光栅，一次制作所有分级光栅，并封装在一个装置中。

对大通道数可以将所述多通道色散补偿器中各个分级光栅分组，每组设计一个光相位掩膜板或直接干涉写入装置。将每组的多个分级光栅封装在单个装置中，再将多组串接起来实现多通道的色散/色散斜率的补偿。

任一制作方法，多通道色散补偿器中各个分级光栅在物理距离上分布尽量小，也可采用在同一物理位置重复曝光的方法以减小封装尺寸。

本实用新型的多通道色散补偿器设计思路、制作方法、封装方案等适用于固定式及可调谐式多通道色散及色散斜率补偿器。

本实用新型的多通道色散补偿器能对密集波分复用系统中传输光纤色散及色散斜率进行同时补偿。

Claims (6)

1、一种多波长色散/色散斜率补偿器，包括环行器和啁啾光栅，其特征是采用一个环行器与一个超分级啁啾光栅连接，超分级啁啾光栅是周期分级的多段啁啾结构的整体光栅，分段数与总的通道数对应，多通道的波长间隔包括ITU-T约定的任意波长间隔，通道数包括ITU-T约定的任意通道数。

2、根据权利要求1所述的多波长色散/色散斜率补偿器，其特征是不同通道的各分级光栅的色散量补偿对应密集波分复用系统中该通道带宽内的色散量，同时，所有分级光栅的色散斜率补偿对应密集波分复用系统中传输光纤的色散斜率。

3、根据权利要求1或2所述的多波长色散/色散斜率补偿器，其特征是各分级光栅空间周期成线性分布。

4、根据权利要求所述的多波长色散/色散斜率补偿器，其特征是光栅空间周期成非线性分布，这种形式光栅在各个通道内色散量非恒定，可以同时补偿通道内的低阶色散和高阶色散。

5、根据权利要求所述的多波长色散/色散斜率补偿器的方法，其特征是所述多通道的所有分级光栅为一个整体光栅，并封装在一个装置中。

6、根据权利要求1或2所述的多波长色散/色散斜率补偿器，其特征是对大通道数的色散补偿器，可采用分组的方案，将每组的多个分级光栅为一个整体光栅，封装在单个装置中，再将多组串接起来。

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