摘要:分析了由于光纤的色散引起的脉冲展宽,并介绍了啁啾布拉格光纤光栅进行色散补偿的基本原理。2·5Gb/s、100km色散补偿的实验结果表明,利用啁啾光纤光栅进行色散补偿是一种切实可行的色散补偿方案。

　　1　引　言

　　色散是光纤的重要指标之一,它是指不同波长的光在光纤内传播过程中能量发生分离的现象。由于光纤的色散,使输入脉冲在传输过程中畸变展宽,产生码间干扰,增加误码率,所以,色散限制了光纤的传输容量和传输距离。

　　对于普通单模光纤,1·31μm对应于一个低损耗窗口和零色散点。然而,随着掺铒光纤放大器的出现以及对通信容量急剧增加的需要,人们正在充分开发利用光纤通信的第三个窗口,即1·55μm。尽管色散位移光纤在1·55μm波长具有零色散点,但由于世界上已敷设的普通单模光纤超过2×108km,它们在1·55μm处具有17ps/km·nm左右的色散,因此通过对现有光纤通信系统进行色散补偿的办法来升级已敷设的光纤干线比用色散位移光纤替代已敷设的光纤更为经济。目前,人们对这种普通单模光纤的色散问题提出了一些可能的解决方案,包括色散补偿光纤[1]、激光预Chirp[2]、中点光谱反转[3]以及啁啾光纤光栅[4~7]等。在众多的方案中,由于啁啾光纤光栅与现有光纤兼容性好,具有低的传输损耗和插入损耗,且光纤光栅又是一种无源偏振不敏感全光器件,因此,利用啁啾光纤光栅进行色散补偿被认为是一种应用前景最好的方案。

　　2　由于光纤色散引起的脉冲展宽

　　在不考虑非线性效应的条件下,脉冲在单模光纤中传输的基本方程为[8]

　　式中βn= nβ/ ωnω=ω0;β为相移常数;A为沿z方向脉冲包络的慢变振幅;α为幅度衰减系数;i为虚单位;t表示时间。为研究问题方便,采用随群速度&UPSilon;g移动的坐标系,定义时间量T

　　式中P0为入射光脉冲的峰值功率。则U(z,T)满足线性偏微分方程

　　可见,群速度色散(GVD)改变了每个频谱分量的相位,相位的改变量依赖于频率及传输距离。尽管这种相位的变化不影响脉冲的频谱,但它却改变了脉冲的形状。脉冲光场归一化幅度的时域通解为

　　它表征由色散引起的导致脉冲展宽而对传输距离的限制。在线性传输条件下,当光纤长度L LD时,脉冲在传输过程中基本保持形状不变,只是由于光纤的损耗而使脉冲能量降低。根据色散长度的定义,高斯脉冲的宽度可表示为

　　可见,高斯脉冲在传播过程中形状保持不变,但脉冲展宽。若初始脉冲的宽度为20ps,在色散为17ps/km·nm的光纤中传播100km后,脉冲展宽的程度如图1所示。

　　3　线性啁啾光纤光栅色散补偿的基本原理

　　对于常规单模光纤,零色散波长的典型值λD=1·31μm,当λ<λD时,β2>0,色散D<0,光纤处于正常色散区,红移分量(长波长分量)传播得快,蓝移分量(短波长分量)传播得慢。当时,λ>λD时,β2<0,色散D>0,光纤处于反常色散区,蓝移分量传播得快,红移分量传播得慢,因而色散补偿的作用是使红移分量追上蓝移分量。

　　啁啾光纤光栅是反射型色散补偿器,其色散补偿的原理如图2所示。在啁啾光纤光栅中,谐振波长沿光纤光栅是位置的函数,即沿光纤光栅的每一点都有一个本地Bragg谐振波长,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。光纤中传播光波的长波长分量(红移分量)在光栅的起始端被反射,而传播的短波长分量(蓝移分量)在光栅的远端反射,即光波经过光栅后,蓝移分量的时延较红移分量的时延长,因此,利用啁啾光纤光栅就可以起到色散均衡的作用,从而实现色散补偿。

　　4　2·5Gb/s、100km色散补偿实验

　　实验装置如图3所示,利用2·5Gb/s的微波脉冲发生器来驱动增益开关量子阱DFB激光器,产生光脉冲信号,DFB激光器的中心波长为1550·8nm,谱线宽度为0·35nm。由于激光器调制的脉冲存在有啁啾,所以采用了一段色散补偿光纤(DCF)来对光脉冲进行压缩,以消除啁啾。经DCF压缩后脉冲的宽度为39·19ps。因DCF光纤存在着较大的损耗,故在DCF后加入一级光放大器(OA)进行光功率补偿。光脉冲信号经过100km普通单模光纤(SMF)的传输后,由于光纤的损耗和色散,脉冲幅度减小,并展宽为222·45ps。之后,再用一级光放大器进行功率放大,并采用10cm长的啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)进行色散补偿,补偿后脉冲宽度为44·52ps。在a、b、c三点处,我们分别采用Tek-troNIx公司生产的CSA803A信号分析仪对光脉冲进行了测量,测量结果如图4、图5所示。

　　5　结　论

　　实验中,我们利用10cm长的啁啾光纤布拉格光栅实现了2·5Gb/s、100km的色散补偿,且补偿效果良好,这表明通过啁啾光纤光栅进行色散补偿方案的可行性。可以预料,随着光纤光栅制作工艺的进一步改进及其各种灵巧结构的设计,啁啾光纤光栅将会在未来的光纤通信系统中发挥重要的作用。

　　参考文献:

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　　[8] Agrawal G P著·非线性光纤光学[M].胡国绛,黄超译·天津大学出版社,1992:58-63.

　　基金项目:北方交通大学攀登计划(论文)基金资助

　　作者简介:魏道平(1968-),男,广西人,北方交通大学博士研究生,从事光纤通信系统、光无源器件研究。

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