利用啁啾光纤光栅进行色散补偿的研究

　　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υg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。