L波段色散补偿光子晶体光纤的研究和设计

　　0　引言

　　在光纤通信系统中,损耗和色散制约着光纤中光信号的传输距离和比特率。随着用于L波段(1565~1 625 nm)的增益位移掺铒光纤放大器(GS-EDFA)的成熟和商用化,解决了光纤损耗问题,而色散则成为高速率宽带通信系统的主要限制。设计用于L波段的色散补偿光纤,对于拓展光通信波段和优化光纤通信系统的性能具有重要意义。由于色散补偿光纤(Dispersion CompensationFiber, DCF)技术相对成熟、简单,具有可控色散补偿量、与波分复用(WDM)系统兼容、性能稳定等优点,因而采用DCF进行色散补偿具有明显的优势得到了广泛的运用。以前,利用常规光纤做色散补偿光纤,只能通过在纤芯掺锗,并引入外层芯形成双层芯光纤来实现色散补偿[1-2],但是高掺锗纤芯会导致高损耗和拉制困难。近来,由于光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)[3-5]可以在一个很宽的波长范围控制它的色散特性,使其成为一种新型的色散补偿光纤。

　　目前,复合波段的光纤在L波段的补偿值较低,补偿效率不高,并且存在掺杂及有效面积太小等问题[6-7]。然而,在L这一单一波段的色散补偿光纤还未有过报道。基于此,本文设计了一种新颖结构的L波段双层芯色散补偿PCF,具有较高色散值,较大的有效模场面积,能同时实现色散和色散斜率补偿的光子晶体光纤。

　　本文中,通过增加双层芯PCF的外层芯层数,同时优化孔间距和空气孔直径,并综合考虑有效模场面积,传输模式,残余有效色散,设计了一种用于L波段的新颖结构的双层芯色散补偿PCF。

　　1　色散补偿理论

　　随着传输速率的提高,由单模光纤(SMF)的色散导致的脉冲展宽将严重影响高比特率传输系统。因此,需要通过一定的手段把展宽的光脉冲恢复到原有的状态,最有效的方法之一就是利用色散补偿光纤。光纤的总色散可由下式得到:

　　由于光纤的色散系数D随波长变化,因此在宽带色散补偿中,必须考虑对色散系数D和色散斜率Ds同时进行补偿,宽带色散补偿条件为:D1L1+D2L2=0,Ds1L1+Ds2L2=0,其中L1、D1和Ds1为被补偿光纤的长度、色散系数和色散斜率,L2、D2和Ds2为色散补偿光纤的相应参数。

为此,定义一个新的参数,相关色散斜率(Relative Dispersion Slope,SRD):

它表示器件对光纤色散和色散斜率同时补偿的能力。G.652光纤的色散曲线分布如图1所示,在光通信系统中一般要求色散补偿光纤与被补偿光纤的SRD值接近或相等。G.652光纤在L波段1 585 nm处的SRD值是0.003 0 nm-1。在多信道多波长WDM系统中,实现宽带色散补偿需要在色散斜率和色散值之间找到一个平衡,两者均能兼顾为最佳。通常情况下,我们用补偿后的残余有效色散系数De来评价色散补偿PCF的宽带色散补偿性能: