啁啾光纖
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2023-05-07
啁啾光纖的實例教程
1、設計需求
本案例是基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統的色散補償，構建了后置色散補償系統、前置色散補償系統和混合色散補償系統?；贠ptiSystem仿真軟件實現了三種不同結構的基于啁啾光纖光柵色散補償的光纖通信系統，通過眼圖評估系統通信性能。
2、系統設計
仿真系統調制格式采用NRZ碼型，激光頻率為193.1 THz，傳輸鏈路采用單模光纖傳輸鏈路，利用啁啾光纖光柵進行色散色度補償，同時利用EDFA光放大器實現損耗補償。最后信號在接收模塊進行信號解調與分析。模塊中的Loop Control器件控制鏈路傳輸次數，其中，SMF的色散系數為16 ps/nm·km，色散斜率系數為0.08 ps/nm2·km，衰減量為0.2 dB/km，單程中SMF長度為80 km。光纖傳輸系統總共傳輸320 km。
2.1后置色散補償系統
圖示為后置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對信號傳輸過程中產生的色散進行補償。在未進行色散補償的情況下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。當采用啁啾光纖光柵時，色散量設置為-1280 ps/nm·km，在10Gbit/s傳輸速率的情況下接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到誤碼率為6.05e-20，Q因子為9.03，眼圖張開度好，信號質量佳。
2.2前置色散補償系統
圖示為前置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖前，對信號傳輸過程中產生的色散進行預補償。
2.3混合色散補償系統
圖示為混合色散補償系統，兩個啁啾光纖光柵分別置于單模光纖前部和后部，對信號分別進行預補償和產生色散后的補償。該方案結合了后置色散補償方式和前置色散補償方式的特點。
展開 色散補償背后的物理思想如下：創建線性啁啾光柵允許我們在信號的不同頻譜分量之間創建時間延遲。
例如，在1.55μm的SMF中，群速度色散會產生脈沖的負啁啾，這意味著較高的頻率（傳播更快）位于脈沖的前導部分，而較低的頻率（傳播較慢）位于尾隨部分。由于不同光譜成分的傳播速度不同，脈沖就會擴散。如果我們創建沿光柵周期線性減小的光纖光柵，由于高頻率比低頻率光在光柵中傳播較長時間后才發生反射，因此會出現低頻和高頻分量之間的時間延遲，這與SMF中產生的時間延遲正好相反。
因此，在該系統中傳播和反射的脈沖將允許補償脈沖的色散展寬。
色散系數Dg [ps/nm.km]。對于線性啁啾光纖布拉格光柵，由以下簡單表達式給出：
其中n為平均模式指數，c為光速，Δλchirp最大啁啾是光柵兩端的布拉格波長差（注意，這個量是由OptiGrating的Grating Manager中的光柵定義選項卡中的總啁啾參數給出的）。
本次案例的目的是利用根據上述公式產生線性啁啾的光纖光柵，在OptiSystem中實現色散補償。
項目布局如圖1所示。
圖1.線性啁啾光纖光柵色散補償項目布局圖
當比特率為40 Gb/s時，在光學高斯脈沖發生器中產生12.5 ps的初始脈沖，并在10 km的SMF內傳播。初始脈沖和經過SMF脈沖的輸出如圖2和圖3所示：
圖2.初始脈沖
圖3.脈沖在SMF中傳輸10km后
由于色散，脈沖寬度增加到約50 ps，在SMF中傳播10 km后的累積色散為160 ps/nm。
為了補償累積色散，我們將使用OptiGrating設計線性啁啾光纖光柵。光纖和光柵的相應數據如圖4和圖5所示。
圖4.纖芯數據
階躍折射率光纖，纖芯（折射率1.46）和包層（折射率1.45）分別為2μm和8μm。
展開 色散補償模塊（DCM）可包含長段色散位移光纖或啁啾光纖布拉格光柵等。后者的優點是結構緊湊，插入損耗相對較低。
在一定程度上，光數據傳輸系統中的色散影響也可以通過電子色散補償以經濟有效的方式得到緩解。
鎖模激光器中的色散補償
在用于產生飛秒脈沖的鎖模激光器中，由激光諧振器中的增益介質和其他光學元件引入的色度色散通常并不理想，因為它會導致產生的脈沖變寬和啁啾。雖然自然產生的色度色散通常處于正常色散狀態（至少對于在短波長下工作的激光器而言），但所需的色度色散可能接近零，甚至是反常的（對于在諧振器中形成準孑子脈沖而言）。這種色散值可以通過引入反常色散的光學元件來實現。在體激光器中，這類元件通常是特殊的介質色散鏡（如整體式 Gires-Tournois 干涉儀或啁啾鏡）或棱鏡對。
對于鎖模光纖激光器，色散可通過特殊色散光纖（如光子晶體光纖或使用高階模式的多模光纖）、啁啾光纖布拉格光柵或有時通過成對衍射光柵等塊狀元件進行補償。
對于持續時間低于 30 fs 的脈沖，不僅需要控制二階色散，還需要控制高階色散。因此，選擇合適的棱鏡對材料或優化棱鏡壓縮機的幾何形狀就顯得尤為重要。還有一種稱為 GRISM 的特殊裝置[7]，棱鏡上有一個光柵結構，可以優化二階和三階色散的強度比。
色散脈沖壓縮
色散光學元件還可用于對激光諧振器外的超短脈沖進行色散（線性）壓縮。
展開 它被注入到單模光纖中，群速度色散為 10,000 fs 2 /m，則4.4 THz 的脈沖帶寬對應于2 π · 4.4 THz · 10,000 fs 2 /m = 276 fs/m 的傳輸時間范圍。因此，我們猜預計1米的光纖會出現明顯的增寬。
一個有用的經驗法則實際上是：如果總群延遲色散（群速度色散乘以光纖長度）達到脈沖持續時間的平方，則色散脈沖展寬將會很明顯。對于非變換限制脈沖，光譜展寬更強。
計算脈沖展寬效應并不難：
對輸入脈沖形狀進行傅里葉變換。
根據色散應用與頻率相關的相位變化：只需將每個頻率分量的復振幅乘以exp( i ?( β 2 /2) ( ω ?-? ω 0 ) 2 )，其中β 2是群速度色散，ω 0頻譜中心的角頻率。
轉換到時域，你就有了時域中的脈沖。根據需要繪制其功率、瞬時頻率或其他與時間有關的變量。
當然，使用RP Fiber Power之類的軟件工具來處理這些事情很方便；您只需要描述輸入脈沖、光纖和您想要繪制的任何內容。圖 1 顯示了 1 m 和 10 m 光纖輸出脈沖的功率和瞬時頻率隨時間的演變。
圖 1： 1 m 和 10 m 光纖中 1-pJ 脈沖的光功率和瞬時頻率。
可以看到脈沖的線性向上啁啾出現了，這兩種情況都跨越了相同的頻率范圍——脈沖的光帶寬。10 m 的光纖的啁啾斜率比1 m 光纖要低，因為在相同的頻率范圍會在更長的時間內被掃描。因此，如果啁啾以 GHz/ps 為單位量化，那么“色散越大，啁啾越大”的說法是完全錯誤的；只有在擴大進程開始時才會如此。
如果我們對 1 nJ 而不是 1 pJ 的脈沖能量進行相同的模擬，我們也會得到明顯的非線性效應（這在數值上比較難模擬；一個典型的方法是使用分步傅里葉法）。自相位調制現在增加了光譜寬度，因此色散展寬比以前更強。
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其中n為平均模式指數，c為光速，Δλchirp最大啁啾是光柵兩端的布拉格波長差（注意，這個量是由OptiGrating的Grating Manager中的光柵定義選項卡中的總啁啾參數給出的）。
本次案例的目的是利用根據上述公式產生線性啁啾的光纖光柵，在OptiSystem中實現色散補償。
項目布局如圖1所示。
對于鎖模光纖激光器，色散可通過特殊色散光纖（如光子晶體光纖或使用高階模式的多模光纖）、啁啾光纖布拉格光柵或有時通過成對衍射光柵等塊狀元件進行補償。
對于持續時間低于 30 fs 的脈沖，不僅需要控制二階色散，還需要控制高階色散。因此，選擇合適的棱鏡對材料或優化棱鏡壓縮機的幾何形狀就顯得尤為重要。
2.1后置色散補償系統
圖示為后置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對信號傳輸過程中產生的色散進行補償。在未進行色散補償的情況下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。
10 m 的光纖的啁啾斜率比1 m 光纖要低，因為在相同的頻率范圍會在更長的時間內被掃描。因此，如果啁啾以 GHz/ps 為單位量化，那么“色散越大，啁啾越大”的說法是完全錯誤的；只有在擴大進程開始時才會如此。
如果我們對 1 nJ 而不是 1 pJ 的脈沖能量進行相同的模擬，我們也會得到明顯的非線性效應（這在數值上比較難模擬；一個典型的方法是使用分步傅里葉法）。
