啁啾光纖的案例
基于啁啾光纖光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償
1、設(shè)計(jì)需求
本案例是基于啁啾光纖光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償，構(gòu)建了后置色散補(bǔ)償系統(tǒng)、前置色散補(bǔ)償系統(tǒng)和混合色散補(bǔ)償系統(tǒng)。基于OptiSystem仿真軟件實(shí)現(xiàn)了三種不同結(jié)構(gòu)的基于啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償?shù)?em>光纖通信系統(tǒng)，通過眼圖評(píng)估系統(tǒng)通信性能。
2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
仿真系統(tǒng)調(diào)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(jìn)行色散色度補(bǔ)償，同時(shí)利用EDFA光放大器實(shí)現(xiàn)損耗補(bǔ)償。最后信號(hào)在接收模塊進(jìn)行信號(hào)解調(diào)與分析。模塊中的Loop Control器件控制鏈路傳輸次數(shù)，其中，SMF的色散系數(shù)為16 ps/nm·km，色散斜率系數(shù)為0.08 ps/nm2·km，衰減量為0.2 dB/km，單程中SMF長(zhǎng)度為80 km。光纖傳輸系統(tǒng)總共傳輸320 km。
2.1后置色散補(bǔ)償系統(tǒng)
圖示為后置色散補(bǔ)償系統(tǒng)，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對(duì)信號(hào)傳輸過程中產(chǎn)生的色散進(jìn)行補(bǔ)償。在未進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)那闆r下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時(shí)接收端的信號(hào)眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。當(dāng)采用啁啾光纖光柵時(shí)，色散量設(shè)置為-1280 ps/nm·km，在10Gbit/s傳輸速率的情況下接收端的信號(hào)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(hào)質(zhì)量佳。
2.2前置色散補(bǔ)償系統(tǒng)
圖示為前置色散補(bǔ)償系統(tǒng)，啁啾光纖光柵置于單模光纖前，對(duì)信號(hào)傳輸過程中產(chǎn)生的色散進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。
2.3混合色散補(bǔ)償系統(tǒng)
圖示為混合色散補(bǔ)償系統(tǒng)，兩個(gè)啁啾光纖光柵分別置于單模光纖前部和后部，對(duì)信號(hào)分別進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償和產(chǎn)生色散后的補(bǔ)償。該方案結(jié)合了后置色散補(bǔ)償方式和前置色散補(bǔ)償方式的特點(diǎn)。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯(lián)合使用：色散補(bǔ)償
色散補(bǔ)償背后的物理思想如下：創(chuàng)建線性啁啾光柵允許我們?cè)谛盘?hào)的不同頻譜分量之間創(chuàng)建時(shí)間延遲。
例如，在1.55μm的SMF中，群速度色散會(huì)產(chǎn)生脈沖的負(fù)啁啾，這意味著較高的頻率（傳播更快）位于脈沖的前導(dǎo)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(huì)擴(kuò)散。如果我們創(chuàng)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(zhǎng)時(shí)間后才發(fā)生反射，因此會(huì)出現(xiàn)低頻和高頻分量之間的時(shí)間延遲，這與SMF中產(chǎn)生的時(shí)間延遲正好相反。
因此，在該系統(tǒng)中傳播和反射的脈沖將允許補(bǔ)償脈沖的色散展寬。
色散系數(shù)Dg [ps/nm.km]。對(duì)于線性啁啾光纖布拉格光柵，由以下簡(jiǎn)單表達(dá)式給出：
其中n為平均模式指數(shù)，c為光速，Δλchirp最大啁啾是光柵兩端的布拉格波長(zhǎng)差（注意，這個(gè)量是由OptiGrating的Grating Manager中的光柵定義選項(xiàng)卡中的總啁啾參數(shù)給出的）。
本次案例的目的是利用根據(jù)上述公式產(chǎn)生線性啁啾的光纖光柵，在OptiSystem中實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。
項(xiàng)目布局如圖1所示。
圖1.線性啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償項(xiàng)目布局圖
當(dāng)比特率為40 Gb/s時(shí)，在光學(xué)高斯脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生12.5 ps的初始脈沖，并在10 km的SMF內(nèi)傳播。初始脈沖和經(jīng)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(bǔ)償累積色散，我們將使用OptiGrating設(shè)計(jì)線性啁啾光纖光柵。光纖和光柵的相應(yīng)數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。
圖4.纖芯數(shù)據(jù)
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。
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色散補(bǔ)償模塊（DCM）可包含長(zhǎng)段色散位移光纖或啁啾光纖布拉格光柵等。后者的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，插入損耗相對(duì)較低。
在一定程度上，光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的色散影響也可以通過電子色散補(bǔ)償以經(jīng)濟(jì)有效的方式得到緩解。
鎖模激光器中的色散補(bǔ)償
在用于產(chǎn)生飛秒脈沖的鎖模激光器中，由激光諧振器中的增益介質(zhì)和其他光學(xué)元件引入的色度色散通常并不理想，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的脈沖變寬和啁啾。雖然自然產(chǎn)生的色度色散通常處于正常色散狀態(tài)（至少對(duì)于在短波長(zhǎng)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(duì)于在諧振器中形成準(zhǔn)孑子脈沖而言）。這種色散值可以通過引入反常色散的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)。在體激光器中，這類元件通常是特殊的介質(zhì)色散鏡（如整體式 Gires-Tournois 干涉儀或啁啾鏡）或棱鏡對(duì)。
對(duì)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(shí)通過成對(duì)衍射光柵等塊狀元件進(jìn)行補(bǔ)償。
對(duì)于持續(xù)時(shí)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(duì)材料或優(yōu)化棱鏡壓縮機(jī)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(gè)光柵結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化二階和三階色散的強(qiáng)度比。
色散脈沖壓縮
色散光學(xué)元件還可用于對(duì)激光諧振器外的超短脈沖進(jìn)行色散（線性）壓縮。
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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(duì)應(yīng)于2 π · 4.4 THz · 10,000 fs 2 /m = 276 fs/m 的傳輸時(shí)間范圍。因此，我們猜預(yù)計(jì)1米的光纖會(huì)出現(xiàn)明顯的增寬。
一個(gè)有用的經(jīng)驗(yàn)法則實(shí)際上是：如果總?cè)貉舆t色散（群速度色散乘以光纖長(zhǎng)度）達(dá)到脈沖持續(xù)時(shí)間的平方，則色散脈沖展寬將會(huì)很明顯。對(duì)于非變換限制脈沖，光譜展寬更強(qiáng)。
計(jì)算脈沖展寬效應(yīng)并不難：
對(duì)輸入脈沖形狀進(jìn)行傅里葉變換。
根據(jù)色散應(yīng)用與頻率相關(guān)的相位變化：只需將每個(gè)頻率分量的復(fù)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(zhuǎn)換到時(shí)域，你就有了時(shí)域中的脈沖。根據(jù)需要繪制其功率、瞬時(shí)頻率或其他與時(shí)間有關(guān)的變量。
當(dāng)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(nèi)容。圖 1 顯示了 1 m 和 10 m 光纖輸出脈沖的功率和瞬時(shí)頻率隨時(shí)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(shí)頻率。
可以看到脈沖的線性向上啁啾出現(xiàn)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?yàn)樵谙嗤念l率范圍會(huì)在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)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(cuò)誤的；只有在擴(kuò)大進(jìn)程開始時(shí)才會(huì)如此。
如果我們對(duì) 1 nJ 而不是 1 pJ 的脈沖能量進(jìn)行相同的模擬，我們也會(huì)得到明顯的非線性效應(yīng)（這在數(shù)值上比較難模擬；一個(gè)典型的方法是使用分步傅里葉法）。自相位調(diào)制現(xiàn)在增加了光譜寬度，因此色散展寬比以前更強(qiáng)。
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