光柵色散
關(guān)注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時間：2023-05-07
光柵色散的實(shí)例教程
1、設(shè)計需求
本案例是基于啁啾光纖光柵實(shí)現(xiàn)對光纖通信系統(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)墓饫w通信系統(tǒng)，通過眼圖評估系統(tǒng)通信性能。
2、系統(tǒng)設(shè)計
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，同時利用EDFA光放大器實(shí)現(xiàn)損耗補(bǔ)償。最后信號在接收模塊進(jìn)行信號解調(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，對信號傳輸過程中產(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(dāng)采用啁啾光纖光柵時，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(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，對信號傳輸過程中產(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(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 反射光柵案例分析
簡介
反射光柵作為光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光譜色散的核心元件，廣泛應(yīng)用于光譜儀、單色儀、激光雷達(dá)等精密光學(xué)設(shè)備中。其核心功能是將復(fù)色入射光依據(jù)波長差異分解為單色光，為后續(xù)的光信號探測與分析提供基礎(chǔ)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需通過精準(zhǔn)的光學(xué)仿真驗(yàn)證反射光柵的色散效果，確保其滿足系統(tǒng)對波長分辨率、衍射效率等關(guān)鍵指標(biāo)的要求，OAS 光學(xué)軟件憑借強(qiáng)大的三維建模與光線追跡能力，成為反射光柵性能驗(yàn)證的高效工具。
案例設(shè)置與操作
模型構(gòu)建
創(chuàng)建光學(xué)系統(tǒng)模型，導(dǎo)入所需的光學(xué)元件（如光源、反射光柵、接收屏等）。
參數(shù)設(shè)定
對反射光柵元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，重點(diǎn)在 “反射鏡.front” 面（即光柵的工作表面）添加光柵膜層，輸入光柵常數(shù)、刻線數(shù)量、衍射級次等關(guān)鍵參數(shù)，確保與實(shí)際光柵的性能參數(shù)一致。設(shè)置光源參數(shù)（如光源類型為復(fù)色光、波長范圍、光強(qiáng)分布等）和光線追跡參數(shù)（如追跡光線數(shù)量、計算精度等），完成仿真前的模型搭建。
仿真結(jié)果分析
啟動 OAS 軟件的三維光線追跡功能后，可直觀觀察到光線在系統(tǒng)中的傳播過程。從仿真結(jié)果來看，復(fù)色入射光照射到 “反射鏡.front” 面的光柵膜層后，并未沿單一方向反射，而是分解為多束不同顏色的單色光，各單色光沿不同角度射向接收屏，在接收屏上形成清晰的光譜帶。通過軟件的數(shù)據(jù)分析功能，可進(jìn)一步獲取各波長光的衍射角、光譜分辨率等性能指標(biāo)，驗(yàn)證結(jié)果與反射光柵的理論色散規(guī)律一致，表明所建立的模型準(zhǔn)確可靠，能夠有效模擬反射光柵的色散功能。
反射光柵的三維追跡圖
反射光柵的探測器結(jié)果圖
總結(jié)
本案例通過 OAS 光學(xué)軟件成功實(shí)現(xiàn)了反射光柵色散功能的仿真，為光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供有力支持。
展開 本課演示了OptiSystem如何與OptiGrating一起設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)中色散補(bǔ)償元件。
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在信號的不同頻譜分量之間創(chuàng)建時間延遲。
例如，在1.55μm的SMF中，群速度色散會產(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時間后才發(fā)生反射，因此會出現(xiàn)低頻和高頻分量之間的時間延遲，這與SMF中產(chǎn)生的時間延遲正好相反。
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]。對于線性啁啾光纖布拉格光柵，由以下簡單表達(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差（注意，這個量是由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，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。
展開 ? 跨尺度仿真斷層，精度與效率失衡
? 光柵優(yōu)化與色散分析能力不足
? 雜散光分析與工藝適配不足
? 行業(yè)適配性差且缺乏自主可控能力
03/OAS光學(xué)軟件精準(zhǔn)規(guī)避設(shè)計陷阱
（OAS光學(xué)軟件主界面）
? 跨尺度耦合仿真，平衡三大核心指標(biāo)
OAS軟件集成幾何光學(xué)到波動光學(xué)的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實(shí)現(xiàn)毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
? 精準(zhǔn)色散校正，消除色偏與彩虹效應(yīng)
針對全彩化過程中的色偏、彩虹效應(yīng)，OAS軟件內(nèi)置偏振與色散專項(xiàng)分析模塊，可精準(zhǔn)模擬RGB三色光的傳播特性與色散規(guī)律，生成針對性校正方案。
? 提前規(guī)避隱患，適配國內(nèi)量產(chǎn)工藝
OAS光學(xué)軟件為國產(chǎn)自主研發(fā)，無授權(quán)限制，解決“卡脖子”與成本偏高問題。內(nèi)置海量材料庫與多種波導(dǎo)模板，一鍵生成初始模型，將建模周期大幅縮短。
04/總結(jié)
光波導(dǎo)行業(yè)正處于高速發(fā)展的關(guān)鍵階段，四大核心技術(shù)瓶頸是行業(yè)普及的主要障礙，而傳統(tǒng)光學(xué)軟件在破解這些瓶頸時的諸多困難，更是讓多數(shù)的光學(xué)工程師陷入設(shè)計陷阱。
OAS是一款立足國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈需求，以簡潔、高效、專業(yè)的核心功能，幫助工程師規(guī)避各類隱患的光學(xué)軟件。
展開 在本文章中，我們將展示色散補(bǔ)償方案如何影響系統(tǒng)性能。色散的脈沖展寬效應(yīng)導(dǎo)致相鄰位周期中的信號重疊。這稱為碼間干擾（ISI）。展寬是距離和色散參數(shù)D的函數(shù)。色散參數(shù)以ps/nm/km為單位，隨光纖的變化而變化。它也是波長的函數(shù)。對于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF），在1.55um波長范圍內(nèi)，D值通常大約為17ps/nm/km。對于色散位移光纖（DSF），在同一窗口中的最大值為3.3ps/nm/km。非零色散光纖（NDF）的色散范圍為1～6ps/nm/km或-1～6ps/nm/km。
對于外部調(diào)制光源，受色散限制的傳輸距離為
當(dāng)D=16 ps/（km nm）和2.5 Gbps時，L≈ 500km，而在10gbps比特率下，它下降到30km。色散補(bǔ)償光纖或光纖布拉格光柵等技術(shù)可以用來補(bǔ)償光纖中累積的色散。在下面的例子中，我們將展示三種不同的方案，前補(bǔ)償、后補(bǔ)償和對稱補(bǔ)償，以補(bǔ)償光纖色散。首先我們將使用色散補(bǔ)償光纖（DCF）。然后我們將展示色散補(bǔ)償器的累積色散量如何影響性能。在這種情況下，我們將使用一個理想的色散補(bǔ)償模塊（DCM）作為色散補(bǔ)償器來說明這個想法。
用DCF進(jìn)行前、后、對稱補(bǔ)償
前、后和對稱補(bǔ)償配置如圖1、圖2和圖3所示。在我們的模擬中，我們在每根光纖后面使用了光放大器來補(bǔ)償跨距損耗。SMF的色散參數(shù)為120km長和16ps/nm-km。因此，總累積色散為16×120=1920 ps/nm。這種很大的色散可以通過使用一個24公里長、色散為-80 ps/km nm的DCF來補(bǔ)償。總傳輸距離為120×2=每種情況240公里。在補(bǔ)償后的情況下，DCF放在SMF之后。在對稱補(bǔ)償情況下，光纖的放置順序?yàn)镾MF、DCF、DCF、SMF。
展開 
光柵色散的最新內(nèi)容
A.8 如何在光柵中支持色散（折射率隨波長變化）
如下圖所示，本文提供的示例 .fsp 文件，例如 lswm_2D_hex_cylinder_221210.fsp，其設(shè)計方式是讓用戶能夠精確指定柱體的折射率，并且該折射率不隨波長變化。
不過，用戶也可以對這些 .fsp 文件進(jìn)行修改，使折射率能夠根據(jù)波長自動變化。
? 全彩化難題：光柵色散導(dǎo)致 RGB 三色光耦合效率不均，色偏、彩虹效應(yīng)難以根除。
? 量產(chǎn)良率低：納米級光柵對基底平整度、潔凈度要求極高，大尺寸鏡片良率僅50-70%。
? 成本偏高：高端材料與設(shè)備依賴進(jìn)口，消費(fèi)級 AR 眼鏡價格仍超2000 元，普及受限。
雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創(chuàng)建耦合面，但其優(yōu)勢在于能提供較大的工作帶寬。
通過軟件的數(shù)據(jù)分析功能，可進(jìn)一步獲取各波長光的衍射角、光譜分辨率等性能指標(biāo)，驗(yàn)證結(jié)果與反射光柵的理論色散規(guī)律一致，表明所建立的模型準(zhǔn)確可靠，能夠有效模擬反射光柵的色散功能。
我們將使用一個理想的色散補(bǔ)償光纖光柵作為色散補(bǔ)償模塊（見圖6）。在這種情況下，我們選擇了后補(bǔ)償方案，因?yàn)樗葘ΨQ補(bǔ)償方案簡單。
圖 6: 利用DCM實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償
SMF的總累積色散為16×120=1920 ps/nm。我們將FBG的總色散范圍從-30掃到-3000ps/nm。比特率設(shè)置為10 Gbps。在這個模擬中，我們要研究系統(tǒng)的色散限制性能。
我們將使用一個理想的色散補(bǔ)償光纖光柵作為色散補(bǔ)償模塊（見圖6）。在這種情況下，我們選擇了后補(bǔ)償方案，因?yàn)樗葘ΨQ補(bǔ)償方案簡單。
圖 6: 利用DCM實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償
SMF的總累積色散為16×120=1920 ps/nm。我們將FBG的總色散范圍從-30掃到-3000ps/nm。比特率設(shè)置為10 Gbps。在這個模擬中，我們要研究系統(tǒng)的色散限制性能。
我們將使用一個理想的色散補(bǔ)償光纖光柵作為色散補(bǔ)償模塊（見圖6）。在這種情況下，我們選擇了后補(bǔ)償方案，因?yàn)樗葘ΨQ補(bǔ)償方案簡單。
圖 6: 利用DCM實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償
SMF的總累積色散為16×120=1920 ps/nm。我們將FBG的總色散范圍從-30掃到-3000ps/nm。比特率設(shè)置為10 Gbps。在這個模擬中，我們要研究系統(tǒng)的色散限制性能。
假設(shè)平均模折射率為 1.46，則補(bǔ)償160 ps/nm的累積色散所需的光柵長度為 6 mm。
在本文的計算中，我們使用了長度稍大的1.6 cm的光柵。得到的結(jié)果保存為txt格式，將文件加載到OptiSystem的OptiGrating組件中。
得到的補(bǔ)償結(jié)果如圖6所示。
圖6.經(jīng)過線性啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償后脈沖
我們可以看到，用光纖光柵設(shè)計的色散幾乎可以完全補(bǔ)償。
這種光柵可用于光纖色散補(bǔ)償。
步驟1
首先新建一個項(xiàng)目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
這種光柵可用于光纖色散補(bǔ)償。
步驟1
首先新建一個項(xiàng)目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
