專利名稱：信道化的色散補(bǔ)償模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的領(lǐng)域，更具體地涉及基于光 柵的信道化色散補(bǔ)償模塊(DCM)的形式的光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)通過光鏈路傳輸光信號時，光信號的不同波長成分一般將經(jīng)歷不同 的傳播時間，這是因為傳輸介質(zhì)(諸如光纖)對不同波長具有不同有效折 射率的事實。這種現(xiàn)象被成為色散或色散現(xiàn)象。色散的一個效果是始終具 有某個有限波長寬度的光脈沖將被展寬，因為該脈沖的不同波長成分將以 稍稍不同的群速度通過光鏈路行進(jìn)。由色散引起的光脈沖的這種展寬會導(dǎo) 致接收端在檢測期間難以將毗鄰脈沖彼此分離的情況。尤其對于高調(diào)制速 率的系統(tǒng)，色散成為嚴(yán)重的限制因素。因此，通常需要沿光鏈路和/或在接 收側(cè)使用某些類型的色散補(bǔ)償。
群速度Vg即幅度調(diào)制(信號)在材料中的行進(jìn)速度，由下式給出<formula>formula see original document page 4</formula>
其中c是真空中的光速，n是與波長有關(guān)的有效折射率，以及X是真空 波長。此表達(dá)式的分母被稱為群折射率ng。信號通過長度L的傳播時間t 可寫成t:L(ng/c)。色散被定義為群傳播時間t相對于波長X的變化率，對 傳播長度L均一化。因此，利用上述方程(1)，色散D由下式給出<formula>formula see original document page 4</formula>如果色散為正，則光信號的高頻(短波長)部分相比于低頻部分將更 早到達(dá)接收側(cè)。
如從上述表達(dá)式(2)可以看出，色散隨波長范圍變化。光纖通常具有 色散為零的波長，稱為零色散波長，其意味著接近此波長的兩個波長信道的群速度差別較小。對于具有和之前一樣的光譜間距但離零色散波長更遠(yuǎn) 的兩個其它波長信道，它們的群速度有相當(dāng)大的差別。對于用于光鏈路的 典型的二氧化硅光纖，零色散波長接近1300 nm。然而，此波長處的衰減非 常高，而對于遠(yuǎn)距離通信期望在1550 nm附近工作，其中衰減顯著地更低， 但另一方面色散顯著更高。可通過向光纖添加摻雜劑和/或改變光纖的芯直 徑來改變零色散波長，但這會引入其它問題。
對于任何給定的波長范圍，光纖中的色散斜率可以為正或負(fù)。正色散 斜率表示色散隨波長增大而增加，而負(fù)色散斜率表示色散隨波長增大而減 少。
一般都期望將任何光通信鏈路的總色散效果保持于最小。例如，這可 通過在鏈路中結(jié)合正和負(fù)色散來實現(xiàn)。如果傳輸光纖對于所關(guān)心的波長范 圍具有正色散，則可通過使光信號通過具有負(fù)色散的另外的光纖段來實現(xiàn) 補(bǔ)償，其中補(bǔ)償光纖的長度和色散被選擇成平衡傳輸光纖的色散效果。為 同時補(bǔ)償許多波長信道中的色散，還必須使補(bǔ)償光纖的色散斜率與傳輸光 纖的色散斜率平衡。然而，這種方法的明顯缺點(diǎn)在于需要非常長的補(bǔ)償光 纖，這引起了有關(guān)插入損耗、二階效應(yīng)等的附加問題。
為了減少補(bǔ)償光纖的所需長度，以前已經(jīng)提出了在色散補(bǔ)償模塊中使 用光纖布拉格光柵。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的色散補(bǔ)償模塊(DCM)的一個示例包括長的(~10m) 啁啾光纖布拉格光柵，其中光信號的低頻(長波長)部分接近光柵的輸入 端被反射，而高頻(短波長)部分更接近光柵的相反端被反射。高頻部分 必須跨越光柵行進(jìn)的附加傳播路徑補(bǔ)償由光鏈路中的色散引起的低頻和高 頻部分之間的傳播時間差別。為補(bǔ)償整個C頻帶上的標(biāo)準(zhǔn)SMF-28光纖鏈 路，這樣的光柵必須通常為約5-10m長。然而，由于對光纖布拉格光柵的 高要求，制造這樣的長光柵非常難。
用于制造色散補(bǔ)償模塊的另一方法是使用所謂的信道化裝置，其中色 散僅在WDM信號中使用的實際信道附近而不是信道之間得到補(bǔ)償。上述 信道由ITU (國際電信聯(lián)盟)網(wǎng)格針對S頻帶、C頻帶以及L頻帶中的每 一個指定。通過僅為可能實際存在信號的波長補(bǔ)償色散，可顯著地緩和對光柵長度的要求。例如，通過正確的設(shè)計，對于信道化裝置，可將用于補(bǔ)
償C頻帶中所有信道的光柵總長度減少至約0.1-0.2 m。
制造基于光柵的信道化散射補(bǔ)償模塊的一種直接方法是簡單地在光纖 的同一長度中為所有各個信道疊加光柵。理論上，該方法基于所有光柵光 譜獨(dú)立、而且光輻射僅與所有疊加光柵中正確的一個相互作用的事實。然 而，當(dāng)疊加了大量光柵時，光纖中對折射率的可用調(diào)制深度將變得飽和。
可以看出，對于布拉格頻率間距相等的N個疊加光柵，所有光柵的調(diào)制包
絡(luò)將成形為類似脈沖序列的形狀——調(diào)制包絡(luò)將在沿光柵的窄、規(guī)則地隔 開的區(qū)域中呈現(xiàn)大值且在它們之間呈現(xiàn)零，其中包絡(luò)的峰值振幅是單個光
柵的峰值振幅的N倍。因此對于任何實際裝置，可在光纖的同一長度中疊
加的光柵數(shù)量有限，因為折射率調(diào)制的飽和最終將導(dǎo)致折射率變得沿光纖 或多或少恒定的情況。換言之，因為光纖中的可用調(diào)制深度有限，所以最 終將在光纖中"到處"引起高達(dá)可用調(diào)制深度(即調(diào)制變得嚴(yán)重地飽和)的 折射率變化。
信道化光柵還可通過制造所謂的取樣光柵來實現(xiàn)。最終光柵面形類似 于根據(jù)以上通過疊加各個光柵所獲得的總包絡(luò)，但取樣光柵是通過直接確 定光柵振幅來獲得，而不是通過疊加子光柵來逐漸地建立面形。眾所周知， 根據(jù)傅立葉數(shù)學(xué)，任何函數(shù)的周期性調(diào)制均會在譜域中產(chǎn)生等距的邊頻帶， 其中邊頻帶的光譜間距與空間調(diào)制周期成反比。因此，取樣光柵中的被反 射信道可被認(rèn)為是由基本光柵的周期性調(diào)制引起的邊頻帶。然而，這后一 種方法也受光纖的可用折射率調(diào)制深度限制。
因此，對于疊加各個光柵的方法和取樣光柵來產(chǎn)生邊頻帶的方法，在 寫入光柵的過程期間光纖中光敏性的飽和將會限制可用調(diào)制深度。因此可
在信道化的疊加光柵中獲得的最大振幅比連續(xù)色散補(bǔ)償光柵中低N倍。因 此，光柵的反射減少，而裝置的插入損耗相應(yīng)地增加。光敏光纖中的非線 性響應(yīng)會引入附加的降級。
根據(jù)以上的所有現(xiàn)有技術(shù)方法有各種缺點(diǎn)。因此，已經(jīng)試圖設(shè)計用于 色散補(bǔ)償?shù)钠渌愋偷男诺阑鈻拧：瘮?shù)的光譜邊頻帶不僅可通過周期性
振幅調(diào)制方法產(chǎn)生，而且可通過周期性相位調(diào)制或通過二者相結(jié)合來產(chǎn)生。US-A-6,707,967公開了通過相位取樣調(diào)制方案產(chǎn)生的信道化光柵。取 樣光柵的各個周期被分成多個子區(qū)間。在這些子區(qū)間中的每一個中，相位 呈現(xiàn)恒定值，而且相位cp受限于Ns個允許值的有限集，其中(p={27tk/Ns,k =0, 1 ,…，Ns-U。通過運(yùn)用優(yōu)化可用相位空間中的裝置性能的模擬退火算法 來選擇最終設(shè)計參數(shù)。結(jié)果證明相位調(diào)制方案比振幅調(diào)制方案更有效，因 為N信道光柵中的最大振幅與相應(yīng)的單信道光柵中的最大振幅之間的比例 遠(yuǎn)小于N。這是因為與振幅調(diào)制方案對比，振幅在光柵中到處都非零，因 而光柵的所有部分均參與與進(jìn)入光輻射——至少對某些頻率——的相互作 用的事實。
然而，根據(jù)US-A-6，707,967的相位取樣技術(shù)具有某些限制。因為可用 相位空間是離散的，而且因為模擬退火算法具有有限轉(zhuǎn)換率，所以將不會 達(dá)到總體最優(yōu)。最多將獲得局部最優(yōu)。因此群延遲紋波方面的質(zhì)量因數(shù)、 ITU格點(diǎn)窗口內(nèi)的插入損耗變化、ITU格點(diǎn)窗口之間的插入損耗變化、各 個ITU格點(diǎn)周圍的光譜寬度是次優(yōu)的。而且，當(dāng)實現(xiàn)所需的離散相位跳變 時，尤其是使用相位屏蔽時，該技術(shù)引起問題。即使使用完美的相位掩模， 也會存在在光柵制造期間由纖芯與相位掩模之間的距離引入的像差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供實現(xiàn)用于色散補(bǔ)償?shù)男诺阑鈻诺男?穎方案。
根據(jù)本發(fā)明，提出了使用具有連續(xù)相位函數(shù)的新穎相位調(diào)制方案。該 函數(shù)的形狀僅取決于幾個自由參數(shù)，因此在優(yōu)化過程中的自由度比上述相 位取樣技術(shù)中低得多。根據(jù)本發(fā)明的方法避免了使用模擬退火算法；可根 據(jù)物理原理估算參數(shù)的近似值，而且可通過簡單的反復(fù)試驗來精細(xì)調(diào)節(jié)。
在以下描述中，將按照布拉格頻率，即與光柵明紋共振的光頻率來說 明光柵結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，布拉格頻率剛好是相位的恒定次導(dǎo)數(shù)。 而且，如本領(lǐng)域內(nèi)一般所知，光柵的啁啾被定義為布拉格頻率隨位置的變 化率。
根據(jù)本發(fā)明用于預(yù)定波長頻帶內(nèi)的信道的色散補(bǔ)償?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)具有被/脅,(z) = AOo) + l ' 0 _ z0) + l 0 - z。) 一 & A
+ 0.5
(4)
分成周期的布拉格頻率面形，其中各個周期內(nèi)的布拉格頻率在較低布拉格 頻率與較高布拉格頻率之間變化，所述各個周期的較低和較高布拉格頻率
均對應(yīng)于所述預(yù)定波長頻帶之外的波長。
該光柵結(jié)構(gòu)的布拉格頻率面形可有利地被看作對應(yīng)于啁啾背景光柵的 背景項與具有對應(yīng)于添加的額外啁啾的單調(diào)變化且在每個周期之后重置的
布拉格頻率的調(diào)制項的總和。更具體地，作為光柵結(jié)構(gòu)中的位置的函數(shù)的 背景光柵的布拉格頻率fe(z)例如可表示為
入0)=厶0。) + ;^'0 —z。) (3)
其中Z是光柵結(jié)構(gòu)中的縱向位置，Zo是光柵中心中的參考位置，fB(z0)
是參考位置處的布拉格頻率，以及Xb是背景光柵的啁啾率?，F(xiàn)在通過用額
外添加的啁啾補(bǔ)充如表達(dá)式(3)所示的背景光柵獲得信道化的光柵結(jié)構(gòu)，
從而獲得根據(jù)下式的總啁啾的周期性布拉格頻率fBt。t:
.八
其中Xe是額外的啁啾率，八是取樣周期，而U是所謂的地板函數(shù)，即^」 是小于或等于X的最大整數(shù)。因此，在整個光柵結(jié)構(gòu)中，存在作為光柵中
的位置的函數(shù)的良好定義的布拉格頻率。包含地板函數(shù)的最后一項目的在
于在各個周期之后重置布拉格頻率，以使各個周期內(nèi)的總布拉格頻率從較
低布拉格頻率跨越至較高布拉格頻率，其中較低和較高布拉格頻率均對應(yīng)
于尋求色散補(bǔ)償?shù)牟ㄩL頻帶之外的波長。
已知本質(zhì)上光柵的間距即光柵明紋之間的物理距離可根據(jù)布拉格頻率
求值
A:2."""0 (5)
/s
其中co是真空中的光速，n是光模的有效折射率，以及X是輻射的波 長。可以看出，有效折射率的色散對來自信道化光柵的光譜響應(yīng)的影響幾 乎可以忽略，而且在多數(shù)實際情況下，表達(dá)式(5)可近似成
其中Xo是信道化裝置工作的波長頻帶的中心處的波長。 因此光柵結(jié)構(gòu)中作為位置的函數(shù)的明紋的相位可寫成,=}^=}^/^ (7)
因此可以看出本發(fā)明的方案采用了連續(xù)相位函數(shù)用于確定信道化裝置 的光柵結(jié)構(gòu)。
換言之，根據(jù)本發(fā)明，用于色散補(bǔ)償?shù)娜庸鈻趴杀豢醋骶哂斜徽{(diào)制
以產(chǎn)生邊頻帶的啁啾背景光柵。邊頻帶通常被建立以使它們對應(yīng)于WDM
系統(tǒng)的ITU網(wǎng)格。背景光柵的調(diào)制通過連續(xù)相位調(diào)制來實現(xiàn)，其中背景光
柵被分成周期，而且其中背景光柵的啁啾被額外的啁啾補(bǔ)充，以使各個周 期具有從低于感興趣的波長頻帶的布拉格頻率到高于感興趣的波長頻帶的
布拉格頻率范圍內(nèi)的布拉格頻率。以此方式，感興趣的波長頻帶內(nèi)的各個 信道將對應(yīng)于各個周期中至少某些位置處的布拉格頻率。
值得注意的是，本發(fā)明的方案不涉及任何光柵的疊加。相反，所提到 的背景光柵用作計算要寫入光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的最終光柵結(jié)構(gòu)面形的起始點(diǎn)。最 終光柵結(jié)構(gòu)的布拉格頻率面形通過向背景光柵添加額外的啁啾并在各個周 期之后重置從額外啁啾得到的添加的布拉格頻率來計算，而最終光柵結(jié)構(gòu) 通過本身已知的技術(shù)被直接寫入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。例如，可利用在I.Petermann等 人的"通過使用連續(xù)波紫外激光源連續(xù)寫入的高級光纖布拉格光柵的制造 (Fabrication of advanced fibre Bragg gratings by use of sequential writing with a continuous-wave ultraviolet laser sourc) " (Appl. Opt. 41 , 1051-1056 (2002))中公開的技術(shù)將光柵結(jié)構(gòu)寫入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選寫入光纖的纖芯。
附圖簡述
在以下詳細(xì)描述中將參考附圖，其中


圖1示意性地示出了對于示例性的取樣IO周期光柵，布拉格頻率與沿
本發(fā)明光柵結(jié)構(gòu)的位置的函數(shù)關(guān)系；
圖2示意性地示出了示例性的取樣IO周期光柵的切趾函數(shù)；
圖3示意性地示出了對于具有準(zhǔn)周期調(diào)制的示例性的取樣10周期光
柵，布拉格頻率與沿本發(fā)明光柵結(jié)構(gòu)的位置的函數(shù)關(guān)系； 圖4示意性地示出了背景光柵對于不同布拉格頻率的最優(yōu)切趾分布； 圖5示意性地示出了沿根據(jù)本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)的折射率變化；圖6示意性地示出了沿根據(jù)本發(fā)明的具有準(zhǔn)周期調(diào)制的光柵結(jié)構(gòu)的折 射率變化；
圖7示意性地示出了包括三端口光環(huán)行器的色散補(bǔ)償裝置。 應(yīng)當(dāng)理解在附圖中給出的示例僅僅用于說明目的。例如，根據(jù)本發(fā)明 的任何取樣信道化光柵結(jié)構(gòu)通常會針對顯著多于10的周期數(shù)量來設(shè)計。還 應(yīng)當(dāng)注意的是，布拉格頻率和沿光柵結(jié)構(gòu)的位置僅僅以相對項示出，而且 圖中所示的所有值一般被放大。
詳細(xì)描述
根據(jù)本發(fā)明的用于色散補(bǔ)償?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)基于背景面形(背景光柵)的 調(diào)制，其中背景面形通常是針對感興趣的波長頻帶內(nèi)的中心信道而標(biāo)準(zhǔn)設(shè)
計的單信道光柵。背景面形的布拉格頻率隨著沿光柵的位置逐漸地變化。 布拉格頻率的變化率被稱為光柵的啁啾，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知。
背景面形的振幅(即其振幅調(diào)制)優(yōu)選切趾，其意思是調(diào)制振幅在光 柵的起點(diǎn)處逐漸增大，而在光柵的終點(diǎn)處逐漸減小，以減小譜域中的紋波。 這種類型的切趾本身在本領(lǐng)域中公知，從而不需要在此詳細(xì)描述。
根據(jù)本發(fā)明，額外的啁啾被添加至背景光柵，即添加至限定被用作計 算信道化光柵的起始點(diǎn)的單信道光柵的啁啾。然而，因為調(diào)制不會是周期 性的，所以由額外的啁啾引起的布拉格頻率的增量被周期性地重置。實際 上，作為沿寫入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)的位置的函數(shù)的布拉格頻率 面形將會具有傾斜鋸齒面形，其中背景光柵為鋸齒面形提供總斜率，而且
各個周期中的額外啁啾從下限變化至上限。
因此額外添加的啁啾導(dǎo)致光柵結(jié)構(gòu)具有被分成周期的布拉格頻率面 形，其中各個周期內(nèi)的布拉格頻率優(yōu)選以線性方式在較低布拉格頻率與較 高布拉格頻率之間變化，所以各個周期的所述較低和較高布拉格頻率均對 應(yīng)于所關(guān)心的波長頻帶之外的波長以便色散補(bǔ)償。
當(dāng)設(shè)計和制造根據(jù)本發(fā)明的色散補(bǔ)償模塊時，首先確定適合于預(yù)定波 長頻帶內(nèi)的一個信道的色散補(bǔ)償?shù)谋尘懊嫘?。對此背景面形，添加額外的 啁啾，以獲得聚集光柵面形。此聚集光柵面形被分成周期，而且此聚集光柵面形的布拉格頻率在各個周期之后被重置，以使各個周期內(nèi)的布拉格頻 率優(yōu)選以線性方式在較低布拉格頻率與較高布拉格頻率之間變化，各個周 期的所述較低和較高布拉格頻率均對應(yīng)于所關(guān)心的波長頻帶之外的波長以 便色散補(bǔ)償。然后將這樣獲得的聚集光柵面形寫入諸如光纖之類的光敏波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。
寫入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的所得光柵結(jié)構(gòu)在圖1中按照布拉格頻率示出。作為 簡化和說明性示例，圖1示出具有IO周期的光柵結(jié)構(gòu)。圖1中的虛線對應(yīng) 于背景面形的布拉格頻率。應(yīng)當(dāng)注意的是，背景面形本身未被寫入波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)中，而僅作為用于計算最終光柵結(jié)構(gòu)的合適的起始點(diǎn)。在此情況下，背 景面形對應(yīng)于用于所關(guān)心的波長頻帶內(nèi)的中心信道的色散補(bǔ)償?shù)倪惫?柵。
在各個周期中，背景面形的啁啾被添加的額外啁啾補(bǔ)充。由添加的額 外啁啾引起的布拉格頻率的增大在每個周期之后被重置，因此各個周期的 較低布拉格頻率和較高布拉格頻率對應(yīng)于光柵結(jié)構(gòu)為其設(shè)計的預(yù)定波長頻 帶之外的波長。因此，預(yù)定波長頻帶內(nèi)的各個信道將至少在沿光柵結(jié)構(gòu)的 各個周期內(nèi)的啁啾的某些位置對應(yīng)于布拉格頻率。
因此添加至背景面形的額外啁啾和各個周期之后對布拉格頻率的重置 構(gòu)成了背景面形的相位調(diào)制，從而導(dǎo)致邊頻帶的建立。如以上介紹中提到，
邊頻帶之間的光譜間距與空間調(diào)制周期成反比。因此，ITU信道充填越接 近，調(diào)制(取樣)周期就應(yīng)當(dāng)越長。
可通過不僅切趾取樣光柵的質(zhì)量因數(shù)，而且切趾各個周期內(nèi)的折射率 分布來進(jìn)一步改善取樣光柵的質(zhì)量因數(shù)。因為本發(fā)明提供了其中沿光柵結(jié) 構(gòu)的每個位置均有良好限定的相應(yīng)波長的方案，所以有可能應(yīng)用周期性切 趾。這在現(xiàn)有技術(shù)方法中是不可能的。周期性切趾應(yīng)當(dāng)與相位函數(shù)即布拉 格頻率的周期相同。對于不同信道，為了減小反射的變化，優(yōu)選應(yīng)當(dāng)以針 對背景光柵相同的方式逐步接通和切斷各個周期上的振幅。如果不存在調(diào) 制的切趾，則最低和最高頻率信道的反射——從而插入損耗——會波動。
而且，所關(guān)心的波長頻帶內(nèi)中央信道比頻帶末端處的信道反射更高。 這可通過也在各個周期內(nèi)引入切趾來補(bǔ)償。這樣的切趾優(yōu)選是二階切趾。通過以此方式降低中心頻率處的光柵振幅，可獲得對所有信道基本相等的 反射。
圖2示出圖1的IO周期光柵結(jié)構(gòu)的示例性切趾分布。圖2中的虛線對 應(yīng)于背景光柵的切趾函數(shù)。然而，本發(fā)明提供了引入周期性切趾的可能性， 其中各個周期中的折射率分布也類似地被切趾。因此，圖2的實線示出了 對圖1的取樣信道化光柵結(jié)構(gòu)的實際切趾。如從圖2可見，各個周期內(nèi)的
振幅調(diào)制在各個周期的終點(diǎn)被逐步接通和切斷。而且，也如圖2中所見，
可給予各個周期的中央部分——即對應(yīng)于所關(guān)心的波長頻帶內(nèi)的中心信
道——二階切趾。在圖2中，這被示為各個周期的中心部分中的稍稍降低
的調(diào)制振幅。如上所述，此二階切趾具有使所有信道的總體反射均衡的效 果。
再者，應(yīng)當(dāng)注意的是，背景光柵和取樣周期兩者都具有隨位置逐漸增 大的布拉格頻率。這意味著可將切趾函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)分布應(yīng)用于總切趾包絡(luò)和
周期切趾。與USA-6,707,967中公開的現(xiàn)有技術(shù)相位調(diào)制方案相比，這是 顯著的優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)方案中，取樣周期中任一給定點(diǎn)不與任何特定的 光學(xué)頻率相關(guān)聯(lián)，而且為了找出適當(dāng)?shù)那兄悍植?，需要非常?fù)雜的振幅取 樣調(diào)制方案。反之，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，取樣光柵中的每個點(diǎn)與良好 定義的光學(xué)頻率相關(guān)聯(lián)，這使得根據(jù)以上運(yùn)用切趾簡單。
當(dāng)根據(jù)以上確定的光柵面形被寫入諸如光纖之類的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中時，有 可能提供信道化的色散補(bǔ)償模塊(DCM)，其中通過周期性調(diào)制形成的邊 頻帶位于ITU網(wǎng)格的格點(diǎn)處。然而，因為所有的邊頻帶或多或少等價，所 以在取樣光柵上，以ps/GHz為單位的色散補(bǔ)償近似恒定。為了解決色散在 信道之間變化的情況，能夠?qū)鈻盘砑由⑿甭蕰泻锰?。為實現(xiàn)這樣做， 此處提出使用準(zhǔn)周期調(diào)制函數(shù)而不是完全周期函數(shù)，因此邊頻帶之間的對 稱性被打破。
這樣的準(zhǔn)周期性調(diào)制通過改變沿光柵的取樣周期來引入。各個周期上 的布拉格頻率的總體增量(即，額外添加的啁啾)仍與之前一樣，即通常 至少跨越感興趣的波長頻帶。在圖3中示出了示例性光柵結(jié)構(gòu)，其中看出 取樣周期沿光柵結(jié)構(gòu)減小。然而，在取樣光柵結(jié)構(gòu)的各個周期內(nèi)，布拉格
12頻率仍橫跨整個波長頻帶。圖3示出類似于圖1的情況，但現(xiàn)在使用所提 出的準(zhǔn)周期取樣周期。
當(dāng)采用了根據(jù)以上的準(zhǔn)周期調(diào)制時，結(jié)果證明線性斜率被添加至作為 信道號(波長)的函數(shù)的反射。不過，通過操縱各個取樣周期中描述切趾 函數(shù)的函數(shù)(二階多項式)中的線性項可消除此斜率。
此外，準(zhǔn)周期調(diào)制使不同波長信道周圍的頻率窗口隨信道號變化。這 可通過引入對背景光柵的頻率相關(guān)切趾來解決。為示出這如何實現(xiàn)，參考 圖4。假定對于波長頻帶中的最低頻率，背景光柵的最有利切趾分布遵循圖 6中的實線，而對于波長頻帶中的最高頻率，最有利切趾分布遵循虛線。應(yīng) 當(dāng)理解的是，最低和最高頻率之間的所有中間頻率的相應(yīng)曲線形成相似曲 線的匯集，其中布拉格頻率是決定相應(yīng)曲線的參數(shù)?，F(xiàn)在，為確定背景光
柵中任何位置處的切趾因子，可比較匯集中對應(yīng)于該位置處的同一布拉格 頻率的曲線，并取該匯集中的此曲線在該位置的函數(shù)值。換言之，在光柵 中任何位置處的適當(dāng)切趾因子是與該光柵位置的光柵布拉格頻率相同的布 拉格頻率相關(guān)聯(lián)的匯集中的曲線在相關(guān)光柵位置處的函數(shù)值。應(yīng)當(dāng)理解的 是，以此方式確定的背景光柵的切趾對應(yīng)于圖2中由虛線表示的總切趾包 絡(luò)。
為進(jìn)一步改善根據(jù)本發(fā)明的裝置的性能，還提出使用不對稱切趾。結(jié) 果證明結(jié)合本發(fā)明使用的本發(fā)明的調(diào)制方案打破了低頻與高頻成分之間的 對稱性；如果將反射和群延遲紋波繪制成信道頻率的函數(shù)，則這些曲線圍 繞載波頻率并不完美對稱。這意味著，例如，低頻側(cè)的紋波可能更大且需 要更強(qiáng)的濾波，從而比高頻側(cè)的切趾分布更平滑。找出能得到反射光譜的 高頻與低頻側(cè)上的側(cè)面的紋波和陡度之間的最優(yōu)折衷的對稱切趾分布是不 可能的。
在具有負(fù)色散的裝置中，各個信道周圍的光譜響應(yīng)的低頻側(cè)對應(yīng)于調(diào) 制背景光柵的起始端，而高頻側(cè)對應(yīng)于其末端。根據(jù)上述的不對稱切趾意 味著背景光柵切趾包絡(luò)在光柵的兩端處不同。通常，背景光柵包絡(luò)在起始 端的逐步增大比在末端的逐步減小更慢——這意味著更強(qiáng)的濾波。
理解本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)的實際折射率調(diào)制是怎樣的也是有用的。為此，參考附圖中的圖5和圖6。在圖5中，示意性地示出了對具有恒定取樣周期
A的取樣光柵的折射率調(diào)制。在圖5中僅示出了 5個周期，但應(yīng)當(dāng)理解的
是，對于本發(fā)明方案的實際實現(xiàn)可使用顯著更多數(shù)量的周期。折射率調(diào)制 基本上包括連續(xù)系列的啁啾光柵周期，其中各個周期具有在啁啾中對應(yīng)于 所關(guān)心的波長頻帶內(nèi)的所有波長的布拉格頻率。因此，本發(fā)明不涉及信道 專用光柵的簡單級聯(lián)，而是涉及真正的相位調(diào)制，其中所有周期影響波長 頻帶內(nèi)的所有信道。然而，根據(jù)本發(fā)明的取樣方案在遍及光柵結(jié)構(gòu)的各個 位置提供良好限定的布拉格頻率。
圖6示出了與圖5相似的光柵結(jié)構(gòu)，但針對利用根據(jù)上述的準(zhǔn)周期性 取樣的實現(xiàn)。取樣周期An現(xiàn)在沿光柵結(jié)構(gòu)連續(xù)減小，因此A!〈A2〈八3〈 A4<A5。
為進(jìn)一步改善根據(jù)本發(fā)明的裝置的性能，還提出在光柵的兩端處使用 啁啾減少。通常，被調(diào)制的背景光柵面形具有在整個光柵上幾乎線性增大 的布拉格頻率。為減少各個信道周圍的允許光譜窗口的邊緣處的紋波，背 景光柵振幅包絡(luò)被如上所述地切趾。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管名義上在 這些區(qū)域中被反射的光譜成分在裝置感興趣的光譜區(qū)域之外的事實，但頻 率仍在光柵的兩端處啁啾。
在此情況下，應(yīng)當(dāng)注意的是，啁啾光柵的切趾與非啁啾光柵的切趾相 比具有某些復(fù)雜性。如果啁啾大——通常是針對具有小色散的信道化色散 補(bǔ)償模塊的情況，則切趾側(cè)包括大范圍的光譜成分，即使這些側(cè)相當(dāng)短。
輻射以與沒有切趾情況下非啁啾光柵中相似的方式被反射許多光譜成分
在短距離上被反射，即寬頻帶型反射。這種相似性表明切趾側(cè)中的布拉格 頻率中的大斜率是各個信道周圍的光譜窗口的邊緣處的紋波的主要起源。 因此提出，通過在背景光柵面形的兩端處逐步切斷啁啾，可減少信道化色 散補(bǔ)償模塊的光譜響應(yīng)中的變化。換言之，背景光柵的啁啾在接近所述背 景光柵的中心處呈現(xiàn)其最大值，且向所述背景光柵的邊緣逐漸減小。為避 免在具有低啁啾的光柵的區(qū)域中的強(qiáng)窄帶反射，優(yōu)選的是使振幅切趾和布
拉格頻率函數(shù)同步；振幅包絡(luò)應(yīng)當(dāng)優(yōu)選在啁啾小的區(qū)域中呈現(xiàn)小值。
在本發(fā)明的實際實現(xiàn)中，設(shè)計了以基于光柵的信道化色散補(bǔ)償模塊
14(DCM)形式的光學(xué)裝置，用于補(bǔ)償由80 km長的標(biāo)準(zhǔn)SMF 28光纖鏈路 引起的色散。根據(jù)本發(fā)明的此實現(xiàn)的信道化DCM是95 mm長，而且被設(shè) 計成覆蓋C帶中具有100 GHz間距的50個ITU信道。背景面形的啁啾是 951 MHz/mm。背景面形在兩端均被切趾，在該處光柵的振幅在12 mm的 距離上從零增大至最終值。取樣周期一般取決于其中寫入了該光柵結(jié)構(gòu)的 光敏性光纖的精確群折射率，但對此實現(xiàn)估算為1.015 mm。附加添加的額 外啁啾是ll THz/mm。光柵中的中央取樣周期的中心處的布拉格頻率被設(shè) 置為194 THz，這大致對應(yīng)于C頻帶的中心。這意味著一個取樣周期上的 布拉格頻率通常從188.5 THz (正好在C頻帶之下)到199.5 THz (正好在 C頻帶之上)變化。各個取樣周期也被切趾光柵的振幅在200 pm上從零 增大至其最大值；此外，使用了二階多項式切趾，因此取樣周期的低頻部 分中的振幅比高頻部分中的振幅低約10%，而且中心中的振幅比高頻部分 中的振幅低約20%。取樣周期每個周期減少約36ppm，這意味著取樣周期 在光柵結(jié)構(gòu)的末端比光柵結(jié)構(gòu)的起始端短約0.35%。附加的額外添加的啁 啾在每個周期增加相同量，因此在一個周期上由附加啁啾引起的布拉格頻 率增量在整個光柵結(jié)構(gòu)中是恒定的。
雖然通過主要參考光纖給出了以上描述，但應(yīng)當(dāng)清楚的是，本發(fā)明的 概念也可在諸如平面或掩埋波導(dǎo)之類的其它類型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。 一般 而言，本發(fā)明不限于任何特定類型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于其實現(xiàn)。
如容易理解地，根據(jù)本發(fā)明的用于色散補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)裝置即色散補(bǔ)償模 塊將包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和如本文中公開地在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中形成的光柵結(jié)構(gòu)。 該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)選為光纖。
圖7示意性地示出了可如何實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的色散補(bǔ)償模塊。在圖7 中，示出了裝置50，其中包含光柵結(jié)構(gòu)20的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)IO耦合至三端口光 環(huán)行器30。展寬的光脈沖P ^A通過光環(huán)行器30的第一端口入射。入射脈 沖然后被引導(dǎo)至環(huán)行器的第二端口，并通過用于提供色散補(bǔ)償?shù)谋景l(fā)明的 光柵結(jié)構(gòu)。從光柵結(jié)構(gòu)20反射的經(jīng)過色散補(bǔ)償(經(jīng)壓縮的)的脈沖最終被 引導(dǎo)至環(huán)行器的第三端口并輸出以供后續(xù)處理。結(jié)論
已經(jīng)公開了一種用于制造用于色散補(bǔ)償?shù)娜有诺阑鈻沤Y(jié)構(gòu)的改進(jìn) 和發(fā)明方案。用于預(yù)定波長頻帶內(nèi)的信道的色散補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)裝置包括波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)和在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中形成的光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)具有被分成 周期的布拉格頻率面形，其中各個周期內(nèi)的布拉格頻率在較低布拉格頻率 與較高布拉格頻率之間變化，所述各個周期的較低和較高布拉格頻率均對 應(yīng)于所述預(yù)定波長頻帶之外的波長。因此，根據(jù)本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)基于避 免疊加各個光柵和振幅調(diào)制的方案，從而實際上消除了與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中折射 率調(diào)制的飽和有關(guān)的問題。此外，因為本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)的每個位置具有 良好限定的布拉格頻率，所以可運(yùn)用有效的切趾方法以改善光性能。
權(quán)利要求
1.一種用于預(yù)定波長頻帶內(nèi)的信道的色散補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)裝置，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；以及在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中形成的光柵結(jié)構(gòu)；其特征在于所述光柵結(jié)構(gòu)具有被分成連續(xù)周期的布拉格頻率面形，其中各個周期內(nèi)的所述布拉格頻率在較低布拉格頻率與較高布拉格頻率之間變化，所述各個周期的較低和較高布拉格頻率均對應(yīng)于所述預(yù)定波長頻帶之外的波長。
2. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述光柵結(jié)構(gòu)的布拉格 頻率面形是背景項與具有在每個周期之后重置的單調(diào)變化的布拉格頻率的調(diào) 制項的總和，所述背景項對應(yīng)于啁啾背景光柵，而所述調(diào)制項對應(yīng)于添加的額 外啁啾。
3. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述背景項對應(yīng)于為所 述波長頻帶內(nèi)的一個信道的色散補(bǔ)償而設(shè)計的啁啾光柵。
4. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的光學(xué)裝置，其特征在于，各個周期 內(nèi)的所述布拉格頻率在所述較低布拉格頻率與所述較高布拉格頻率之間線性 地變化。
5. 如權(quán)利要求2-4中的任一項所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述背景光 柵的啁啾在接近所述背景光柵的中心處呈現(xiàn)其最大值，且向所述背景光柵的邊 緣逐漸減小。
6. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述周期 具有沿所述光柵結(jié)構(gòu)逐漸變化的長度。
7. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的光學(xué)裝置，其特征在于，在各個周 期中具有切趾的折射率調(diào)制。
8. 如權(quán)利要求7所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述切趾涉及二階切趾， 所述二階切趾為所述預(yù)定波長頻帶的中心處的信道提供的反射相比于所述波 長頻帶的邊緣處的信道更低。
9. 如權(quán)利要求2-8中的任一項所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述啁啾背景光柵被不對稱地切趾，以使所述切趾包絡(luò)在所述背景光柵的兩邊不同。
10. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)是光纖。
11. 如權(quán)利要求10所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述光柵結(jié)構(gòu)被寫入 所述光纖的芯中。
12. —種制造色散補(bǔ)償模塊的方法，包括以下步驟 確定適用于預(yù)定波長頻帶內(nèi)的一個信道的色散補(bǔ)償?shù)谋尘懊嫘危?向所述背景面形添加額外的啁啾以獲得聚集光柵面形， 將所述聚集光柵面形分成周期；以及在各個周期之后改變所述聚集光柵面形的布拉格頻率，以使各個周期內(nèi)的 布拉格頻率在較低布拉格頻率與較高布拉格頻率之間變化，所述各個周期的較 低和較高布拉格頻率均對應(yīng)于所述預(yù)定波長頻帶之外的波長；以及將所得的聚集光柵面形寫入光敏波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所得光柵面形被寫入光纖中。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所得光柵面形被寫入所述 光纖的芯中。
15. —種補(bǔ)償光信號中的色散的方法，包括在如權(quán)利要求1-11中的任一項 所述的光學(xué)裝置中反射所述光信號的步驟。
全文摘要
公開了一種用于預(yù)定波長頻帶內(nèi)的信道的色散補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)裝置，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；以及在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中形成的光柵結(jié)構(gòu)；其特征在于，所述光柵結(jié)構(gòu)具有被分成連續(xù)周期的布拉格頻率面形，其中各個周期內(nèi)的布拉格頻率在較低布拉格頻率與較高布拉格頻率之間變化，所述各個周期的較低和較高布拉格頻率均對應(yīng)于所述預(yù)定波長頻帶之外的波長。
文檔編號H04B10/2513GK101636673SQ200880005227
公開日2010年1月27日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月20日
發(fā)明者B·薩爾格瑞恩, S·赫爾弗里德 申請人:普羅克斯米奧恩光纖系統(tǒng)股份公司