利用高雙折射均勻光纖光柵補償偏振模色散的方法和結構的製作方法

2024-01-26 14:41:15

專利名稱：利用高雙折射均勻光纖光柵補償偏振模色散的方法和結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償光纖偏振模色散(PMD，Polarization Mode Dispersion)的方法和結構及其製備；主要用於在高速光纖通信系統中由於光纖不對稱性所導致的光纖PMD補償；屬於光纖通信技術領域。
背景技術：
由於人們對信息量的需求日益增加，大容量、長距離傳輸永遠是光纖通信技術追求的目標，從10Gb/s到40Gb/s，尤其是40Gb/s以上，原來不為人所重視的光纖PMD逐漸成為制約光纖通信系統升級和發展的主要障礙。所以自上個世紀九十年代以來PMD補償技術受到了國內外研究人員的廣泛關注。
PMD補償技術可以簡單分為兩類電域PMD補償、光域PMD補償。光域PMD補償具有無需光電光轉換、信號格式透明、帶寬大，不受電子瓶頸限制等優點，也是有望解決40Gbit/s以上高速光通信系統的PMD補償方案之一。其補償機理是通過在傳輸線路的接收端附加一與光纖線路PMD矢量大小相等但方向相反的補償單元，從而使在信號輸入端至信號接收端整個線路的PMD為零，其基本原理如圖1所示。
由於PMD特性與損耗、色散等光纖其它特性不同，它是一個隨機可變量，一般一個PMD補償器包含四個部分偏振控制器；可變時延線；反饋信號探測單元和控制單元，如圖2所示。偏振控制器的作用是改變信號輸入到可變時延線的偏振態，或者理解為改變PMD補償器的PMD矢量，使其與線路中的PMD矢量方向相反。可變時延線用於改變時延大小，即改變補償器的PMD矢量的模，使其與線路中的PMD大小相等。反饋信號探測單元是描述PMD補償程度的量，而控制單元則由控制算法(軟體部分)和控制電路(硬體部分)兩部分組成，用於根據線路PMD的變化使PMD補償器做出實時的調節。PMD補償器的關鍵之一是可變時延線。一個補償性能好，響應時間快的補償器對時延線的基本要求是具有大的時延調節範圍，具有快速的響應時間，插入損耗小和結構簡單緊湊等。
目前PMD補償器中補償單元的可變時延線一般有以下幾種a，保偏光纖；b，光學器件；c，雙折射LiNbO3波導結構；d，高雙折射非線性啁啾光纖光柵等。保偏光纖一般採用溫度調節差分群時延(DGD，Differential Group Delay)，響應速度相對比較慢，調節範圍比較小，可操作性低。光學器件是採用偏振分束器，改變自由空間光程差從而改變時延，這種結構相對比較複雜。其中，光纖光柵具有全光纖結構，靈巧緊湊，DGD可大範圍連續可調等優點，近年來引起研究者的關注。雙折射光纖對不同輸入偏振態具有不同的時延差，而光柵非線性啁啾使該光柵DGD具有可調節性。Lee，S等人(Photonics Technology Letters光子技術快報，1999年10月，11卷10期，1277-1279頁)首次提出採用雙折射非線性啁啾光纖光柵進行PMD補償的方法。後來他們小組Pan Z，Xie Y，Lee S等人又對連接結構進行了優化(2000年OFC會議，第3卷113-115頁)。雙折射非線性啁啾光纖光柵可以利用非線性啁啾掩模板紫外寫入到雙折射光敏光纖上，或者利用線性啁啾掩模板通過控制對雙折射光敏光纖的紫外曝光時間產生非線性啁啾。然而這些方法或者需要昂貴的非線性啁啾掩模板，或者需精確控制的曝光時間，製作技術重複性差，從而產品率相當低。而且，不同DGD可調範圍需要不同的相位掩模板，更是增加了產品的成本。基於此，Xu Kun等人(Opt.Comm.光通信，2002年，202期297-302頁)提出了一種基於取樣光纖光柵結構的可調PMD補償器，取樣光柵可以利用均勻相位掩模板製作，但取樣光纖光柵製作難度比較大，重複性較差。隨後，Xia Zhang等人(Opt.Comm.光通信，2002年，214期123-127頁)發表了一種線性啁啾光纖光柵型可調PMD補償器設計方案，採用對光柵施加側向應力的方法，產生應力雙折射，從而調節光纖光柵DGD，該方案由於對光纖光柵側向施壓，而我們知道光纖尤其是光纖光柵在側向受力時比較脆弱，容易斷裂，從而使用可靠性上大打折扣。但是以上結構的PMD補償器都是基於線性啁啾光纖光柵或非線性啁啾光柵，一般需要造價高的啁啾相位掩模板製作。

發明內容
本發明的目的是提出一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償偏振模色散的方法和結構，該PMD補償器件製備簡單、結構靈巧，DGD易於連續可調，以解決當前一些光纖光柵型PMD補償器存在的製作工藝複雜、成本高、重複性差和可靠性低等先天缺陷。
本發明的目的是通過如下實現的一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償PMD的方法和結構，其特徵在於包括可變時延線4由兩部分組成一根高雙折射均勻光纖光柵1以及用於粘附的一寬度沿長度方向變化的載物體2。載物體2具有均勻的厚度，但是其寬度沿載物體長度z方向是一個變化的函數f(z)。將載物體2一端固定，而另一端呈自由狀態放置。其功用作為光柵軸向應變調節裝置。光纖光柵信號輸入端與一具有三埠的光纖環形器6的埠b相連，在環形器埠a前連接偏振控制器5，環形器埠c連接一段保偏光纖或雙折射晶體7，連接時採用保偏光纖熔接機或附加一偏振旋轉器11確保其PMD矢量與光纖光柵的PMD矢量方向相反，從而調節本發明補償器的DGD變化範圍，然後經過耦合器或分束器10將信號輸出到接收端，經過耦合器分束後部分信號由反饋信號探測單元8進入控制單元9，對偏振控制器5和該基於光纖光柵的可變時延線4進行自適應調節，構成一完整的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器。
在溫度不變的條件下，對均勻光纖光柵施加軸向應力ε(z)(z表示光柵軸向位置)，則由於光纖的彈性效應，可以得到光柵在z處的Bragg波長表示為λ(z)＝2neff[Λ0+Λ0(1-ρe)ε(z)] (1)式中，光纖折射率neff，ρe為彈光係數，Λ0表示均勻光纖光柵的周期。由上式可以直接看出，光纖光柵的反射Bragg波長偏移大小和應力直接相關。如果對光柵施加一梯度漸變應力，由於光柵有效周期的變化，Bragg波長將沿光柵長度方向線性變化，從而使均勻光纖光柵變為線性啁啾光纖光柵。而如果施加的應力沿軸z方向為一非線性函數，則可知，此時均勻光纖光柵將演變為一個非線性啁啾光纖光柵。因此，如果對一高雙折射均勻光纖光柵在其軸向施加非線性應力，則該光柵演變為一高雙折射非線性啁啾光纖光柵。信號經光柵反射後在光柵兩快慢偏振主軸方向間引入一可變時延量。而反射波長和反射位置的非線性關係決定了光柵的群速度色散和DGD等性質，從而使光柵具有DGD調節能力。因此，通過設計合適的光柵應力分布場，可以獲得期望的光柵特性。
本發明的可變時延線結構主要包括兩個部分高雙折射均勻光纖光柵1和一寬度沿長度方向變化的載物體2，該載物體一端固定，而另一端呈自由狀態。光柵可利用紫外膠或其它膠固化到載物體上。設光柵長度為l，載物體長為L，厚度為t，而寬度隨載物體長度方向變化的函數表示為w(z)。在載物體2自由端施加一偏移量Y，則產生一軸向非線性分布的應力場，從而使雙折射均勻光纖光柵1轉化為雙折射非線性啁啾光纖光柵3，施加偏移量時有兩種情況，一種是對光柵產生擠壓應變，使光柵在軸向各處的布拉格周期變小，一種是對光柵產生拉伸作用，使光柵在軸向各處的布拉格周期變大。該光柵的一個重要特徵是其DGD可調，因為通過改變載物體自由端的偏移量，產生軸向非線性應力分布ε(z)，進而動態調節光柵DGD。
基於高雙折射均勻光纖光柵的一完整的PMD補償器結構中，反饋信號探測單元，控制單元和偏振控制器等組成的反饋控制結構是被廣大研究人員廣泛認可的一種方式。本發明內容重點在基於均勻光纖光柵的可變時延線結構4。該發明的另一個內容是在環形器6的c端連接一段具有一特定DGD值τfix的保偏光纖或雙折射晶體7，在連接時採用保偏光纖熔接機或附加一偏振旋轉器11確保其PMD矢量與光纖光柵PMD矢量方向相反。其目的是用於改變該可變時延線結構4的DGD調節範圍，即最小值和最大值。雙折射均勻光纖光柵1有一個初始值DGD值τ0，非線性應力決定了DGD的調節幅度Δτ。可以知道該可變時延線DGD調節範圍為(τ0-τfix，τ0-τfix+Δτ)，如果令τfix＝τ0，則該可變時延線結構4可以實現在(0，Δτ)範圍動態連續可調。
所述的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器的實現方法，包括以下步驟
第一選擇普通保偏光纖(可以是熊貓型，領結型，D型等結構)或摻鍺光敏保偏光纖並氫載。選擇光纖時主要參數依據是保偏光纖的雙折射或拍長大小，因為雙折射越大(小)，即拍長越小(大)，其上寫入的光纖光柵初始DGD值就越大(小)，對應的調節範圍就越大(小)。利用紫外寫入技術，對該段保偏光纖通過均勻相位掩模板進行紫外寫入光柵，形成雙折射均勻光纖光柵1。
第二採用紫外膠等固化膠或其它方式將該光柵粘附到一寬度沿長度方向變化的載物體2上。將載物體2一端固定，一端呈自由狀態。自由端偏移量調節可通過步進、飼服電機或具有電壓—應變響應特性材料，如壓電陶瓷等進行電控，從而對光柵軸向應變進行調節。
第三將該光柵結構與一三端環形器6埠b相連，並在環形器6埠a前連接偏振控制器，c端利用保偏熔接機接一段具有合適DGD值的保偏光纖或雙折射晶體7，用於DGD變化範圍調整。連接時採用保偏光纖熔接機或附加一偏振旋轉器11確保其PMD矢量與光纖光柵的PMD矢量方向相反。
第四選擇反饋信號，設計控制單元的軟體和硬體部分，進行封裝處理，即可構成該發明所述的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器。
本發明的主要優點是採用了製作簡單、成品率高，價格低廉的高雙折射均勻光纖光柵，而非需要昂貴的非線性相位掩模板，且製作複雜、工藝要求高的高雙折射非線性啁啾光纖光柵。對載物體自由端偏移可以採用步進電機、飼服電機或具有電壓—應變響應特性的壓電陶瓷材料進行偏移量控制。


圖1為PMD補償系統示意圖；圖2為PMD補償器結構示意圖；圖3為本發明的基於高雙折射均勻光纖光柵的可變時延線結構示意圖(a)，高雙折射均勻光纖光柵結構示意圖(b)信號經光柵反射兩快慢偏振主軸方向間引入一可變時延量；圖4為本發明基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器結構示意圖；圖5為本發明基於高雙折射均勻光纖光柵的可變時延線結構俯視圖；圖6為自由端偏移Y距離時，對光纖光柵施加非線性應力的俯視效果圖(a)擠壓方式，(b)拉伸方式；圖7為在不同偏移量下雙折射光纖光柵的時延曲線示意圖；圖8為DGD隨偏移量的變化關係示意圖；圖9為當載物體寬度沿長度方向變化的函數為線性遞減(a)、非線性增加(b)或者非線性遞減(c)變化情況時基於高雙折射均勻光纖光柵的可變時延線結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。
本發明所述的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器設計時需要事先知道該PMD補償器的補償信道波長、實際光纖線路中的PMD變化範圍等，從而確定選用的保偏光纖的雙折射大小，寫入光柵的中心Bragg波長，光柵和載物體長度，以及載物體寬度沿光柵和載物體軸向的變化函數等參數。根據這個發明構思而提出的具體設計思路可簡述如下首先，測量並統計實際光纖線路中的PMD分布情況，從而確定PMD補償器的DGD調節範圍，對載物體長度、寬度沿長度方向的變化函數進行設計，這是本發明的重要部分之一。
其次，根據補償信道波長，選擇合適的相位掩模板，利用紫外寫入技術在保偏光纖寫入Bragg波長與信道波長一致的光纖光柵。
然後，需要確定用於DGD變化範圍調節的一段保偏光纖或雙折射晶體的DGD大小。一般PMD補償器要求可變時延單元調節範圍為(0，Δτ)，因此，使該段保偏光纖或雙折射晶體的PMD矢量與光纖光柵的初始PMD矢量(即無應變時)方向相反，大小相等。
最後，在圖3所示的光纖光柵1信號輸入端與一具有三埠的光纖環形器6的埠b相連，在環形器6埠a前連接偏振控制器5，環形器6埠c連接一段保偏光纖或雙折射晶體7，連接時採用保偏光纖熔接機或附加一偏振旋轉器11確保其PMD矢量與光纖光柵的PMD矢量方向相反，從而調節本發明補償器的DGD變化範圍，然後經過耦合器或分束器10將信號輸出到接收端，經過耦合器10分束後部分信號由反饋信號探測單元8進入控制單元9，對偏振控制器5和該基於光纖光柵的可變時延線4進行自適應調節，即可設計實現本發明所述的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器，如圖4所示。
實施例一如圖3所示，本發明設計的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器的可變時延單元4由兩部分組成一根高雙折射均勻光纖光柵1以及用於粘附的一寬度沿長度方向變化的載物體2。載物體2具有均勻的厚度，但是其寬度沿載物體長度z方向是一個變化的函數f(z)。將載物體2一端固定，而另一端呈自由狀態放置。其功用作為光柵軸向應變調節裝置。圖5為基於高雙折射均勻光纖光柵的可變時延線結構俯視圖。選擇一楔形結構的載物體，該載物體的寬度隨長度線性增加，可以數學描述如下w(z)=wfix+zL(wfree-wfix)---(2)]]>式中wfix、wfree分別為載物體固定端和自由端寬度。如果在自由端沿y方向施加一偏移量Y，如圖6(a)所示(擠壓方式)，根據彎矩曲率方程則可以推知沿軸z向產生的應力分別函數為(z)=t2R(z),]]>R(z)=-(L-z)wYL3w(z)[(w2wfree-wfreew)-(1-wfixw)2ln(1-wwfix)],]]>Δw＝wfree-wfix(3)式中R(z)為載物體在軸向z點的曲率半徑。圖7為雙折射光纖光柵在不同偏移量Y1，Y2(Y1＜Y2)下時延曲線的變化示意圖。可以看出，在不同偏移量下，雙折射光纖光柵的時延曲線在某一特定波長處其斜率不同，從而改變DGD值。當Y1＜Y2時，對應的DGD關係是Δτ1＜Δτ2，圖8給出了某一特定波長即信道波長處光纖光柵DGD值與偏移量的變化關係示意圖。Δτ0指無應力時光柵DGD值，這樣我們選取一段DGD值為Δτ0的保偏光纖或雙折射晶體，按圖6所示連接器件，並封裝即可實現本發明所述的基於均勻光纖光柵的PMD補償器結構。
實施例二施加偏移量時，沿-y方向施加偏移量，這種情況相當對光柵施加了一拉伸應變，使光柵在整個軸向各處的布拉格周期變長了，效果示意圖如圖6(b)所示。其它步驟則同實施例一。
實施例三上述兩個實施例所採用的載物體寬度沿長度方向的變化的函數均是線性增加的。而在實際應用中，亦可以線性遞減，非線性增加或者非線性遞減變化。達到的目的是一樣的，即使可變時延線DGD值動態可調。這三種情況下的載物體示意圖分別如圖9(a)(b)(c)所示。
為了舉例說明本發明的實現，描述了上述實施例，但本發明的其它變化的修改，對本領域技術人員是顯而易見的，本發明並不限於所描述的具體實施方式
，因此，在本發明所公開內容的真正實質和基本原則範圍內的任何修改變化或等效變換，都屬於本發明的權利要求保護範圍。
權利要求
1.一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償PMD的結構，其特徵在於一根高雙折射均勻光纖光柵(1)以及用於粘附的一寬度沿長度方向變化的載物體(2)；載物體(2)具有均勻的厚度，但其寬度沿載物體長度z方向是一個變化的函數f(z)；將載物體(2)一端固定，而另一端呈自由狀態；作為光柵軸向應變調節裝置；光纖光柵信號輸入端與一具有三埠的光纖環形器(6)的埠(b)相連，在環形器埠(a)前連接偏振控制器(5)，環形器埠(c)連接一段保偏光纖或雙折射晶體(7)，然後經過耦合器或分束器(10)將信號輸出到接收端，經過耦合器分束後部分信號由反饋信號探測單元(8)進入控制單元(9)，對偏振控制器(5)和該基於光纖光柵的可變時延線(4)進行自適應調節，構成一完整的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器。
2.如權利要求1所述的一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償PMD的結構，其特徵在於基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器，用於光柵軸向應變調節的載物體(2)寬度沿其長度方向是一變化的函數，其變化曲線可以是線性增加或減小，亦可為非線性增加或減小，而載物體(2)厚度保持均勻不變。
3.如權利要求1所述的一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償PMD的結構，其特徵在於基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器，用於光柵軸向應變調節裝置，即載物體(2)的放置、偏移方式和偏移方向載物體(2)一端固定，另一端呈自由狀態；自由端偏移量調節可通過步進、飼服電機或具有電壓一應變響應特性材料，如壓電陶瓷等進行電控；偏移方向沿載物體厚度方向，從而對光柵軸向產生擠壓或拉伸應變。
4.如權利要求1所述的一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償PMD的結構，其特徵在於基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器，三埠環形器(6)埠(c)相連接的一段具有特定DGD大小的保偏光纖或雙折射晶體(7)，連接時採用保偏光纖熔接機或附加一偏振旋轉器(11)確保其PMD矢量與光纖光柵的PMD矢量方向相反，從而調節本發明所述的補償器的DGD變化範圍。
5.一種基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器的實現方法，其特徵在於包含以下步驟(1)在經過氫載處理後的保偏光纖上通過均勻相位掩模板進行紫外寫入光柵，形成雙折射均勻光纖光柵，採用紫外膠等固化膠或其它方式將該光柵粘附到一寬度沿長度方向變化的載物體上；將載物體一端固定，一端呈自由狀態；自由端偏移量調節可通過步進、飼服電機或具有電壓一應變響應特性材料，如壓電陶瓷等進行電控，從而對光柵軸向應變進行調節；(2)將該光柵結構與一三端環形器(6)埠(b)相連，並在環形器(6)埠(a)前連接偏振控制器(5)，(c)端連接一段具有合適DGD值的保偏光纖或雙折射晶體(7)，連接時採用保偏光纖熔接機或附加一偏振旋轉器(11)確保其PMD矢量與光纖光柵的PMD矢量方向相反，用於DGD變化範圍調整；(3)選擇反饋信號，設計控制單元的軟體和硬體部分，進行封裝處理，即可構成所述的基於高雙折射均勻光纖光柵的PMD補償器。
全文摘要
一種利用高雙折射均勻光纖光柵補償偏振模色散的方法和結構，屬於光纖通信技術領域，其特徵在於它包括一寫入到保偏光纖的均勻光纖光柵，一寬度沿長度方向變化的載物體，該載物體一端固定，另一端呈自由狀態。將光纖光柵利用紫外膠或其它方式固化到載物體上，光柵軸向與載物體長度方向一致，從而構成一時延可變單元，載物體功用作為光柵軸向應變調節裝置。該結構單元通過一三端環形器分別與偏振控制器和一段保偏光纖或雙折射晶體相連接，從而形成一具有製備工藝簡單易實現、成本低、結構靈巧和差分群時延易於連續動態可調的偏振模色散補償器。
文檔編號H04B10/18GK1996076SQ20061016989
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月30日 優先權日2006年12月30日
發明者王目光, 張建勇, 許鷗, 張峰, 劉志明 申請人:北京交通大學