高信道数光纤光栅色散补偿器的设计

摘要

光纤光栅色散补偿器因其不受电磁干扰、灵敏度高、体积小重量轻、插入损耗小等特点，越来越受到人们的重视。特别是近二十年来，社会投入大量人力和财力，以致光纤光栅的研究在近期取得了很大的进展，超结构光栅、啁啾光栅等形式的光栅相继被推出。然而传统的设计方法，特别是用于设计高信道色散补偿器时，有诸多弊端，如：反射谱不均匀、折射率调制过大、设计结果针对性不强等。 本文首先比较了典型的色散补偿方案，对本文设计的光栅色散补偿方案进行了比较论证。然后，将本文所编程序的模拟结果与权威结果比较，证实所编程序的可行性。在比较过程中，重点分析了相移光栅和取样光栅。总结出相移光栅插入相位与透射带宽的经验公式。分析了传统取样高信道光栅设计的主要优缺点，与本文的设计方案比较。 针对以上问题，介绍了一种新颖的逆向设计方法，即离散剥层法（DLP）。对该算法的原理、步骤做了详细的分析。对该算法的性能用程序进行了模拟。通过DLP法设计了符合实际使用要求的多个高信道色散补偿光栅。其中，九信道色散补偿光栅可以补偿从15Km到135Km不同长度的色散。且各信道反射谱相同、隔离度好、延时曲线抖动小。在设计过程中同时暴露了DLP设计方法的缺点，即折射率调制过大，与信道数成倍数增加。 为克服DLP的以上缺点，本文首先从理论出发，分析了折射率过大的原因、找到了克服这种缺点的方法，即在不同信道插入不同的相位，并求出了理论最小折射率。为了找到一组相位使折射率调制最小，引入了遗传算法。在简要的说明了遗传算法的工作原理以后，给出了MATLAB2006a自带遗传算法工具箱的参数设定方法、适应度函数的设计，以及具体程序。通过遗传算法的优化，我们可以设计出信道数高达50信道，覆盖整个C波段的高信道色散补偿光栅，且反射谱均匀、隔离度好、延时谱抖动小，完全可以满足实际使用的需要。 然而这种基于遗传算法与DLP算法相结合的高信道设计方法，还有一些缺点需要改进。如，设计高信道不同色散补偿时还有困难；折射率调制虽然可以大幅度减小，但仍无法达到理论值；遗传算法有时会陷入局部最小、且收敛速度慢；折射率调制分布过于复杂，不利于写入等。