具有少模光纤和可切换模式转换器的可调色散补偿器

摘要

本发明描述了色散补偿器，在选择两个或更多模的模传输特性的基础上是可调的。此基本设备的结构包括两段或多段光纤，该光纤支持基模和一个或多个高阶模(HOM)。这些HOM光纤通过可切换的空间模式转换器(MC)彼此相连。例如，可利用长周期光纤光栅(LPG)、耦合波导器件、自由空间相位延迟元件、微电子－机械装置或声－光耦合器制造此MC。组装MC，使之可将任何入射的空间模转换成HOM光纤中的任何其他导模。通过张力、温度、电－光或非线性光学效应，或者任何其他可改变构成MC的光学材料折射率的物理效应，实现切换。

说明书

发明领域

本发明涉及高速光通信系统，更准确地说，涉及使用可调谐色散补偿装置控制宽带多波长(波分复用-WDM)传输介质中的微分色散。

发明背景

色散补偿装置是高速光通信系统的基本结构单元(buildingblock)。重要要求包括低损耗以及补偿波分复用(WDM)光波系统中各波长下色散的能力。除了静态色散补偿以外，高速光通信系统还需要可调谐色散补偿器(TDC)。它们有助于补偿(offsetting)光纤传输线中的色散变化。色散变化有可能源于环境变化(改变传输光纤和部件的应力或温度)，可导致非线性相移改变的能量波动，或者可改变各WDM通道路径长度的网络动态重组。参见B.J.Eggleton等，J.Lightwave Tech.，Vol.18，p.1419(2000)。或者，色散变化可能源于传输光纤中色散的统计不稳定，以及相邻放大器箱之间传输光纤长度的统计变化。

迄今为止，已经提出并论证了若干可调谐或可调节色散补偿器。广泛使用线性调频光纤布拉格光栅(FBG)来调谐光波信号的色散。例如，可由加热元件或可闭锁磁应力调谐具有线性或非线性啁啾声的FBG，以改变该装置的色散。参见美国专利No.6148127和6330383。已经证实该技术在1到1.5nm带宽上具有大约2000ps/nm的色散调谐范围。这种可调谐装置的有限带宽限制了其用于单通道应用。在WDM系统中使用这种装置，可能需要将信号解复用到各波长通道中，并将不同的基于FBG的TDC用于各个通道，使其非常昂贵。取代单通道FBG-TDC，包括能同时补偿三个或四个通道色散的取样FBG。虽然将WDM系统中所需的装置数量减小到三分之一到四分之一，不过仍然保留实现可调谐色散控制的昂贵装置。此外，采用FBG的所有TDC均受到可导致位误差率(BER)呈幂指数恶化的群延迟(GD)脉动(group-delay ripple)损害。另外，GD脉动随该装置带宽或色散增大而增大。另一困难在于基于FBG的实际TDC可能需要在数米长度光纤上制造FBG，用于在整个通信带上进行色散补偿。这种长光栅的制造和调谐方法看起来是不实际的。

另一种技术是利用光纤的可变相位响应来调节色散。已经证实基于平面波导的全通滤波器可提供40Gb/s时调谐范围高达500ps/nm的TDC。参见C.K.Madsen，Proc.Optical Fiber Conf.2002，论文No.TUT-1和FD-9。可通过平移如美国专利No.6392807中所述特别设计的自由空间反射镜，调谐成虚像的相位阵列(VIPA)装置的色散。经证实该装置可提供+/-800ps/nm的调谐范围。参考Shirasaki等，Proc.European Conf.Optical Comm.-2000，PD-2，3。这两种技术以及利用光纤相位响应的几种其他技术，关于波长具有周期性，从而只要将它们设计成具有与WDM通道一致的周期，就能同时对所有通道提供补偿。不过，所有这些设备在每个“通带”内均具有依赖于波长的响应。从而，由于色散与带宽之间进行权衡，这些设备不适用于高位速应用。它们还受到与基于FBG的TDC一样的GD脉动损害。最后，基于相位响应的设备需要将光耦合入和耦合出传输光纤，造成损耗。

因此，需要一种能提供可调谐或可调节色散，且光学性能与静态色散补偿中通常用的色散补偿光纤(DCF)或高阶模色散补偿模块(HOM-DCM)的光学性能相近的装置。所需的特征为低损耗，低多路串扰，可忽略的GD脉动，最重要的是要求波长连续响应。

发明内容

本发明以少模光纤的每个空间模具有不同模色散这一认识为基础。因此，根据传输模式以及所用光纤长度，这种光纤中以不同空间模传播的光将累积不同的色散量。这一认识导致实现这一概念的新型设备。此基本的设备结构包括两段或多段支持基模和一个或多个高阶模(HOM)的光纤。有时将具有这种特性的光纤称为少模光纤。此少模光纤通过一可切换的空间模式转换器(MC)彼此相连。最通常形式的空间模式转换器，是将一个入射空间模式转换成另一个。可切换模式转换器在一种状态下进行模式转换，而在另一种状态下将不加任何转换地使光通过。可利用长周期光纤光栅(LPG)、耦合波导器件、自由空间相位延迟元件或基于微电子-机械(MEM)的路由器和开关制造此MC。在最通常形式下，该MC被组装成可将任何入射的空间模式转换成HOM光纤中任何其他导模中的一个。通过张力、温度、电-光或非线性光学效应，或者任何其他用于改变构成MC的光学材料的折射率或其中物理路径长度的物理效应，实现该切换。此外，在基于MEM的MC中，通过用于将HOM光纤中任一模式转变成该光纤所支持的任何其他模式之一的机械路由动作产生该切换。

更准确地说，具有可调高阶模(下面称为AHOM)特性的色散补偿器(DC)包括N段光纤，和N+1个将它们彼此相连并分别在输入和输出端处与传输光纤相连的MC。N+1个MC的切换状态的每种组合，将与该光波信号采取的唯一路径相应。这是由于根据每个MC的切换状态，该信号可以该光纤的两个或多个空间模中的一个传播。因此，对于MC的切换状态的各种变换，将导致该信号积累不同的色散值。换句话说，可简单地通过改变N+1个MC中一个或多个的切-换状态，改变该设备对于入射光波信号产生的色散大小。

与在先的TDC方法相比主要的优点在于，由光纤本身提供色散，从而在该MC复盖的整个光谱带内是波长连续的。因为色散来源于光纤波导，故可使GD脉动带来的问题最小化。增大调谐范围或者减小调谐步长仅需要重新配置各MC之间光纤的长度和段数N。因此，该设备不会因色散-带宽权衡，或者与调谐范围或色散幅值成比例的制造限制受到损害。

附图简要说明

图1为本发明色散补偿器的示意图；

图2为用于图1色散补偿器的适当模式转换器单元的示意图；

图3为以波长为函数的色散曲线，表示针对HOM光纤中的LP01和LP02模测得的色散值；

图4为根据本发明的AHOM特定实施例的示意图；

图5的曲线表示针对切换成多种组态(configuration，在图中用圆表示)的一系列6个MC的色散值；

图6的流程图表示给定一预定的传输模式数，本发明可调色散补偿器的设计方法；

图7的流程图与图6类似，表示给定一目标色散值，本发明可调色散补偿器的设计方法；

图8表示针对多种切换状态，图4设备的宽带色散调谐特性；

图9为表示对于图4中的系统，模式转换器另一种形式和配置的示意图；

图10表示包括传输光纤的光通信系统的示意图：图10(a)为根据本发明的AHOM装置；图10(b)为除本发明AHOM装置以外的静态DC。

图11表示光通信系统中一接收器的示意图，包括：图11(a)为根据本发明的AHOM装置；图11(b)为除本发明AHOM装置以外的静态DC，后跟一将光信号转换成电信号的光探测电路。

详细说明

参见图1，所示结构表示该AHOM设备的通用形式。其表示一具有N个长度为L₁的HOM光纤线轴S₁-S_N的装置，每个线轴S夹在MC₁-MC_1+N模式转换器序列中的两个模式转换器之间。该设备的输入端表示为11，输出端表示为15。MC装置与光纤线轴S_N通过表示为13的接头相连。虚线间接表示如所需要那样增加线轴和模式转换器。如果HOM光纤支持M个模色散值不同的模式，则光可以采取M^N种不同路径，每个路径产生不同的总色散值。在这种情况下，该设备的色散由下式给出：

$$ >>>D>AHOM>>=>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>L>i>>·>>D>>k>>(>i>)>>>>->->->>(>1>)>>>$$

其中D_AHOM为该AHOM产生的总色散，D_k(i)为该光纤的k阶模的色散，k(i)描述切换组态(Switching configuration)，决定哪个MC将光切换到哪个k阶模中(k取从1到M的值，且M为该光纤支持的具有不同色散值的模的数量)。

如果该AHOM可获得的色散值范围为D_range，则这种结构允许以D_range/(M^N-1)的步长改变色散。因此，对于相对较小的M和N值，可实现对可获得色散值的非常细的量化度(granularity)。更一般来说，D_k(i)、线轴长度L_i、模数M和段数N的不同序列级数，产生可获得任意色散值、色散调谐范围以及色散步长的多种设备组态(device configuration)。

本发明的AHOM设备的模式转换器部件可以采取多种形式。在同一天申请的，名称为TUNABLE MODE-CONVERTERS USINGFEW MODE FIBERS的本申请共同悬而未决的专利申请中描述和要求保护一种优选模式转换器。在该模式转换器中，使用少模光纤，并在基模或近基模，传输模与下一个或最近邻高阶模(HOM)之间进行耦合。这两个模式均由芯传导，即它们在光纤芯中传播，从而保持通过HOM光纤的有效传输。使用长周期光栅(LPG)进行模式耦合，并且通过改变光栅周期或改变两个被耦合模的传播常数，动态改变模的耦合强度。通过物理上改变光栅元件之间的间距而改变光栅周期，例如通过改变光栅上的张力(strain)物理拉伸LPG。另一方面，可由任何物理效应，如热-光、非线性光学、声-光、电-光、应力，或用于改变光纤中模的有效折射率的其他效应，改变被耦合模的传播常数。如果该LPG通过声光激励形成，则可通过改变施加在光纤上的声光调制的频率而改变光栅周期。这些光纤的相位匹配曲线的一个重要特征在于，存在转向点(TAP)。当选择LPG光栅周期在TAP处耦合时，可实现大带宽的模式耦合。当两个(或多个)模的群折射率基本相等时，光纤中存在TAP。传播模的群折射率是一个众所周知并且意义明确的光学参数。可以表示为：

n_g＝n-λdn/dλ               (2)

其中n_g为群折射率，n为折射率，λ为波长。

在上面提到的应用中，将形成为少模光纤的可调LPG称为HOM-LPG。图2中表示出HOM-LPG的示意图。所示光纤具有芯15和包层16。LPG表示为17。18表示用于调谐HOM-LPG的温度控制元件。

参见图3，曲线21和22分别表示对于光纤中的芯传导模LP₀₁和LP₀₂测得的色散值。在1550nm下，LP₀₂模的色散为D₀₂＝-168.9ps/nm-km，而LP₀₁模的色散为D₀₁＝+21.46ps/nm-km。

图4为可以利用该光纤组装的AHOM设备的示意图。光纤段数N(参考图1和公式1中的术语)为6，通过可从“ON”状态切换到“OFF”状态的7个(在本例中)相同的MC相连。在“ON”状态下，该MC将入射的LP₀₁模转换成LP₀₂模，反之亦然。相反，在“OFF”状态下，该入射模未经任何模式转换地被传输。将这6段光纤的长度L_i配置成L_i＝2×L_i-1。因此，每个线轴中任一模式积累的色散是前一线轴中积累量的两倍。最短光纤段的长度L₁为50米，导致该设备中总光纤长度为L_total＝3.15km。

如前面所示，该设备的色散值数量可为2⁶＝64种。另外，由于每段光纤长度与相邻段相差2倍，表明能实现的色散值为等间隔。当光仅以LP₀₁模传播时，获得最大色散值。另一方面，当光仅以LP₀₂模传播时，得到最小色散值。

D_max＝D₀₁×L_total＝+67.599ps/nm     (3)

D_min＝D₀₂×L_total＝-532.035ps/nm    (4)

其中D_min和D_max分别为最小和最大色散值，可以得出图4中所示的AHOM。从而，该设备最小色散调谐步长D_step为：

$$ >>>D>step>>=>>>>D>max>>->>D>min>>>{}^{}$$

图5表示通过将6个MC系列切换到64种允许组态(用圆表示出每一种，例如41)之一可得到的色散值(在1550nm处)。显然，这表明通过将用7个MC连接的6段HOM光纤组合成3.15km，可实现大到600ps/nm的调谐范围，步长小于10ps/nm。按照下述方式，易于将状态0到63转变成作为MC的“ON”和“OFF”状态的特定组态。认识到连接在一起的光纤与MC的组合代表色散成2倍增大的单调序列，可用6位二进制数表示AHOM的每种可能组态。将光以LP₀₁模传播的段赋予值“0”，将光以LP₀₂模传播的段赋予值“1”，通过将所得到的二进制数(根据上面构成的序列)转换成十进制数(范围从0到63)，可简单地推导出该AHOM的色散。对于如此得出的十进制数d，该设备的色散D_AHOM由下式给出：

D_AHOM＝D_max-(d×D_step)    (6)

图6中表示出针对与设备色散值D_AHOM＝-436.855ps/nm相应的切换状态#53，这些关系的流程图。相反，给定所需的色散D_target，逆操作将产生唯一定义每个MC切换状态的二进制数。图7表示出对于D_target＝-200ps/nm的流程图。对于该目标值得出的组态产生D_AHOM＝-198.9ps/nm。

图8分别表示对于各种MC切换状态：0，10，20，30，40，50，60和63，该AHOM的宽带色散调谐特性曲线。注意，该设备的带宽仅受MC带宽的限制。由于已经证实存在带宽大于60-nm的LPG MC，显然这种设备将覆盖光通信系统的C或L波段，而没有带来任何诸如GD脉动的附加损害。此外，可通过改变线轴中的HOM光纤的长度或增加更多段来改变该设备的色散调谐范围。

上述例子在二进制长度级数中使用6段HOM光纤(公式1中N＝6)和2种模式(公式1中M＝2)。可以使用多种其他设备组态。例如，该设备可以使用不止两种模式(M＞2)，不同段数(N)和不同的HOM光纤长度级数序列，以获得任何所需的色散调谐范围、步长和色散值。或者，不同段HOM光纤可以包括具有不同色散、色散斜率和色散曲率特性的HOM光纤，从而在组装该设备时提供额外的自由度。所有这些不仅可以产生宽带可调谐色散补偿器，而且还能得到可调色散斜率和/或色散曲率的补偿器。在最普通的组态下，可以调谐AHOM以获得色散相对于波长的任何所需的函数改变。

如前所述，该设备的一个重要组成部分为可切换MC。虽然本申请共同悬而未决的申请(如上所述)中所描述并要求保护的MC尤为适合，但也可以使用其他的MC装置。例如，其中可以使用耦合波导，相位延迟板，MEM装置。这些MC装置应具有切换作用的能力。通过将其折射率可随张力、温度或电-光或非线性光学改变而改变的一层光学材料包含在该装置的结构内，可实现这种切换。或者，可通过加力或通过改变该装置的光路长度，实现切换作用。如果由声-光激励形成该LPG，则可通过改变施加在光纤上的声-光调节频率来改变该光栅的周期。

图9中按系统比例表示一种适当的变型。此处目的在于用电-光材料如铌酸锂形成MC元件，其中可以将大光导阵列与传统电切换装置集成在一起。图9表示电-光、非线性光学或声-光材料的基板91。基板91包含7个波导92a-92g，每一个相当于图4所示设备中MC装置MC₁-MC₇中的每一个。光纤路径包括输入端93、输出端94和光纤线轴95a-95f。线轴95a-95f相当于图4设备中的线轴L₁-L₆。切换元件表示为97。它们包括复盖波导中耦合器或光栅(未示出)的金属薄膜电极。该金属薄膜电极通过所示的导板(runner)与适当电源互连。

可通过多种技术形成结合模式转换器描述的长周期光栅。常用的方法是使用UV光将光栅写到掺杂光纤中。也可以通过由于热、压力或UV光以外的光引起的周期性折射率变化获得这类光栅。不过，也可以使用其他方法。例如，微弯曲引起的LPG比较适宜。可利用声-光光栅、电弧接合器(arc splicer)引起的周期性微弯曲，或者通过使具有所需光栅周期性的波纹块之间的光纤受压而实现。

上述AHOM设备具有很大程度的设计自由度。某些自由度可归因于使用不同长度的光纤线轴。这使总色散值可根据针对两种(或多种)传播模式选择的相对路径长度而改变。可以将光纤段选择或设计成对于给定模式，即使长度相同，也可以具有不同色散值。此外，由于在同一光纤中两个模以不同色散值传播，如图4中所示光纤长度相等或近似相等的设备，依然可以提供本发明的优点。

显然，本发明的原理可以应用于使用多于两个芯传导模的系统。在上述设备中，对于该设备每一级，即例如对于图4中每一段L₁到L₆，假设具有相同的两种模式。或者，可使用其中两种模式不同的不同光纤段。例如，如果对于该设备的一级选择的模式为LP₀₁和LP₀₂，则对于该设备另一级所选择的模式可以为LP₁₁和LP₀₂。

并且具有多个HOM光纤段、其中不同光纤段具有不同的光纤设计和性质的AHOM设备，也在本发明范围内。在这种情形中，不同HOM光纤中相同阶次的模产生的色散将不同。这将产生可提供作为以波长为函数的色散任意高阶微商的可调谐色散、色散斜率、色散曲率，或者任何光学性质的设备。

根据本发明的AHOM设备在光通信系统中具有多种用途。图10表示AHOM设备所能实现的光通信系统的一个最佳实施例。图10a表示一光纤传输线的示意图，其中光信号通过一预定长度的传输光纤101，然后通过光学放大器模块102传输。光学放大器模块102包括分别处于其输入端和输出端的增益单元(gain block)103。增益单元103通过根据本发明的AHOM设备104和现有通信系统中通常使用的静态色散补偿装置(静态DC)105彼此相连。图10b表示一种类似的光通信系统，其中由AHOM设备单独提供所有色散补偿，无需静态DC。信号在通过一预定长度的传输光纤传输之后，被衰减。还积累了可随时间或传输光纤特定色散性质而变的大量色散。增益元件提供所需的放大，以补偿信号功率的损失。该AHOM设备提供可调谐色散，以补偿该信号积累的色散。图10a和10b的两个示意图，说明AHOM设备或者可以通过由静态DC提供大部分色散补偿而提供可调谐色散校正，或者可以提供该信号所需的全部色散补偿。

图11表示AHOM设备所能实现的光通信系统的另一最佳实施例。图11a表示一接收器的示意图，该接收器包括一光放大器模块111，后跟一可将输入的光信号转换成电信号的光探测电路115。光放大器模块111包括分别处于其输入端与输出端的增益单元112。增益单元112通过一根据本发明的AHOM设备113和一现有通信系统中通常使用的静态DC114彼此连接。图11b表示一种类似的光通信系统，其中由AHOM设备单独提供所有色散补偿，无需静态DC。图11a和11b的两个示意图说明，AHOM设备或者可以利用由静态DC提供的大部分色散补偿而提供可调谐色散校正，或者可以在信号进入光探测装置之前提供该信号所需的所有色散补偿。光探测电路115的电子部分可以与光放大器模块111中的AHOM设备113的电控制器连接，从而反馈机制通过改变AHOM设备的色散而使该接收器的性能最优。

本领域技术人员可以想到本发明的多种其他变型。当然认为所有与本说明书特定教导不同但基本上依赖本发明原理及其等同物的促使技术进步的变型，均处于本发明所述和所要求保护的范围之内。