可调谐色散补偿器的设计与制作方法

摘要

可调谐色散补偿器的设计与制作方法属于光纤通信技术领域。本发明的核心部件是有着二次时延曲线的切趾取样光纤光栅。该光纤光栅采用了线性啁啾相位模板制作，并通过取样周期啁啾(CSP)来补偿由于模板引入的光栅周期啁啾(CGP)，使得光栅的取样周期的变化范围比较小，从而使得制作过程更为简单、稳定。另外在光纤光栅的设计、制作过程中，通过引入CSP来补偿由于切趾引起的平均折射率的改变，因此只需要进行一次曝光，光栅的制作和切趾就能一次完成。最后将光纤光栅固定在精密机械调谐装置上，通过微机的控制来实现对光纤光栅的拉伸，从而控制色散的补偿量。

说明书

技术领域

可调谐色散补偿器的设计与制作方法属于光纤通信技术领域，尤其涉及光纤光栅制作领域。

背景技术

一般补偿光纤色散可以用色散补偿光纤或色散补偿器件，如色散补偿光纤光栅、色散补偿标准具等来实现。这种色散补偿的实现方法是固定的，一旦系统设计好了，其色散的补偿量就不能改变了。而色散的积累是一个随时间变化的过程，系统会受到很多外界因素的干扰，产生动态变化的色散，这就需要动态可调谐色散补偿装置以对变化着的色散进行监测跟踪的方式进行补偿。其中，可调谐色散的实现方式是动态可调谐色散补偿装置的核心内容。有若干方式可以实现可调谐色散，如使用热效应在光纤光栅中产生动态变化的啁啾改变光栅的色散、利用多个标准具产生的可变时延曲线进行线性叠加调整色散等。其中基于非线性啁啾的可调谐色散以其简单，有效而成为引人注目的方法之一。

非线性啁啾光纤光栅的时延曲线是非线性的，通过对光栅的拉伸就可以实现光栅时延的改变，其中当光栅的时延与波长成二次曲线变化时，色散与波长成线性关系，其时延和色散曲线如图1、2所示，此时光栅的调谐控制能够更加简单、稳定。因此，设计不同的结构的非线性啁啾光栅就可以实现对系统色散的更好补偿。由于要制作质量较高的非线性啁啾光纤光栅需要高质量非线性啁啾模板，而非线性啁啾模板需使用电子束暴光技术来制作，要得到高质量非线性啁啾模板相当困难，而且价格也相当昂贵。并且不同的非线性啁啾光栅需要不同的非线性啁啾相位模板，这使得上述可调谐器件的设计和应用受到了一定的限制。

由于获得高质量的非线性啁啾模板的困难，因此出现了采用均匀相位模板和取样光栅技术来获取非线性啁啾的方法。2002年冯佳、陈向飞等人在“用于补偿色散和偏振模弥散的具有新取样结构的布拉格光栅”中国发明专利(申请号：02103383.8)中提出了使用通过取样光栅的啁啾取样周期(CSP)来获得等效的啁啾光栅周期(CGP)的方法。该方法使用了均匀相位模板来制作光栅，因此可以极大的简化了光栅的制作，具有很大的成本优势，并且可以方便的设计具有不同时延曲线的光栅，而不要更换模板。

该方法虽然实现了使用均匀模板来设计和制作等效的非线性啁啾光纤光栅，但在具体设计时，取样周期变化范围会很大，这给制作带来一些困难。另外它是采用了二次曝光的方法进行光栅的制作，很容易在光栅的制作过程中引入附加的啁啾。该方法没有完全的实现CSP和CGP灵活的等效转换。

发明内容

本发明的目的是为了突破已有的技术，并且克服已有技术的不足之处，提出了一种全新的方式来设计并制作具有等效的非线性啁啾效应的特殊的取样光纤光栅。该光纤光栅采用了线性啁啾模板设计，并通过CSP来补偿由于模板引入的啁啾，充分实现了等效啁啾设计的灵活性，并且设计的取样周期变化范围比较小，从而对制作工艺要求更为降低。另外在光纤光栅的制作过程中，我们没有采用二次曝光的方法，通过第二次曝光进行反切趾，而是提前设计好光栅，通过引入CSP来补偿由于切趾引起的平均折射率的改变，因此只需要进行一次曝光，光栅的制作和切趾就能一次完成。这样的设计和制作方法不但能够简化光栅的制作过程，而且避免了二次曝光引入附加的啁啾，能够极大提高光栅的性能。最后将制作完成的光纤光栅固定在精密机械调谐装置上，通过微机对机械调谐装置的控制来实现对光纤光栅的拉伸，从而控制色散的补偿量。

本发明的设计、制作光纤光栅的方法与“用于补偿色散和偏振模弥散的具有新取样结构的布拉格光栅”专利的不同之处在于：

本发明是该光纤光栅采用了线性啁啾模板设计，并通过CSP来补偿由于模板引入的啁啾，使得光栅的取样啁啾的变化范围比较小，从而使得制作工艺更为简单、稳定。另外在光纤光栅的制作过程中，我们不是采用二次曝光的方法进行光栅的切趾和制作，而是提前设计好光栅，通过引入CSP来补偿由于切趾引起的平均折射率的改变，因此只需要进行一次曝光，光栅的制作和切趾就能一次完成。这样的设计和制作方法不但能够简化光栅的制作过程，而且避免了二次曝光引入附加的啁啾，能够极大提高光栅的性能。本发明更加灵活应用了CSP和CGP的等效的转变，并且使用了独创的通过CSP实现反切趾的切趾方式。

本发明采用的原理：

我们采用取样光栅反射峰的m＝-1级次的群时延谱用于色散补偿。如果可调谐色散光栅的等效啁啾光栅周期为：

Λ_-1＝Λ_-1，0(1+cz^1/2)                                    (1)

式中的Λ_-1表示取样光栅-1级反射峰处的光栅周期，Λ_-1，0表示-1级反射峰处的光栅周期的起始值，c表示啁啾系数，z为光栅轴向的长度，则采用该形式的光栅周期啁啾的时延与波长成二次曲线变化，而其色散与波长成线性关系，因此其调谐控制能够更加简单、稳定。

我们在取样光栅的取样周期中引入啁啾，由此来实现等效的光栅周期啁啾。如果是采用了均匀相位模板，则通过如下公式一次求出每一个取样周期的长度：

$>>>Z>n>>+>a>>Z>n>>3>/>2>sup>>=>n>>Z>0>>>(>a>=>2>c>>Z>0>>/>3>>\Lambda >>->1,0>>>)>>->->->>(>2>)>>>s>$

式中的n代表取样的序数，Z₀表示参考长度，它一般与取样周期一个数量级，Z_n表示每个取样周期的长度。

由于我们采用了线性啁啾模板啁啾系数c′，因此要求进一步改变取样周期来补偿模板引入的啁啾，其计算公式如下：

$>>>Z>n>>+>b>>Z>n>2sup>>+>a>>Z>n>>3>/>2>sup>>=>n>>Z>0>>>s>(a与公式(2)中的相同，$ >>b>=>>c>\prime >>>Z>0>>/>2>>\Lambda >>->1,0>>2sup>>>s>) (3)$$

由于在一次曝光中进行的切趾会使光栅的平均折射率系数发生改变，会在光栅中引入了附加的啁啾，因此我们在光栅的取样周期再次引入啁啾来补偿平均折射率系数发生的改变，从而实现了一次曝光就能够实现切趾，而不需要二次曝光进行反切趾。我们采用了切趾函数κ(z)来对光栅进行切趾。具体的实现方法如下：

$>>>Z>n>>+>gdf>>(>>Z>n>>)>>+>b>>Z>n>2sup>>+>a>>Z>n>>3>/>2>sup>>=>n>>Z>0>>->->->>(>4>)>>>s>$

其中f(z_n)＝∫κ(z_n)dz_n，κ(z_n)为切趾函数，g为常数，取值范围为0.005～0.1，由光纤光栅的最大平均折射率系数的变化决定。a、b与公式(3)中的相同。

由上式计算出的我们设计需要的每一个取样周期的长度。

本发明所述的设计方法的特征在于它依次含有以下步骤：

(1)设计一个有着二次时延曲线即光栅周期啁啾的时延与波长成二次曲线变化的取样光纤光栅，它的等效啁啾光栅周期为：

      Λ_-1＝Λ_-10(1+cz^1/2)

其中，Λ_-1为取样光栅-1级反射峰处的光栅周期，

      Λ_-1，0为-1级反射峰处的光栅周期的起始值，设定值，

      c为等级啁啾系数，设定值，单位为(mm)^-1/2，

      z为光纤轴向长度；

(2)采用线性啁啾模板，并通过改变取样光栅的啁啾取样周期CSP来补偿模板引入的啁啾，用下式计算每个取样周期的长度Z_n：

$>>>Z>n>>+>b>>Z>n>2sup>>+>a>>Z>n>>3>/>2>sup>>=>n>>Z>0>>,>>s>n为取样的序数，$

a，b为常数，由下列公式决定：

a＝2cZ₀/3Λ_-1，0

$>>b>=>>c>\prime >>>Z>0>>/>2>>\Lambda >>->1,0>>2sup>>,>>s>c\prime 为线性啁啾模板的啁啾系数，设定值，$

Z₀为取样周期的参考长度，它一般与取样周期取同一个数量级，而且是设定的；

(3)在求上述取样周期Z_n时，再次引入啁啾来补偿由于切趾而引起的平均折射率系数的变化，此时，每个取样周期的长度Z_n用下式计算：

$>>>Z>n>>+>gf>>(>>Z>n>>)>>+>b>>Z>n>2sup>>+>a>>Z>n>>3>/>2>sup>>=>n>>Z>0>>>s>$

其中，f(z_n)＝∫κ(z_n)dz_n，κ(z_n)为切趾函数，g为常数，取值范围为0.005～0.1，由光纤光栅的最大平均折射率系数的变化决定，

a，b与步骤(2)中的相同。

本发明所述的制作方法的特征在于它依次含有以下步骤：

(1)把设计好的有着二次时延曲线即光栅周期啁啾的时延与波长成二次曲线变化的取样光纤光栅进行载氢处理并剥去一段涂覆层；

(2)把所述光纤固定在啁啾系数为c′的线性啁啾模板后，使之贴近；

(3)调整激光器输出为50mw的光功率；

(4)调整光路，使经扫描反射镜反射的光斑照射在光纤的纤芯上；

(5)打开微机的ESP6000系统进行初始化，输入设定以下参数：

Z_n：每个取样周期的长度；

扫描移动平台的移动速度；

(6)启动扫描平台，使它运动到光栅曝光的起始位置；

(7)输入光栅在每点曝光的时间，对光栅进行曝光，令扫描平台按以下占空比移动，直到光栅制作完毕，即：非曝光区也称空白区的长度为：

非曝光区长度＝0.5×每个取样周期的长度；

(8)把制作完成的光栅的两端用胶固定在精密机械调谐装置两端的夹具上；

(9)把该装置RS232接口与微机上的RS232接口相连，通过微机上的公知软件实现对机械调谐装置的控制，实现可调谐的色散补偿。

由以上方法设计出光纤光栅具有二次时延曲线，其色散与波长成线性关系，并且只需要一次曝光即可实现光栅的制作和切趾。该光纤光栅实现可调谐色散补偿的原理是这样的：光纤光栅在处于拉伸状态时，光栅的周期变长了，也就相当于系统的工作点向光栅的短波长方向偏移，从而引起了色散量的改变。因此将光栅固定在精密的机械调谐装置上，对光栅拉伸就可以实现对不同色散量的补偿。

附图说明

图1为光纤光栅的二次时延曲线示意图。

图2为光纤光栅的线性色散曲线示意图。

图3为本发明光栅的-1级反射峰的反射谱线。

图4为本发明光栅的-1级反射峰的时延曲线(a)和色散曲线(b)。

图5为本发明制作光纤光栅的装置示意图。

图6为本发明制作可调谐色散补偿器使用的精密机械调谐装置的示意图。

具体实施方式

本发明的可调谐色散补偿器制作方法分为两大部分：一是二次时延曲线的切趾取样光纤光栅的设计，二是可调谐色散补偿器的制作。具体的实施实例结合附图详细说明如下：

一、可调谐色散补偿器使用的光纤光栅的设计

设计要求的可调谐色散光栅的等效啁啾为：Λ_-1＝Λ_-1，0(1+cz^1/2)，取Λ_-1，0＝1545.7nm，c＝3×10^-4(mm)^-1/2。

对于公式(4)，取Z₀＝0.28mm。由公式2得到a＝0.037(mm)^-1/2。线性啁啾模板的啁啾系数c′为0.048nm/mm，从而得到b＝0.0024(mm)^-1，采用Hamming切趾 $>>\kappa >>(>z>)>>=>>>1>+>H>cos>[>\pi >>(>z>/>L>->1>/>2>)>>]>>>1>+>H>\; >>s>(其中光栅长度$ >>L>=>>\Sigma >>n>=>1>>200>>>Z>n>>>s>)，H为常数，取值为3，d取0.02，取样的周期数为200，即n＝1，2，3\dots \dots ，200，依次计算出各个取样周期的长度\{Z$$_n}，并得到光栅整个长度为85mm。

制作完成的光栅的-1级反射峰的反射和时延、色散曲线分别如图3、4所示：其色散工作波长为1545.2～1546.2nm，在带宽为1nm的范围内其色散从-980ps/nm变化到-220ps/nm。

二、可调谐色散补偿器的制作

本实施例光栅制作的装置如图5所示。其中，光源采用连续的244nm倍频氩离子激光器51(美国coherent公司生产)。扫描反射镜52固定在ESP6000扫描移动平台(Newport公司生产)53上，扫描移动平台运动精度为0.1mm。反射镜52具有扫描及反射光束的功能，并将激光器51输出的紫外光反射到线性啁啾相位模板54上，该相位模板长度为60mm，紫外光经过相位模板照射在其下的经氢载处理的标准单模光纤55上。ESP6000扫描移动平台与微机的PIO口(图中未示出)相连。通过在微机上运行事先设计好的驱动软件，改变移动平台的运动状态(运动速度、运动时间、运动距离)，使其按照某一运动规律运行，就可得到需要的光纤光栅。

本实施例的主要工艺流程如下：

①将光纤进行载氢处理并剥去一段涂覆层；

②将光纤固定在线性啁啾相位掩模板后，使之尽量贴近但不要贴上；

③调整激光器至输出约50mW的光功率；

④调整光路，使经扫描反射镜反射的光斑照射在光纤的纤芯上；

⑤打开微机的ESP 6000系统，进入软件的工作界面，并对ESP 6000进行初始化；

⑥启动扫描移动平台，使它可以自由运动；

⑦设置偏移量，使扫描移动平台运动到光栅曝光的起始位置；

⑧输入光栅在每点曝光的时间；对光栅进行曝光，令扫描移动平台开始移动，直至光栅制作完毕；

⑨将制作完成的光栅的两端使用胶固定在精密机械调谐装置的两端的夹具上；

⑩将RS232接口与微机上的RS232接口相连，通过微机上的软件实现对机械调谐装置的控制，从而实现可调谐的色散补偿。

在制作的整个过程中，采用谱宽为25nm的宽谱光源57、环行器56和精度为0.05nm的AQ-6315B光谱仪58进行光栅性能的测试，对光纤光栅的反射谱进行分析，可得到光纤光栅的性能参数。

制作可调谐色散补偿器使用的精密机械调谐装置的示意图如图6所示。底座1采用钢板制作，其它的部件都直接或者间接的构建在它上面。滑轨2固定在底座上，而精密电机3可以通过RS232接口6在计算机的控制下在滑轨上精密移动。夹具4固定在精密电机上，夹具5固定在底座上。将光纤光栅7的两端使用胶固定在夹具4、5上，外接光纤8是光栅的外延部分，在使用时通过它来实现与外部的光纤连接。

试验证明：本发明可以根据系统的需要灵活的设计出高质量的光纤光栅，而光栅的制作过程也比较简单、可靠，并且其调谐装置结构简单、性能稳定，有着很大的实用潜力。