利用高双折射均匀光纤光栅补偿偏振模色散的方法和结构

摘要

一种利用高双折射均匀光纤光栅补偿偏振模色散的方法和结构，属于光纤通信技术领域，其特征在于它包括：一写入到保偏光纤的均匀光纤光栅，一宽度沿长度方向变化的载物体，该载物体一端固定，另一端呈自由状态。将光纤光栅利用紫外胶或其它方式固化到载物体上，光栅轴向与载物体长度方向一致，从而构成一时延可变单元，载物体功用作为光栅轴向应变调节装置。该结构单元通过一三端环形器分别与偏振控制器和一段保偏光纤或双折射晶体相连接，从而形成一具有制备工艺简单易实现、成本低、结构灵巧和差分群时延易于连续动态可调的偏振模色散补偿器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用高双折射均匀光纤光栅补偿光纤偏振模色散(PMD，Polarization Mode Dispersion)的方法和结构及其制备；主要用于在高速光纤通信系统中由于光纤不对称性所导致的光纤PMD补偿；属于光纤通信技术领域。

背景技术

由于人们对信息量的需求日益增加，大容量、长距离传输永远是光纤通信技术追求的目标，从10Gb/s到40Gb/s，尤其是40Gb/s以上，原来不为人所重视的光纤PMD逐渐成为制约光纤通信系统升级和发展的主要障碍。所以自上个世纪九十年代以来PMD补偿技术受到了国内外研究人员的广泛关注。

PMD补偿技术可以简单分为两类：电域PMD补偿、光域PMD补偿。光域PMD补偿具有无需光电光转换、信号格式透明、带宽大，不受电子瓶颈限制等优点，也是有望解决40Gbit/s以上高速光通信系统的PMD补偿方案之一。其补偿机理是通过在传输线路的接收端附加一与光纤线路PMD矢量大小相等但方向相反的补偿单元，从而使在信号输入端至信号接收端整个线路的PMD为零，其基本原理如图1所示。

由于PMD特性与损耗、色散等光纤其它特性不同，它是一个随机可变量，一般一个PMD补偿器包含四个部分：偏振控制器；可变时延线；反馈信号探测单元和控制单元，如图2所示。偏振控制器的作用是改变信号输入到可变时延线的偏振态，或者理解为改变PMD补偿器的PMD矢量，使其与线路中的PMD矢量方向相反。可变时延线用于改变时延大小，即改变补偿器的PMD矢量的模，使其与线路中的PMD大小相等。反馈信号探测单元是描述PMD补偿程度的量，而控制单元则由控制算法(软件部分)和控制电路(硬件部分)两部分组成，用于根据线路PMD的变化使PMD补偿器做出实时的调节。PMD补偿器的关键之一是可变时延线。一个补偿性能好，响应时间快的补偿器对时延线的基本要求是：具有大的时延调节范围，具有快速的响应时间，插入损耗小和结构简单紧凑等。

目前PMD补偿器中补偿单元的可变时延线一般有以下几种：a，保偏光纤；b，光学器件；c，双折射LiNbO3波导结构；d，高双折射非线性啁啾光纤光栅等。保偏光纤一般采用温度调节差分群时延(DGD，Differential Group Delay)，响应速度相对比较慢，调节范围比较小，可操作性低。光学器件是采用偏振分束器，改变自由空间光程差从而改变时延，这种结构相对比较复杂。其中，光纤光栅具有全光纤结构，灵巧紧凑，DGD可大范围连续可调等优点，近年来引起研究者的关注。双折射光纤对不同输入偏振态具有不同的时延差，而光栅非线性啁啾使该光栅DGD具有可调节性。Lee，S等人(Photonics Technology Letters光子技术快报，1999年10月，11卷10期，1277-1279页)首次提出采用双折射非线性啁啾光纤光栅进行PMD补偿的方法。后来他们小组Pan Z，Xie Y，Lee S等人又对连接结构进行了优化(2000年OFC会议，第3卷113-115页)。双折射非线性啁啾光纤光栅可以利用非线性啁啾掩模板紫外写入到双折射光敏光纤上，或者利用线性啁啾掩模板通过控制对双折射光敏光纤的紫外曝光时间产生非线性啁啾。然而这些方法或者需要昂贵的非线性啁啾掩模板，或者需精确控制的曝光时间，制作技术重复性差，从而产品率相当低。而且，不同DGD可调范围需要不同的相位掩模板，更是增加了产品的成本。基于此，Xu Kun等人(Opt.Comm.光通信，2002年，202期297-302页)提出了一种基于取样光纤光栅结构的可调PMD补偿器，取样光栅可以利用均匀相位掩模板制作，但取样光纤光栅制作难度比较大，重复性较差。随后，Xia Zhang等人(Opt.Comm.光通信，2002年，214期123-127页)发表了一种线性啁啾光纤光栅型可调PMD补偿器设计方案，采用对光栅施加侧向应力的方法，产生应力双折射，从而调节光纤光栅DGD，该方案由于对光纤光栅侧向施压，而我们知道光纤尤其是光纤光栅在侧向受力时比较脆弱，容易断裂，从而使用可靠性上大打折扣。但是以上结构的PMD补偿器都是基于线性啁啾光纤光栅或非线性啁啾光栅，一般需要造价高的啁啾相位掩模板制作。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用高双折射均匀光纤光栅补偿偏振模色散的方法和结构，该PMD补偿器件制备简单、结构灵巧，DGD易于连续可调，以解决当前一些光纤光栅型PMD补偿器存在的制作工艺复杂、成本高、重复性差和可靠性低等先天缺陷。

本发明的目的是通过如下实现的：

一种利用高双折射均匀光纤光栅补偿PMD的方法和结构，其特征在于包括：可变时延线4由两部分组成：一根高双折射均匀光纤光栅1以及用于粘附的一宽度沿长度方向变化的载物体2。载物体2具有均匀的厚度，但是其宽度沿载物体长度z方向是一个变化的函数f(z)。将载物体2一端固定，而另一端呈自由状态放置。其功用作为光栅轴向应变调节装置。光纤光栅信号输入端与一具有三端口的光纤环形器6的端口b相连，在环形器端口a前连接偏振控制器5，环形器端口c连接一段保偏光纤或双折射晶体7，连接时采用保偏光纤熔接机或附加一偏振旋转器11确保其PMD矢量与光纤光栅的PMD矢量方向相反，从而调节本发明补偿器的DGD变化范围，然后经过耦合器或分束器10将信号输出到接收端，经过耦合器分束后部分信号由反馈信号探测单元8进入控制单元9，对偏振控制器5和该基于光纤光栅的可变时延线4进行自适应调节，构成一完整的基于高双折射均匀光纤光栅的PMD补偿器。

在温度不变的条件下，对均匀光纤光栅施加轴向应力ε(z)(z表示光栅轴向位置)，则由于光纤的弹性效应，可以得到光栅在z处的Bragg波长表示为：

λ(z)＝2n_eff[Λ₀+Λ₀(1-ρ_e)ε(z)]                           (1)

式中，光纤折射率n_eff，ρ_e为弹光系数，Λ₀表示均匀光纤光栅的周期。由上式可以直接看出，光纤光栅的反射Bragg波长偏移大小和应力直接相关。如果对光栅施加一梯度渐变应力，由于光栅有效周期的变化，Bragg波长将沿光栅长度方向线性变化，从而使均匀光纤光栅变为线性啁啾光纤光栅。而如果施加的应力沿轴z方向为一非线性函数，则可知，此时均匀光纤光栅将演变为一个非线性啁啾光纤光栅。因此，如果对一高双折射均匀光纤光栅在其轴向施加非线性应力，则该光栅演变为一高双折射非线性啁啾光纤光栅。信号经光栅反射后在光栅两快慢偏振主轴方向间引入一可变时延量。而反射波长和反射位置的非线性关系决定了光栅的群速度色散和DGD等性质，从而使光栅具有DGD调节能力。因此，通过设计合适的光栅应力分布场，可以获得期望的光栅特性。

本发明的可变时延线结构主要包括两个部分：高双折射均匀光纤光栅1和一宽度沿长度方向变化的载物体2，该载物体一端固定，而另一端呈自由状态。光栅可利用紫外胶或其它胶固化到载物体上。设光栅长度为l，载物体长为L，厚度为t，而宽度随载物体长度方向变化的函数表示为w(z)。在载物体2自由端施加一偏移量Y，则产生一轴向非线性分布的应力场，从而使双折射均匀光纤光栅1转化为双折射非线性啁啾光纤光栅3，施加偏移量时有两种情况，一种是对光栅产生挤压应变，使光栅在轴向各处的布拉格周期变小，一种是对光栅产生拉伸作用，使光栅在轴向各处的布拉格周期变大。该光栅的一个重要特征是其DGD可调，因为通过改变载物体自由端的偏移量，产生轴向非线性应力分布ε(z)，进而动态调节光栅DGD。

基于高双折射均匀光纤光栅的一完整的PMD补偿器结构中，反馈信号探测单元，控制单元和偏振控制器等组成的反馈控制结构是被广大研究人员广泛认可的一种方式。本发明内容重点在基于均匀光纤光栅的可变时延线结构4。该发明的另一个内容是：在环形器6的c端连接一段具有一特定DGD值τ_fix的保偏光纤或双折射晶体7，在连接时采用保偏光纤熔接机或附加一偏振旋转器11确保其PMD矢量与光纤光栅PMD矢量方向相反。其目的是用于改变该可变时延线结构4的DGD调节范围，即最小值和最大值。双折射均匀光纤光栅1有一个初始值DGD值τ₀，非线性应力决定了DGD的调节幅度Δτ。可以知道该可变时延线DGD调节范围为(τ₀-τ_fix，τ₀-τ_fix+Δτ)，如果令τ_fix＝τ₀，则该可变时延线结构4可以实现在(0，Δτ)范围动态连续可调。

所述的基于高双折射均匀光纤光栅的PMD补偿器的实现方法，包括以下步骤：

第一选择普通保偏光纤(可以是熊猫型，领结型，D型等结构)或掺锗光敏保偏光纤并氢载。选择光纤时主要参数依据是保偏光纤的双折射或拍长大小，因为双折射越大(小)，即拍长越小(大)，其上写入的光纤光栅初始DGD值就越大(小)，对应的调节范围就越大(小)。利用紫外写入技术，对该段保偏光纤通过均匀相位掩模板进行紫外写入光栅，形成双折射均匀光纤光栅1。

第二采用紫外胶等固化胶或其它方式将该光栅粘附到一宽度沿长度方向变化的载物体2上。将载物体2一端固定，一端呈自由状态。自由端偏移量调节可通过步进、饲服电机或具有电压—应变响应特性材料，如压电陶瓷等进行电控，从而对光栅轴向应变进行调节。

第三将该光栅结构与一三端环形器6端口b相连，并在环形器6端口a前连接偏振控制器，c端利用保偏熔接机接一段具有合适DGD值的保偏光纤或双折射晶体7，用于DGD变化范围调整。连接时采用保偏光纤熔接机或附加一偏振旋转器11确保其PMD矢量与光纤光栅的PMD矢量方向相反。

第四选择反馈信号，设计控制单元的软件和硬件部分，进行封装处理，即可构成该发明所述的基于高双折射均匀光纤光栅的PMD补偿器。

本发明的主要优点是：采用了制作简单、成品率高，价格低廉的高双折射均匀光纤光栅，而非需要昂贵的非线性相位掩模板，且制作复杂、工艺要求高的高双折射非线性啁啾光纤光栅。对载物体自由端偏移可以采用步进电机、饲服电机或具有电压—应变响应特性的压电陶瓷材料进行偏移量控制。

附图说明

图1为PMD补偿系统示意图；

图2为PMD补偿器结构示意图；

图3为本发明的基于高双折射均匀光纤光栅的可变时延线结构示意图(a)，高双折射均匀光纤光栅结构示意图(b)：信号经光栅反射两快慢偏振主轴方向间引入一可变时延量；

图4为本发明基于高双折射均匀光纤光栅的PMD补偿器结构示意图；

图5为本发明基于高双折射均匀光纤光栅的可变时延线结构俯视图；

图6为自由端偏移Y距离时，对光纤光栅施加非线性应力的俯视效果图：(a)挤压方式，(b)拉伸方式；

图7为在不同偏移量下双折射光纤光栅的时延曲线示意图；

图8为DGD随偏移量的变化关系示意图；

图9为当载物体宽度沿长度方向变化的函数为线性递减(a)、非线性增加(b)或者非线性递减(c)变化情况时基于高双折射均匀光纤光栅的可变时延线结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明所述的基于高双折射均匀光纤光栅的PMD补偿器设计时需要事先知道该PMD补偿器的补偿信道波长、实际光纤线路中的PMD变化范围等，从而确定选用的保偏光纤的双折射大小，写入光栅的中心Bragg波长，光栅和载物体长度，以及载物体宽度沿光栅和载物体轴向的变化函数等参数。根据这个发明构思而提出的具体设计思路可简述如下：

首先，测量并统计实际光纤线路中的PMD分布情况，从而确定PMD补偿器的DGD调节范围，对载物体长度、宽度沿长度方向的变化函数进行设计，这是本发明的重要部分之一。

其次，根据补偿信道波长，选择合适的相位掩模板，利用紫外写入技术在保偏光纤写入Bragg波长与信道波长一致的光纤光栅。

然后，需要确定用于DGD变化范围调节的一段保偏光纤或双折射晶体的DGD大小。一般PMD补偿器要求可变时延单元调节范围为(0，Δτ)，因此，使该段保偏光纤或双折射晶体的PMD矢量与光纤光栅的初始PMD矢量(即无应变时)方向相反，大小相等。

最后，在图3所示的光纤光栅1信号输入端与一具有三端口的光纤环形器6的端口b相连，在环形器6端口a前连接偏振控制器5，环形器6端口c连接一段保偏光纤或双折射晶体7，连接时采用保偏光纤熔接机或附加一偏振旋转器11确保其PMD矢量与光纤光栅的PMD矢量方向相反，从而调节本发明补偿器的DGD变化范围，然后经过耦合器或分束器10将信号输出到接收端，经过耦合器10分束后部分信号由反馈信号探测单元8进入控制单元9，对偏振控制器5和该基于光纤光栅的可变时延线4进行自适应调节，即可设计实现本发明所述的基于高双折射均匀光纤光栅的PMD补偿器，如图4所示。

实施例一：

如图3所示，本发明设计的基于高双折射均匀光纤光栅的PMD补偿器的可变时延单元4由两部分组成：一根高双折射均匀光纤光栅1以及用于粘附的一宽度沿长度方向变化的载物体2。载物体2具有均匀的厚度，但是其宽度沿载物体长度z方向是一个变化的函数f(z)。将载物体2一端固定，而另一端呈自由状态放置。其功用作为光栅轴向应变调节装置。图5为基于高双折射均匀光纤光栅的可变时延线结构俯视图。选择一楔形结构的载物体，该载物体的宽度随长度线性增加，可以数学描述如下：