（通信与信息系统专业论文）色散补偿光纤模块的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 色散是指不同频率的光信号在传输媒介中由于群速度不同而产生分离的现 象。产生这种现象的实质是当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介 质响应通常与光波频率有关，这体现在折射率对频率的依赖关系上，此关系称 之为光纤色散特性。光纤色散会使光脉冲在传输中时域展宽，强度降低，导致 通信系统的误码增加，限制了光脉冲无中继传输距离。 目前，色散补偿光纤是现在2 5 g 和1 0 g 商用光纤通信主干道中解决色散问 题的主要方式之一，比例约占8 0 以上。但是由于该方法在偏振模色散和精确 度上无法满足更高速率更大带宽的通信系统，例如4 0 g 带宽的主干道，更不用 说将来的1 0 0 g 系统。所以，色散补偿光纤正在逐步被光纤光栅淘汰。但是光纤 的制造技术已经非常成熟，成本低廉，如果能解决偏振模问题，那么在即将建 设的4 0 g 系统中大大地降低了系统成本。 本文首先介绍了色散补偿光纤模块的相关原理，然后介绍了四端口光无源 器件的结构原理及其光波导传输原理，最后对整个模块进行仿真和实际测试。 关键词：色散，色散补偿光纤，偏振模色散，偏振态旋转 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s p e r s i o nr e f e r s t ot h e o p t i c a l s i g n a l s o fd i f f e r e n t f r e q u e n c i e si n t h e t r a n s m i s s i o nm e d i u mc a u s et h es e p a r a t i o no fp h e n o m e n ab yd i f f e r e n tg r o u pv e l o c i t i e s t h ee s s e n c eo ft h i sp h e n o m e n o ni st h a tt h ei n t e r a c t i o no fab u n c ho fe l e c t r o m a g n e t i c w a v e sa n dd i e l e c t r i cb o u n de l e c t r o n ，t h em e d i u mr e s p o n s eu s u a l l ya s s o c i a t e dw i t h f r e q u e n c yo fw a v e t h i si sr e f l e c t e di nt h ef r e q u e n c yd e p e n d e n c eo ft h er e f r a c t i v e i n d e x t h i sr e l a t i o n s h i pi sc a l l e df i b e rd i s p e r s i o nc h a r a c t e r f i b e r d i s p e r s i o ni n t r a n s m i s s i o nw i l lm a k et h eo p t i c a lp u l s eb r o a d e n i n gi nt i m e d o m a i n , r e d u c i n g i n t e n s i t y , r e s u l t i n gi ni n c r e a s e db i te r r o r o fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，l i m i t i n gt h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ew i t h o u t r e p e a t e r s a tp r e s e n t , t h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e ri sn o wo n eo ft h em a i ns o l u t i o no f 2 5 ga n d10 gc o m m e r c i a lb a c k b o n eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n t h ep r o p o r t i o ni s a b o u tm o r et h a n8 0 h o w e v e r , d u et ot h em e t h o dc a l ln o tm e e tt h eh i g h e rr a t ea n d g r e a t e rb a n d w i d t hi nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ep o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o na n d a c c u r a c y , f o re x a m p l e4 0 gb a n d w i d t hb a c k b o n e ，n o tt om e n t i o nt h ef u t u r eo f10 0 g s y s t e m t h e r e f o r e ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e ri sg r a d u a l l yb e i n gp h a s e do u tb y b r a g gg r a t i n g h o w e v e rt h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo ff i b e ri sv e r ym a t u r e ，l o w - c o s t i fw ec a l ls o l v et h e p r o b l e mo fp o l a r i z a t i o nm o d e ，t h e nt h e b u i l d i n gi nt h e f o r t h c o m i n g4 0 gs y s t e mw i l lr e d u c et h es y s t e mc o s tg r e a t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e l a t i v ep r i n c i p l e st h eo fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r m o d u l e ，t h e ni n t r o d u c e ds t r u c t u r eo ft h ep r i n c i p l ea n do p t i c a lw a v e g u i d et r a n s m i s s i o n p r i n c i p l eo ft h ef o u r - p o r to p t i c a lp a s s i v ed e v i c e ，f i n a l l y , s i m u l a t ea n da c t u a lt e s tt h e e n t i r em o d u l e k e y w o r d s ：d i s p e r s i o n ，d c f , p m d ，p o l a r i z a t i o nr o t a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另l j j t l 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：边壑玺e 1 期：趋2 ：盟 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 孛乙弹 导师( 签名) 弛日期山似 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章介绍了进行色散补偿光纤( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ，简称d c f ) 的研究的意义，概述了色散补偿的种类及发展概况，简单讨论了各种色散补偿 技术的机理及优缺点，并对全文的工作作了概述。 1 1 研究色散补偿光纤及模块的意义 国际互联网( 烈t e i 矾e t ) 的飞速发展，许多多媒体宽带综合数字业务应运 而生，如电子商务、远程教学、视频点播、远程医疗、家庭办公以及高清晰度 数字电视( h d t v ) 等。这些新型宽带业务的出现，使得社会对信息的需求量呈 爆炸性增长，预计2 0 1 2 年信息需求量将成为现在的1 0 倍，2 0 1 5 年信息需求量 将成为现在的1 3 0 倍。这就客观上要求通信技术向宽带化、数字化、综合化、 智能化、个人化和全球化的方向发膨。 光纤通信系统由于具有巨大的通信带宽潜力，必将在未来的宽带通信中发 挥难以替代的作用，在通信系统中占的比例也会越来越大。近年来，骨干网i p 业务指数增长趋势及每比特传输成本的下降对光传送系统提出了新的要求，这 就是在提高容量的基础上进一步降低传输成本。借助现有商用d w d m 技术基本 构架，从提高系统传输容量的角度来考虑，其方式【2 】有( 1 ) 提高单通道速率， ( 2 ) 减少通道间隔；( 3 ) 扩展可用带宽。( 4 ) 采用新技术，如偏振复用或是采 用o t d m 技术使容量加倍。在多种技术方案中，d w d m + e d f a 的方式仍然是 主流。近期，高速光通信中的一系列关键技术如色散补偿、脉冲调制、拉曼放 大、4 0 g b s 收发模块( t r a n s p o n d e r ) 等导致高速、宽带通信日趋成剥3 1 。 色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光 纤的传输容量。对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度 色散，在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。随着脉冲在光纤中传输， 脉冲的宽度被展宽，劣化的程度随数据速率的平方增大，决定了电中继器之间 的距离1 4 j 。如图1 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 咖80 厂t ：| 【尉瞳 ：j 图1 1 光纤中的色散现象1 5 i 色散对系统传输距离的限制可以用下式估算： l = 1 0 6e ( bd 觑) ( 1 1 ) 式中：l _ 一色散受限距离( k m ) e 当光源为多纵模激光器时取01 1 5 ；单纵模激光器时取0 3 0 6 b 传输速率( m b s ) p 光纤色散系数( p s n m k i n ) 6 。光源的均方根谱宽( 衄) 由此可见，光系统传输距离由光纤本身的色散，系统传输速率以及光源的 性能所决定的。在传输系统设计时，不考虑光源的因素，传输距离与传输速率 和光纤色散的关系是： b 2 【m ，i h + d b h h l = 1 0 5 ( 12 ) 根据( 12 1 式，假定传输光纤为g 6 5 2 光纤，在1 5 5 0 n m 的色散是 1 6 p s t ( n m l 皿1 ，则在25 g b s 时，理论传输距离为1 0 0 0 公里。 综上所述，色散补偿器在光纤通信中有着广泛的应用，尤其是在基于d w d m 的全光通信网络中将发挥关键性的作用。因而色散补偿器的研究是一项极有意 义的课题。 1 2 色散补偿的种类及研究概况 目前光传输系统中的色散补偿，可行的色散补偿方法可以分为两太类，其 一是基于光纤的色散补偿技术；其二采用色散补偿模块f o e m ) 对通道色散及色散 斜率进行补偿。应用在波分复用系统中的色散补偿技术发展的几个特征嘲： ( 1 ) 动态色散补偿。在4 0 0 b sd w d m 长距离传输系统中，色散容限约为 5 0 p s n a n ，色散和色散斜率需要及时的精确补偿。同时，链路中温度变化产生的 色散波动也需要动态补偿。 ( 2 ) 宽带。为满足传输容量不断增加的需要，波分复用传输系统工作波段己 由原来的c 波段( 1 5 3 0 n m 1 5 6 5 n m ) 、l 波段0 5 6 5 n m 1 6 2 5 r t r n ) 扩展到s 波段 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 4 6 0 n m - 1 5 3 0 n m ) 。工作在更多波段的光纤、波分复用器件、放大器不断成熟。 因此，在带宽增加的情况下，如何经济有效的对色散进行补偿，是人们研究的 重点之一川。 ( 3 ) 环境温度。环境温度的变化对光纤色散值的影响是4 0 g b sd w d m 长距 离传输面临的另一个技术挑战。自适应色散补偿模块( a d c m ，也称为动态色散 补偿技术) 是解决温度影响和不同光通道残留色散的可行解决方案，目前基于光 纤光栅( f b g ) 的自适应色散补偿技术已成功在4 0 g b s 传输系统中演示【引。 针对4 0 g b s 系统的构建，采用固定色散值的d c m 进行粗色散补偿，结合 动态色散补偿来补偿残留色散将是最佳的色散补偿方案。动态色散补偿、色散 斜率补偿技术在未来几年中将取得飞速发展。这些不同的色散补偿方式各有优 缺点。下面从通信系统对色散补偿的要求出发来分别讨论。 1 2 1 色散补偿光纤 基于色散补偿光纤制成的色散补偿器是一种插入通信线路集中式色散补偿 器，以补偿传输光纤所积累的色散。在d w d m 系统中，由色散补偿光纤制成的 色散补偿模块广泛用于长途、高速的传输系统中，实现稳定的色散补偿功能。 针对色散补偿光纤，也有比较深入广泛的研究1 9 。本文在比较几种色散补偿技术 的基础上，着重研究色散补偿光纤。 1 2 2 光纤布拉格光栅( f b g ) 色散补偿 光纤光栅色散补偿原理如图1 2 所示。啁啾光纤光栅的光栅布拉格周期沿光 纤方向呈周期性线性变化，因此不同波长的光经过啁啾光栅时被反射的位置不 同，这就出现了不同波长经f b g 反射后产生不同的时延，使得这种光栅具有波 长色散的特性。利用这一特性可以补偿光纤线路中的色散，所能补偿的色散量 及带宽由光栅长度和啁啾量来决定。 武汉理工大学硕士学位论文 嗍嗷毙野兜据 环形器 图1 2 啁啾光栅色散补偿原理【1 0 】 1 2 3 色散管理 采用反常色散光纤，利用正负色散系数的光纤交错连接，保证总的净色 散为零。色散补偿原理如图1 6 所示【1 4 1 。 菖 量 e 耧 擐】 警 罄 锌硌哎席触1 图1 3 色散管理技术的色散补偿原理 这种方法不适合已敷设的光纤系统；在新建的海缆通信系统中普遍采用了 这种色散管理技术。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 4 谱反转技术 图1 4 谱反转法的流程图 中途谱反转法( m s s i ，m i d s p a ns p e c t r a li n v e r s i o n ) 又称为光相位共轭法 ( o p c ) ，是利用半导体光放大器或光纤中的相位共轭过程实现频谱反转，即在 传输链路的中点将信号频谱或波长共轭反转，从而使第一段光纤中产生的色散积 累由波长反转后的第二段光纤中符号相反的色散抵消，实现色散补偿。频谱反 转方法的流程如图1 4 所示【l 引。 1 2 5 虚像相位阵列法 虚像相位阵列法( v i p a ，v i r t u a li m a g e dp h a s e d a r r a y ) 的光学系统包括准直 和会聚透镜、玻璃板和三维反射镜( 用于产生束腰的多个虚像) 。是光学色散补 偿方法，主要利用角度色散进行分波，并将不同波长光信号进行不同的延时处 理。其原理结构如图1 5 所示。虚像的位置依赖于光传播的距离，而距离又随波 长的不同而改变，这样就形成了色散。通过改变三维反射镜的形状，可以得到 正色散或负色散，而且针对每一波长，合理选择反射镜形状，也可实现斜率补 偿。最近一些研究表明，通过改变反射镜的位置还可实现可调谐色制1 6 1 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的工作 准直透镜 玻璃板 球丽透镜 x 图1 5 虚像相位阵列的色散补偿原理 y 国内对色散补偿光纤的研究起步较晚，其研究的深度和广度与国际上的先进 水平差距较大，尤其在高品质因数和斜率补偿方面更是如此。本文试图在提高 色散补偿光纤型色散补偿器的性能方面做一些工作。理论上建立完整的理论模 型，实验上利用实验室自行研制的色散补偿模块实现c 波段的色散补偿。具体 的工作如下： 第一章讨论了d w d m 网络中色散补偿的应用，分析了研究色散补偿的意 义，综述了色散补偿的种类及研究概况，比较了各种色散补偿技术的优缺点。 第二章研究了色散以及色散补偿的理论基础，在推导出脉冲展宽的基本方 程后，研究了色散对传输系统容量的限制。对色散补偿机理进行了必要的讨论， 并对基模和高阶模色散补偿光纤的色散补偿原理进行了比较。 第三章提出了色散补偿光纤模块的结构，并分别对模块中各部分进行详尽 的阐述。基于这一结构，本文首先介绍四端口光无源器件的结构原理和波导原 理，并且在失配准直器上进行g l e n s 重设计，使之相匹配。然后对色散补偿光纤 进行结构设计并仿真和制造出来。 第四章提出了色散补偿光纤的内部结构，并达到高色散值，低弯曲损耗的 要求。 第五章是对全文工作的总结。首先给出了模块的测试结果，然后和其他公 司的产品进行比较，最后给出模块各个参数。 第六章是对本文的创新点做了简要的回顾，并且对产品进一步优化和升级 提出了相关的建议。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤中色散的理论基础 色散是指不同频率的光信号在传输媒介中由于群速度不同而产生分离的现 象。产生这种现象的实质是当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介 质响应通常与光波频率有关，这体现在折射率对频率的依赖关系上，此关系称 之为光纤色散特性。光纤色散会使光脉冲在传输中时域展宽，强度降低，导致 通信系统的误码增加，限制了光脉冲无中继传输距离。 单模光纤中的色散包括群速度色散( g v d ) 和偏振模色散( p m d ) 两大类 【l 刀。群速度色散是指单模光纤中基模的传输系数随频率而变化，从而造成群速 不同，这主要是因为实际光源都是具有一定谱宽的复色光源的结果。偏振模色 散产生于单模光纤基模的两个互相正交的偏振模之间，由于受到外界一些不稳 定因素的影响而使两者具有不同的传输速率，从而导致模式间的差分群时延， 也就是偏振模色散【l 引。 本章讨论了色散以及色散补偿的基本理论。在推导出脉冲展宽的基本方程 后，研究了色散对传输系统容量的限制。对色散补偿机理进行了必要的讨论， 并对基模和高阶模色散补偿光纤的色散补偿原理进行了比较。本章是以后各章 对色散补偿光纤具体应用做理论和实验研究的基础。 2 1 光纤中光脉冲传播方程 在无损介质中，麦克斯韦方程组为1 9 1 v x h ：望 研 v 肛一詈一风警 v b = 0 v d = p 电介质中电位移矢量d 与极化强度矢量p 之间的关系为 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 d = e o e + p ( 2 5 ) 取( 2 2 ) 式的旋度，并利用( 2 1 ) 和( 2 5 ) 式，得到波动方程 v 2 啦筹一鳓警 纪6 ) 式中， c = 1 风是自由空间的光速度，p 是电极化强度矢量。( 2 6 ) 式是我 们求解时域中电磁波传播的基本方程。对于自由空间 p = o ；d = e ( 2 7 ) 假设光纤中传播的光信号是由单色波或准单色波经信号调制得到，对经强 度调制信号可以写成 e = e x a ( z ，r ) 矽( x ，y ) e x p u ( w o t 一风z ) 】 ( 2 8 ) 式中e ) 【是x 方向单位矢量，也就是假设光波是线偏振波。a ( z ，t ) 是信号的包络， 相对于光载波频率w 0 ，a ( z ，t ) 是一个随时间慢变化的函数。由( x ，”是光场的横向分 布函数。6 0o ，bo 分别是光载波的频率和相位常数。由( 2 8 ) 式所给出的光信号， 当然可以在中心载频o 附近作傅立叶展开，即 e ( x ，y ，z ，f ) = l e ( x ，y ，z ，w ) e x p ( m t ) a w ( 2 9 ) e ( x ，y ，z ，川= la ( z ，f 渺( x ，y ) e x p j ( w o t p o z ) 一j w t d t ，_ m = a ( z ，w w o ) 矽( x ，y ) e x p ( 一歹风z ) ( 2 1 0 ) 【v ；+ 瑶刀2 ( 川一所】彳( z ，w ) y ( x ，少) + l 一，2 f l oo a ( z 化, a w ) 一t 旦三型蓦；芋竺堕l 吵( x ，y ) = 。 由于a ( z ，a ( - ) ) 是z 的缓变函数，而且b0 很大，因而在上式中可以忽略 鱼墨之坐项。对上式略加改造即可得到如下两个方程 【v ；+ i , o2 ( 们一所】沙( x ，y ) = 0 ( 2 1 1 ) 一歹2 成型掣t - ( 2 一所) 彳( z ，a w ) ：0 ( 2 1 2 ) ( 2 1 1 ) 式就是光纤中频率为6 0 的模式场所满足的波动方程，1 3 = 1 3 ( ( i ) ) 是其 相位常数。 ( 2 1 2 ) 式则是信号脉冲包络函数沿传播方向的演化方程。对于窄带信号， 即a o ，而u ( o ，( i ) ) 则是输入端信号的频谱函数，即 8 武汉理工大学硕士学位论文 u ( o ，w ) = 亡i u ( o ，t ) e x p ( - j w t ) d t ( 2 1 3 ) _ ( 2 1 3 ) 式说明，由于g v d 的存在，信号中不同的频率分量在传播同样的 距离以后产生不同的相移，从而导致信号的畸变。传播到z 点以后，时域中归一 化的脉冲包络函数经傅立叶反变换即可得到，即 u ( z ，丁) = i u ( z ，w ) e x p ( 一j 寺f 1 2 t m 2 z + 一r ) d w ( 2 1 4 ) ， 2 2 光纤中色散的基本方程 在数学上，光纤的色散效应司以通过在中心频率( - ) 0 处展开成模传输常数1 3 的泰勒级数来解决，如式( 2 1 5 ) 【2 0 】所示。 光纤在入= 1 5 5 0 n m 窗i i l 的色散可表示为： ，= 从刍骶) + 等等娲) + 入。为脉冲的中心波长，起谱宽为a 入，a t 为色散宽度。气= j 去，其中1 等 1 ，i 厶j 于链路长度。v ( 入o ) 代表光以入0 传输时的群速度。式( 2 1 5 ) 又可以写成： f = m 刍毗) + 等嘉叭” ( 2 1 6 ) 其中一阶色散d ( 入o ) 和二阶色散d ( 入o ) 可表示为： 姒) = 刍 捌批，眦) = 刍儿南 在入= 1 5 5 0 n m 窗口，对标准单模光纤来说，d 1 7 p s ( r i m k m ) ，d 0 0 6 p g ( r i m 2 k m ) 。 2 3 脉冲展宽机理 光纤中存在着群速度色散( g v d ) 和非线性效应。当不考虑非线性效应而 只考虑光纤中的g v d 效应时，归一化振幅u ( z ，t ) 满足线性微分方程【2 1 】： 警= 丢厦等 旺 9 武汉理工大学硕士学位论文 哪阳x p 去 眨 嘶) = 瓦i ! 卅 副t 2e x p ( 州肌去p 一孚 将其代入( 2 1 8 ) 式，可得 咐) = ( 1 + 舒咄她k - 射 眩 她，耻千互1t a n 。1 专 z l d t 2 ( 2 2 0 ) 式中的“千号，在b2 0 时取负号，b2 0 ，0 2 0 ，呈正常色散。 为使色散得到完全补偿，线路中色散补偿光纤的长度应满足关系 厶= 一兰厶 ( 2 2 5 ) d 2 为减小线路总的衰耗，通常l 2 应尽可能小，所以色散补偿光纤的色散系数 应尽可能大，实际上，色散补偿光纤就是具有高色散系数的光纤。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 高阶模色散补偿光纤的工作机理 高阶模色散补偿光纤【2 8 】将常规单模光纤中的l p o l 模通过模式转换变为l p 0 2 模，由于l p 0 2 模在光纤中的功率大小依赖波长，当波长逐渐增大，接近l p 0 2 模 截止波长时，纤芯中的l p 0 2 模功率逐渐减小，大部分功率进入包层，又由于光 纤包层的折射率低于纤芯的折射率，光波在包层的群速度大于在纤芯中的群速 度，即光波在光纤中的传输群速度随波长的增加而增加，即群时延随波长的增 加而减少，因此，l p 0 2 模在接近截止时具有较大负色散。 2 5 本章小结 本章讨论了色散以及色散补偿的基本理论，为本文以后的模型设计、模拟 和实验工作打下了理论基础。 一 首先从麦克斯韦方程出发得出了光纤中光信号传播方程的基本方程，并讨 论了光波在传播中正色散和负色散的物理意义。通过傅立叶变换得出了传播方 程的形式解，并得到了光纤中的色散方程，这个方程构成了描述信号在光纤中 色散特性的基本方程。 其次，利用光纤中的色散方程分析了脉冲展宽机理，讨论了高斯光脉冲在 色散介质中的展宽特性，给出了脉冲展宽的物理解释。得出了高斯光脉冲的展 宽因子，构成了色散对通信容量限制的的理论基础，并分三种情形讨论色散对 通信容量的影响。 然后，利用光波在传输中的脉冲传输方程，建立了输出脉冲包络幅度的解 析公式这是色散补偿的理论基础。在此基础上，分析了利用基模色散补偿光纤 和高阶模色散补偿光纤两种负色散光纤型色散补偿器件的补偿机理，这两种色 散补偿光纤各有优缺点：基模色散补偿光纤由于具有结构简单、容易实现的优 点，一直是国际上研究的热点，也是本文理论和实验的主要研究对象。高阶模 色散补偿光纤的有效面积较大，可以降低光纤的非线性，但应用时需附加模式 转换器，实现起来比较复杂，损耗也大。本章是以后各章对色散补偿光纤具体 应用做理论和实验研究的基础。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章四端口无源器件的设计 3 1d c f 模块的结构及分析 本文中使用的方法是利用偏振态旋转器和两个光环行器【2 8 1 将光信号来回两 次通过色散补偿光纤，从而使d c f 的长度减半及大大降低偏振模色散。原理图 如图3 1 。 图3 - 1 色散补偿光纤模块的原理图 光环行器是三端口无源器件，光信号按照1 2 ，2 3 的传输方式。光信号从 输入端进入模块内，从环行器( 1 ) 端口一进入，端口二输出，然后通过色散补 偿光纤，再经过环形器( 2 ) 端口二，端d - - 输出后进入偏振态旋转器，此时光 信号的偏振态旋转9 0 度。从偏振态旋转器输出后，进入光环形器( 2 ) 端口一， 再从端1 2 1 - - 输出后第二次进入色散补偿光纤，然后从端口二进入环行器( 1 ) ， 最后从端口三输出。 光信号在该模块内两次通过色散补偿光纤，如果光纤的长度是n 千米，此 模块对色散补偿的效果相当于2 n 千米的色散补偿光纤所带来的效果。偏振模色 散是由于实际的单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程 中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两 模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，展宽 量也不确定，便相当于随机的色散。随着传输速率的提高，该色散对通信系统 的影响愈来愈明，而且越来越不可低估。光在通过偏振态旋转器之后，由于偏 振态旋转了9 0 度，两个相互垂直的偏振模传播速度相互调换，当光信号由原路 返回后，光脉冲展宽的效果抵消，也就大大的降低了偏振模色散。 武汉理工大学硕士学位论文 考虑到缩小模块空间和提高保密的效果，并且尽量降低插损，本文对模块 内部结构进行重设计，将两个环形器和偏振态旋转器合并成为一个四端口无源 器件。 色散补偿 光纤盘 f | 输入 l 无源 图3 2 色散补偿模块结构图 在图3 2 中，本文将偏振态旋转器和两个环行器合并成为一个四端口器件， 并且是在内部原理上实现合并，下文将具体分析其光路。光信号从输入端射入， 再从端1 3 - - 射出。为了减小色散补偿光纤和g 6 5 2 单模光纤直接熔接所带来的损 耗，本文将色散补偿光纤直接插入准直器里，替代常规的g 6 5 2 单模光纤。光信 号从端口二射出后进入色散补偿光纤，此时色散补偿值为负值，并且要求该光 纤的色散补偿斜率与所补偿的光通信信道色散斜率相匹配。光信号通过色散补 偿光纤后进入端口4 f ，并且从该端口反射出来，且光信号的偏振态旋转了9 0 度。然后光信号再次通过色散补偿光纤进行第二次补偿。最后光信号进入端口 二，并从端口三射出。这是光信号通过该模块完整的光路分析，然后本文将具 体分析光信号在四端口无源器件里的光路。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p 4 准矗器 双折射晶体 婆! ? 第 牛波片硬折射品体法牝第旋转器牛波片 取折射品体 ( 1 )旋转器( 3 )( 2 ) 567 8 g 图3 - 3 四端口无源器件结构图 图3 3 是该四端口无源器件的结构原理图，该结构成功的实现了模块的光波 导功能。以下是对该结构的光路进行分析。 双折射晶体( 1 ) 和( 2 ) 是将入射出射光束进行偏振分光厶光，它们的0 光为y 方向偏振，e 光为x 方向偏振。双折射晶体( 3 ) 是进行光束引导，实现 环形功能，其中的0 光为x 方向偏振，e 光为y 方向偏振。法拉第旋转器的旋转 角是4 5 度。p 为p 型2 , 2 波片，n 为n 型2 , 2 波片。棱镜( 1 ) 是起反射作用， 棱镜( 2 ) 是起导光作用。这种光学器件可以实现从端口一到端1 2 1 - ，端口二到 端口三，端口四到端口四，其中端口四中的入射光和出射光之间的偏振态旋转 了9 0 度。 其原理图如图3 2 所示。分析时，设定旋光方向为顺时针( 即x 轴方向转 向y 轴方向) 时，旋光角度为正，反之为负。对端口一到端口二进行光路分析， 端口一处的入射光为任意偏振光，在通过双折射晶体( 1 ) 之后被分解为两束偏 振态相互垂直的线偏振光：0 光，e 光( 位置2 ) ，0 光穿过双折射晶体后路径没 有改变，e 光通过后向下偏移。这两束光通过法拉第旋转器后，偏振态都被旋转 + 4 5 度( 位置3 ) ，而后0 光通过p 型2 , 2 波片，偏振态又被旋转了+ 4 5 度；而e 武汉理工大学硕士学位论文 光则通过n 型t 2 波片，偏振态被旋转- 4 5 度( 位置4 ) 。此时，两束光的偏振 态便相同了，都为x 方向偏振光。这两束x 方向偏振光对于双折射晶体( 3 ) 来 说都是e 光，当它们进入之后，就会改变原来方向，然后垂直射出( 位置6 ) ， 而后两束x 方向偏振光分别通过法拉第旋转器，偏振态同时被旋转+ 4 5 度( 位 置7 ) ，接着两束偏振光分别通过p 型，n 型t 2 波片，分别被旋转4 5 度( 位置 8 ) 。此时一束为x 方向偏振光，另一束是y 方向偏振光。通过双折射晶体( 2 ) 后，它们将合成一束光射出。于是实现了端口一到端1 5 1 - 的功能。 对端n - - n 端口三进行光路分析，光线通过准直器后进入双折射晶体( 2 ) 。 入射光在通过双折射晶体( 2 ) 后被分解为两束偏振态相互垂直的线偏振光：o 光，e 光( 位置8 ) ，o 光通过双折射晶体( 2 ) 后路径没有改变，e 光通过后向上 偏移。随后，这两束光分别通过p 型，n 型1 2 波片，偏振态分别被旋转4 5 度 ( 位置7 ) 。随后又通过法拉第旋转器，偏振态同时被旋转+ 4 5 度。这时两束光 的偏振态都为y 方向，对于双折射晶体( 3 ) 来说都是0 光。所以当它们进入双 折射晶体后不改变路径( 位置5 ) ，再经过棱镜( 2 ) 的导光作用重新进入双折射 晶体，同时也没有改变偏振态和路径。经过法拉第旋转器后偏振态被旋转+ 4 5 度 ( 位置7 ) 。然后两束光线分别通过p 型，n 型1 2 波片，偏振态分别被旋转4 5 度( 位置8 ) 。此时一束光为x 方向偏振光，另一束为y 方向偏振光。通过双折 射晶体( 2 ) 后，它们将合成一束光，并经过准直器射出。于是实现了端口- n 端v i z 的功能。 端口四到端口四其实实现的是环形器和偏振态旋转器的功能。光信号通过 偏振态旋转器后，偏振态被旋转9 0 度。由于环形器部分原理和上述相同，所以 不再赘述。 为了降低整个模块的插损，本文将色散补偿光纤直接插入到准直器里，取 代了常规的g 6 5 2 单模光纤。但是此时出现准直器不匹配，光信号通过耦合了色 散补偿光纤的准直器后出现的光斑较大，以至于带来几个d b 的损耗，这是现代 光通信系统【3 0 】所不能忍受的。所以本文在该准直器中的g l e n s 重新设计，用来缩 小光斑使之与常规的耦合了g 6 5 2 单模光纤的准直器相匹配，将该四端口无源光 器件的单个通道的损耗降到l d b 以下。下文是对以自聚焦透镜为核心元件的准 直器进行改进。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 2d c f 与四端口无源器件的耦合问题 光纤通信已成为当今信息社会不可缺少的神经系统，光无源器件是光纤通 信设备的重要组成部分，也是光纤传感和其它领域不可缺少的光器件。在光纤 通信向大容量、高速率发展的今天，光无源器件的重要性将更加突出。由于自 聚焦透镜( g r 矾) 1 有很好的聚光、准直、成像等特性，因此自聚焦透镜是改 善光无源器件性能的一个重要部分。自聚焦透镜的研制成功大大促进了对变折 射率介质的研究，不仅促进了变折射率光学理论的迅猛发展，而且基于自聚焦 透镜制作的多种微小光学器件在光纤通信、光纤传感和光信息等领域中对各学 科的发展起了重要作用因此努力研制、开发、改进自聚焦透镜的性能，了解 自聚焦透镜的应用前景十分重要。国内外对光纤准直器等方面的研究主要集中 在理论方面，本文着重从实用的角度阐述了g r i n 在光无源器件光纤准直 器中的应用，讨论了自聚焦透镜在不同光纤之间的耦合及匹配问题。计算并测 量了光纤准直器的损耗，实验表明其实际损耗在理论损耗值允许的误差范围内， 达到了实际应用的要求。 兰兰粪 j - 、一 、 妻 一一，i p 一 _ ! f 五拙z ，。t 图3 _ 4 自聚焦透镜准直原理示意图嘲 根据自聚焦透镜的传光原理，对于1 4 节距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚 焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平行光线。自聚焦透镜的这 一准直功能如图3 4 所示。 光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学器件，它由1 ，4 节 距的白聚焦透镜和单模光纤组成( 图3 5 ) ，其用途是对光纤中传输的高斯光束 进行准直，以提高光纤与光纤间的耦合教率。这种光纤准直器的特点是两光纤 准直器问有较长的间距，可以插入光学元件。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 5 光纤准直器 3 2 1 光纤和自聚焦透镜的耦合 自聚焦透镜是渐变折射率透镜，它的折射率服从平方率分布规律1 h 2 ( ，) = n ：( 1 一a r 2 )( 3 1 ) 其中：n o 为轴线折射率，r 为离轴距离，a 为自聚焦透镜的聚焦常数 自聚焦透镜的焦距为 f = k 打s i i l 慨) 1 ( 3 2 ) 其中：z 为自聚焦透镜的长度。 从式( 3 2 ) 可见，因为a 是波长的函数，所以弛是波长的函数。如图3 - 6 所 示，在绘定的波长条件下，如果z 过长，则焦点在透镜端面内；反之z 过短，则焦 点在透镜端面外。因此，透镜的长度误差必然会影响到光束耦合效果，这是造 成准直器损耗的主要原因之一。 武汉理工大学硕士学位论文 平行光 。 焦点过短 过长 焦点 图3 6 透镜焦距为波长的函数阱1 光纤准直器是由光纤和1 4 节距的具有抗反射镀层的自聚焦透镜组成。它们 之间的耦合原理同普通透镜的耦合原理相似，所用自聚焦透镜的长度为 z 2 ；2 三2 4 a ( 3 3 ) z = 一= = l j jl 4 、7 其中：p 为自聚焦透镜的节距。因为p 是在近轴近似条件下，根据子午光线遵循 正弦路径传播而确定的。同时，自聚焦透镜的折射率分布在离轴心0 8 8 r a m 半径 处有一拐点。所以由式( 3 3 ) 计算出的z 值不准，带来了耦合时的损耗；另外， 自聚焦透镜的像差也会使耦合效率下降，增加器件的损耗。 3 2 2 两个光纤准直器之间的耦合 两个单模光纤准直器耦合时，准直器的失配会使单模光纤间产生附加损耗。 2 个光纤准直器间的失配主要来源于如图3 7 所示的3 个方面：( a ) 光纤准直器 间的偏轴距离；( b ) 光纤准直器间的角度偏差；( c ) 光纤准直器间的轴向间距。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 叫一一一二二妻二一一一一 鞋 _ 【l ( 一一一一一二一兰生o l 一一_ ：一一一一一 x 卜_ _ 一 i 一一一光缎 ii b ) 图3 7 光纤准直器之间的耦合嘲 当自聚焦透镜的长度为1 4 节距时，即彳z 2 号，根据模场耦合理论，光场 分布为办的高斯光束与丸的高斯光束的耦合效率为 刁= 器盎 4 ) 运用高斯光束传输理论汹1 ，经进一步推导，可分别得到光纤准直器在离轴 耦合、偏角耦合及间距耦合3 种情况下，光纤与光纤间的耦合效率。 ( a ) 两光纤准直器离轴耦合 ”唧 ( 华 2 5 ) ( b ) 两光纤准直器偏角耦合 ”e x 托g 菰 2 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( c ) 两光纤准直器间距耦合 仉= ( 3 7 ) 其中：占：笪丝型 ( 3 8 ) 兄 其中：w 0 ，旯分别为高斯光束的模场半径和波长；d 为光纤准直器间的间距；x o 为两光纤准直器的轴间间距；乡为两光纤准直器间的角度。 在本文中，耦合器主要的损耗是来自于光准直器的不匹配，两种不同类型 的光纤插针后，经过相同的自聚焦透镜产生的光斑大小不一样。色散补偿光纤 由于芯径小于g 6 5 2 单模光纤的，所以产生的光斑大于g 6 5 2 单模光纤的，并且 光束呈发散射出。要解决这个问题，本文提出增大节距的方案，并且适当的改 变透镜曲面的曲率。 l 夕 ， 0 勺 s 2 s 1 l 0 | l 上l c i 卜- 一 z 图3 - 9 自聚焦透镜的设计图( 无特殊说明时，单位为r a m ) 表3 - 1 自聚焦透镜的参数( 无特殊说明时，单位为r a m ) 自聚焦透镜的材质为g l h 。s l 、s 2 面抛光，其余细磨。a 点子直径不允许大 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 于3 0 i tr a ；允许有直径小于1 0 um 的点子，直径在1 0 - - 3 0 um 的点子数量不能多于 3 # - 。b 道子宽度不允许大于5u m ；允许宽度小于2u m 的道子，宽度大于2 u m 且小于5 i t m 。，长度小于2 0 0 u m 的道子不能多于3 个。c 透镜通光面内中心9