專利名稱：補償寬帶色散的啁啾長周期光纖光柵及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用啁啾長周期光纖光柵補償寬帶色散的方法及其設(shè)計的啁啾長周期光纖光柵制作系統(tǒng)和方法，屬于光纖通信系統(tǒng)色散補償技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖色散是實現(xiàn)長距離、高速、密集波分復(fù)用(DWDM)光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕拗埔蛩兀赃M行色散補償是傳輸系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。對于色散補償，目前最常用的方法是色散補償光纖(DCF)技術(shù)和啁啾光纖Bragg光柵(CFBG)色散補償技術(shù)。色散補償光纖(DCF)補償色散有插入損耗大，非線性效應(yīng)強，無法補償色散斜率等缺點。啁啾光纖Bragg光柵(CFBG)用于色散補償雖然具有插入損耗小，易調(diào)諧，對非線性低敏感等特點，但是其補償帶寬窄，只能滿足單通道的補償；DWDM系統(tǒng)中，必須采用不同波長的CFBG補償不同通道的色散，成本很高，而且各個CFBG間反射率的不均衡以及各通道之間的串?dāng)_給傳輸系統(tǒng)帶來了更大的麻煩；瑞典的Proximion公司研究出了超寬帶的CFBG彌補上述缺點，但是此種方法非常復(fù)雜，成本極高，不易實現(xiàn)。
本發(fā)明提出一種利用啁啾長周期光纖光柵(CLPG)補償寬帶色散的方法，并據(jù)此設(shè)計了其制作系統(tǒng)和方法，制作的CLPG用于色散補償，不僅具有CFBG補償色散的特點，更具有寬帶連續(xù)色散補償?shù)哪芰?，且制作成本低?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新的、集合了現(xiàn)有方法的優(yōu)點、克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點、更具應(yīng)用前景的補償色散的方法，即利用啁啾長周期光纖光柵補償色散的方法；同時設(shè)計出啁啾長周期光纖光柵(CLPG)的制作系統(tǒng)及其方法，將制作的CLPG應(yīng)用于寬帶色散補償。本發(fā)明使用了兩個級聯(lián)的超長長度的CLPG實現(xiàn)寬帶連續(xù)的色散補償；設(shè)計出制作CLPG的制作系統(tǒng)，制作高重復(fù)性的CLPG，利用該系統(tǒng)制作的CLPG具有良好的特性，具有寬帶連續(xù)色散補償?shù)哪芰Α?br> 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
本發(fā)明提出的補償色散方法的主要原理是在光纖通信系統(tǒng)中，不同波長的光經(jīng)過CLPG時在其不同位置發(fā)生耦合，耦合時進入不同介質(zhì)傳輸，從而不同波長的光經(jīng)過CLPG后傳輸速度有了差異，產(chǎn)生時延差。當(dāng)光以恰當(dāng)方向入射時，時延曲線的斜率為負(fù)，形成負(fù)色散，因此可以補償單模光纖中的正色散。CLPG的長度越長，補償?shù)纳⒕蜁酱?；用兩個CLPG級聯(lián)的目的是使不同波長的光再耦合回到同一介質(zhì)中傳輸，即在光纖芯子中傳輸。所以，具有超長長度的CLPG級聯(lián)可以實現(xiàn)寬帶連續(xù)色散補償。其特征在于包含以下步驟步驟1首先要制作出CLPG，制作方法是CO2激光器出射占空比可調(diào)的脈沖光，這種脈沖光經(jīng)過光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)匯聚到光纖上，通過控制激光的占空比，縫隙光闌的寬度，聚焦光斑的大小，通過編程控制移動平臺移動速度的變化，固定出射占空比，周期線性變化的光斑；利用反光鏡，使光纖背面同樣受到照射，實現(xiàn)軸對稱寫入光纖光柵，在移動平臺移動的同時，未涂覆光纖進行同步收放，即放出未寫入光柵的光纖，收回已寫好的CLPG；步驟2寫入的長周期光纖光柵具有超長長度，且精密控制光柵周期變化，調(diào)整各個參數(shù)，使得CLPG性能達到最佳；步驟3CLPG用于色散補償時，是兩個完全相同的CLPG級聯(lián)，且級聯(lián)的方式為光柵周期較大的一端在外側(cè)，而兩個光柵周期較小的一端，即耦合波長較短的一端相對在內(nèi)側(cè)，級聯(lián)后的CLPG作為一個整體與光纖熔接加在傳輸光纖中恰當(dāng)?shù)奈恢?，作為傳輸型器件實現(xiàn)色散補償。
兩個級聯(lián)的超長長度的啁啾長周期光纖光柵用于色散補償?shù)脑砣缦麻L周期光纖光柵是一種傳輸型器件，具有插入損耗小、無后向反射、易調(diào)諧，對非線性不敏感等特點，與光纖Bragg光柵相比，其帶寬要寬得多。啁啾長周期光纖光柵可以實現(xiàn)更寬的帶寬，其時延曲線具有負(fù)斜率，即利用其負(fù)色散進行色散補償。用CLPG進行色散補償?shù)脑砣缦卵刂饫w光柵光從周期較大的一端入射，此時較長的波長發(fā)生模式耦合，到包層中傳輸，傳輸速度快，而此時較短的波長仍在芯子中傳輸，速度慢，傳到光柵周期最小的一端開始耦合到包層傳輸。從CLPG這一段看，不同波長傳輸速度的不同造成時延差，產(chǎn)生負(fù)色散。級聯(lián)一個完全相同的CLPG使光返回芯子，只不過對應(yīng)長短波長的方向相反，即周期較大端位于外側(cè)，周期較小端位于內(nèi)側(cè)。通過這兩個CLPG，光經(jīng)歷了從芯子到包層又回到芯子的過程，所以在長短波長的時延分別為兩倍光纖光柵長度除以在包層或芯子的群速度，而色散的表達為它們的時延差除以光纖光柵的帶寬，即D=ΔτΔλ=2L(neff-01-neff-1m)cΔλ---(1)]]>
其中L是光纖光柵的長度，neff表示有效折射率，下標(biāo)01指纖芯基模，1m指1階m次包層模式，c表示真空中的光速，Δλ示CLPG的帶寬?？傊瓹LPG利用不同波長的光在芯子包層中傳輸?shù)乃俣炔顚崿F(xiàn)時延差，從而產(chǎn)生負(fù)色散，達到補償色散的目的。從(1)式可知，要獲得大的負(fù)色散值而且保持較寬的帶寬，增加CLPG長度是最現(xiàn)實的方法。通過上述分析可以預(yù)見，利用超長長度的CLPG補償色散將是一種很有發(fā)展前景的寬帶色散補償方案。
本發(fā)明設(shè)計的啁啾長周期光纖光柵(CLPG)制作系統(tǒng)各部分組成以及制作方法如下CLPG制作系統(tǒng)包括光纖收放裝置、張力可調(diào)裝置、計算機編程控制的精密移動裝置、光路調(diào)節(jié)裝置以及CO2激光器五部分組成，可以高重復(fù)性的寫入超長長度的啁啾長周期光纖光柵。
1、可被伺服電機控制移動的光纖收放裝置，它包括主動輪、從動輪、V型槽導(dǎo)輪等，主動輪在伺服電機的控制下按照設(shè)定的速度對寫好的CLPG收盤，此時CLPG被纏繞在主動輪控制的光纖盤上；V型槽導(dǎo)輪的作用是控制光纖位置在寫入過程中不發(fā)生移動及扭轉(zhuǎn)，V型槽導(dǎo)輪的數(shù)量較多是因為這樣可以使比較長的光纖在移動過程中更加穩(wěn)定，不易斷裂；從動輪在主動輪的控制下負(fù)責(zé)放出未寫入光纖光柵的裸纖；光纖的收放裝置在伺服電機的控制下實現(xiàn)超長長度CLPG的寫入。該裝置用于承載光纖，確保光纖移動過程中的穩(wěn)定，收回已寫好的光柵部分，放出未寫入光柵的光纖，使得超長的CLPG更好的放置保存。
2、張力可調(diào)裝置，包括張力調(diào)節(jié)裝置和測試裝置，張力調(diào)節(jié)部分裝載于從動輪上，它的作用是在光纖光柵制作過程中可以拉直且應(yīng)力不會過大，不僅保證寫入特性的穩(wěn)定，也保證光纖不被拉斷；張力測試加載在V型槽導(dǎo)輪部分；張力的可調(diào)節(jié)確保了寫入光纖光柵的良好特性，穩(wěn)定性以及高重復(fù)性。
3、計算機編程控制的精密移動裝置，它與光纖收放裝置，光路調(diào)節(jié)裝置結(jié)合，控制光纖光柵周期的逐點變化，從而精確控制光纖光柵的寫入，實現(xiàn)啁啾變化的長周期光纖光柵。
4、光路調(diào)節(jié)裝置，它包括聚光光路、縫隙光闌、反光鏡、高度調(diào)節(jié)部分，聚光鏡聚焦，縫隙光闌調(diào)節(jié)光斑大小，反光鏡使得光纖光柵折射率調(diào)制徑向均勻?qū)ΨQ，高度調(diào)節(jié)使光纖保持水平且和激光在同一高度，不僅保證了寫入光纖光柵的優(yōu)良特性，而且在光纖光柵周期的控制上也起到一定作用。該裝置保證出射激光以最集中的能量均勻照射在光纖上，同時和移動裝置共同確定了光纖光柵的周期。
5、CO2激光器出射高頻的脈沖光，使光纖芯子在激光的照射下釋放殘余應(yīng)力，瞬間致密化，使得折射率瞬間升高，從而形成光纖光柵結(jié)構(gòu)；CO2激光器作為寫入CLPG的光源，其功率可調(diào)，模式可調(diào)(連續(xù)模式，重復(fù)脈沖模式，單脈沖模式)，脈沖持續(xù)時間可調(diào)以及占空比可調(diào)；采用CO2激光器寫入光纖光柵無需光纖具有光敏性，大大降低了制備材料的成本。
這五個部分相互結(jié)合構(gòu)成整個制作系統(tǒng)，其制作CLPG的方法是CO2激光器出射占空比可調(diào)的脈沖光，這種脈沖光經(jīng)過光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)匯聚到光纖上。通過控制激光的占空比，縫隙光闌的寬度，聚焦光斑的大小，通過編程控制移動平臺移動速度的變化，就可以實現(xiàn)出射占空比固定，周期線性變化的光斑；反光鏡的作用是使光纖背面同樣受到照射，實現(xiàn)軸對稱寫入光纖光柵。在移動平臺移動的同時，未涂覆光纖進行同步收放，即放出未寫入光柵的光纖，收回已寫好的CLPG。通過這樣的方法，可以快速而方便的實現(xiàn)超長長度的CLPG的制作。
本發(fā)明的有益效果如下利用啁啾長周期光纖光柵(CLPG)補償色散的方法，由于CLPG具有特性穩(wěn)定，帶寬很寬，時延色散特性很好，紋波系數(shù)小，屬于傳輸型器件，其用于色散補償時成本較低，插入損耗小，非線性效應(yīng)很弱，色散補償量大，具有寬帶連續(xù)色散補償能力。
由此設(shè)計的CLPG制作系統(tǒng)及其方法主要具有以下優(yōu)勢1、因為用于色散補償?shù)腃LPG要得到大的色散值必須具有很長的長度，并且是完全相同的兩個CLPG。利用本發(fā)明設(shè)計的系統(tǒng)可方便地高重復(fù)性的寫入超長長度的長周期光纖光柵。
2、利用本發(fā)明設(shè)計的系統(tǒng)中的CO2激光器(功率可調(diào)，模式可調(diào))、計算機控制的精密移動裝置以及光路調(diào)節(jié)裝置來控制光纖光柵的周期及其變化，采用逐點寫入的方法實現(xiàn)啁啾的長周期光纖光柵。
3、利用此系統(tǒng)和方法制作的CLPG具有寬帶寬，平坦透射譜，時延色散特性良好的特點，完全有能力實現(xiàn)寬帶連續(xù)色散補償。


圖1是本發(fā)明CLPG用于寬帶連續(xù)色散補償?shù)脑韴D；圖2是本發(fā)明設(shè)計的CLPG制作系統(tǒng)的示意圖；圖3是本發(fā)明出射激光照射在光纖上的光路調(diào)節(jié)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
步驟1首先要制作出具有特性穩(wěn)定，光譜平坦，帶寬很寬，時延線性，色散恒定且色散值較大，紋波系數(shù)小，損耗小，非線性不敏感的CLPG，以此滿足寬帶色散補償?shù)囊?，且實現(xiàn)補償后系統(tǒng)性能達到最佳；為此，設(shè)計了專門用于制作CLPG的制作系統(tǒng)并提出其制作方法；步驟2制作系統(tǒng)具有寫入超長長度光纖光柵的能力，具有可精密控制光柵周期變化的能力，恰當(dāng)調(diào)整各個參數(shù)，使得CLPG性能達到最佳；步驟3CLPG用于色散補償時，是兩個完全相同的CLPG級聯(lián)，且級聯(lián)的方式為光柵周期較大的一端在外側(cè)，而兩個光柵周期較小的一端，即耦合波長較短的一端相對在內(nèi)側(cè)，級聯(lián)后的CLPG作為一個整體與光纖熔接加在傳輸光纖中恰當(dāng)?shù)奈恢?，作為傳輸型器件實現(xiàn)色散補償。
如圖1所示，給出了光在CLPG中傳輸?shù)氖疽鈭D，芯子部分的陰影表示光纖光柵，陰影的粗細(xì)表示了光柵周期的大小，在光入射的一端周期較大，對應(yīng)的耦合波長較長，所以光一入射，波長最長的光λ1就到包層中傳輸了，而波長最短的光λ2直到光柵的末端才耦合到包層傳輸，我們就是依靠不同波長的光傳輸速度的差異造成負(fù)色散值來補償單模光纖中的正色散。當(dāng)然，為了使光仍回芯子中傳輸，我們需要級聯(lián)一個完全相同的長周期光纖光柵，只是對應(yīng)的光柵周期相反。
如圖2所示，首先是在光學(xué)平臺上架起的可被伺服電機控制移動的光纖收放裝置，包括主動輪，從動輪，V型槽導(dǎo)輪等。主動輪在伺服電機的控制下按照設(shè)定的速度對寫好的CLPG收盤，此時CLPG被纏繞在主動輪控制的光纖盤上，因為整個寫入系統(tǒng)的光纖是裸光纖，所以為了防止裸光纖斷裂，光纖盤的彎曲半徑要很大；V型槽導(dǎo)輪的作用是控制光纖位置在寫入過程中不發(fā)生移動及扭轉(zhuǎn)，V型槽導(dǎo)輪的數(shù)量較多是因為這樣可以使比較長的光纖在移動過程中更加穩(wěn)定；從動輪在主動輪的控制下負(fù)責(zé)放出未寫入光纖光柵的裸纖。
第二是張力可調(diào)裝置包括張力調(diào)節(jié)裝置和測試裝置，張力調(diào)節(jié)部分裝載于從動輪上，它的作用是在光纖光柵制作過程中可以拉直且應(yīng)力不會過大，不僅保證寫入特性的穩(wěn)定，也保證光纖不被拉斷；張力測試加載在V型槽導(dǎo)輪部分。
第三是計算機編程控制的精密移動裝置，即伺服電機，它可以控制主動輪的轉(zhuǎn)動從而控制光纖的移動。
第四是光路調(diào)節(jié)裝置，也是整個系統(tǒng)中保證寫入光纖光柵質(zhì)量的很關(guān)鍵部分，由聚光光路、縫隙光闌、反光鏡、高度調(diào)節(jié)部分組成，通過精密調(diào)整可以使光路系統(tǒng)達到最佳。高度調(diào)節(jié)保證了光纖在移動中的穩(wěn)定以及激光光斑的高低位置恰當(dāng)，因為圖2為設(shè)計的CLPG寫入系統(tǒng)的俯視示意圖，所以高度調(diào)節(jié)部分未標(biāo)出；具體的光路調(diào)節(jié)如圖3所示，聚焦鏡的作用是以盡量高的功率匯聚在光纖上，使光纖芯子的折射率發(fā)生瞬間變化，同時光斑縮小也有助于控制光柵周期；高精度的縫隙光闌在控制光纖光柵的周期時起重要作用，它與激光器輸出脈沖的占空比，脈沖重復(fù)頻率，光纖移動速度共同控制光纖光柵的周期變化；反光鏡的作用是使光纖光柵芯子的折射率調(diào)制徑向?qū)ΨQ均勻，光柵特性更加優(yōu)良穩(wěn)定。
最后，CO2激光器出射高頻的脈沖光，使光纖芯子在激光的照射下釋放殘余應(yīng)力，瞬間致密化，使得折射率瞬間升高，從而形成光纖光柵結(jié)構(gòu)。通過該系統(tǒng)，我們就可以寫入超長的CLPG用于色散補償，而且由于光纖收放系統(tǒng)的使用使得寫入的CLPG更好的被保存和放置。
利用制作系統(tǒng)制作CLPG的方法是CO2激光器出射占空比可調(diào)的脈沖光，這種脈沖光經(jīng)過光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)匯聚到光纖上。通過控制激光的占空比，縫隙光闌的寬度，聚焦光斑的大小，通過編程控制移動平臺移動速度的變化，就可以實現(xiàn)出射占空比固定，周期線性變化的光斑；反光鏡的作用是使光纖背面同樣受到照射，實現(xiàn)軸對稱寫入光纖光柵。在移動平臺移動的同時，未涂覆光纖進行同步收放，即放出未寫入光柵的光纖，收回已寫好的CLPG。通過這樣的方法，可以快速而方便的實現(xiàn)超長長度的CLPG的制作。
圖3是從激光器出射后的激光進行光路調(diào)節(jié)的示意圖，通過光路調(diào)節(jié)激光以非常穩(wěn)定的狀態(tài)照射在光纖上，保證寫入光柵的質(zhì)量，同時對光纖光柵的周期也有一定的控制作用。
為了舉例說明本發(fā)明的實現(xiàn)，描述了上述的具體實施例，但本發(fā)明的其它變化和修改，對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，本發(fā)明并不限于所描述的具體實施方式
，因此，在本發(fā)明所公開內(nèi)容的真正實質(zhì)和基本原則范圍內(nèi)的任何/所有修改、變化或等效變換，都屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用啁啾長周期光纖光柵(CLPG)補償寬帶色散的方法，根據(jù)傳輸中不同波長的光經(jīng)過CLPG時在不同位置發(fā)生耦合，在不同時刻從光纖芯子耦合進包層中傳輸，由于芯子包層具有不同的折射率，所以造成不同波長的光傳輸速度不同，即產(chǎn)生時延差，當(dāng)光從恰當(dāng)方向入射時，產(chǎn)生負(fù)斜率的時延特性，即負(fù)色散，可以補償光纖中的正色散；其特征在于包含以下步驟步驟1首先要制作出CLPG，制作方法是CO2激光器出射占空比可調(diào)的脈沖光，這種脈沖光經(jīng)過光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)匯聚到光纖上，通過控制激光的占空比，縫隙光闌的寬度，聚焦光斑的大小，通過編程控制移動平臺移動速度的變化，固定出射占空比，周期線性變化的光斑；利用反光鏡，使光纖背面同樣受到照射，實現(xiàn)軸對稱寫入光纖光柵，在移動平臺移動的同時，未涂覆光纖進行同步收放，即放出未寫入光柵的光纖，收回已寫好的CLPG；步驟2寫入的長周期光纖光柵具有超長長度，且精密控制光柵周期變化，調(diào)整各個參數(shù)，使得CLPG性能達到最佳；步驟3CLPG用于色散補償時，是兩個完全相同的CLPG級聯(lián)，且級聯(lián)的方式為光柵周期較大的一端在外側(cè)，而兩個光柵周期較小的一端，即耦合波長較短的一端相對在內(nèi)側(cè)，級聯(lián)后的CLPG作為一個整體與光纖熔接加在傳輸光纖中恰當(dāng)?shù)奈恢茫鳛閭鬏斝推骷崿F(xiàn)色散補償。
2.一種制作CLPG的制作系統(tǒng)，其特征在于，它包括利用光纖收放裝置、張力調(diào)節(jié)及測試裝置、計算機編程控制的精密移動裝置、光路調(diào)節(jié)裝置以及CO2激光器等構(gòu)成的長周期光纖光柵制作系統(tǒng)，可以高重復(fù)性的寫入超長長度的啁啾長周期光纖光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作啁啾長周期光纖光柵(CLPG)的制作系統(tǒng)，其特征在于可被伺服電機控制移動的光纖收放裝置，包括主動輪，從動輪，V型槽導(dǎo)輪，主動輪在伺服電機的控制下按照設(shè)定的速度對寫好的CLPG收盤，此時CLPG被纏繞在主動輪控制的光纖盤上；V型槽導(dǎo)輪的作用是控制光纖位置在寫入過程中不發(fā)生移動及扭轉(zhuǎn)，從動輪在主動輪的控制下放出未寫入光纖光柵的裸纖；光纖的收放裝置在伺服電機的控制下實現(xiàn)超長長度CLPG的寫入。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作啁啾長周期光纖光柵(CLPG)的制作系統(tǒng)，其特征在于張力可調(diào)裝置，包括張力調(diào)節(jié)裝置和測試裝置，張力調(diào)節(jié)部分裝載于從動輪上；張力測試加載在V型槽導(dǎo)輪部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作啁啾長周期光纖光柵(CLPG)的制作系統(tǒng)，其特征在于計算機編程控制的精密移動裝置，與光纖收放裝置，光路調(diào)節(jié)裝置連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作啁啾長周期光纖光柵(CLPG)的制作系統(tǒng)，其特征在于光路調(diào)節(jié)裝置，它包括聚光光路、縫隙光闌、反光鏡、高度調(diào)節(jié)部分，聚光鏡聚焦，縫隙光闌調(diào)節(jié)光斑大小，反光鏡使得光纖光柵折射率調(diào)制徑向均勻?qū)ΨQ，高度調(diào)節(jié)使光纖保持水平且和激光在同一高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作啁啾長周期光纖光柵(CLPG)的制作系統(tǒng)，其特征在于CO2激光器出射高頻的脈沖光，使光纖芯子在激光的照射下釋放殘余應(yīng)力，瞬間致密化，使得折射率瞬間升高，從而形成光纖光柵結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用兩個級聯(lián)的完全相同的超長長度啁啾長周期光纖光柵(CLPG)補償寬帶連續(xù)色散的方法，并據(jù)此設(shè)計了一種CLPG的制作系統(tǒng)及制作方法。制作系統(tǒng)的光纖收放裝置與精密移動裝置結(jié)合，控制光纖在寫入過程中的移動，同步收放光纖光柵，寫入超長長度，將寫好的CLPG收盤；張力的調(diào)節(jié)使寫入過程穩(wěn)定且具有高重復(fù)性；CO
文檔編號H04B10/02GK1987537SQ20061016989
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月30日
發(fā)明者李彬, 王燕花, 魯韶華, 汪瀅瑩, 許鷗 申請人:北京交通大學(xué)