色散补偿

2021年9月15日57

色散补偿指消除一些光学元件中的色散。但是,一般意义上它用于色散控制,即通控制系统的整体色散。目标就是,例如避免超短脉冲在时域的展宽或者信号的畸变。色散补偿主要应用与锁模激光器和通信系统中,但有时也会应用于光纤中的光传输或者一些光纤传感中。

色散补偿(dispersion compensation)的定义:通过在系统中加入适当的光学元件实现对系统整体色散的控制

色散补偿原理

色散补偿

由于光纤中所传信号的不同频率成分,或信号能量的各种模式成分,在传输过程中,因群速度不同互相散开,引起传输信号波形失真,脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变,从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说,光纤色散分为材料色散, 波导色散和模式色散。 前两种色散由于信号不是单一频率所引起,后一种色散由于信号不是单一模式所引起。

光纤通信链路中的色散补偿

色散补偿在光纤链路,特别是光纤通信中是一个很重要的问题。在高速率的光纤通信中由于色散的作用会发生调制信号的展宽。如果没有色散补偿,每个信号都会被严重的展宽,从而甚至会与相邻的信号发生重叠,即便色散作用不会很强,也会由于信号之间串扰造成信号的严重变形。因此在信号检测之前需要进行色散补偿。

对于高数据速率的情况,如40Gbit/s或160Gbit/s,脉冲展宽会比低数据速率(如10Gbit/s)的情况严重很多。这个是由于前者信号的谱宽比后者更宽。因此在这种情况下仅仅补偿二阶色散是不够的,还需要补偿更高阶的色散。例如,对于利用具有很大色散叫的色散位移光纤仅仅对二阶色散进行补偿的情况,就会产生一定的问题。如图1所示,一个中心波长在1550nm的2ps的脉冲分别经过10km和50km时的效应。这一结果主要是由未被补偿的三阶色散导致的畸变。

色散补偿

图1: 三重脉冲在色散位移光纤中传输10km(实线)和50km(虚线)后,仅仅补偿了二阶色散的情况。上图是采用RP ProPulse软件进行模拟的。

上图显示的信号的畸变并不是很明显。然而模拟结果表明,当传输速率很高时,如160Gbit/s,如图2所示,同样的条件下的信号畸变则会严重很多,来自于相邻信号间的干扰。

色散补偿

图2:高速率情况下(160Gbit/s),三重脉冲在色散位移光纤中传输10km(实线)和50km(虚线)后,仅仅补偿了二阶色散效应。

由传输光纤导致的色散可以利用特殊设计的光纤或者其他光学元件进行补偿。色散补偿模块可以由长距离的色散位移光纤或者啁啾光纤光栅组成。后者更为紧凑并且插入损耗也更低。

光学数据传输系统中的色散影响在一定程度上也可以采用电子色散补偿来减轻。

锁模激光器中的色散补偿

对于产生飞秒脉冲的锁模激光器,在激光谐振腔中由增益介质以及其他光学元件引入的色散通常是有害的,因为它往往会使产生的脉冲展宽,并且在脉冲中引入啁啾。腔内的色散主要为正常色散,但是需要的色散主要是近零色散或者是反常色散(便于类孤子脉冲的形成)。

这种色散可以通过引入具有反常色散的光学元件来实现。在固体激光器中,这些器件通常是具有特殊色散的介质镜(例如Gires – Tournois干涉仪和啁啾镜)或者是棱镜对。对于锁模光纤激光器,可以利用具有特殊色散的光纤(例如光子晶体光纤或者多模光纤),或者是啁啾光纤光栅,或者是诸如衍射光栅对的空间元件进行色散补偿。

对于脉宽长度小于30fs的脉冲,不仅要对二阶色散进行补偿,还有必要对高阶色散进行补偿。在这种情况下就需要为棱镜对选择合适的材料或者是优化的棱镜压缩结构。也有利用一种叫做GRIMs[7]的特殊装置,含有光栅结构的棱镜,从而实现二阶色散和三阶色散的最优的比例。

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