色散平坦光纤设计在密集波分复用系统的研究

陈吴奇 吕政达

摘要:光通讯发展至今,长距离的光纤传输仍有一个问题存在,此问题就是色散(Dispersion)。色散对密集波分复用(DWDM,Dense Wavelength-Division Multiplexing)系统而言,由于色散的积累,各通道的色散都会随传输距离的增长而增大。然而,由于色散斜率的作用,各通道的色散积累量是不同的,其中位于两侧的边缘信道间的色散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后,具有较大色散积累量通道的色散值超标,从而限制整个DWDM系统的传输距离。

将研究如何设计色散平坦光纤(DFF,Dispersion Flattened Fiber),可以使用在DWDM系统上。DWDM使用波段为C-Band和L-Band,其波长使用分别为1520—1570nm和1570—1620nm,我们将利用OptiFbert这软件,将此波长范围的色散值,当色散等于零时,会有非线性现象,如四波混合,故本研究为设计接近零值且平坦斜率的光纤,在设计上,我们有考虑制造成本,故不做复杂的Profiles设计,故不需做多层镀膜,我们利用四包层折射率分布(Quadruple-Clad Index Profile)。

关键词:色散平坦光纤;DFF;Dispersion Flattened Fiber

中图分类号:TN929.11文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)23-0279-02

1引言

高速率讯号和超长传输距离的光通讯系统中,传送距离越远,光功率就会不断的减弱,然而色散则会使讯号脉冲波形变形。因为光纤的非线性效应会降低DWDM系统的讯号质量,通常有大量残余的色散,即使是传输过程中使用色散补偿技术,如色散补偿光纤,被扩大的脉冲波行可以在接收端放放后置色散补偿(Post-Dispersion Compensation,PDC)还原波形。另外还有一种方式就是使用光弧子系统,因为光弧子系统作为全光非线性方案是消除色散的一种方式,长距离传输且不变形。在未来的光纤网络系统中,可以使用色散平坦光纤,因为这些光纤可以提供非常低色散在很宽的光谱范围。在单模光纤的色散作用起因是从光纤结构特性的波导以及玻璃材料的色散特性,因此本研究会设定不同参数,来观察材料色散与波导色散的相对关系,此关系会影响最终的色散值。色散平坦光纤却是将从1300nm到1650nm的较宽波段的色散,都能作到很低,几乎达到均匀零色散的光纤称作DFF。由于DFF要作到1300nm-1650nm范围的色散都减少。如果想要控制色散的特性,就需要对光纤的折射率分布进行复杂的设计,它又称为Depressed Cladding Fiber,核心外围有厚度较薄且折射率低的外壳层,更外面一层为折射率稍高的外壳,这种光纤可适用于1300nm-1650nm范围的光波长。

不过这种光纤对于高密度分波多任务系统(DWDM)的线路却是很适宜的。

2色散平坦光纤的设计原理

典型的色散平坦光纤有复杂的Profiles,这个Profiles包括有多个steps,去调整它的折射率来减少损失,大部份的色散平坦设计是基于相当简单的W-Profiles,W-Profiles的设计往往能得到在广大的波长范围有低色散的一段平坦的区域,一般W-Profiles有三个区域:core折射率;内部的cladding的折射率;外部的cladding的折射率.外部的cladding扮演一个重要的角色在于决定波导的性质,在两个零色散波长点之间,有一段低色散波长平坦的的区域,所以我们能够改变波导的几合形状,去产生一段波长平坦的的区域.在低色散波长平坦的的区域,允许波长多任务,去使用多通讯频道,以增加它的传输容量。

3设计与仿真色散平坦光纤之分析

因为在DWDM系统中,所使用的波段包含C波段(Wavelength:1520nm—1570nm)与L波段(Wavelength:1570nm-1620nm),所以我们必须在此波段中,设计平坦色散的光纤,而且色散值是接近为零之值。

首先,四包层折射率分布(Quadruple-Clad Index Profile),如图1所示。针对光纤之Profile进行设计,在此我先把结构分为四层:Region0、Region1、Region2与Region3,如图2所示。

在模拟过程中,当Region0、Region1、Region2与Region3分别为4.3nm、2.5nm、6.5nm与49.2nm时,色散为正值且明显过大,如图3所示。当Region0、Region1、Region2与Region3分别为3.9nm、2.5nm、6.5nm与49.6nm时,色散值为负值且也是很大,因此也是不符合本研究的结果,如图4所示。本设计结构可以了解Region的宽度之间的比值会影响到波导色散。当Region0、Region1、Region2与Region3分别为3.7nm、3.3nm、4.3nm与51.2nm,可得最佳的色散平坦度,如图5所示。此外,我们的模场分布,如图6所示亦显示单模。最终本研究设计一色散平坦光纤,如图5所示,当在C-band时,其色散范围约在-0.36681±0.09514ps/km•nm;当在L-band时,其色散范围约在-051123±0.007798ps/km•nm。

图1色散平坦光纤之结构

图2光纤Profile结构之设计

图3色散为最大正值之结果

图4色散为最大负值之结果

图5色散平坦光纤之结果

图6单模之色散平坦光纤的表现结果

4结论

本研究是采用光纤仿真软件OptiFiber来设计一色散平坦光纤,我们用Quadruple-Clad Index Profile采取阶段折射率分布,针对色散平坦光纤的结构,进行不一样的宽度设计,本设计结构可以了解Region的宽度之间的比值会影响到波导色散,当最佳参数Region0、Region1、Region2与Region3分别为3.7nm、3.3nm、4.3nm与51.2nm,可得最佳的色散平坦度,如图5所示,当在C-band时,其色散范围约在-0.36681±0.09514ps/km•nm;当在L-band时,其色散范围约在-0.51123±0.007798ps/km•nm。当此光纤应用在长距离传输系统的情况下,可以节省中间很多的补偿组件,如此可以大量节省成本,在一段极广的波长的范围内,它有个极低色散且分布非常平坦,所以这个光纤极适合用在分波多任务光纤网络传输系统上,来增加它的传输容量。

参考文献

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[2]@黄淑芳,熊卫东.全光传输—光放大器与光弧子通信[J].光通信研究,2001,(4).

[3]@Optiwave.OptiFiber Operation Manual.USA:Optiwave,1996.