專利名稱：可調(diào)諧的非線性的線性調(diào)頻光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光色散補(bǔ)償和光脈沖處理，尤其涉及具有能造成波長相依延遲的光柵的裝置與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
許多光學(xué)材料對不同波長的光波呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)特性。一個眾所周知的現(xiàn)象是色散現(xiàn)象，通常簡稱為“色散”，其中媒體的折射率依賴于光波的波長。色散通常使不同波長的光波在給定的媒體中以不同的速度運(yùn)行，因?yàn)楣馑僖蕾囉谡凵渎省?br> 光學(xué)材料的色散通常非線性地與波長相關(guān)。常常采用群速度來表征該色散。群速度與光波在媒體中的傳播常數(shù)頻率的導(dǎo)數(shù)相關(guān)。一般將一次群速度色散相對于光波長變化表示為在單位纖維長度內(nèi)光傳播時間的變化。對于通信中的常規(guī)光纖而言，一次群速度散nm時為10ps／nm／km量級。
在許多應(yīng)用中，光信號包括不同波長的光譜分量。例如，可對單頻光學(xué)載體調(diào)制而在其上施加信息。這種調(diào)制在載頻的不同頻率產(chǎn)生調(diào)制邊帶。又如，在光學(xué)數(shù)據(jù)處理的通信應(yīng)用中廣泛使用的光脈沖，在一定的光譜范圍內(nèi)包含光譜分量。色散效應(yīng)會對信號造成不利影響，因?yàn)樗鼘Σ煌墓庾V分量有不同的延遲。
特別在單信道或波分復(fù)用(“WDM”)光纖通信系統(tǒng)中，若不設(shè)信號中繼器，色散就會妨礙提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和傳輸距離。為了滿足市場不斷增長的需求，可能要求數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)10Gbit／s或更高。色散可以隨距離累加，造成脈沖展寬或擴(kuò)散。在脈沖串中，兩個相鄰脈沖可在高數(shù)據(jù)速率下相互重迭，這種脈沖重迭常會造成數(shù)據(jù)傳輸誤差。
在光纖的零色波長處或附近使用一種窄線寬的光學(xué)載體，能大大減弱光纖系統(tǒng)的色散效應(yīng)。例如，可以使用以單模DFB激光器作光源工作于1．3μm附近的光纖系統(tǒng)。
另外，可用色散補(bǔ)償元件補(bǔ)償色散。例如，還可以這樣來實(shí)現(xiàn)，即配置一條色散補(bǔ)償光纖(“DCF”)，對光纖鏈路中累加的色散引入相反符號的色散。一般而言，DCF的色散為常規(guī)光纖的許多倍(如5-10倍)。在題為“在色散補(bǔ)償光纖中應(yīng)用SPM效應(yīng)改進(jìn)10Gb／s標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸系統(tǒng)的性能”(IEEEPhoton．Tech．Lett．8，pp．1406-1408，1996)的論文中，Nayts等人描述了一種DCF補(bǔ)償型系統(tǒng)。
補(bǔ)償色散的另一種方法是使用一種具有線性地線性調(diào)頻光柵周期的纖維光柵。例如，可參閱Loh等人撰寫的論文“在帶10cm線性調(diào)頻纖維光柵補(bǔ)償器與雙二進(jìn)制發(fā)送器的700km長標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上作10Gb／s傳輸”(IEEEPhoton．Tech．Lett．8，pp．1258-1260，1996)。在波長滿足Bragg相位匹配條件的光信號中，某一光譜分量從纖維光柵反射回來，而其它光譜分量則發(fā)射透過該光柵。對光柵周期作線性調(diào)頻，可對纖維光柵中不同位置的Bragg相位匹配條件求導(dǎo)。
纖維光柵的諧振波長隨位置而變。隨著光柵周期沿纖維光柵某一方向增大或減小，諧振波長就相應(yīng)地增大或減小，因此光信號中的不同光譜分量在不同地點(diǎn)反射回來而具有不同的延遲。這種波長相依延遲可以用來抵消光纖鏈路中累加的色散。
也可以用具有均勻周期的纖維光柵對不同地點(diǎn)的反射波產(chǎn)生不同的延遲來補(bǔ)償色散。在Ohn等人撰寫的論文“應(yīng)用壓電堆的色散可變纖維Bragg光柵”中(Electron．Lett．32，pp．2000-2001，1996)，應(yīng)用了21個延遲壓電段在均勻纖維光柵中造成不均勻延伸。由于纖維光柵段可以延遲不同的量，所以可在光纖的不同位置對不同的光譜分量產(chǎn)生不同的延遲以補(bǔ)償色散。
發(fā)明概述本發(fā)明描述的非線性地線性調(diào)頻光柵，具有調(diào)節(jié)Bragg相位匹配條件的機(jī)理。這種非線性地線性調(diào)頻光柵的色散可以動態(tài)地改變，能以可控的方式產(chǎn)生所需的色散，在不同的光譜分量之間具有所需的相對延遲。
本發(fā)明的一個實(shí)施例包括一個具有非線性地線性調(diào)頻光柵周期的光柵，它由機(jī)械上可延伸或可壓縮的材料制成。將一換能器接合至該光柵，以便根據(jù)控制電信號沿光柵矢量方向均勻地改變光柵的總長度。光柵的壓縮或擴(kuò)展在工作光譜范圍內(nèi)提供光譜偏移。非線性地線性調(diào)頻使得不同波長下不同光譜分量的相對延遲隨光柵總長度而變化?？梢钥刂茡Q能器壓縮或延伸光柵的總長度，以產(chǎn)生可調(diào)諧的色散分布。
換能器的一種構(gòu)成方法包括一個壓電元件。將外部壓控信號施加給該壓電元件，可改變非線性地線性調(diào)頻光柵的長度。
另一種結(jié)構(gòu)應(yīng)用一種磁致伸縮元件，它根據(jù)外部控制磁場改變光柵長度。
本發(fā)明的另一個實(shí)施例所包括的光柵，具有均勻的光柵周期和沿光柵方向非線性地線性調(diào)頻有效的折射率。光柵材料沿光柵方向?qū)臻g變化的外部控制場(諸如電場、電磁輻射場或溫度場)有響應(yīng)，從而可以調(diào)節(jié)有效折射率的非線性的線性調(diào)頻，以改變不同光譜分量的相對延遲并產(chǎn)生可調(diào)諧的色散分布。
再一個實(shí)施例是一種具有非線性地線性調(diào)頻光柵周期的光柵，而且有效折射率沿光柵方向具有外部可調(diào)節(jié)的空間分布。光柵的總長度和有效折射率可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以改變不同光譜分量的相對延遲并偏移光柵的工作光譜范圍。
不管結(jié)構(gòu)如何，都可以利用沿光柵方向傳播的聲波調(diào)諧非線性地線性調(diào)頻光柵的頻響特性。聲波在光柵的頻響特性中引入了附加的調(diào)制邊帶，這種調(diào)制邊帶從基帶位移某個依賴于聲波頻率的頻率間隔。因此，調(diào)諧聲波頻率可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的色散。
本發(fā)明的一個方面是色散補(bǔ)償?？蓪⒈景l(fā)明的非線性地線性調(diào)頻光柵置于光纖鏈路以減少色散效應(yīng)。這種光柵產(chǎn)生的色散可有效地調(diào)諧成補(bǔ)償包括色散分析儀與反饋控制的光纖鏈路中變化的色散。這種可調(diào)諧性能有利地應(yīng)用于通信業(yè)務(wù)模式隨時間而變化的動態(tài)光纖網(wǎng)絡(luò)。例如，某一給定的信道常?？梢栽诰W(wǎng)絡(luò)中不同的地點(diǎn)始發(fā)，從而該給定信道在特定光纖鏈路中累加的色散是個變量。因此，要求相應(yīng)地改變光纖鏈路所需要的色散補(bǔ)償。而且，還會改變點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)墓ぷ鳁l件，導(dǎo)致信號在固定光纖鏈路中累加色散的變化。
本發(fā)明的另一方面是在直接市制半導(dǎo)體激光器中的線性市制抵消。本發(fā)明的非線性地線性調(diào)頻光柵，可以相對于市制引入線的線性調(diào)制，在激光脈沖中產(chǎn)生一種互補(bǔ)的線性調(diào)制而實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制抵消。對于在激光器輸出中造成不同頻率線性調(diào)制的不同調(diào)制信號，光柵的可調(diào)諧性可作成性調(diào)制抵消。
本發(fā)明的再一個方面是可調(diào)節(jié)的脈沖成形，其中利用非線性地線性調(diào)制的色散將光脈沖壓縮或延伸成所需的脈沖分布。
通過下面的詳細(xì)描述以及附圖與附屬的權(quán)項(xiàng)，本發(fā)明的種種實(shí)施例、諸方面和優(yōu)點(diǎn)將更加清楚上。


圖1示出波導(dǎo)元件中的非線性地線性調(diào)頻光柵。
圖2示出具有非線性地線性調(diào)頻光柵周期的光柵。
圖3A表示非線性地線性調(diào)頻光柵因纖維延伸而造成的反射光譜的偏移。
圖3B表示因纖維延伸而造成的兩個不同波長反射信號的相對時間延遲。
圖4表示應(yīng)用壓電元件構(gòu)成圖2系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)。
圖5表示在光敏纖維中形成非線性地線性調(diào)頻光柵的一種方法。
圖6A表示在圖4系統(tǒng)中因纖維延伸而測得的反射信號的波長偏移。
圖6B表示圖4系統(tǒng)中測得的反射光譜偏移。
圖6C表示在圖4纖維光柵中測得的反射信號非線性時間延遲與波長的函數(shù)關(guān)系。
圖6D是一種市制的非線性地線性調(diào)頻光柵。
圖6E表示圖6D中使用的調(diào)制電壓信號。
圖6F表示反射輸出信號在不同調(diào)制頻率下與時間的函數(shù)關(guān)系。
圖7表示基于電光效應(yīng)的非線性地線性調(diào)頻光柵。
圖8表示光敏非線性地線性調(diào)頻光柵。
圖9表示具有聲學(xué)調(diào)諧元件的非線性地線性調(diào)頻光柵。
圖10A與10B是兩種可動態(tài)調(diào)節(jié)的色散補(bǔ)償系統(tǒng)的方框圖。
圖10C、10D與10E表示圖10A與10B中色散分析儀的三種示例性結(jié)構(gòu)。
圖11A是基于應(yīng)用非線性地線性調(diào)頻光柵的圖10B結(jié)構(gòu)的光纖通信系統(tǒng)方框圖。
圖11B、11C與11D表示圖11A系統(tǒng)的測量結(jié)果。
圖12表示半導(dǎo)體激光器，其非線性地線性調(diào)制地波導(dǎo)光柵用于減少激光器輸出中調(diào)制引入的頻率線性調(diào)制。
圖13表示基于非線性地線性調(diào)頻光柵的脈沖成形系統(tǒng)。
發(fā)明的詳細(xì)描述圖1示出本發(fā)明的非線性地線性調(diào)頻光柵100。光柵100由光纖或波導(dǎo)等光波導(dǎo)元件104形成。光柵周期∧(x)和光柵中的有效折射率n(x)至少部分地依賴于沿波導(dǎo)元件104的位置x。輸入光信號102以接近法線入射進(jìn)入光柵104，產(chǎn)生反射信號112與透射信號110。
當(dāng)波長λ、光柵周期∧(x)和有效折射率n(x)滿足Bragg相位匹配條件2n(x) ∧(x)=λ時，輸入光信號102中波長λ的某一光譜分量在位置x反射回來。因此，根據(jù)光柵參數(shù)n(x)∧(x)反射波的波長λ隨位置x而變化。不同波長的不同光譜分量在不同的地點(diǎn)反射且具有不同的相位延遲。例如，當(dāng)光柵參數(shù)n(x)∧(x)隨x增大時，滿足相位匹配條件的短波長光譜分量就在長波長分量前面的地點(diǎn)反射回來，如信號110所示，輸入信號102中不滿足上述Bragg相位匹配條件的某一光譜分量通過波導(dǎo)元件104發(fā)射出去。光柵參數(shù)n(x)∧(x)確定了從光柵100反射信號的光譜范圍，這就形成了色散補(bǔ)償與脈沖成形的基礎(chǔ)。
通常將光柵100配置成具有非線性地線性調(diào)頻光柵參數(shù)n(x)∧(x)，即n(x)∧(x)隨位置x呈非線性變化。這可以通過非線性地線性調(diào)制n(x)∧(x)或二者相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。
調(diào)節(jié)光柵100可以改變反射光譜和不同反射光譜分量中的相對延遲。配置光柵控制120，通過改變光柵10的n(x)與∧(x)中的至少一個來控制光柵參數(shù)n(x)∧(x)，這就提供了動態(tài)可調(diào)諧的反射光譜范圍和不同反射光譜分量的相對延遲。
圖2示出非線性地線性調(diào)頻光柵100的一種結(jié)構(gòu)200。纖維光柵204具有恒定的有效折射率n(x)=n和周期∧(x)，這樣，相位匹配的波長只根據(jù)∧(x)隨位置x而變化。將纖維延伸器220接入纖維光柵204，用于改變光柵204的總長度，由此控制反射光譜和不同光譜分量中的相對延遲。
纖維光柵204延伸時，每個柵距就增大，相應(yīng)地，每個光柵位置的相位匹配波長便增大。因此，反射光譜朝更長的波長偏移。這一效應(yīng)示于圖3A，其中曲線302與304分別代表纖維延伸前后的反射光譜分布情況。
由于光柵周期∧(x)是非線性地線性調(diào)制的，所以反射光譜分量也具有依賴于位置x的非線性。此外，在沿纖維光柵204的不同位置，纖維總長度的變化造成∧(x)的不同變化。對于滿足Bragg相位匹配條件的不同波長，這樣就產(chǎn)生了不同的相對延伸。這種效應(yīng)可用來產(chǎn)生可調(diào)諧的色散補(bǔ)償分布。
圖3B表示兩個波長在纖維延伸前后的相對時間延遲。曲線306代表時間延遲與波長在纖維延伸前的函數(shù)關(guān)系。兩個不同的波長λ1與λ2相互有一相對時間延伸Δt。在纖維光柵延伸后，兩波長的時間延伸增大(曲線308)，而且相對時間延遲Δt′增大了。
參照圖2，能延伸光柵204的任何器件都可以用作延伸器220。例如，可以使用壓電元件或磁致伸縮元件根據(jù)外部電壓或磁場來控制光柵204的長度。壓電與磁致伸縮換能器已為眾所周知，這里不再敘述了。
在Cruz等人撰寫的論文“用磁場調(diào)諧和線性調(diào)制的纖維Bragg光柵”中(Electronics Letters，Vol．33(3)，pp．235-236，1997)，已揭示了一種用磁致伸縮棒在不均勻磁場中延伸纖維的技術(shù)，在此用作參照。在圖2的實(shí)施例200中可用該技術(shù)調(diào)節(jié)光柵長度。具體地說，由于纖維光柵204是非線性地線性調(diào)制的，所以可用均勻磁場而不是梯度磁場來均勻地延伸纖維光柵204，從而調(diào)制色散響應(yīng)特性。
圖4示出用壓電元件來構(gòu)制實(shí)施例200的情況。例如，利用環(huán)氧樹脂等粘劑將壓電元件410的兩端分別固定在非線性地線性調(diào)頻光柵406的兩邊。由電壓源412將控制電壓供給壓電元件410以改變壓電元件的長度，接著將應(yīng)力耦合至纖維光柵204。用光學(xué)回轉(zhuǎn)器404將輸入光信號402耦合至纖維光柵406并發(fā)送反射信號408?？蓪⒁蝗芜x的光隔離器置于纖維光柵406的另一端，以排除任何光學(xué)反饋信號。
可用近紫外技術(shù)制造非線性地線性調(diào)頻光柵204，該技術(shù)應(yīng)用的干涉圖案由300nm的光束通過相掩膜產(chǎn)生。纖芯中300nm波長的光吸收小得足以避免損傷光纖中的纖芯一包層界面。首先在高壓分子氫氣室里以約250大氣壓和-60℃溫度使光敏纖維)如以QPS技術(shù)制造的類型)裂化約二天，使纖芯的估計(jì)氫濃度約為2．5mol％。
圖5表示在加氫光敏纖維500中形成非線性地線性調(diào)頻光柵204的情況。來自紫外氬激光器的光束502通過50mm長的一性地線性調(diào)制的相掩膜504以約200w／cm2強(qiáng)度聚信到纖芯上，所述激光器工作于一組接近300nm的光譜線。兩條一階衍射束502a與502b相互干涉在靠近裝有纖芯的相掩膜504的地方形成干涉圖案。纖維500上每個1mm光點(diǎn)的曝光時間周期為5～100秒。每次曝光后，纖維500與掩膜504相對紫外光束502移動1mm，過程重復(fù)進(jìn)行下去?？勺兊钠毓鈺r間引入了非線性的線性調(diào)制，如圖5所示。
圖6A示出反射信號408中測得的波長偏移，這旨施加于壓電元件410的控制電壓的函數(shù)。圖6B表示分別對于壓電元件410上500伏與1000伏的電壓，由于纖維延伸而造成的反射光譜偏移。當(dāng)對壓電元件410施加約100伏控制電壓時，反射帶偏移約1．5nm，而波長偏移相對于該電壓是線性的。帶寬約1nm，反射率從85％變到100％，即變化約0．7dB。色散從300ps／nm非線性且平滑地變化到1000ps／nm。當(dāng)增大施加電壓時，時間延遲曲線移向更長的波長而不破壞平滑的形狀。因此，對于給定的發(fā)射信道波長，該信道將遇到不同的色散補(bǔ)償，它對應(yīng)于非線性地線性調(diào)頻光柵的不同延伸。
圖6C進(jìn)一步表示，當(dāng)在不同的控制電壓下按不同的量延伸纖維光柵時，測得的反射信號的非線性時間延遲，它是波長的函數(shù)。
調(diào)制壓電元件410的長度可以提供色散切換。圖60示出的系統(tǒng)利用纖維光柵400產(chǎn)生具有調(diào)制色散的信號。調(diào)制信號發(fā)生器610調(diào)制壓電控制412，從而調(diào)制了纖維光柵406的長度。帶寬為0．3nm的帶通干涉濾波器用來濾除纖維光柵406的反射輸出。光電檢測器630接收來自濾波器620的發(fā)射信號。示波器640用來觀察來自光電檢測器630的信號的時間響應(yīng)特性。
圖6E示出施加給壓電元件410的調(diào)制控制電壓。圖6F示出在10Hz、50Hz、100Hz與250Hz調(diào)制頻率下的測量結(jié)果?？梢杂?-500伏市制將壓電元件410調(diào)制到約100Hz。頻響特性的上限受制于PZT的特性。運(yùn)用這種動態(tài)響應(yīng)，可在電路切換光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)小于100ms的色散補(bǔ)償。
圖1中的非線性地線性調(diào)頻光柵100還可以用波導(dǎo)元件構(gòu)成，其折射率依賴于外部電場。一例這樣的波導(dǎo)元件是一種呈現(xiàn)電光效應(yīng)的介質(zhì)波導(dǎo)或纖維。LiNbO3是一種常用的電光材料。圖7示出在這種波導(dǎo)元件704中具有非線性地線性調(diào)頻光柵周期的光柵700。波導(dǎo)元件704的有效折射率n(x)隨電場而變化。沿波導(dǎo)元件704設(shè)置一系列電極對712、714，用于產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的局部場。電場控制模塊710控制場的空間變化，以便產(chǎn)生所需的非線性地線性調(diào)制的n(x)并調(diào)節(jié)色散。
圖8示出另一實(shí)施例800，它利用電磁輻射控制波導(dǎo)元件804的折射率n(x)的空間變化。波導(dǎo)元件804對輻射場802作出響應(yīng)，且具有場相依折射率n(x)。例如，可以用光反射晶體與聚合物等光敏材料實(shí)施本發(fā)明。沿光柵施加非線性光強(qiáng)分布的電磁輻射場820，可形成非線性地線性調(diào)制的折射率n(x)。配置一種輻射發(fā)生器810以便控制場820的強(qiáng)度變化I(x)。在光頻范圍內(nèi)，該輻射發(fā)生器810可以是一種激光器。
還試圖利用聲波來調(diào)制上述任何一種非線性地線性調(diào)頻光柵的響應(yīng)特性，以便調(diào)諧輸出頻率。圖9是一種具有這種聲聲學(xué)調(diào)諧機(jī)理的非線性地線性調(diào)頻光柵900。聲波發(fā)生器910產(chǎn)生可調(diào)諧的聲波912。諸如聲學(xué)集音器等聲波耦合器914將聲波耦合到光柵104中。
工作時，聲波與光柵相互作用，在Bragg諧振條件產(chǎn)生的基帶邊上引入兩個附加的窄帶峰。任一邊帶中的頻率分量雖然都具有像基帶中一樣的相對延伸，但是在頻率上偏離基帶一定時，這種頻移取決于聲波的頻率。這樣，改變聲波頻率就可調(diào)節(jié)邊帶的頻率。在美國光學(xué)學(xué)會年會最后限期論文PD4“用纖維Bragg光柵改進(jìn)窄帶聲光可調(diào)諧反射器的效率”、“Bragg光柵、光敏度和玻璃纖維與波導(dǎo)中的架線路應(yīng)用與原理”(October 26-28，1997，Williamsburg，VA)中，Liu等人揭示了這樣一種技術(shù)，在此引作參照。
本發(fā)明的非線性地線性調(diào)頻光柵在兩個方面是可調(diào)諧的。首先，反射的與透射的信號的頻率分布可按需要偏移。其次，能以可控的方式調(diào)節(jié)輸入脈沖中不同頻率分量的相對延遲。在波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)等多波長光子系統(tǒng)中，可調(diào)諧性的第一方面是有用的。在許多色散光學(xué)系統(tǒng)尤其是在光纖通信系統(tǒng)中，可調(diào)諧性的第二方面可用于動態(tài)色散補(bǔ)償。
圖10A示出的光纖系統(tǒng)1000，具有根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)諧色散補(bǔ)償元件1020，它可以是一種非線性地線性調(diào)頻光柵。色散光纖系統(tǒng)1010產(chǎn)生有一定色散量的光信號1012中累加色散的量與符號?？烧{(diào)諧色散補(bǔ)償元件1020利用這種信息以補(bǔ)償信號112中色散的方式調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償。隨著色散光纖系統(tǒng)1010中色散的變化，可調(diào)諧色散補(bǔ)償元件1020響應(yīng)于該色散變化作相應(yīng)調(diào)節(jié)，以在輸出1030中維持所需的色散補(bǔ)償。
圖10B是光纖通信系統(tǒng)1001的方框圖，該系統(tǒng)用非線性地線性調(diào)頻光柵1020a構(gòu)成圖10A的系統(tǒng)1000。光柵控制1040根據(jù)來自色散分析儀1030的控制指令調(diào)節(jié)光柵參數(shù)n(x)∧(x)以維持適當(dāng)補(bǔ)償?shù)妮敵?030。光柵控制1040可以是圖2、7和8所示的任何一種技術(shù)或這些技術(shù)的組合。
可用幾種方式構(gòu)成色散分析儀1030。圖10C示出對調(diào)幅色散檢測器的相位調(diào)制。相位調(diào)制器1051置于信號路徑中，在信號傳輸通過色散纖維1050前調(diào)制它的相位。包跡檢測電路1060測量轉(zhuǎn)換的調(diào)幅，在光電檢測器1070接收的信號中，其幅值對應(yīng)于相對累加的色散。具體地說，通過計(jì)入纖維中群速度色散的總色散和纖維非線性造成的自相位調(diào)制，可以檢測出色散的極性。參照Tomizawa等人撰寫的論文“非線性對光纖中群速度色散的PM-AM轉(zhuǎn)換測量的影響”(Electronics Letters，vol．30(17)，pp．1434-1435，1994)。然后用轉(zhuǎn)換的調(diào)幅的幅值確定累加的色散，并對可調(diào)諧的色散補(bǔ)償元件產(chǎn)生控制信號。
圖10D示出色散分析儀1030的另一種構(gòu)成。將電光調(diào)制器1052置于信號路徑中，在信號傳輸通過色散纖維1050前對其幅值進(jìn)行調(diào)制。通過在方波檢測之后監(jiān)視從該信號中提取的時鐘分量的幅值，可以確定相對色散值。這是利用時鐘分量監(jiān)視器1061完成的。由于色散展寬了信號脈沖并減小了信號幅值，所以時鐘分量的幅值也按展寬而減小。因此，調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償器使時鐘分量的幅值最大，就能減小或抵消累加的色散。
直接測量通過色散纖維的信號的比特誤差率，也能構(gòu)成色散分析儀1030，如圖10E所示。由于色散能展寬數(shù)據(jù)脈沖，所以劣化了比特誤差率(“BER”)。比特誤差率測試裝置1062測量比特誤差率并提取累加色散的相對信息。利用對可調(diào)諧色散補(bǔ)償器的反饋信號，可以調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償以減小或使比特誤差率最小。
圖11A進(jìn)一步示于了圖10B中動態(tài)纖維系統(tǒng)1001的一種特定結(jié)構(gòu)。電光調(diào)制器10Gbit／s將數(shù)據(jù)施加于激光束上。此外，相位調(diào)制器在光信號傳輸之前對其相位進(jìn)行調(diào)制。可調(diào)諧色散補(bǔ)償器1120以圖4的非線性地線性調(diào)頻光柵400為基礎(chǔ)。通過纖維環(huán)路1110a、1110b和聲光開關(guān)1116b的信號路徑比通過聲光開關(guān)116a的信號路徑更具色散性。摻鉺的光纖放大器1108a-c用來將信號強(qiáng)度保持在規(guī)定的電平之上。利用色散分析儀1122通過分裂小部分信號1119(例如10％)來檢測信號1119中的色散。信號1119的大部分饋給纖維光柵400而產(chǎn)生色散補(bǔ)償?shù)妮敵?120c。
色散分析儀1122利用PM-AM轉(zhuǎn)換器測量色散。由于信號中不同光譜分量有不同的群速度色散，所以在信號運(yùn)行通過一定距離的光纖路徑之一，相位調(diào)制被轉(zhuǎn)換成調(diào)幅。累加色散由色散分析儀1122測量。色散分析儀1122可對調(diào)諧纖維光柵400進(jìn)一步產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。
比特誤差率測試1130用來測量比特誤差率，用于評估色散補(bǔ)償模塊1120的性能。模塊1120的輸出1120c經(jīng)放大后由帶寬為0．3nm的帶通濾波器1126濾波。
圖11B示出比特誤差率的測量結(jié)構(gòu)，它是信號功率的函數(shù)，單位為dBm。圖11C表示是如何根據(jù)輸入信號的色散程度產(chǎn)生PZT調(diào)諧的控制信號的。圖11D示出測得的視圖，表明動態(tài)色散補(bǔ)償對BER作出的重大改進(jìn)。
上述的非線性地線性調(diào)頻光柵還可應(yīng)用于其它場合，諸如直接調(diào)制激光器和脈沖成形中的線性調(diào)制抵消。
圖12示出的集成式半導(dǎo)體激光器模塊1200，其非線性地線性調(diào)制的波導(dǎo)光柵1230用于減小調(diào)制線性調(diào)制。在襯底1202上形成激光二極管1210，對激光二極管1210施加調(diào)制信號1212以調(diào)制驅(qū)動電流。這種直接調(diào)制在激光二極管1210的輸出中造成頻率線性調(diào)制。在襯底1202上形成非線性地線性調(diào)制的波導(dǎo)光柵1230，以便產(chǎn)生色散而減小頻率線性調(diào)制。
隨著調(diào)制信號1212的調(diào)制頻率的變化，激光器輸出中的線性調(diào)制也發(fā)生變化。可以確定調(diào)制頻率與激光器輸出中線性調(diào)制之間的相關(guān)。根據(jù)這種相關(guān)性，可將控制電路1250構(gòu)制成產(chǎn)生一相應(yīng)的色散控制信號1252，以調(diào)節(jié)光柵1230的色散。
圖13進(jìn)一步示出了脈沖成形系統(tǒng)1300的方框圖。非線性地線性調(diào)頻光柵1330可對來自激光器1310的輸入脈沖1312產(chǎn)生可變的色散，從而光柵1330的輸出1340具有所需的脈沖形狀。
雖然參照幾個實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是在不背離下述權(quán)項(xiàng)的范圍和精神的情況下可以作出各種各樣的修改和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1．一種光學(xué)裝置，其特征在于包括一種波導(dǎo)元件，工作時沿光軸輸送光能，其有效折射率沿所述光軸在不同位置是不同的；及形成于所述波導(dǎo)元件中的光擾動區(qū)，并被構(gòu)成沿所述光軸有一周期，其特征在于，所述周期和所述有效折射率形成一個相位匹配條件，從而由所述光擾動區(qū)反射的光波具有特定的波長，所述特定波長與沿所述光軸的位置具有非線性的相依性。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述周期沿所述光軸非線性變化。
3．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)元件包括一個根光纖。
4．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)包括光波導(dǎo)。
5．如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括一個接合至所述波導(dǎo)元件上至少兩個部分的換能器，所述換能器工作時改變所述波導(dǎo)元件的長度。
6．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述換能器包括一個壓電元件，工作時響應(yīng)于控制電壓改變所述波導(dǎo)元件的所述長度。
7．如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述換能器包括一個磁致伸縮元件，工作時響應(yīng)于控制磁場改變所述波導(dǎo)元件的所述長度。
8．如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述控制磁場沿所述波導(dǎo)元件的所述光軸具有均勻的場分布。
9．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述有效折射率沿所述光燦而變化。
10．如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)元件對控制電場有響應(yīng)，而所述有效折射率隨所述控制電場而變化。
11．如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)元件包括一種電光材料。
12．如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)元件對電磁輻射場有響應(yīng)，而所述有效折射率隨所述電磁輻射場而變化。
13．如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)元件包括一種光敏材料，而所述電磁輻射場沿所述波導(dǎo)元件的所述光軸具有強(qiáng)度變化。
14．如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述光敏材料是一種光反射材料。
15．如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括一個聲波發(fā)生器，所述聲波發(fā)生器相對于所述波導(dǎo)元件設(shè)置，并被構(gòu)成沿所述波導(dǎo)元件的所述光軸產(chǎn)生頻率可調(diào)諧的聲波，其特征在于，所述聲波改變了所述光擾動區(qū)的頻響特性。
16．一種光學(xué)裝置，其特征在于包括形成于纖維中的纖維光柵，所述纖維光柵的光柵周期沿所述纖維以非線性方式變化，對不同頻率的光波形成不同的延遲，而所述光波在所述纖維光柵中是Bragg相位匹配的；及接合至所述纖維光柵的光纖延伸器，它被構(gòu)制成改變所述纖維光柵的長度，使所述不同頻率的所述光波的相對延遲產(chǎn)生變化。
17．如權(quán)利要求16所述的裝置，進(jìn)一步包括一個光柵控制單元，它與所述光纖延伸器相聯(lián)系，以控制所述纖維光柵的所述長度。
18．如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述光纖延伸器包括一個壓電元件，工作時響應(yīng)于控制電壓在所述纖維光柵中產(chǎn)生規(guī)定量的長度變化，而且所述光柵控制單元被構(gòu)制產(chǎn)生所述控制電壓。
19．如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述光纖延伸器包括一個磁致伸縮元件，工作時響應(yīng)于控制磁場改變所述纖維光柵的所述長度，而且所述光柵控制單元被構(gòu)成產(chǎn)生所述控制磁場。
20．如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述纖維光柵被構(gòu)成其折射率沿所述纖維的位置而變化。
21．如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述纖維光柵被構(gòu)成其折射率隨所述光柵控制單元無產(chǎn)生的控制電極而變化。
22．如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述纖維光柵包括一個電光材料。
23．如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述控制電場隨沿所述纖維的位置而變化。
24．如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述纖維光柵被構(gòu)成其折射率隨所述光柵控制單元產(chǎn)生的電磁輻射場而變化。
25．如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述纖維光柵包括一種光敏材料。
26．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述光敏材料是一種光反射材料。
27．如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述電磁輻射場的強(qiáng)度沿所述纖維而變化。
28．如權(quán)利要求16所述的裝置，進(jìn)一步包括一個聲波發(fā)生器，它相對于所述纖維光柵設(shè)置，并被構(gòu)成沿所述纖維產(chǎn)生頻率可調(diào)諧的聲波，其特征在于，所述聲波改變了所述纖維光柵的頻響特性。
29．一種能動態(tài)調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括色散分析儀，工作時接收部分光信號，并確定所述光信號中有關(guān)色散的信息；及與所述散色分析儀連接并通信的色散補(bǔ)償元件，它被構(gòu)成接收至少一部分所述光信號，并響應(yīng)于來自所述色散分析儀的控制信號調(diào)諧色散補(bǔ)償。
30．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述色散補(bǔ)償元件包括波導(dǎo)元件，工作時沿光軸輸送光能，其有效折射率與沿所述光軸的位置成函數(shù)關(guān)系；及形成于所述波導(dǎo)元件中的光柵，它被構(gòu)成沿所述光軸具有可變的光柵周期，其特征在于，所述可變光柵周期和所述有效折射率形成Bragg相位匹配條件，從而由所述光柵反射的光被具有規(guī)定的波長，它與沿所述光軸的位置具有非線性相依性。
31．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述色散分析儀包括一個轉(zhuǎn)換元件，用于將調(diào)相光信號轉(zhuǎn)換成調(diào)幅信號。
32．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述色散分析儀包括一種裝置，工作時能直接測量所述光信號中的比特誤差率以指示所述色散，所述色散分析儀產(chǎn)生所述控制信號以調(diào)節(jié)所述色散補(bǔ)償元件的所述可調(diào)諧的色散補(bǔ)償，從而減少所述比特誤差率。
33．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述色散分析儀包括一個時鐘監(jiān)視器，用于測量所述光信號的時鐘幅值并產(chǎn)生所述控制信號，從而所述色散補(bǔ)償元件調(diào)節(jié)所述色散補(bǔ)以增大所述時鐘幅值。
34．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光信號包括波分復(fù)用信號。
35．一種光學(xué)裝置，其特征在于包括半導(dǎo)體激光器；連接至所述半導(dǎo)體激光器的電源，用于提供調(diào)制的驅(qū)動電流以由所述激光器產(chǎn)生市制的激光輸出；波導(dǎo)光柵，其可變的光柵周期有效折射率形成Bragg相位匹配條件，從而由所述波導(dǎo)光柵反射的光波具有規(guī)定的波長，而所述波長與沿所述波導(dǎo)光柵的位置具有非線性相依性；與所述電源相接和聯(lián)系的光柵控制單元，它被構(gòu)成控制所述波導(dǎo)光柵的色散特性，以減少所述調(diào)制激光輸出中的頻率線性調(diào)制。
36．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，激光器和所述波導(dǎo)光柵都形成在半導(dǎo)體襯底上。
37．一種操作光纖系統(tǒng)的方法，包括發(fā)送光信號，所述光信號通過色散信號路徑發(fā)送到可調(diào)諧的非線性地線性調(diào)頻光柵；確定所述光信號中的色散；及根據(jù)色散的所述極性與色散量調(diào)節(jié)所述可調(diào)諧的纖維光柵，以減小所述光信號中的色散。
38．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述纖維光柵的光柵周期沿所述纖維以非線性方式變化，以對不同頻率的光波形成在所述纖維光柵中為Bragg相位匹配的不同延遲。
39．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述纖維光柵的折射率沿所述纖維在非線性方式變化，以對不同頻率的光波形成在所述纖維光柵中為Bragg相位匹配的不同延遲。
40．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過延伸所述纖維光柵來調(diào)節(jié)所述可調(diào)諧的纖維光柵。
41．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過調(diào)諧射入所述纖維光柵的聲波的頻率，調(diào)節(jié)所述可調(diào)諧的纖維光柵。
42．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過沿所述纖維光柵調(diào)節(jié)電場，調(diào)節(jié)所述可調(diào)諧的纖維光柵。
43．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過沿所述纖維光柵調(diào)節(jié)電磁輻射場的強(qiáng)度，調(diào)節(jié)所述可調(diào)諧的纖維光柵。
44．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過沿所述纖維光柵調(diào)節(jié)磁場，調(diào)節(jié)所述可調(diào)諧的纖維光柵。
45．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過直接測量所述光信號中的比特誤差率，確定所述光信號中的色散。
46．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過測量在所述光信號中由調(diào)相轉(zhuǎn)換來的調(diào)幅信號，確定所述光信號中的色散。
47．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，通過測量時鐘幅值，確定所述光信號中的色散。
全文摘要
一種非線性地線性調(diào)頻光柵(100),用于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的色散補(bǔ)償、直接調(diào)制二極管激光器(102)中的線性調(diào)制減小以及光脈沖處理。基于這樣一種非線性地線性調(diào)頻光柵(100),可在光纖通信系統(tǒng)中構(gòu)成動態(tài)色散補(bǔ)償機(jī)理。
文檔編號G02B26/00GK1283278SQ98812162
公開日2001年2月7日 申請日期1998年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月15日
發(fā)明者馮凱明, 蔡金星, A·E·威爾勒, V·格魯布斯基, D·斯塔羅杜博, J·范伯格 申請人:南加利福尼亞大學(xué)