色散平坦光纖設計在密集波分復用系統的研究

陳吳奇 呂政達

摘要:光通訊發展至今,長距離的光纖傳輸仍有一個問題存在,此問題就是色散(Dispersion)。色散對密集波分復用(DWDM,Dense Wavelength-Division Multiplexing)系統而言,由于色散的積累,各通道的色散都會隨傳輸距離的增長而增大。然而,由于色散斜率的作用,各通道的色散積累量是不同的,其中位于兩側的邊緣信道間的色散積累量差別最大。當傳輸距離超過一定值后,具有較大色散積累量通道的色散值超標,從而限制整個DWDM系統的傳輸距離。

將研究如何設計色散平坦光纖(DFF,Dispersion Flattened Fiber),可以使用在DWDM系統上。DWDM使用波段為C-Band和L-Band,其波長使用分別為1520—1570nm和1570—1620nm,我們將利用OptiFbert這軟件,將此波長范圍的色散值,當色散等于零時,會有非線性現象,如四波混合,故本研究為設計接近零值且平坦斜率的光纖,在設計上,我們有考慮制造成本,故不做復雜的Profiles設計,故不需做多層鍍膜,我們利用四包層折射率分布(Quadruple-Clad Index Profile)。

關鍵詞:色散平坦光纖;DFF;Dispersion Flattened Fiber

中圖分類號:TN929.11文獻標識碼:A文章編號:1672-3198(2009)23-0279-02

1引言

高速率訊號和超長傳輸距離的光通訊系統中,傳送距離越遠,光功率就會不斷的減弱,然而色散則會使訊號脈沖波形變形。因為光纖的非線性效應會降低DWDM系統的訊號質量,通常有大量殘余的色散,即使是傳輸過程中使用色散補償技術,如色散補償光纖,被擴大的脈沖波行可以在接收端放放后置色散補償(Post-Dispersion Compensation,PDC)還原波形。另外還有一種方式就是使用光弧子系統,因為光弧子系統作為全光非線性方案是消除色散的一種方式,長距離傳輸且不變形。在未來的光纖網絡系統中,可以使用色散平坦光纖,因為這些光纖可以提供非常低色散在很寬的光譜范圍。在單模光纖的色散作用起因是從光纖結構特性的波導以及玻璃材料的色散特性,因此本研究會設定不同參數,來觀察材料色散與波導色散的相對關系,此關系會影響最終的色散值。色散平坦光纖卻是將從1300nm到1650nm的較寬波段的色散,都能作到很低,幾乎達到均勻零色散的光纖稱作DFF。由于DFF要作到1300nm-1650nm范圍的色散都減少。如果想要控制色散的特性,就需要對光纖的折射率分布進行復雜的設計,它又稱為Depressed Cladding Fiber,核心外圍有厚度較薄且折射率低的外殼層,更外面一層為折射率稍高的外殼,這種光纖可適用于1300nm-1650nm范圍的光波長。

不過這種光纖對于高密度分波多任務系統(DWDM)的線路卻是很適宜的。

2色散平坦光纖的設計原理

典型的色散平坦光纖有復雜的Profiles,這個Profiles包括有多個steps,去調整它的折射率來減少損失,大部份的色散平坦設計是基于相當簡單的W-Profiles,W-Profiles的設計往往能得到在廣大的波長范圍有低色散的一段平坦的區域,一般W-Profiles有三個區域:core折射率;內部的cladding的折射率;外部的cladding的折射率.外部的cladding扮演一個重要的角色在于決定波導的性質,在兩個零色散波長點之間,有一段低色散波長平坦的的區域,所以我們能夠改變波導的幾合形狀,去產生一段波長平坦的的區域.在低色散波長平坦的的區域,允許波長多任務,去使用多通訊頻道,以增加它的傳輸容量。

3設計與仿真色散平坦光纖之分析

因為在DWDM系統中,所使用的波段包含C波段(Wavelength:1520nm—1570nm)與L波段(Wavelength:1570nm-1620nm),所以我們必須在此波段中,設計平坦色散的光纖,而且色散值是接近為零之值。

首先,四包層折射率分布(Quadruple-Clad Index Profile),如圖1所示。針對光纖之Profile進行設計,在此我先把結構分為四層:Region0、Region1、Region2與Region3,如圖2所示。

在模擬過程中,當Region0、Region1、Region2與Region3分別為4.3nm、2.5nm、6.5nm與49.2nm時,色散為正值且明顯過大,如圖3所示。當Region0、Region1、Region2與Region3分別為3.9nm、2.5nm、6.5nm與49.6nm時,色散值為負值且也是很大,因此也是不符合本研究的結果,如圖4所示。本設計結構可以了解Region的寬度之間的比值會影響到波導色散。當Region0、Region1、Region2與Region3分別為3.7nm、3.3nm、4.3nm與51.2nm,可得最佳的色散平坦度,如圖5所示。此外,我們的模場分布,如圖6所示亦顯示單模。最終本研究設計一色散平坦光纖,如圖5所示,當在C-band時,其色散范圍約在-0.36681±0.09514ps/km?nm;當在L-band時,其色散范圍約在-051123±0.007798ps/km?nm。

圖1色散平坦光纖之結構

圖2光纖Profile結構之設計

圖3色散為最大正值之結果

圖4色散為最大負值之結果

圖5色散平坦光纖之結果

圖6單模之色散平坦光纖的表現結果

4結論

本研究是采用光纖仿真軟件OptiFiber來設計一色散平坦光纖,我們用Quadruple-Clad Index Profile采取階段折射率分布,針對色散平坦光纖的結構,進行不一樣的寬度設計,本設計結構可以了解Region的寬度之間的比值會影響到波導色散,當最佳參數Region0、Region1、Region2與Region3分別為3.7nm、3.3nm、4.3nm與51.2nm,可得最佳的色散平坦度,如圖5所示,當在C-band時,其色散范圍約在-0.36681±0.09514ps/km?nm;當在L-band時,其色散范圍約在-0.51123±0.007798ps/km?nm。當此光纖應用在長距離傳輸系統的情況下,可以節省中間很多的補償組件,如此可以大量節省成本,在一段極廣的波長的范圍內,它有個極低色散且分布非常平坦,所以這個光纖極適合用在分波多任務光纖網絡傳輸系統上,來增加它的傳輸容量。

參考文獻

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