色散补偿

定义:

色散补偿,英文叫dispersion compensatio。通过添加具有适当色散量的光学元件来控制系统的整体色散。色散补偿,在系统中采取的补偿色散影响(即限制或削弱光脉冲的展宽)的措施。
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。
色散补偿本质上意味着消除某些光学元件的色散。 然而,该术语通常用于更一般意义上的色散管理,意思是对某些系统的整体色散的控制(但不一定是完全补偿)。 例如,目标可以是避免超短脉冲的过度时间展宽和/或光纤通信中的信号失真。 色散补偿主要应用于锁模激光器和电信系统,但有时也应用于传输光的光纤,例如某些光纤传感器。

光纤通信链路中的色散补偿

色散补偿是光纤链路的一个重要问题,即在光纤通信的背景下。 在这里,在数据速率较高的情况下,调制信号的强色散展宽可能发生。 如果没有色散补偿,每个符号都会被加宽得如此之大,以至于它会与许多相邻符号强烈重叠。 即使对于适度展宽,显著的码间干扰也会使检测到的信号严重失真。 因此,在检测信号之前必须补偿色散。
例如,对于40 Gbit/s或160 Gbit/s等高数据速率,脉冲展宽比10 Gbit/s强得多。 这主要是由于两个因素:
  1. 较短的符号时间意味着较少的时间传播已经是相关的。
  2. 信号的频谱带宽变大,从而导致更强的时间展宽。
因此,仅补偿二阶色散通常是不够的;还需要处理高阶色散。 例如,当使用具有较大色散斜率的色散移位光纤时,可能会出现问题,并且仅补偿二阶色散。 图1显示了这种光纤在10 km和50 km后在1550 nm处的单个2 ps脉冲的这种效应。 造成失真的主要是未补偿的三阶色散。
补偿二阶色散
上图中:当仅补偿二阶色散时,色散偏移光纤在 10 km(实线)和 50 km(虚线)后三脉冲的畸变。模拟是用RP ProPulse软件完成的。
由此产生的脉冲失真可能看起来很小。 然而,以160 Gbit/s的间隔使用三倍2 ps脉冲的仿真表明,即使在这种情况下,码间干扰也可能产生严重的信号失真。
不完美的色散补偿
图2:当仅补偿二阶色散时,色散偏移光纤在10 km(实线)和50 km(虚线曲线)后的脉冲畸变。
传输光纤的色散可以通过具有不同设计的光纤部分或其他光学元件进行补偿。色散补偿模块 (DCM) 可以包含长片色散偏移光纤或啁啾光纤布拉格光栅等。 后者具有紧凑性和相对较低的插入损耗的优点。
在某种程度上,光学数据传输系统中色散的影响也可以通过电子色散补偿以经济高效的方式减轻。

锁模激光器中的色散补偿

在用于飞秒脉冲生成的锁模激光器中,激光谐振器中的增益介质和其他光学元件引入的色散通常是不希望的,因为它倾向于扩大并啁啾产生的脉冲。 虽然自然发生的色散通常处于正常色散状态(至少对于在短波长下工作的激光器),但所需的色散可能接近于零甚至异常(用于在谐振器中形成准孤子脉冲)。 这样的色散值可以通过引入具有异常色散的光学元件来实现。 在体激光器的情况下,这些组件通常是特殊的介电色散镜(例如,以单片Gires-Tournois干涉仪或啁啾镜的形式)或棱镜对。
对于锁模光纤激光器,色散可以用特殊的色散光纤(例如光子晶体光纤或使用高阶模式的多模光纤)、啁啾光纤布拉格光栅或有时用块状组件(例如成对的衍射光栅)进行补偿。
对于持续时间低于大约30 fs的脉冲,不仅需要控制二阶色散,还需要控制高阶色散。 例如,为棱镜对选择合适的材料或棱镜压缩器的优化几何形状可能很重要。 还有称为GRISMs的特殊装置[7],在棱镜上具有光栅结构,这使得二阶和三阶色散强度的优化比率成为可能。

色散脉冲压缩

色散光学元件也可用于在激光谐振器外部色散(线性)压缩超短脉冲。

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