RP 系列激光分析设计软件 | 色散补偿

色散补偿主要是指消除某些光学元件的色散。不过，该术语通常也用于更广义的色散管理，即对某些系统的整体色散进行控制（但不一定是完全补偿）。例如，其目的可以是避免超短脉冲的过度时间展宽或光纤通信中信号的失真。色散补偿主要应用于锁相激光器和电信系统中，但有时也应用于光纤传感器的光传输中。

色散补偿是光纤链路（即光纤通信）的一个重要问题。在高数据速率情况下，调制信号会出现强烈的色散展宽。在没有色散补偿的情况下，每个码元都会被大幅拓宽，以至于与相邻的多个码元严重重叠。即使是中度展宽，大量的码间干扰也会严重扭曲检测到的信号。因此，必须在检测信号之前对色散进行补偿。

对于 40 Gbit/s 或 160 Gbit/s 等高数据速率，脉冲展宽比 10 Gbit/s 等高数据速率要强得多。这主要有两个原因：

• 较短的码元持续时间意味着可允许的传播时间更短。
• 信号的频谱带宽变大，从而导致更强的时间拓宽。

因此，一般来说，仅补偿二阶色散通常是不够的，还需要处理高阶色散。例如，在使用具有较大色散斜率的色散位移光纤时，如果只补偿二阶色散，就会出现问题。图1显示了 1550 nm 波长的单个 2 ps 脉冲在经过 10 千米和 50 千米这样的光纤后产生的效果。结果的失真 主要是未补偿的三阶色散造成的。

图1:当仅对二阶色散进行补偿时，三脉冲在经过 10 千米（实线）和 50 千米（虚线）色散位移光纤传播后的失真。模拟由 RP ProPulse 软件完成。

由此产生的脉冲失真可能看起来很小。然而，以 160 Gbit/s 的间距对三重 2 ps 脉冲进行的仿真表明，即使在这种情况下，也会由于码元间干扰而产生严重的信号失真。

图2:仅对二阶色散进行补偿时，色散位移光纤 10 千米（实线）和 50 千米（虚线）后的脉冲畸变。

传输光纤的色散可以通过不同设计的光纤或其他光学元件进行补偿。色散补偿模块（DCM）可包含长段色散位移光纤或啁啾光纤布拉格光栅等。后者的优点是结构紧凑，插入损耗相对较低。

在一定程度上，光数据传输系统中的色散影响也可以通过电子色散补偿以经济有效的方式得到缓解。

在用于产生飞秒脉冲的锁模激光器中，由激光谐振器中的增益介质和其他光学元件引入的色度色散通常并不理想，因为它会导致产生的脉冲变宽和啁啾。虽然自然产生的色度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而言），但所需的色度色散可能接近零，甚至是反常的（对于在谐振器中形成准孑子脉冲而言）。这种色散值可以通过引入反常色散的光学元件来实现。在体激光器中，这类元件通常是特殊的介质色散镜（如整体式 Gires-Tournois 干涉仪或啁啾镜）或棱镜对。

对于锁模光纤激光器，色散可通过特殊色散光纤（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通过成对衍射光栅等块状元件进行补偿。

对于持续时间低于 30 fs 的脉冲，不仅需要控制二阶色散，还需要控制高阶色散。因此，选择合适的棱镜对材料或优化棱镜压缩机的几何形状就显得尤为重要。还有一种称为 GRISM 的特殊装置[7]，棱镜上有一个光栅结构，可以优化二阶和三阶色散的强度比。

色散光学元件还可用于对激光谐振器外的超短脉冲进行色散（线性）压缩。