（光学工程专业论文）宽带自适应色散补偿技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 近年来，随着光纤通信系统向高速率、长距离和宽带化的方向发展，光纤色散成为系 统的主要限制因素。d c f 以及光纤光栅的研制，已经较好地解决了低速率、单通道的光纤 通信系统色散补偿问题，宽带自适应色散补偿成为研究的热点。在众多的宽带色散补偿方 案中，光纤光栅色散补偿方案具有补偿量大且可灵活可调等优点，因此具有较好的应用前 景。 本论文主要研究基于光纤光栅的宽带自适应色散补偿技术。首先比较了几种常见的宽 带自适应色散补偿技术，选择光纤光栅色散补偿方案作为研究的重点。 然后研究基于布拉格光纤光栅的自适应宽带色散补偿技术，其中包括：建立采用级联： 啁啾光纤光栅补偿多通道色散的传输系统方案，采用传输矩阵法设计满足方案要求的线性 啁啾光纤光栅，数值仿真传输系统性能，结果表明多通道的色散补偿效果显著；数值分析 啁啾光纤光栅的温度特性，得到光栅反射波长、色散特性随温度变化的规律，提出实现自 适应补偿的温度控制范围。 最后研究基于取样光纤光栅的宽带色散补偿技术，其中包括：数值分析均匀取样光栅、 取样啁啾光栅和啁啾取样光栅的特性，得到取样光栅特性随光栅各种参数的变化规律；指 出选择合适的参数，采用取样啁啾光栅可以得到较好的宽带色散补偿效果，采用啁啾取样 光栅可以同时补偿色散和色散斜率。 关键字：宽带色散补偿传输矩阵法级联光纤光栅取样光纤光栅 自适应 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft r a n s m i s s i o ns p e e da n dl e n g t ha n dw i d e b a n di no p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nr e c e n ty e a r s ，d i s p e r s i o nb e c o m e st h em a j o ro b s t a c l ei n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep r o b l e mo fd i s p e r s i o nh a sb e e nw e l ls o l v e dw i t h t h ee m e r g e n c eo fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ( d c f ) a n do p t i c a lf i b e rb r a g g g r a t i n g s ( f b g ) a so n eo ft h es o l u t i o n st ot h ed i s p e r s i o n ，w i d e b a n da d a p t i v e d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb e c o m e sh o tr e s e a r c ht o p i ci nr e c e n ty e a r s a m o n gt h e w i d e b a n d d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g i e sp r o p o s e d ，f b gi se x t r e m e l y u t i l i z e db e c a u s ei tc a nb eu s e dt oc o m p e n s a t em o r ed i s p e r s i o na n dc a nb ea d j u s t e d a g il e l y t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nw i d e b a n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do nf b g f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o m p a r e ss e v e r a lc o m m o n l yu s e dd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g i e s ， a n ds e l e c t sf b ga so u rr e s e a r c ht o p i c s e c o n d l y ，w i d e b a n ds e l f a d a p t a t i o nd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o no ff b gi ss t u d i e d w eb u i i tat r a n s m i s s i o ns y s t e m ，w h i c hu s e ss e r i a lc h i r p e df i b e rg r a t i n g sf o r c o m p e n s a t i n gm u l t i c h a n n e lw i d e b a n dd i s p e r s i o n w eu s et h et r a n s f e r m a t r i x m e t h o dt oc a l c u l a t et h ec h i r p e df i b e rg r a t i n g sa n dt os i m u l a t et h et r a n s m i s s i o n s y s t e m ，a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h em u l t i c h a n n e l d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o ne f f e c t o fc h i r p e df i b e rg r a t i n g si so b v i o u s b ys i m u l a t i n gt h e t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，w eg e tm a i np a r a m e t e r so ff b gs u c ha s f i b e rg r a t i n g s s p e c t r aa n dt e m p e r a t u r e v a r y i n gd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nt h i s ，w e c o n c l u d et h et e m p e r a t u r er a n g ef o rt h ea d a p t i v ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n f i n a l l y ， w ed i s c u s sw i d e b a n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do n s a m p l e d g r a t i n g s w i t ht h ea i do fn u m e r i c a la n a l y s i s ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sh o wt h e g r a t i n g sp a r a m e t e r si n f l u e n c et h eu n i f o r m e dg r a t i n g s ，t h es a m p l e dc h i r p e d g r a t i n g sa n dt h ec h i r p e ds a m p l e dg r a t i n g s r e f l e c t i v es p e c t r u m t h e nw ec a ng e t s e v e r a lc o n c l u s i o n s b yp r o p e r l yp a r a m e t e r ss e t t i n gf o rs a m p l e dg r a t i n g s ，s a m p l e d c h i r p e dg r a t i n g sc a nc o m p e n s a t ed i s p e r s i o nw h i l ec h i r p e ds a m p l e dg r a t i n g sc a n c o m p e n s a t ed i s p e r s i o na n ds l o p es i m u l t a n e o u s l y i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s ：w i d e b a n d d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n c a s c a d e df i b e rg r a t i n g s s e l f a d a p t a t i o n i l i t r a n s f e rm a t r i x m e t h o d s a m p l e df i b e rg r a t i n g s 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：主包堡垒日期：塑z ：生 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生主名：杰幺笙美导师签名：垒仨丝丝一日期：竺z ：竺! 兰 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章色散补偿技术 第一章概述 1 1 光纤通信的现状和发展 随着现代科学技术的迅猛发展，人们对信息的需求量日益增大，对信息服务的需求也 更加迫切。近年来，各国相继制订的“信息高速公路”发展计划正是为了迎接这一场信息 革命浪潮而展开的。以s d h 为基础的高速光传输网技术是建设“信息高速公路的主要技 术支撑之一。在过去的十年里面，光纤通信系统实际使用的传输容量每年增人一倍，预测 在未来的十年中。它仍将以同样的速度增加。目前实际使用系统的最高数字传输速率为 g b i t s 量级，预计到2 0 1 0 年将增加一千倍，达到t b i t s 量级。然而，当传输速率达到每 秒数千兆比特的时候，基本上己接近了电子处理线路的响应极限，这使得通信系统的高速 化成为难题。 目前光纤通信己成为传输信息的主要手段之一。随着全球信息化的步伐不断加快，各 种通信技术如b i s d n a t m 传输、压缩编码高清晰度电视等要求现有的光纤传输系统提高 传输速率、增加中继距离和容量。众所周知，限制扩容的主要因素是光纤的损耗和色散。 光纤的损耗导致光能随着传输距离的增加而减小，限制了中继距离；光源啁啾和光纤色散 则造成传输光脉冲的展宽甚至畸变，引起码问干扰导致误码，从而限制了传输速率的提高， 也制约了无中继传输距离。因此，在光纤通信系统中必须设置对光脉冲进行放大和再生的 中继器。 现有光通信系统的中继技术实质上是十分成熟的电中继技术的移植，它在电中继的前 后加上光电转换和电光转换，构成一种“光一电一光 的中继模式。这类中继站存在着很 大的缺陷，不仅结构复杂庞大，而且造价昂贵，另外受到电子转换速率的限制，系统单通 道的传输速率一般不超过几g b i t s ，远不能满足未来的具有极高传输速率的宽带综合业 务网( b - i s d n ) 的要求。 由于光子的响应速度远快于电子，因此为了克服电子转换速率限制这一瓶颈，必须发 展以光子技术为基础的全光信息处理技术，真正发挥用“光 来传输信息的优势。从技术 发展的角度来看，w d m 长距离传输系统也是构建未来光网络的基石。因为未来光网络的发 展历程必先经过初期的简单的点到点传输系统阶段，然后发展成为具有上下话路能力的链 路结构和具有保护功能的环网结构或多环结构，再发展为具有智能的格状光网络，到最后 成为能综合运用各种光处理技术的光子网络，即全光网络。各个发展阶段的系统都是以 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章色散补偿技术 w d 地长距离传输为其支撑技术圆。 1 2 限制高速光纤通信的主要因素和关键技术 1 2 1 高速光通信的主要限制因素 高速光纤通信系统，特别是4 0g b s 以上的光通信系统在使得传输容量和速度都得到 很大增加的同时，也使得光纤群速度色散，偏振模色散，非线性效应等问题日益突出，成 为影响光纤传输性能的主要因素口一。 光纤群速度色散( g v d ) 对光通信系统的性能影响主要表现在对传输中继距离和传输 速率的限制。光纤色散对中继距离的影响机理主要是色散使传输脉冲展宽，从而产生脉冲 码间干扰。当色散引起光信号脉冲的展宽大于0 3 倍的输入脉宽时，光接收灵敏度就急剧 下降，导致均衡困难，误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不得不 付出降低码速率、减少通信容量的代价。另外，色散引起的光脉冲展宽随着传输距离的增 加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。 偏振模色散( p m d ) 是由于光纤中存在双折射现象，光纤中实际传输的两个相互正交 的偏振模将会以不同的速度传播，从而导致模式之间具有差分群时延。由于偏振模色散， 光纤上传输的信号脉冲会发生展宽，而且这种展宽会随着时间而波动，这就会使系统的性 能下降，严重时会中断正常通信。同时由于光纤中的偏振模色散不是固定的，它服从一定 的统计分布，且偏振模色散对外部环境变化很敏感，因此补偿偏振模色散就很困难。本论 文中暂不考虑偏振模色散的影响。 目前光通信系统中普遍引入e d f a 以及普遍采用波分复用( w d m ) 技术来提高系统的容 量和传输距离，光纤的入纤功率很高，光纤中将出现非线性效应，并且色散补偿光纤的纤 芯较常规单模光纤细，更容易产生非线性效应，例如自相位调制( s p m ) ，受激赖曼散射 ( s r s ) ，受激布里渊散射( s b s ) 等，而光纤非线性效应与光纤群速度色散( g v d ) 相互作用将 影响光纤传输系统的性能，且非线性效应具有累积性。 为提高通信传输质量，有必要对以上问题加以分析，研究探讨相关解决技术。 1 2 2 高速光通信的关键技术 目前，色散补偿技术、宽带喇曼放大器技术( r f a ) 、前向纠错( f e c ) 、动态调制均衡、 码型技术、遥泵技术等已经成为影响高速光通信的关键技术佑棚： 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章色散补偿技术 1 色散补偿 在1 0 g b i t s 以上的高速长距离传输系统中，必须考虑色散补偿问题。色散补偿包括 色度色散补偿和偏振模色散补偿。 高速光纤系统的群速度色散补偿方法，其中几种较具有代表性的是基模高阶模色散 补偿光纤、色散补偿光纤光栅、高阶模色散补偿器和v l p a ( v is u a li m a g ep h a s ea r r a y ) 器件等。也可在信号调制和接收时采取一定的措施以减小色散的影响，如在信号调制时加 啁啾；在接收端进行动态色散补偿等。 色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块，目前使用最多的是色散补偿 模块( d c m ) ，主要利用色散补偿光纤d c f 构成模块，但是这种色散补偿光纤具有较强的非 线性效应，会使不同信道之间的串扰加大。在4 0 g b # s 系统当中，环境因素的变化会造 成色散量大小的随机波动，因而还要求色散补偿模块是可调谐的，需要动态色散补偿，相 关的技术有啁啾光纤光栅色散补偿，环行谐振器，虚相位阵列，沉积了加热金属的相位平 板光栅，连接基于高阶模光纤的长周期光栅的光开关，多腔反射滤波器等，但是真正商用 的产品尚不多。 对于克服偏振模色散( p 肋) ，目前有两种方案，一是在线路上解决p m d 问题。采用新 的，性能好的、低p m d 系数的光纤，以及光信号采用新的调制格式，使光信号不易受p m d 的影响。这种方法成本较低，只能用于新的光纤。第二种方法是采用p m d 补偿技术，对 p m d 动态地进行调节和管理。这种方法价格昂贵，但是可以允许网络运营商继续使用原有 的旧光纤。 2 喇曼光纤放大器( r f a ) 技术 在u l h 系统中，喇曼放大器技术是非常受瞩目的光传输技术，可以放大e d f a 所不能 放大的波段，并且利用普通的传输光纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪 比( o s n r ) 。喇曼放大器利用光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可 以在光纤内部进行补偿。一种应用较广的喇曼放大器称之为分布式喇曼放大器( d r a ) 。d r a 工作的基本原理是受激喇曼散射( s r s ) 效应，既将一小部分入射功率由一光束转移到另外 一个频率下移的光束，频率下移量由非线性介质的振动模式决定，当波长较短( 与信号波 长相比) 的泵浦光馈入光纤时，发生此类效应。泵浦光光子释放其自身的能量，释放出基 于信号光波长的光子，将其能量叠加在信号光上，从而完成对信号光的放大。喇曼增益取 决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值，所有的喇曼放大器都可应用 于4 0 g b i t s 和1 0 g b i t s 的传输系统，有时还会采用互泵浦和相对泵浦技术。对于超长距 系统来说利用喇曼放大器提高系统的o s n r 、增加系统跨距长度、提高w d m 系统的通路和 3 堕塞堕皇奎堂堡主堑壅生兰垡丝壅墨二皇鱼墼盐堡垫查 抑制光纤非线性效应是主要的目的 。 3 光信号的调制解调技术 在高速光纤系统中，究竟采用什么码型，是一个值得探索的问题。由于非归零( n r z ) 码、归零( r z ) 码以及近年出现的载频抑制归零( c s r z ) 码和改进归零( 肋r z ) 码等不同 线路调制码型的光信号在色散容限、s p m ( 自相位调制) 、x p m ( 交叉相位调制) 等非线性 的容纳能力、频谱利用率等方面各有特点，因此要根据实际的应用情况和传输距离，选择 采用的调制码型。而且，高速率系统对调制器的要求更高，要求这些调制器具有高调制带 宽、高消光比、低回损、高饱和功率和低驱动电压等特点。 对于超宽频带的超长距离w d m 传输系统中，n r z 、r z 等码型都有自己的特色。n r z 码的应用简单、成本低、频谱效率高，是目前s d h 和w d m 系统中应用最广泛的码型，由于 n r z 码元过渡不归零，对传输损伤敏感。r z 码的主要缺点是信号频谱宽度相对n r z 码增 加，增加调制器使系统变得复杂，成本提高。为了进一步提高r z 码的传输性能，近年来 还出现了c s r z ( 载频抑制r z ) 和m d r z ( 改良的双二进制码) 等码型，在功率较高的情况下， 不但增加了色散容限，而且有更强的抵抗s p m 和f w i v i 等光纤非线性效应的能力。c s r z 码 中，相邻码元的相位相差1 8 0 度；m d r z 码的所有“0 ”码相位保持不变，相邻“l 码相 位相差1 8 0 度，频谱宽度比r z 和c s r z 窄，缺点是调制技术复杂。最近又研究出新的编码 格式如c s r z - d p s k 、差分相移键控归零码( r z - d p s k ) 、双二进制、单边带剩余边带调制 ( s s b v s b ) 、相位整形二进制传输( p s b t ) 都可应用于高速率w i ) m 传输系统。 4 前向纠错( f e c ) 技术 在光传输系统中采用前向纠错( f e c ) 技术，能够消除系统性能曲线中的误码率平台现 象，其编码增益也提供了一定的系统富余量，从而降低光链路中线性及非线性因素对系统 性能的影响。对于有光放大器的系统，可以增加光放大器间隔，延长传输距离，提高信道 速率，减小单通路光功率。 f e c 的实现方式有两种：一是带外f e c 系统，二是带内f e c 系统。带内编码f e c 是指 利用信道本身的未使用传输开销字节作为f e c 纠错编码字节，实施f e c 编码后，信道码速 不变：带外编码f e c 是指f e c 纠错冗余字节加入传输信道，实施f e c 编码后，信道码速增 加，能较大地改善系统性能。带内f e c 的增益一般为3 d b 左右，而带外f e c 的增益远高于 带内，因此超长距系统均采用带外f e c 编码。在现有常规d w d m 系统中所应用的f e c 编码， 尤以r s 编码最普遍。r s 2 2 3 编码比r s 2 3 9 编码拥有更多的冗余字节，因此前向纠错能力 更好，r s 2 3 9 编码可以比无编码时的o s n r 情况改善5 d b 左右，而r s 2 2 3 编码又可以比r s 2 3 9 改善4 衄，因此使用超强f e c 时，o s n r 总体改善情况为9 如，大大提高了系统的传输距 4 塑塞墅皇奎兰堡主型茎竺兰垡笙奎 一 蔓二至鱼墼盐堡垫查 离。 实验证明，采用3 b i t 软判决块t u r b o 码，可获得1 0 1d b 的净编码增益和2 4 6 的 冗余。对于4 0 g b i t s 传输系统，由于接收机对o s n r 更敏感，在高链路速率中经常发生信 号损伤，因此在4 0 g b i t s 系统中需要更高的编码增益，并降低开销冗余。 5 动态调制均衡 对于超长距离传输，保证整个线路上的增益平坦是非常重要的，增益均衡用于保证线 路上各个波长之间的增益平坦，在主光通道的入口可能和各个波长之间的功率电平一样， 但由于放大器增益平坦度以及各个波长在线路中衰耗的不一致，从而会导致接收端的各波 长间功率差异较大，影响正常的接收。目前一种通用的方法是在各个光放站放置增益平坦 滤波器，此外通过基于各个通道光谱密度的大小，实施反馈控制，可以动态管理平坦进程。 动态增益均衡的优势在于可以增加超长距传输系统的区段数目，可以在级联5 0 个e d f a 情 况下，不进行电再生中继；支持动态网络配置，在网络波长数目发生重大差异时不会对 o s n r 造成损伤；由于输入光功率变化也会造成增益斜度劣化，而通过动态增益均衡，可 以代替目前正在使用的可调光衰减器( 主要位于发射机一侧) 。 6 遥泵技术 遥泵技术是用于单段长跨距传输的专门技术，主要解决单长跨距传输中信号光的 o s n r 受限问题。在单段长跨距传输系统中，光纤输出端口处的光功率总是很小，极易造 成接收端o s n r 受限，因此需要采用高入纤光功率。同时为了避免出现非线性失真，总的 光功率一般限制在3 0 d b m 以下。在传输光纤的适当位置熔入一段掺铒光纤，并从单段长 跨距传输系统的端站( 发射端或接收端) 发送一个高功率泵浦光，经过光纤传输和合波器 后注入铒光纤并激励铒离子。信号光在铒纤内部获得放大，并可显著提高传输光纤的输出 光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介质( 铒纤) 不在同一个位置，因此称为“遥泵 ( r e m o t ep u m p ) 。遥泵光源通常采用波长为1 4 8 0 n m 激光器，以克服长距离光纤传输的 损耗问题。根据泵浦光和信号光是否在一根光纤中传输，遥泵可分为“旁路 ( 泵浦光和 信号光经由不同光纤传输) 和“随路 ( 两者通过同一光纤传输) 两种形态。随路方式中 泵浦光还可对光纤中的信号光进行喇曼放大，进一步增加传输距离，并可节省光纤资源， 可以得以广泛应用。遥泵技术通常还可综合其他新技术，如光纤有效截面管理、二阶喇曼 泵浦、两级遥泵增益区等。 总之，遥泵传输技术是在光缆线路中插入掺铒光纤等增益介质来进行光放大，这些点 不需要供电设施，也无需维护，适合那些穿越沙漠、高原、湖泊、海峡的环境。不便之处 在于，它需要在适当的位置切断光缆，将掺铒光纤串联到原来的光纤中，施工改动量和难 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章色散补偿技术 度较大。 随着掺饵光纤放大器( e d f a ) 的出现使得光纤损耗的影响变为次要，因而高速光纤传输 系统的信息容量和传输距离将主要受限于色散和非线性效应，并且以前者为主。因此对于 色散补偿技术的研究将成为光纤通信实现超长距离、超高速传输的关键问题之一。因此本 论文主要讨论高速光纤通信系统中的色散补偿技术。 对于普通的单模光纤( g 6 5 2 光纤) ，在最低损耗窗口1 5 5 朋处约有1 7p s n m k m 的 色散，这将对高速光脉冲产生严重的展宽和畸变，形成码间干扰，从而限制了光纤通信向 更高速率的发展。为了解决色散的影响，人们开始研究新结构的光纤，研制出了零色散点 位移到1 5 5 朋处的色散位移光纤，但由于非线性效应，这种光纤在1 5 5 o n 最低损耗 窗口不能实现波分复用，这样色散位移光纤就不具备先进性。于是出现了兼顾色散和非线 ： 性两种要素的折衷方案。先后出现了g 6 5 5 a 光纤，包括零色散点在1 5 1 0 刀所左右的t r u e w a v e 光纤和l e a f 光纤。以及g 6 5 5 b 光纤，即零色散点在1 4 3 0 n m 左右的t e r a l i g h t 光纤 和p u r e g u i d e 光纤。目前，世界上大量铺设g 6 5 5 a 光纤，但g 6 5 5 a 光纤在长距离的高 速通信系统中仍然需要进行色散补偿，而且很难实现通道间距为5 0 g h z 的w d m 系统。而 g 6 5 2 光纤在1 5 5 朋窗口处的大色散可以有效地抑制非线性，实现通道间距为5 0g h z 的 w d m 系统的传输毫无问题。全世界已敷设g 6 5 2 光纤2 亿多公里，要想在g 6 5 2 光纤上开通 高速系统，色散补偿是最为重要的关键问题之一啼1 。 因此，论文中主要讨论针对g 6 5 2 光纤在c 波段的宽带色散补偿。 1 3 论文的主要内容 论文的主要内容包括以下几个部分： 第一章为绪论部分，概述了光纤通信的发展及现状，分析了限制高速光通信的主要限 制因素和关键技术。 第二章对色散补偿技术从整体上进行了分类与总结，包括单信道色散补偿技术、宽带 色散补偿技术以及宽带自适应色散补偿技术。 第三章对光纤光栅的理论基础进行了简单介绍，包括光纤光栅的光敏特性光学特性以 及光纤光栅的制作方法；重点分析了光纤光栅的耦合模理论，并结合该理论给出了几种不 同的数值计算方法，确定传输矩阵法作为本论文数值仿真的主要方法，为以后各章数值模 拟打好理论基础。 6 垦塞些皇奎堂堡圭型壅竺兰篁笙奎笺二皇鱼墼盐堡垫查 第四章主要研究基于布拉格光纤光栅的自适应宽带色散补偿技术，其中包括：数值分 析啁啾光纤光栅的温度特性，得到光栅反射波长、色散特性随温度变化的规律，提出实现 自适应补偿的温度控制范围。建立采用级联啁啾光纤光栅补偿多通道色散的传输系统方 案，采用传输矩阵法设计满足方案要求的线性啁啾光纤光栅，数值仿真传输系统性能。 第五章研究基于取样光纤光栅的宽带色散补偿技术，其中包括：数值分析均匀取样光 栅、取样啁啾光栅和啁啾取样光栅的特性，得到取样光栅特性随光栅各种参数的变化规律； 指出选择合适的参数，采用啁啾取样光栅可以得到较好的宽带色散补偿效果，采用取样啁 啾光栅可以同时补偿色散和色散斜率。 第六章对本课题的研究进行了简要的总结。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章色散补偿技术 第二章色散补偿技术 光纤色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模色散。色度色散和偏振模色散。色度 色散又分为材料色散和波导色散。对于多模光纤，模式色散是主要的，材料色散相对较小， 波导色散一般可以忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模 式色散，只有色度色散和偏振模色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。对于 制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。因此，论文中主要考虑色度色散的补偿方法。 按照光纤通信系统从低速到高速、从单根光纤传输单个波长信号到波分复用( w d m ) 系统的发展，对色散补偿技术的讨论也分为以下几类。 2 1 色散补偿原理 2 1 1 色散特性 色散是光纤的传输特性之一，光信号在光纤中传输因其不同频率成分的群速度不同而 引起色散。因此，色散反应了光信号沿光纤传播时的展宽。光纤的色散使得光信号脉冲展 宽，从而增加误码率，影响通信质量。 在数学上，光纤的色散效应可以通过在中心频率q 处展开成传播常熟的泰勒级数来 解决嗍： o ) = 刀o ) 詈= 风+ 屈。一) + 圭厦。一国。) 2 + ( 2 1 1 ) 这里成= 等l ( 一2 ， 当参量反对应于脉冲宽度时，脉冲包络以群速度( = 1 届) 移动。参量层，及和 折射率n 有关。它们的关系可由下面的式子得到 压：巩+ 缈安i _ 垒= 上 ( 2 1 2 ) cl d 国j c l ，g 反= 昙 2 瓦d n + 国害卜i c o 丽d 2 n 嘉等 亿， 式中，l g 是群折射率，y g 是群速度，屈是群速度色散系数，是决定脉冲展宽的主要因 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章色散补偿技术 素，通常也用色散参数d 来表示色散，它与厦之间的关系为 。= 鲁一等属孑等 ( 2 1 4 ) 在见= 1 5 5 p r o 处，及= - 2 0 p s 2 k m ，且在1 3 1 , u r n 附近改变符号。 除了阶色散的补偿之外，高阶色散的补偿也是一个值得研究的问题，因为它对于 4 0g b i t s 以上的传输速率有很大的影响n 1 。光纤在1 5 5 0 删窗口的色散可表示为： a t = a 2 丢r ) + 竽丽d 2r ) + ( 2 ) 厶为脉冲的中心波长，其谱宽为a 2 ，缸为色散宽度。f ) = z y ) ，其中z 等于链 路长度，i ，) 代表光以厶传输时的群速度，上式又可写成： ： 岔：加仇) + 筚国仇) + ( 2 1 6 ) 其中( 一阶) 色散d 魄) 和色散斜率( 也叫二阶色散) d ) 可表示为 酬= 丢嘲槭 ) d 。= 丢阮k ( 2 1 8 ) 在1 5 5 0 n m 窗口，对标准单模光纤来说： d 1 7 p s ( n m k m ) ，d 。o 0 6 p s ( r i m 锄) 。 2 1 2 色散补偿原理 由光波在光纤中传播时包络满足非线性薛定谔方程口1 ： 暑+ 丢：睾丢屈+ 詈么= - r l 彳1 2 彳 汜， 其中：a 是输出脉冲包络的幅度，7 = 2 册：, , i a 谚，以2 为非线性折射率系数，a 为光波波 长，匀为光纤的有效芯区，磊项代表了三阶色散，在慨l 超过l 芦2 k , n 时，屈项可以不 考虑，参数：与y 分别反映了群速度色散与自相位效应的大小。则此时的输出脉冲包络 的幅度为： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章色散补偿技术 么( z 力= 荔1e 么( o ，国) e 冲睦反z 国2 一z 研 如 式中，彳( 0 ，国) 是彳( o ，f ) 的傅立叶变换。上式中的相位因子e x p ( 丢厦z 2 ) 导致了光信号在 光纤中传输时产生变形，它使光脉冲经光纤传输时产生了新的频谱成分。所有的色散补偿 方式的目的都是为了尽量抵消这一项的作用，来取消相位系数，以恢复输入信号的原来的 初始波形阐。下面两节将重点介绍常见的色散补偿技术。 2 2 宽带色散补偿技术 1 色散补偿光纤 使用色散补偿光纤( d c f ) 来补偿色散的思想早在1 9 8 0 年就己提出3 ，但直到1 9 9 0 年 e d f a 的出现才加速了其发展进程。其基本原理是：由于常规光纤在1 5 5 l m 波长上具有 负色散，我们可以设计一段在该波长区中正色散系数很大的特殊光纤，因此用一段很短的 正色散光纤就可以补偿几十千米的常规光纤所产生的负色散，从而在1 5 5 2 m 窗口接收到 无畸变的波形。这段特殊光纤因此被称为色散补偿光纤n 们。 光信号在光纤中的传输方程( 即非线性薛定谔方程) 可以描述为： 鲁t 厦等丢屈矛a 3 a = 。 亿2 1 ， 式中，么为光信号的缓变振幅，z 为传输距离，丁为时间。实际上，当l 履l l p s 2 k m 时， 屈可忽略不计。 我们可通过求解式( 2 2 1 ) ，得到光脉冲在经过两段正负色散光纤后的输出波形 彳( 三= 去( o 纠e x p 吾魄。厶+ 尾：三：b 2 吉魄t 三一+ 屈：三：诊3 一f 刃卜 ( 2 2 2 ) oi 式中，上= 工l + 厶，及。，屈1 分别为长度为l j ( = 1 ，2 ，其中，1 代表d c f ，2 代表常 规光纤) 的光纤的二阶和高阶色散系数。若色散补偿光纤满足 及l 三l + 厦2 l 2 = 0 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章色散补偿技术 局l 厶+ 岛2 l 2 = 0 ( 2 2 3 ) 则由式( 2 2 2 ) 得：爿( z ，r ) = 4 0 ，r ) ，即在输出端可以复原无畸变的输入脉冲。 目前，已大量敷设的是常规单模光纤g 6 5 2 。这种光纤虽然在1 3 1 0 玎朋处色散几乎为 零，但是损耗较大，而在1 5 5 0 ”所处损耗最低，人们迫切希望能够充分利用这一窗口。近 年来工作在1 5 5 0 n m 的掺饵光纤放大器( e d f a ) 的出现，更使得1 5 5 0 以所窗口成为长距离、 大容量光纤通信系统的优选窗口，但是g 6 5 2 光纤工作在1 5 5 0n m 的色散较大，达到了 1 7 p s n m h n 。为了克服这种波长色散的影响，利用具有大的负色散的色散补偿光纤( d c f ) 是一种很有效的方法。即在已建的g 6 5 2 光纤传输线中，每隔一定的距离插入长度调整好 的色散补偿光纤对色散进行补偿，使整个传输线路的总色散为零。 2 光纤光栅 ： 光纤光栅是一种光纤无源器件。自从1 9 7 8 年k 0 h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻 波写入法制成世界上第一只光纤光栅以来，由于它具有许多独特的优点，在光纤通信、光 纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益 增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性和发展最为迅速的光纤无源器 件之一。 啁啾布拉格光纤光栅是特殊的光纤光栅，其光栅周期沿着光纤方向逐渐缩短。如图 2 2 1 所示，特定周期的光纤光栅能够反射特定波长的光，因此在啁啾布拉格光纤光栅中， 速度慢的长波长的光传播了较近的距离就会被长周期的光纤光栅反射，而速度快的短波长 的光将传播较远的距离才会被短周期的光纤光栅反射，这样光脉冲经过啁啾布拉格光纤光 栅后会被压缩，达到色散补偿的效果。 图2 2 1 啁瞅光栅的色散补偿原理图 光纤光栅色散补偿器件与色散补偿光纤相比，具有色散补偿量大且可灵活调节、小型、 廉价并易于批量生产、易于对已铺设的普通标准单模光纤进行升级改造等优点，具有极强 的竞争力，在国际上得到越来越多的重视。 堕塞堂皇奎堂塑主堕壅生堂垡丝茎釜三兰鱼墼! ! 堡垫查 光纤光栅色散补偿器件的发展非常迅速，1 9 9 4 年，可以补偿l o g b s 与2 0 g b s 的信 号传输1 6 0 k m 。1 9 9 5 年，一个1 2 c m 的啁啾光栅补偿了l o g b s 信号传输了2 7 0 o n 。 切趾技术的发明使补偿距离达到了4 0 0 k mn 。1 9 9 6 年，采用预啁啾技术及特殊编码技术 结合光纤光栅进行色散补偿使补偿距离达到了7 0 0k m 1 3 o 光纤光栅在单信道色散补偿取 得巨大成功的同时，为了满足w d m 系统宽带传输色散补偿的要求，光栅的带宽问题成了主 要的问题，因此本论文主要针对w d m 系统的宽带色散补偿问题进行讨论。 3 其它色散补偿方法 中途谱反转技术也是种被广泛研究的，在全光的范畴内解决色散补偿问题的方法。 它利用光学相位共轭原理，对光脉冲在传输距离一半的位置上作频域变换，使前段因色散 而展宽的光信号在后半段传输中被压缩，在接收端恢复为发射端的脉冲形状。这个方法不 但可以补偿色散，还可以补偿四波混频与自相位调制等非线性效应的影响。其中的中途谱 反转装置需要外加较强的泵浦光，需要非线性介质，包括色散位移光纤或半导体放大器， 设备比较复杂，而且必须在中点进行补偿，目前还不成熟，正在研究中。 光孤子通信是近期非常热门的一个研究课题，其工作机理是在光纤的反常色散区， 用光纤非线性自相位调制( s p m ) 来产生与光纤色散有互补关系的光波啁啾效应，使光纤 中的光脉冲逐步形成一种类似钟形的稳定形状，最终到达只与脉冲幅度有关的平衡态。理 论上，若能忽略损耗压缩，光孤子脉冲可以保持形状传输任意远，从而彻底克服色散的负 面影响。 色散补偿也可以在电的范围内辅助解决，主要包括光源预啁啾，放大器及光纤诱导 啁啾等技术。这些技术都是要在光脉冲进入光纤之前产生一个正的啁啾，使后沿的频率高 于前沿的频率。由于g 6 5 2 光纤在1 5 5 0 h m 处色散值为正，光载波的群速度与载波频率成 正比，高频分量传播速度快，所以后沿比前沿传播速度快，可以压缩脉冲宽度。双二进制 编码等特殊编码技术也可以提高色散限制距离。这些方法都不是补偿色散，而是采用对色 散不敏感的信号形式进行传输，虽然可以在定程度上提高色散限制距离，但都只能作为 辅助手段。 2 3 宽带自适应色散补偿技术 近年来，光传输网络的发展主要有以下几个方面：( 1 ) 更高的单信道比特速率；( 2 ) 更多的波长信道数；( 3 ) 光网络向着动态可配置、智能化的方向发展n 钔。 速率越高、信道数越多，系统对一些参数的微小变化越敏感，比如4 0 g b i t s 系统的 1 2 堕室塑皇查堂堡主翌窒生堂堡丝塞 茎三里鱼墼盐堡垫查 色散容限只有l o g b i t s 系统的i j 6 ，以致过去看来是无足轻重的因素现在变得越来越重 要，因此必须采取相应的措施来保证系统的正常运行。另外，随着网络变得可以动态重构， 路由的变化必然导致链路残余色散值的变化。再者，一些时变因素，如器件的老化、环境 的变化，都会对系统的性能造成一定的影响。所以，需要在光网络或系统中进行动态的或 自适应的色散补偿。 自适应色散补偿也可称为动态色散补偿，动态色散补偿可简单看作色散补偿单元和动 态调节单元的组合。通常使用的色散补偿单元不具备可调谐功能，色散数值和工作波段随 着色散补偿单元结构参数的确定而固定，因此缺少使用灵活性和可以配置的功能。目前， 色散补偿单元可调谐功能主要有以下两种方法实现：一是在固定式色散补偿单元上附加一 个调谐单元，通过控制调谐单元状态实现动态色散补偿：另一种是调节色散补偿单元本身 结构的物理参数，以改变色散补偿响应。 目前动态色散补偿技术主要有单信道动态色散补偿和多信道动态色散补偿。单信道可 调色散补偿技术有以下几种。 1 温度调谐型啁啾光纤光栅 在光纤光栅研究的早期阶段，人们主要致力于用温度封装来稳定光纤光栅布拉格波 长。之后，相继出现了许多温度调谐技术。b e n j a m i n 等人就采用镀膜技术在啁啾光纤光 栅外层制备一个光纤分布式加热器 1 5 o 这种加热器实际上是一层包覆在光纤芯层外的金属 膜，由于金属膜厚度沿着光纤轴向呈线性变化，从而形成阻值随着位置渐变的加热电阻( 如 图2 3 1 所示) 。 镀膜的光纤裸光纤 图2 3 1 金属膜的厚度、加热功率和温度变化随光纤位置变化曲线 当金属膜两端通上电流时，啁啾光纤光栅在长度方向产生近似线性分布的温度梯度 场，那么啁啾光纤光栅布拉格波长随通电电流发生漂移。这种技术关键在于镀金属薄膜工 艺，如果镀膜控制技术能确保加热电阻呈线性变化n 阳，那么啁啾光纤光栅响应谱上时延抖 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章色散补偿技术 动可降到1 0 芦量级，使得啁啾光纤光栅色散补偿性能得到优化。 2 应力调谐型啁啾光纤光栅 机械应力对光纤光栅的扰动要比温度对光纤光栅的扰动明显，因而应变调谐方式的 调谐范围大，响应速度较快。通常应变调谐机构有悬臂梁、电磁拉伸、侧应力挤压n 。其 中悬臂梁方式结构简单，在可调节波长范围内色散量随应力变化的线性度较好。此外，电 磁拉伸方式也使用较多，它的调节范围比悬臂梁大些，但是封装后尺寸不够小，不满足结 构紧凑的需要n 引。 常见的多信道可调色散补偿技术有： 1 取样啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的色散补偿量与光栅长度之间的关系表达式为 d r 三，：a c g r a t i n g ：2 n e f f l g ( 2 3 1 ) 7 兄 c a a 式中，d ，为光纤色散系数( 约2 0 p s n m ) ，0 ，l 8 分别为光纤跨度和光栅长度，刀为 光纤有效折射率，c 为光速，名为光栅使用带宽。当所需补偿系统色散量给定时，啁瞅 光纤光栅长度越长，可补偿带宽就越大。通常采用级联单个啁啾光纤光栅方法来扩展使用 带宽，用于补偿w d m 系统中多个信道的级联光纤光栅可达lm 甚至更长，制各工艺复杂要 求高，封装和使用极不方便。 取样光纤光栅是解决光纤光栅可使用带宽较小的有效途径。依照耦合模理论，光栅折 射率分布的