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光纤通信系统中的色散补偿问题综述 1. Introduction光纤通信具有高速率、大容量、长距离以及抗干扰性强等特点。但损耗和色散是长期阻碍光纤通信向前发展的主要因素。伴随着损耗问题的解决，色散成为决定光纤通信系统性能优劣的主要因素。如何控制色散以便提高光纤通信系统的性能，成为光纤通信研究的热门课题之一。目前对于光纤的色散已经提出了很多补偿方法，主要有色散补偿光纤（DCF），啁啾光纤光栅，均匀光纤光栅，相位共轭（中点谱反转），全通滤波器、预啁啾等。随着以上各方法缺点的暴露，学者们提出了光孤子色散补偿技术，又相继提出了色散管理孤子，密集色散管理孤子等技术。色散管理成为近年来光纤通信前沿研究的重要热点。2. Concept of Dispersion由于信号在光纤中是由不同的波长成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的波长成分和模式成分有不同的传播速率，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是说光脉冲在通过光纤传播期间，其波形随时间发生展宽，这种现象称为光纤的色散。3. Dispersion Causes通常把光纤中的色散分为三种类型：模式色散、模内色散和偏振色散。a) 模式色散模式色散是多模光纤才有的。多模光纤中，即使是同一波长，模式不同传播速度也不同，它所引起的色散称为模式色散。不同模式的光在光纤中传输时的传输常数不同，从而使传输同样长的距离后，不同模式的光波之间产生了群时延差，假设光纤可以传输多个模式，其中高次模到达输出端所需的时间较长，结果使入射到光纤的脉冲，由于不同模式到达的时间不同，或者说群时延不同，在输出端发生了脉冲展宽。b) 模内色散模内色散亦称颜色色散或多色色散。主要是由于光源有一定带宽，信号在光纤中会有不同的波长成分，信号的不同波长分量具有不同的群速度，结果导致光脉冲的展宽。模内色散包括材料色散和波导色散。c) 偏振色散通常的轴对称单模光纤是违背“单模”名称的。实际上有可能传播着两个模，即在光纤横截面上的两个正交方向(设为x方向与y方向)上偏振的(即在这些方向上具有场分量的)偏振模，同时由于实际的光纤中必然存在着一些轴不对称，那么，光纤会存在双折射，模传输常数对于x，y方向偏振模稍有不同，就会使这两个模式的传输速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。4. Impact on transmitted sigal due to Dispersiona) 色散限制光信号一次传输的距离在信号的传输过程中，信号靠波形的有无来判断。由于色散使脉冲变形，为了准确地判断波形的有无，需要减少单位时间内传输的脉冲数(也就是减少比特率)，或在波形未过度展宽时，就进行波形的恢复和放大，故色散的存在限制了光信号一次传输的距离。另外，在传输距离相同的情况下，色散越大，单位时间内传输的信息量越小。b) 色散引起脉冲信号失真，产生码间干扰光纤通信都是采用脉冲编码形式，即传输一系列的“1”、“0”光脉冲，一个非零线宽的实际光源被基带进行强度调制。强度调制就是使光波的强度与调制信号电流成正比地变化。调制信号等同地调制光源的每一波长成分。不同波长在光纤中的传输速度不同，它们到达终端的时间不同，即有时延差。由于各波长成分到达的时间先后不一致，因而使叠加后的脉冲加宽，这叫做脉冲展宽。传输的距离越远，展宽越严重，这表明光纤的色散引起脉冲信号失真，使前后码产生码间干扰。5. Research on the methods of Dispersion Compensation为了去除色散的影响，人们研究了多种色散补偿方法，主要有色散补偿光纤，均匀光纤光栅，相位共轭（中点谱反转），全通滤波器，预啁啾以及色散管理孤子等。a) Dispersion Compensation Fiber(DCF)色散补偿光纤（DCF）是一种在1550nm波长有很高负色散的光纤（-50-500ps/nm.km）。色散补偿光纤是通过控制石英掺杂量以及光纤结构设计，使光纤的材料色散和波导色散相加后，零色散波长移到大于1550nm的位置，从而在1550nm附近有较大的负色散。使用DCF进行色散补偿，只需要增加少量色散补偿光纤和掺铒光纤放大器，就可达到色散补偿的目的；DCF的色散补偿量可以控制，且性能稳定。但是，DCF也有一些缺点：1）有插损，2）DCF的损耗系数比普通单模光纤的损耗大，3）不利于实现器件的小型化，DCF可以提供比普通光纤大得多的色散（5-10倍），但要补偿100km的光纤色散需要上十km的DCF。4）非线性效应，为获得更大的色散，DCF的芯径通常在4um左右，远小于约为9um的普通单模光纤，由于芯区面积的减小，致使DCF中的非线性比普通光纤大2-4倍，在高速波分复用系统中这种非线性将进一步限制传输距离。b) Uniform Fiber Grating(UFG)均匀光栅是指光栅周期沿光纤方向是均匀的。可以利用均匀光纤光栅反射带隙附近的强色散在传输中进行色散补偿。均匀光纤光栅的色散补偿是基于透射式的。同啁啾光栅补偿方式相比，均匀光栅补偿法省去了环形器，降低了系统损耗，同时降低了光纤光栅制造的工艺难度。若将几段参数适当的均匀光纤光栅级联起来，就可较容易地用于WDM系统中多信道色散的在线补偿。c) Phase Conjugation(PC)光信号的频谱在通信线路中点处进行光相位共轭（OPC），这种方法又称为中点谱反转（MSSI）。在实际系统中，考虑到衰减的影响，必须使用EDFA、FRA等放大器，因此实际系统如图1-1所示：利用相位共轭进行色散补偿，补偿效率高；这种补偿方法与系统的信号传输速率、信号的调制方式无关，可以应用于各种模式的光通信系统；而且使用这种技术的设计相对简单。但是如果考虑光纤中二阶以上的群速度色散项，而且当功率强度较大时，介质折射率表现为非线性，此时，利用相位共轭技术校正光脉冲在时域中的畸变会存在一定的误差。d) All-pass Equalizer(APE)在谐振波长处，光均衡器的时延取得最大值，色散值为零；对于小于谐振波长的信号，均衡器具有正色散特性；对于大于谐振波长的信号，全通均衡器具有负色散特性，最大正负色散值分别在偏离谐振波长处获得。因此，利用均衡器这一色散特性，可分别对具有正色散和负色散的光纤线路组成的光纤传输系统进行色散补偿，延长中继距离。光均衡器可以放在光发送端机和光纤线路之间（前补偿），也可以放置在光接收端机和光纤线路之间（后补偿），若系统中光纤线路的衰减较小，可以省略光放大器。图1-2是采用全通光均衡器进行色散补偿的传输系统的框图。光均衡器只有在每个谐振波长附近的一个不大的范围内具有补偿作用，因此，是一种窄带色散补偿元件，可以在传输速率直至10Gb/s的光纤传输系统中作色散补偿用，而且，光均衡器只能对群速度色散的影响进行补偿。当光均衡器的负色散值和传输系统光纤线路的正色散值大小相等时，能够获得最佳补偿效果。e) Pre-Chirps预啁啾技术是通过对调制信号进行调频（加啁啾）再调制光源的方法，该方法能将光脉冲压窄，从而有效地提高光脉冲抗光纤色散的能力。选择最佳预啁啾值可以获得最佳压缩效果。预啁啾的思想是在输入脉冲进入光纤链路前，适当地附加一个正的啁啾系数，使得脉冲从前沿到后沿的频率逐渐升高，从而输入脉冲在传输过程中有一个初始变窄过程，相应地起到了色散补偿的作用。适当调整输入脉冲的啁啾系数，可以使传输距离延长。单纯利用预啁啾技术很难实现长距离传输，一般只在短距离通信中使用。f) Dispersion Managed Soliton（DMS）在光学中孤子这个词以描述光脉冲包络在非线性介质中传播时的类似于粒子特性为特征，在数学上是非线性波动方程的局域行波解，在一定条件下，这种包络不仅不失真地传播，而且象粒子那样经受碰撞仍保持原形而继续存在，称为光学孤子或光孤子。光孤子通信系统的基本结构如图 1 所示。 传输信号通过调制器加载到孤子源产生的超短脉冲上，经过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后耦合到光纤中传输。在传输中要增加若干放大器以补偿光脉冲能量损失，同时平衡色散效应和非线性效应，以保证脉冲的幅度和形状稳定不变。 接收端通过光电检测器将收到的孤子信号还原。在通常的光纤通信系统中，链路由相同色散值的光纤组成。即使是在使用色散补偿光纤的色散补偿系统中，也只是在一段普通单模光纤后额外的使用一段 DCF 来补偿色散，另外它同时也属于线性系统的补偿。DMS 不同之处在于它是非线性系统中的周期性色散补偿。通过适当的配置传输线路中的色散值，减低整个线路中的平均色散，改善孤子性能。色散管理孤子是一种周期性的分散色散补偿方案，色散图由所谓的色散周期组成。通常每个色散周期由正负色散光纤连接而成。正负色散光纤组合成一个色散周期时，通过设置光纤的长度可以使链路的平均色散很小甚至接近于零。同时，可以根据不同的情况简单的调节色散值和光纤的长度改变平均色散值的大小。DMS 系统解决了时间抖动和信噪比之间的矛盾，采用色散管理系统之后，正负色散光纤之间的色散抵消可以极大地降低链路的平均色散，同时保持比较高的本地色散。这样既保证了孤子的能量，又避免大的时间抖动现象的发生。在色散管理孤