光纤色散及补偿方法简述

1、光纤色散及补偿方法简述目录1色散的基本概念151.1基本概念151.2光纤中色散的种类151.3光纤色散表示法151.4单模光纤的色散系数151.5光纤色散造成的系统性能损伤151.6减小色散的技术151.7偏振模色散（PMD）152非线性问题15关键词：光纤色散 色散补偿 摘 要：本资料介绍了光纤的色散以及色散补偿方法。缩略语清单：无。参考资料清单： 无。光纤色散及补偿方法简述当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。EDFA的出现为1.55um波长窗口实现大容量、长距离光通信创造了条件，并使光纤通信中衰耗的问题得到了一定的解决。然而光纤的色散影响仍然是制约因素之一，加之引入光放大器使

2、光信号功率提高之后，光纤的非线性影响又突显出来。1 色散的基本概念1.1 基本概念光纤色散是由于光纤所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象。所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。所谓光信号畸变，一般指脉冲展宽。1.2 光纤中色散的种类光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式色散。材料色散和波导色散也称为模内色散，模式色散也称为模间色散。材料色散是由于光纤材料的折射率随光源频率的变化引起的，不同光源频率所所应的群速度不同，引起脉冲展宽。波导色散是由于模传播常数随波长的变化引起的，与光纤波导结构参数有关，它的大小可以和材料色散相比拟。材料色散和波导色

3、散在单模光纤和多模光纤中均存在。模式色散是由于不同传导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度，所引起的脉冲展宽。模式色散主要存在于多模光纤中。简而言之，材料色散和波导色散是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的，模式色散是由于光纤传输的信号不是单一模式所引起的。1.3 光纤色散表示法在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差，时延差越大，表示色散越严重。因而，常用时延差来表示色散程度。时延并不表示色散值，时延差用于表示色散值。若各信号成分的时延相同，则不存在色散，信号在传输过程中不产生畸变。时延差可由信号各频率成分的传输速度不同所引起，也可由信号各模式的传输速度不同所

4、引起。1.4 单模光纤的色散系数单模光纤中只有基模传输，总色散由材料色散、波导色散等组成。它们都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称波长色散。色散系数就是两个波长间隔为1nm的两个光波传输1 km长度光纤到达时间之差，单位为ps/nm·km。5. 色散与传输速率的关系群速色散对比特率的影响可利用不产生相邻脉冲重叠的准则BT1B为比特率，T为群速色散造成的脉冲展宽传输速率越高，为保证信号正确传输，色散的影响必须越小。T=DL L-传输距离，D-色散系数，为光源的均方根谱宽，-20dB谱宽-20， =-20 /6.07 1.5 光纤色散造成的系统性能损伤与光纤色散有关的系统性能损伤可以由

5、多种原因引起，比较重要的有两类：码间干扰、模分配噪声等。 1. 码间干扰光纤色散会导致所传输光脉冲的展宽。实际接收波形是由激光器的许多根线谱构成的，既便接收机能对单根线谱形成的波形进行理想均衡，但由于每根线谱产生的相同波形所经历的色散不同而前后错开，使结合的波形不同于单根线谱波形，仍会造成非理想均衡。2. 模分配噪声这是由于光纤的色散作用与激光器的光谱特性相结合产生的系统损伤。虽然激光器各谱线的功率总和是一定的，但各根谱线的功率是随机起伏的。当激光器的各谱线经过光纤后，由于光纤的固有色散使不同波长的谱线产生不同的延时，造成不同比特的接收波形不同，形成接受脉冲的展宽。1.6 减小色散的技术在15

6、50nm波长附近，G.652光纤的色散典型值为17ps/nm·km。当光纤的衰减问题得到解决以后，色散受限就变成了决定系统传输距离的一个主要问题。DA技术即色散容纳技术，就是通过 一些技术手段减小或消除色散的影响，延长传输距离。一般来说，解决方法有：1. 压缩光源的谱宽色散对光脉冲传输的影响主要表现在经过传输的光脉冲将受到展宽，而这种展宽的大小在一定传输距离的情况下，取决于传输光纤的色散系数和光源发送的光波的频谱宽度。光源的谱宽越宽（频率啁啾系数越大），光纤色散对光脉冲的展宽越大。因此通过选用频率啁啾系数小的激光器，可以减小传输线路色散的影响。频率啁啾是单纵模激光器才有的系统损伤。当

7、单纵模激光器工作于直接调制时，注入电流的变化会引起载流子密度的变化，进而使有源区的折射率指数发生变化，结果使激光器的谐振腔的光通路长度发生变化，导致波长随时间偏移，发生所谓的频率啁啾现象，表现为波长稳定性差，光谱宽。当光脉冲经过光纤传输后，由于光纤的色散作用，使受频率啁啾影响的光脉冲波形发生展宽。减小光源啁啾系数的办法：（1）采用外调制的激光器（即间接调制光源），它是由一个恒定光源和一个光调制器构成的，通过使用恒定光源，避免了直接调制时激励电流电流的变化，从而减小了光源发出光波长的偏移，达到降低频率啁啾系数的目的；（2）应用谱线宽度很窄的单纵模DFB激光器，并令它有负的预啁啾。选择光模块时不仅

8、要注意发光功率、中心波长，同时还要注意-20dB谱宽，最大色散（色散容限）。如SS32L1605，工作波长1550.12nm,发光功率为-2+3dBm,传输距离170km(需加放大器），最大色散：6500ps/nm。2. 选用新型光纤一些用户新铺光纤为G.655(非零点色散位移光纤),在1550nm波长附近，光纤色度色散系数4ps/nm·Km左右。3. 色散补偿技术 (1)首先采用色散补偿光纤（DCF）对传输线路的色散性能进行补偿是一项比较成熟的技术。 色散补偿光纤（DCF）是一种特制的光纤，其色度色散为负值，恰好与G.652光纤相反，可以抵消G.652常规色散的影响。其色散系数典型

9、值为-90ps/（nm·Km），因而DCF只需在总线路长度上占G.652 光纤的长度的1/5,即可使总链路色散值接近于零。但衰耗大（约为0.5dB/km）需使用EDFA来补偿，且对强光产生严重的非线性效应，应与避免。采用DCF来进行色散补偿是一种无源补偿方法，十分简单易行。如在DWDM系统中已采用的色散补偿器可能就是由DCF等构成。4. 色散补偿器规格规格DCM-40DCM-60DCM-80色散1544.5nmps/nm-658±10-988±10-1317±15插入损耗1545nmdB56.88.6品质因子1545nmps/nm/dB131145153

10、平均偏振模式色散1500-1565ps1.11.41.5(2)还有其他类型的色散补偿器，如采用采用啁啾光栅做色散补偿，其色散补偿量标称值为40公里、60公里和80公里，做成单板。在STM-64系统采用G.652光纤色散受限传输距离为80km。建议传输距离在80km100km，采用40km的补偿器进行补偿，传输距离在100km120km，采用60km的补偿器进行补偿。(3)利用非线性光学效应压缩色散具体是指利用Kerr效应之一的自相位调制特性STM-64光接口参数一些参数的解释：L-64.2a-采用PDC作色散补偿(PDC无源色散补偿)L-64.2b-采用SPM 作色散补偿(SPM-自相位调制)

11、L-64.2c-采用预啁啾作色散补偿V-64.2a-采用PDC作色散补偿V-64.2b-采用SPM和PDC作色散补偿1.7 偏振模色散（PMD）当采用办法使光纤通信系统中的色度色散变得很小或趋于零时，光纤的偏振模色散的影响就突出了，成为限制高比特率信号（10Gbit/s及以上）长距离传输的主要因素了。由于PMD的统计特性，以及PMD的不确定性，使得PMD的补偿的难度非常大。目前，尚未有PMD补偿器件出售。1. 技术原理在理想的圆对称纤芯的单模光纤中，两个正交偏振模和是完全简并的，两者的传播常数相等，故不存在偏振模色散，但在实际的光纤中，由于光纤制造工艺造成纤芯截面一定程度的椭圆度，或者是由于材

12、料的热涨系数的不均匀性造成光纤截面上各向异性的应力而导致光纤折射率的各向异性，这两者均能造成两个偏振模传播常数的差异，从而产生群时延的不同，形成了偏振模色散。和的两个正交偏振模的传播常数之差称为双折射。上述光纤结构本身存在的双折射称为本征双折射。此外，光纤在弯曲、扭绞、横向压力等机械外力的作用下也会产生附加双折射。当光纤截面的圆对称性受到破坏，由双折射形成的两个不同传播常数的正交偏振模之间会产生相互耦合，由于两个偏振模的传播常数相差很小，因而模式耦合很强。光纤的本征双折射及其受到的外力在实际的光纤线路上都是随机的，因而偏振模之间的耦合也是随机的。从而产生的偏振模色散是一个随机量，它无法象色度色

13、散那样容易补偿。2. PMD对系统的影响虽然导致脉冲扩展的机理不同，但是PMD与色度色散对系统的性能具有同样的影响。过高的色散导致数字系统的误码及误码率的增加；导致模拟系统信号的失真和信噪比的降低。根据现有各种单模光纤的制作水平，ITU-T规定单模光纤的平均偏振模色散系数。表1列出了根据上述数据列出的数字系统最长计算距离的实例。表1 传输距离与PMD和数据速率PMD(ps/)2.5Gbit/s10Gbit/s40Gbit/s3180km11km<1km11600km100km6km0.56400km400km25km0.1160000km10000km625km国内早期铺设的光纤大部分为

14、G.652光纤，很多没有经过严格测试，至少很少测试PMD参数。在大量铺设的G.652光纤上使用电10G，光纤必须经过严格测试，耗时较长。色散功率代价随传输距离、比特率、光谱宽度和光纤色散系数这四个参数值的增加而迅速增加。为了防范由于色散功率代价的迅速增加而导致的系统性能恶化，应使系统有足够的工作余度，避开高功率代价区。一般认为1dB功率代价是最大可以容忍的数值，因而将1dB功率代价所对应的光通道色散值定义为光通道最大色散值。2 非线性问题在常规光纤通信系统中，光纤中的光强较弱，此时光纤是线性媒质，光纤的各项特性参数随光场作线性变化。随着DWDM技术和EDFA技术的不断进步，光纤中传输的波长数越

15、来越多，进入光纤的光功率不断增大。在进入光纤的光强很大的情况下，光纤表现出非线性光学特性。非线性效应的强弱不仅仅与光强有关，而且与相互作用的长度有关。由于光纤的损耗很小，可以在较长的距离保持高的光强度，这大大增加了相互作用的长度，从而使非线性光学效应成为最终限制系统性能的因素。而且，色散与一些非线性效应关系紧密，不同的色散量会使非线性效应的强弱不一样，最终对系统的影响也比较复杂。在高速率传输系统中，尤其在信道数很多、信道间隔很小的密集波分复用系统中，非线性效应成为限制系统性能的主要因素之一。传输光纤非线性效应具有以下特点。一是种类多，主要分为受激散射（包括受激布里渊散射SBS与受激拉曼散射SRS两种）和光克尔效应（包