光纤通信系统中的色散问题及其补偿研究

1、高速光纤通信系统的色散补偿问题高速光纤通信的色散补偿技术 2015学年第1学期考试科目 光纤通信原理 姓 名 年 级 2014级 专 业 电子科学与技术 2015年 1月 15日高速光纤通信系统的色散补偿问题#（ 重庆邮电大学 光电工程学院 重庆 400065）摘要：本文首先对色散进行了较全面的概述，提出并分析各项光纤参数对通信系统的影响。简单的说明了色散补偿的原理，介绍了当代的几种光纤色散补偿技术，进而将这些方法进行多方面的比较分析，展望色散补偿研究前景。关键词：光纤通信；色散补偿；脉冲展宽；比较；Optical communication system of dispersion prob

2、lems and compensation research#(The Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)Abstract:This paper first to dispersion is comprehensive overview of, put forward and analysis the optical fiber parameters on the influence of the communication system. A short descript

3、ion of the dispersion compensation principle, this paper introduces several kinds of contemporary optical fiber dispersion compensation technology, and a lot of these methods of comparative analysis, looking to the dispersion compensation research prospect.Key word:Optical Fiber Communication;Disper

4、sion Compensation;Pulse Broadening;Compare;70 前 言近年来，随着电信业务的发展和需求的不断增长，需要传输系统提供更高的容量，目前普遍采用波分复用技或提高传输速率来增加系统的容量。我们知道，影响光纤通信系统的两个主要问题是光纤的衰减和色散。随着掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化，光纤损耗不再是限制系统性能提高的主要因素。在放大器实现对光纤的衰减补偿之后，色散成为限制密集波分复用（DWDM）和10G.652和G.655单模光纤中存在色散斜率，使得传输同样距离的不同波长信号光具有不同的色散量；这些最终导致通信质量劣化，严重时会使系统无法正常工作。因此需对

5、通信链路实行色散补偿，以使各波长信号的色散量限制在系统容限内。因此人们提出了色散补偿光纤法、啁啾光栅法、预啁啾技术、色散支持传输法和频谱反转法等色散补偿方案。1色散的基本概念1.1 光纤色散的种类（1）模式色散：在多模光纤中存在许多传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接受端所用的时间不同，而产生了模式色散。（2）材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散称做材料色散。材料色散主要是有光源的光谱宽度所引起。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的频谱宽度，这样不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延

6、差，引起脉冲展宽。材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比，所以在系统使用时尽可能选择光谱线宽窄的光源。石英光纤材料的零色散系数波长在1270nm附近。（3）波导色散: 同一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此而引起的色散称为波导色散。波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。一般波导色散比材料色散小。普通石英光纤在波长1310nm附近波导色散与材料色散可以相互抵消，使二者总的色散为零。因而，普通石英光纤在这一波段是一个低色散区。在多模式光纤中以上三种色散均存在。对于多模阶跃光纤，模式色散占主要地位，其次是材料色散，波导色散比较小，可以忽略不计

7、。对于多模渐变光纤，模式色散较小，波导色散同样可以忽略不计。对于单模光纤，上述三种色散中只有材料色散和波导色散存在。(4)偏振模色散:偏振模色散是由于实际的光纤总是存在一定的不完善性，使得沿着不同方向偏振的同一模式的相位常数不同，从而导致这两个模式传输不同步，形成色散。偏振模色散通常较小，在速率不高的光纤通信系统中可以忽略不计。对于工作在零色散波长的单模光纤，偏振模色散将成为最后的极限。光纤色散对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。1.2色散对光通信系统的影响光纤的色散现象对光纤通信极为不利，它使得两个相邻的脉冲发生串扰，产生判决错误5。色散对脉冲的这种影响可以从眼图中

8、看出来：从发送端发送出来的初始脉冲比较规整，眼张开度大，经过一定长度有色散的光纤传输后，眼图会呈现出色散的图样，眼张开度变小，脉冲形状变坏，在误码测试仪上表现为误码率变大。对于当单光纤来说，由光源发射进入光纤的光脉冲包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传输，因而在传输的过程中会出现脉冲展宽，这种现象就是群速度色散，或简言之色散。色散的主要来源有材料色散和波导色散。材料色散是纤芯材料的折射率随波长变化引起的，而波导色散是因模式的传播常数随/（前者为光纤芯径，后者为光波长）变化而产生的，这是单模光纤色散的主要原因3。色散对系统性能的影响还表现在和光纤中非线性效应的相互作用。一

9、方面色散加剧自相位调制（SPM）等非线性效应所产生的脉冲形状畸变，使其放大展宽；另一方面色散在波分复用系统中也可以抑制交叉相位调制(XPM)、四波混频（FWM）等非线性效应。关于色散和非线性效应间的相互作用，在系统设计时要予以综合考虑，整体把握，以实现更好的传输性能。1.2.1色散对系统传输距离的限制 （1.1）式中：L-色散受限距离（km）-当光源为多纵模激光器时取 0.115; 单纵模激光器时取 0.306B-传输速率（Mb/s）D-光纤色散系数（ps/nm·km）-光源的均方根谱宽（nm）由此可见，光系统传输距离由光纤本身的色散，系统传输速率以及光源的性能所决定的。在传输系统设

10、计时，不考虑光源的因素，传输距离与传输速率和光纤色散的关系是： （1.2）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。经推导，光纤通信系统不受色散限制的临界传输速率 (根据光纤的质量在0.51.0之间取值)，最大中继距离为 (这里为光纤色散的均方根脉冲展宽)。所以，采取适当的色散补偿，减少甚至抵消、D的影响，就可以使得、得以改善。1.2.2色散对系统比特速率的限制（1）光源谱宽较宽在光源谱宽较宽的系统中，V>>1，又考虑系统远离色散波长，因此3项可以不考虑。假如我们进一步

11、忽略频率啁啾（C=0）式1.3表示的色散引起脉冲展宽的系数可进一步简化为 (1.3)式中的是用波长单位表示的光源均方根谱宽，是光纤的色散系数。输出宽度为，式中的是色散引入的脉冲展宽。受限的比特速率应满足，此时至少95%的高斯脉冲能量在比特时隙内。对于窄脉冲，此时，色散对比特速率的限制应满足。 对于工作在零色散波长的光纤系统 (1.4)这里的3已用色散斜率S代替。于是输出脉冲展宽为 (1.5 )式中。当时，色散对零色散波长光纤系统比特速率的限制是 (1.6)（2）光源谱宽较窄在光源谱较窄的系统中V<<1，因为光源谱宽比更小，假如我们忽略项，并置C=0，此时有 (1.7)当时，最小，其

12、值为。使用就可以得到受限的比特率 (1.8)对于工作在光纤零色散系统，当，并使用V<<1和C<<1，此时脉冲展宽为 (1.9)当时，最小，其值为 (1.10)使用就可以得到受限的比特率 (1.11)此时色散的影响最小，对于典型值时，比特速率可达150Gb/s。因此使光纤工作在接近零色散波长，并使用窄线宽的光源，就可以使系统的性能的到提高。2色散补偿原理目前光传输系统中的色散补偿，可行的色散补偿方法可以分为两大类，其一是基于光纤的色散补偿技术，如采用色散补偿光纤(DCF)、反常色散光纤(RDF)等；其二采用色散补偿模块(DCM)对通道色散及色散斜率进行补偿，如基于啁啾光纤

13、布拉格光栅(CFBG)、镜像相位阵列(VIPA)、平面波导的各类色散补偿器等。对与已敷设的系统，一种简单直接的色散补偿方案是在线路放大器中插入无源的固定色散补偿模块(DCM)，这对于目前的10Gb/s传输是可行的。下面我们具体来介绍几种主要的色散补偿技术。2.1 色散补偿光纤（DCF）在现代光纤通信中，采用色散补偿光纤 DCF 进行补偿是一种比较理想的色散补偿技术，其发展较为成熟，且补偿带宽比较宽。DCF 是一种无源器件，可置于光纤传输链路的任意位置进行色散补偿，兼容性好，且安装方便，能实现宽带色散补偿。对现有的光纤通信网络进行升级和扩容，采用色散补偿光纤进行色散补偿是目前比较理想的一种补偿技

14、术。DCF 补偿技术的补偿原理如图 2.1 所示。图2.1周期性光纤色散补偿示意图DCF 优点是补偿带宽比较大，且安装灵活方便，因此一直是人们研究的热点，为了获得更大的负色散系数，减小模场直径，控制好波导色散。现在商用的 DCF 的负色散系数已经达到-170ps/(nm·km)，用来补偿 G.652 光纤，实现对现有光纤通信网络升级和扩容是一种比较理想的选择。在长距离光纤传输系统中，采用 DCF 进行色散补偿，通常每个光纤跨段的配置是由一段传输光纤后加光放大器，然后再接色散补偿光纤，补偿光纤的后面再接一光放大器，用来补偿 DCF 的插入损耗。通过周期性的配置来实现色散补偿，即实现整个

15、光纤传输链路的色散为一比较小的值或者为零。在光纤传输系统中，我们虽然进行了色散补偿，但由于温度的变化，光纤的老化以及其他的原因，光纤的色散不是一个固定的值，而是在不断变化的，这就需要能进行自适应补偿的模块或者可管理的色散补偿模块。光纤通信要求的不断提高，也推进了 DCF技术的不断发展。例如，在ECOC上，Civcom公司展示的可管理色散补偿模块（M-DCM），该模块主要用来替换城域网中的 DCM 色散补偿模块，这种模块的优点在于它三倍可调，可以进行多通道的远程管理，能够实现-1 7001 700 ps/nm 范围内的色散补偿。2.2啁啾光纤光栅采用啁啾光纤光栅7进行色散补偿，主要的优点是插入损

16、耗小，非线性作用能力比较弱，色散补偿系数比较大，可大大节约传输链路的补偿模块数量，节约系统成本。啁啾光纤光栅的补偿原理如图 2.2所示。在啁啾光纤光栅中，不同频率的入射光在光栅的不同位置上进行反射，因此产生不同的时延，频率比较大的分量在光栅的近端反射，频率比较小的分量在光栅的尾端反射，光纤中传输时造成的时延和光栅所引入的时延刚好相反，两者相互抵消，使展宽的脉冲得到压缩，脉冲宽度得到恢复。图2.2啁啾光纤光栅色散补偿原理图光信号在光纤中传输，由于色散的作用，经过一定距离后，光脉冲就会展宽，导致前后码元之间的相互干扰，影响通信质量，降低系统的性能。采用啁啾光纤光栅进行色散补偿，能够很好的补偿整个光

17、纤传输链路的色散，同时不引入额外的插入损耗。在后置补偿方案中，啁啾光纤光栅能很好地抑制光放大器的自发辐射噪声，提高通信系统的性能。啁啾光纤光栅对 G.652 光纤具有很好的兼容性，能实现光纤色散和色散斜率的同时补偿。同时它的色散补偿量大，所用的色散补偿模块比较少，因而成本相对比较低。另外，非线性作用弱，体积小，使用方便也是它备受关注的主要原因。因此，采用啁啾光纤光栅实现现有光纤通信系统的升级和扩容是比较理想的色散补偿方案之一。2.3激光预啁啾技术常规单模光纤传输，由于构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同的传输速度，致使脉冲展宽。如果初始脉冲带有啁啾，并且与光纤色散所引起的啁啾反号时，脉冲的

18、净啁啾减小，结果导致脉冲压窄。当二者啁啾相等时，脉冲宽度最窄。激光预啁啾技术，就是在激光器产生的光脉冲信号之前，利用外调制器使光脉冲信号发生有规律的啁啾，然后再发送信号的一种技术。通过外调制器使光脉冲成为被压缩的负啁啾脉冲，该脉冲在光纤传输过程中，受光纤色散的影响，使原来被压缩的光脉冲在接收之前得到还原，从而扩大了系统的色散容限，延长了系统的传输距离。这种技术的色散补偿量有限，只在脉冲传输的初始阶段起到一定的辅助作用，在长距离传输信号放大后则不起作用。可见此方法的色散补偿能力不高，难于升级，不利于系统扩容发展。2.4色散支持传输法色散支持传输法需利用激光器的调频特性，在光纤传输系统中先对激光器

19、进行直接(内)调制，由于不同频率的信号在光纤中的传播速率不同，在接收端产生信号交叠，对于纯粹的移频键控(FSK)来说，光功率在两种频率的光强重合处为最高峰，在两频率的光强错开之处为低谷。控制频率调制的大小使得不同波长的光经过L距离后所产生的时延差 (B为传输速率)，于是调频信号就变成了调幅信号，通过低通滤波器进行判决即可;对于有残余幅度调制的FSK来说，在接收端产生四数值光功率，可在判决电路之后利用低通滤波器或一个两门限判决器，从而得到回复的初始信号。此方法结构简单，技术成熟，且不必使用外调制器，造价低，但是必须使用FM性能较好的激光器，且在接收时必须根据激光器的光纤传递函数，合理地设计滤波器

20、等，以克服由于啁啾和寄生调幅所造成的影响。2.5频谱反转法中途谱反转法（MSSI，Mid-span Spectral Inversion）又称为光相位共轭法（OPC），是利用半导体光放大器或光纤中的相位共轭过程实现频谱反转，即在传输链路的中点将信号频谱或波长共轭反转, 从而使第一段光纤中产生的色散积累由波长反转后的第二段光纤中符号相反的色散抵消，实现色散补偿。频谱反转方法的流程如图2.3。图2.3 频谱反转法流程在单模光纤中继段的中间插入一段色散位移光纤作为非线性器件，当光信号通过时会产生相位共轭波，即频谱倒置信号。此相位共轭波与原信号具有时间反演的性质。原信号因色散作用使波形展宽，而相位共轭

21、波则因色散影响而被压缩，从而使失真的信号重新恢复。其中关键的技术是中间频谱反转单元需较准确地设置在总色散值一半的地方，还要控制偏振波动，以免影响相位共轭波的时间反转特性。在非线性介质中，当输入功率为1、2和3光（波矢分别为K1、K2和K3）足够强时，发生三阶非线性极化。当满足相位匹配条件时，就会产生四波混频并输出频率为、波矢为K的光，其中i，j，k=1，2，3，jk。在信号光（频率为s）传输一段距离后，加入光功率足够强的泵浦光（频率为p），且使其满足相位匹配条件，则产生四波混频效应，这样输出光中有频率为的成分，它使得s的高频分量转换成为的低频分量，而s的低频分量转换成为的高频分量。在继续传播过

22、程中，原相位超前的光频率相位便逐渐落后，原相位落后的光频率相位便逐渐超前，从而减小直至抵消原来的色散。图中，圈中所示的是信号的频谱在传输过程中的演变，S为输入信号，P为泵浦信号，为频率，C为谱反转之后信号的复制品。频谱反转色散补偿的方法可实现大容量长距离的色散补偿，且损耗较小。用半导体器件可实现相位匹配四波混频，它与其他光器件集成还可用丁。全光网，但对所用的人功率泵浦光波提出一定要求，这些相关技术有待进一步研究。2.7光电色散补偿技术对当前的通信网络来说，要实现全光网的目标，还面临着很大的困难：一是在光域实现时钟的提取非常困难；二是全光网上的信息管理与维护很难在光域中实现。尽管目前 MEMS（

23、微电子机件开关）能够实现全光交叉连接，但有许多技术上的问题需要妥善解决，以 MEMS 技术为基础的全光网的真正实用化还有很长的路要走。对当前的光纤通信网络，光器件的补偿能够满足高速光纤网络发展的要求，价格相对比较昂贵，同时很难实现信道的自适应补偿，而电色散补偿技术却能弥补这一不足，实现信道的自适应补偿，有效的减小码间干扰，提高系统的性能。同时，电补偿器件的成本比较低，尤其是大规模集成电路的使用，更利于电补偿器件的小型化，方便在接收端进行使用。近年来，电色散补偿技术取得了非常大的进步，无论对短距离还是长距离来说，都是一种非常有效的补偿技术，尤其是对系统升级和扩容时，它和光域色散补偿技术结合，能够

24、很好的减小光纤中的非线性作用，提高通信系统的质量。2.7.1 电域均衡器在光纤通信中，我们常用时域均衡器。时域均衡器主要有线性均衡器和非线性均衡器。在光电色散补偿方案中，为了实现光纤信道的自适应均衡，采用前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）相组合的结构。这种组合的均衡器能对复杂的信号进行均衡，有效地消除码间干扰。FFE 主要消除主能量点以前的失真，而 DFE 能有效的消除主能量点后面的码间干扰。与其他均衡器相比，它对信号的均衡效果最好。3色散补偿技术的比较（1）若采用色散补偿光纤，对于区域网来说，负色散光纤方法效果较好，实施艺业不难。但对于城域网来说情况就有所不同。首先必须使两个节点

25、之间的总色散为零。即使用一段标准单模光纤另外加一段负色散光纤，负色散光纤比标准单模光纤有更人的损耗，而且由于芯径不同，两种光纤在连接处有较大的损耗。由于在全光网络中必须进行功率控制以平衡整个网络的功率，因此，负色散光纤的加入会给功率控制造成困难，对光通信质量带来严重的劣化影响。（2）预啁啾技术对于局域网来说非常有效，但是对于城域网和广域网来说它的补偿距离不能满足要求。（3）对于本地网来说，由于节点之间只有儿千米或更短的距离，如果网络本身不是太复杂，即使传输速率是10Gbit/s，也可以不必使用色散补偿。如果网络较为复杂使用负色散光纤就不是一种好办法，应当使用其他的色散补偿方法。相比之下，实现频

26、率反转及预啁啾等技术在目前都具有一定的难度，对光源要求苛刻，实施工艺复杂，不易实现。在实施过程中不仅工程造价高，而且色散补偿效果也不适于灵活多变得全光网络，且引入的噪声降低了系统的传输质量。（4）啁啾光纤光栅被业内人士认为是目前最为实用的一种色散补偿方式。它具有带宽宽、插入损耗和高补偿率等特点。由于体积小，可以很容易地安装于现有的传输系统中，可以很方便地进行全光通信的一维集成。技术稳定性好，产品可靠性高。由于预啁啾光纤光栅是反射器件，在系统中使用时，需配以环形器方可实施。这种方案会引入附加损耗和增加了工程造价，但目前环形器的制造技术已比较成熟，这种无源器件的性能指标如插入损耗等亦比较理想，引入

27、系统中不会对网络性能产生大的影响。与前儿种方案相比，实施工艺简单，造价亦不高，且可根据传输距离或所需补偿量来设计、选择器件。这种方案灵活方便，补偿效果好，可控制性也好。如果所设计和加工的光纤光栅的周期是均匀的增加或者说是线性很好的啁啾光纤光栅，并仅以频宽2nm的半导体激光器发出的飞100ps的脉冲为标准，那么在理论上可以得出这样的结论：啁啾光纤光栅可以使得系统在全光通信条件下传输距离扩人3个以上数举级。用光纤光栅补偿色散的作用就如同用光放人器补偿损耗。因此啁啾光纤光栅的研制和应用对实现高速率、大容量、长距离的全光通信有重要意义。4展望高速光纤通信系统及技术的不断发展，要求色散补偿技术向着高补偿效率、结构简单、高可靠性、使用方便、易于升级和扩容、器件小型化、降低成本等方向发展。目前，光纤光栅色散补偿技术已经取得了很大的进步，但是它的理论和实验研究上仍处探索