相干光纤通信系统

1、相干光纤通信系统中相干光纤通信系统中色散补偿技术研究色散补偿技术研究 B12011026 赵乐 B11010429 张晨源鑫 B12011017 麻思敏 B12011019 田圳泽 B12011035 张斌引言 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G655单模光纤中存在色散斜率，使

2、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。因此对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。 色散的产生 色散是指因为光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的传播速度不同，使得这些频率成分或模式到达光纤终端有先有后，从而产生信号传播过程中的光脉冲的展宽。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。衡量光纤中色散的大小是用色散系数，它的定义是波长相距1nm(频率间隔为124.3GHz)

3、的两个光信号传输1km距离的时延差。而色散系数对波长曲线的斜率成为色散斜率，它反映色散系数随波长变化的情况。不同厂家不同型号的光纤具有不同的色散特性。而色散补偿就是通过各种手段抵消上述信号不同频率或模式成分到达终端的时延差。 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。色散对脉冲的这种影响可以从眼图中看出来：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。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

4、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

5、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。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

6、模式传输不同步，形成色散。光纤通信系统中的色散问题及其补偿研究 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。色散补偿原理 在考虑和同时起作用的情况下，采用周期等于放大器间隔的周期色散排布，放大器用来补偿每对光纤的损耗，每对放大器之间恰好有两种光纤，这两种光纤的和的符号分别相反，这样使平均色散降到很小的值，当 1L+2L=0且1L+2L=0 色散得到完全补偿。其中和分别是长为1L的光纤的GVD和TOD参量。 目前光传输系统中的色散补偿，可行的色散补偿方

7、法可以分为两大类，其一是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色散补偿光纤DCF 研究光纤材料、掺杂浓度、芯径人小及结构等与色散的关系，我们得知纯石英材料在1.27um从波长上不存在色散，并称之为零色散波长。不同掺杂的石英材料可产

8、生不同的材料色散，使其零色散波长向长波长方向移动。改变光纤结构参数，如减小芯径、不同掺杂浓度等可增大其折射率，使零色散波长移至大于1.55um波长的位置，从而在1.55um处得到较大的负色散。具有这种特性的光纤称为色散位移光纤。光纤光栅 光纤光栅是通过在光纤或波导上刻上光栅来控制在其中的反射，从而实现光信号的延迟。如果在一个波导上采用不等间距的刻度，则可以控制不同频率的光延时，从而实现较大带宽上的色散补偿。 （1）啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅是指光栅周期沿光纤方向呈周期性线性变化，这样不同波长的光经过啁啾光栅时被反射的位置不同，从而出现了相对的时间差，即具有波长色散的特性。利用该特性可以补偿光纤

9、线路中的色散，所能补偿的色散量及带宽由光栅长度和啁啾量来决定。采用啁啾光纤光栅进行色散补偿的原理图，是基于反射式的补偿。光栅的光学特性主要由其长度、纤芯折射率调制强度和光栅的啁啾参数决定。对同一长度的光栅来说，啁啾量越大，反射带宽越大，色散值越小。通过均衡考虑光栅的这几个参数，即可得到所学的色散补偿量。（2）均匀光纤光栅 与啁啾光纤光栅相对应，均匀光栅是指光栅周期沿光纤放向上是均匀的。理论上，均匀光纤光栅存在一定的反射带宽，波长处于这一范围内的光会被强烈放射。对于远离反射带隙附近的信号来说，光纤光栅同普通光纤是一样的，然而，当波长距反射带隙很近时（距离大约和反射带宽具有同样的数量级），光信号虽

10、然会通过光栅，但同时会经历一个极强的色散，利用该色散可对光纤传输线路中积累的色散进行补偿。虚像相位阵列法虚像相位阵列法(vPIA，Virtual Imgade Phasde Array) 是一种利用光学透镜阵列的方法来实现色散补偿的。它让不同波长光经过的路径长度不同来改变它们的群延时，从而产生所需要的色散。它的光学系统包括准直和会聚透镜、玻璃板和三维反射镜(用于产生束腰的多个虚像)。 其原理结构如图所示。虚像的位置依赖于光传播的距离，而距离又随波长的不同而改变，这样就形成了色散。通过改变三维反射镜的形状，可以得到正色散或负色散，而且针对每一波长，合理选择反射镜形状，也可实现斜率补偿。这种方法的

11、优点是可以通过图中3 D反射镜上下位置的移动对色散大小进行调制，实验中的色散调节范围为一800一+8ooPs/nm但是由于光路调节复杂，且对透镜的制作有特殊要求，而且由于是分立光器件组成的，外界微小的震动都将产生很大的影响，因此离实用化尚存在很大距离。 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。图中，圈中所示的是信号

12、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。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

13、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IOGbit/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

14、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、选择器光纤通信系统中的色散问题及其补偿

15、研究。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。展望未来 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、发展阶段，要求我们对现有补偿方法进行完善