单模光纤中的色散及色散补偿技术

1、光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点)姓 名： 彭坚大 学 号：11216020418专业班级：电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数一一色散，详细介绍了各种色 散补偿技术的原理，以及色散补偿光纤和明啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案 的特点。Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the ch

2、aracteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.6关键词：色散效应，色散补偿1 .引言色散是由于光纤中所传送信号的 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。在光纤中，脉冲色散越小，它所 携带的信息容量就越大。其链路的色 散累积直接影响系统的传输性能，自从 光纤通信商用开始，至今20余年，国 内外已大量敷设了常规单模光纤 (G652)的光缆，这类光缆工作在 1550

3、nm波段时，有18ps/nm km的色 散，成为影响中继距离的主要因素。 所以，对高速率长距离的系统必须要 考虑色散补偿问题，研究宽带多波长 色散补偿具有重要意义。光纤色散产生的因素有 ：材料色 散、波导色散、模式色散等等。但主 要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。解决光 信号色散引起群时延差的方法就是色 散补偿技术。2 .色散补偿原理2.1 光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率 成分，或信号能量的各种模式成分， 在传输过程中，因群速度不同互相散 开，引起传输信号波形失真，脉冲展 宽的物理现象称为色散。光纤色散的 存在使传输的信号脉冲畸变，从而限 制

4、了光纤的传输容量和传输带宽。从 机理上说，光纤色散分为材料色散， 波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一 种色散由于信号不是单一模式所引起。当一束电磁波与电介质的束缚电 子相互作用的时候，介质的响应通常 与光波的频率有关，这种特性称为 色散，它表明折射率n（）对频率的依 附关系。光纤的色散效应可以用波矢k或传播 常数B与频率的关系来表示，即B （）。在中心频率。处将B （）展开 得到：输距离；T为时间；B2为群速度色散 （GVD）或称二阶色散系数,它是脉冲 展宽的主要因素；B3为高阶色散（又 称三阶色散）系数。与二阶色散相比， 三阶色散对脉冲的影响通常较小。当| 0 2

5、 | >1ps2/ km时，0 3可以忽略 不计。求解方程得：想可财吗+油，加一叫+苫（所叫+，式中,A ）为a© T）的傅里叶a _ 口 0Q ="力一式中。是介质在中心频率 门“心】p = 口 + 6yjo处的传播常数；八 "山）等于群速度的倒数； 辕_而,八人）Py 1- + 卬7cl 4y d切7表示群速度色 散，和脉冲的展宽有关；B 3为三阶色 敢参单。二、色散补偿的基本原理1在光纤中，不同频率的信号传输速 率不同，传输同距离后会有不同的时 延T ,从而产生时延差（A P ）。时延 差越大，表示色散越严重，具体表现为 光脉冲在沿光纤传输过程中被展宽

6、的 程度愈大。因此色散的度量，通常都是 采用每单位长度的群时延差来表示。脉冲在单模光纤中的传输基本方程为 力- 2% - 6月M 0式中，A为光信号的缓变振幅；z为传变换。可见，色散引起的光信号畸变是 由相位系数等J决定的。单模光 纤单位长度的色散量可以由下式得 出：式中，c为光速；V为光纤传输的归一 化频率;b为归一化传输常数。式（3） 等号右边第1项决定于材料折射率，称 之为材料色散；第2项由于与光纤波导 性能有关，称之为波导色散。普通单 模光名T在1550nm窗口的色度色散系 数约为 16ps/ （nm - km）,传输 100 km 后色散可达到1600ps/ nm o而对于 10Gb

7、it/ s系统，它的最大色散容限是 1000ps/ nmt可见，要使系统正常运转， 必须进行色散补偿。2 .色散补偿技术方案色散补偿的基本原理是使用一个或多个大负色散的器件对光纤的正色 散实施抵消，对光纤中的色散累积进 行补偿，从而使系统的总色散量减小。 目前，色散补偿的方法有：色散补偿光 纤（DCF）、嘱啾光纤光栅和电子色散 补偿技术等。3 .常规DCFK术方案采用常规DCF进行通信系统链路 色散补偿的技术是现在通用的技术， 其发展较为成熟。由于DC既一种无 源器件，安装灵活方便，能实现宽带色 散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿， 还可与1310nmt色散标准单模光纤兼 容，适当控制DCF的模

8、场直径、改善熔接技术，能得到较 小的插入损耗，因此受到普遍重视，成 为当今研究的热点。DCF勺概念最早在 1980年提出,EDFA在通信系统的成功 应用加速了 DCF的发展,DCF已从最初 的匹配包层型到多包层折射率剖面 型。多包层结构一方面可以得到很高 的负色散和负色散斜率，另一方面又 可以降低弯曲损耗.DCF的品质因素 （品质因素二色散系数绝对值/衰减系 数）越来越高。为了得到具有较大负色 散系数的DCF必须控制波导色散。现 在已经有大量的商用DCF用于补偿G. 652光纤在C波段和L波段传输时的色 散。采用常规DCF8行通信系统链路 色散补偿的技术是现在通用的技术， 其发展较为成熟。由于

9、 DCF一种无 源器件，安装灵活方便，能实现宽带色 散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿， 还可与1310nm零色散标准单模光纤兼 容，适当控制DCF勺模场直径、改善熔 接技术，能得到较小的插入损耗，因此 受到普遍重视，成为当今研究的热点。 DCF0勺概念最早在1980年提出，EDFA 在通信系统的成功应用加速了 DCF 勺 发展,DCF已从最初的匹配包层型到多 包层折射率剖面型。多包层结构一方 面可以得到很高的负色散和负色散斜 率，另一方面又可以降低弯曲损耗。DCF0勺品质因素（品质因素=色散系数 绝对值/衰减系数）越来越高。为了得 到具有较大负色散系数的DCF必须控 制波导色散。现在已经有大量

10、的商用 DCF用于补偿G. 652光纤在C波段和 L波段传输时的色散。Q.r'后宣成AM前百脑大器场串放大I懂政；西3 DCF的用举附缺点：非线性效应较明显，输入光功 率不能过高，插入损耗较大，此外DCF 制成的DCM色散量不可调，而且不同 类型的光纤需要不同的 DCM .优点：效果显著，系统工作稳定，实 施简便色散补偿量可控外，还能实现 宽带补偿从而实现高密度波分复用.4 .光纤光栅色散补偿技术光纤光栅（均匀光纤光栅）的另一 个特性，就是在禁带 （Photonic band gap）附近的极强的传输色散特性 （一 般要比普通光纤介质大出几个数量级 倍），可以利用光纤光栅的这一特性在

11、传输中而非反射中）进行色散补偿。 尽管这一强色散区域存在的频带很 窄，但其独特的性质还是引起了人们 的关注。由于F-P效应所造成的反射 带隙外振荡的影响，这种方法一直未 受到人们的重视。最近，随着光纤光 栅切趾技术的成熟，人们已经可以消 除反射带隙几乎所有振荡，这使得利 用均匀光纤光栅进行色散补偿再现生 命力。在国外，对光纤光栅的传输色 散性质的理论探讨和实验研究已经取 得了很大成果。有人提出利用这种强 色散特性进行色散补偿，较其它色散 补偿方案更易实现，且具有更高的补 偿效率。实验上已成功实 现了在72km 的光纤中利用光纤光栅在10Gbit/s信 号无误传输时的色散补偿。最近，人 们又提出

12、级联光纤光栅的构思，利 用它可以在密集波分复用系统中实现 多信道色散的同时补偿。如图4所示：雷4圮度例计法通过改变外部条件来改变均匀光 纤光栅的结构参数，可以实现色散的 可调谐。文献3利用压电陶瓷使得光 纤光栅的中心波长移动了 5.02nm,这 对于均匀光纤光栅的色散调谐已足 够。如果把两个或两个以上不同周期 的光纤光栅“连接”起来组成“级联 光纤光栅”，可以实现对不同波长的多 路脉冲同时进行色散补偿，还可以对 整个级联光纤光栅进行调谐，也可以 对其中某些光纤光栅进行调谐，以达 到我们所期望的色散补偿效果。 优点；不受电磁干扰，灵敏度高 缺点：不能完全消除高阶色散，制造 非线性明啾的相位掩膜非

13、常困难且价 格昂贵5 .碉啾光栅技术在光纤上制成折射率非周期性变 化的惆啾光栅，就形成一个宽带滤波 器,它的不同位置对应于不同的 Bragg 反射波长。当光脉冲信号通过这种嘱 啾光栅（周期从大到小，长度为Lg）时, 其长、短波长分量分别在光栅的头、 尾部反射，这样短波长分量比长波长 分量多走2Lg距离，两波长分量之间 产生时延差A t=2Lg/Vg。从而补偿了 由于群速度不同导致的色散，起到压 缩光脉冲的作用。如图5所示。用！ *哦史蚂色防战利用严格的耦合波理论分析明啾光栅 色散补偿机制，求出其 Bragg波长、 带宽、时延率等，并利用Rungc-Kutta 数值方法求解明啾光栅的反射谱特 性

14、。嘱啾光栅的长度、嘱啾量、Bragg 带宽、反射谱特性等参量决定了它的 色散补偿能力。设计、研制高质量的 明啾光栅是实现这种色散补偿技术的 关键。英国、美国、加拿大等国家对明 啾光栅色散补偿开展了广泛的研究， 利用单个或多个叫啾光栅进行色散补 偿，已在10 Gb/s常规光纤通信网上 传输数百公里。国内也研制了10 cm长的惆啾光纤光栅，并已完成了 10 G b/s光信号在G652光纤上传输104公 里的色散补偿实验。优点：采用无源光纤光栅进行色散补 偿，具有体积小、插人损耗低、与光 纤兼容性好、波长选择性好、易于集 成等优点，利用多个光纤光栅级联可 提高补偿能力，光纤光栅法还便于系 统使用和维

15、护，其成本低、可升级性 好、可靠性高、受非线性效应影响小、 极化不敏感，具有很好的实用性。6 .观点，色散补偿技术的发展方向随着高速率宽带光传输系统的发 展，色散及其斜率的管理越来越重要。 成熟的色散补偿技术不断推出新的功 能，新的色散补偿技术不断涌现。纵观 目前国际上的色散补偿技术，可以得出色散补偿技术的发展趋势：传统的DCF因其光纤技术成熟度好，生产方便, 在近几年内仍然是主流产品；多通道光纤光栅色散补偿技术的研究逐渐成 为热点，多通道色散补偿器已经具备 了一定的市场竞争力，大量商用产品 已经推向市场，有逐步取代传统DC乏 势;EDC有其独特优点，前景可观，但是 技术不成熟，有待完善，比如较长距离 传输时，器件的补偿范围受到信号传 输距离的限制，需要增加固定补偿量 等；色散补偿PCF代表着未来高效补偿 的发展方向，它具有广阔的发展空间 和应用前景，虽然现已开始获得初步 应用，但受到诸多因素的制约，因此要 实现大量商用还有很长的路要走。参考文献：1 戈稳编.雷达接收机技术M.北京： 电子工业出版社,2005.2