波分系统中的色散专题-20110905-B

2024/3/6产品服务部色散专题Page2内容信息文档名称色散专题目标受众华为公司网络产品线技术服务工程师、工程项目经理、培训工程师等版本信息版本

/日期变更描述作者/工号责任部门V1.0_20110520第一版谢冰/35413网络产品服务部Page3内容介绍光纤和色散的基本概念色散对波分信号的影响色散的补偿原理波分系统色散补偿规则典型案例光纤基础知识光是一种频率极高的电磁波。当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。这样的光纤称为多模光纤。当光纤的几何尺寸(主要是芯径d1)较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在5~10微米范围，这时，光纤只允许一种模式(基模)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤中心轴线的形式以直线方式传播，如图ITU-T的建议规范四种单模光纤，即G.652、G.653、G.654、G.655。Page4Page5色散的基本概念-1光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，传输信号发生畸变，这就是光纤的色散。

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。pulsef1f2f3...pulsef1f2f3...FibercoreFibercladdingFibercladding色散的图象表示Page6色散的基本概念-2光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式色散以及偏振膜色散。

单模光纤：材料色散、波导色散、偏振模色散光纤

多模光纤：材料色散、波导色散、偏振模色散、模式色散材料色散和波导色散也称为模内色散，又称为色度色散模式色散也称为模间色散Page7色散的基本概念-3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。C为真空中的光速。L为传输距离，n为光纤折射率，为信号光波长

材料色散：不同频率不同折射率波导色散由于导波模的不同而导致的群时延，当一个光脉冲进入光纤后，它的能量被分散到许多导波模上，这些不同的模式以各自的群时延在不同的时刻到达光纤的另一端，从而使光脉冲发生展宽，波导色散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。波导色散：不同频率不同模场分布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。模式色散：不同模式不同传输速度色散的基本概念-4Page8偏振膜色散由于光纤本身的非圆对称性进而导致两个正交偏振态沿光纤传输而发生偏离导致的情况，称为PolarizationModeDispersion，即PMD。它表现为一种随机微扰。

偏振模色散：不同偏振态不同传输速度

为了衡量两个正交偏振态之间相位相差的大小，采用了DifferentialGroupDelay来描述，即DGD。Page9色散在眼图中的表现色散对系统性能的影响首先表现在引起脉冲展宽，从而导致两个相邻的脉冲发生串扰，产生判决错误。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出误码率变大。初始脉冲带色散脉冲经过未补偿光纤发生色散的信号经过未补偿光纤发生色散的信号Page10在光纤中，不同波长/频率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。色散大小通常用PS来表示，为时延差大小的绝对值。色散系数D就是两个波长间隔为1nm的两个光波传输1km长度光纤到达时间之差，单位为[ps/（nm·km）]PMD系数的单位：

由于DGD主要描述的是相位之间的时间差，因此不难理解下面的量纲定义：DGD的单位：

PS

色散斜率S（ps/nm^2/km）定义为D随波长的斜率：

色散的定义和表示单位材料色散（Dm）、波导色散（Dw）和总的色度色散（Dtotal）光纤类型D1550

(ps/(nm·km)G.65217G.6530G.655A3.7G.655B4.2G.655C4.4G.655D8G.655E-2.3光纤的衰减/色散特性曲线Page11G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。G.653光纤，也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于标准单模光纤（G.652），色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。对于密集波分复用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing－DWDM）系统很容易引起四波混频效应，因此DWDM系统一般尽量不使用色散位移光纤。G.654光纤，光纤是截止波长移位的单模光纤。G.654光纤的设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高，可达18ps/(nm.km)。G.654光纤主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.655光纤，为了避免四波混频效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NZDSF）OTS段的色度色散大小PS=L(OTS跨段光缆的长度)xD（OTS跨段光缆的色散系数）其中光缆距离和色散系数可以用OTDR测得OMS段的色度色散大小PS（OMS段）=PS（OTS1）+PS(OTS2)+……+PS(OTSn)=L1xD1+L2xD2+……+LnxDnPage12色散大小的计算和表示OTS段的PMD色散大小

其中光缆距离L可以用OTDR测得,色散系数则需要光源和PMD分析模块配合测得单个OMS段的PMD色散大小多个OMS段的PMD色散大小Page13内容介绍光纤和色散的基本概念色散对波分信号的影响色散的补偿原理波分系统色散补偿规则典型案例色散容限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：B*△T＜1

B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，即色散越敏感。

△T=D*L*δλ

L--传输距离，D--色散系数，δλ为光源的均方根谱宽，-20dB谱宽δλ-20，

δλ=δλ-20/6.07

调制码型越宽，为保证信号正确传输，色散的影响必须越小，即色散越敏感。Page14色散容限：定义为传输链路中由于色散所引起的功率代价为1dB时系统所能容忍的最大色散。ITU-TG.957和G.691所定义的由色散所引起的通路代价，对于低色散系统为1dB，对于高色散系统为2dB.色散对波分系统的影响信号畸变形成码间干扰模分配噪声与非线性效应相互作用Page15系统传输距离受限可能导致出现误码单波传输速率受限Page16内容介绍光纤和色散的基本概念色散对波分信号的影响色散的补偿原理波分系统色散补偿规则典型案例Page17色散控制常见办法在长距离光纤段中必须采用某种形式的色散补偿技术。色散补偿，又可称为光均衡，其基本原理是当光脉冲信号经长距离光纤传输后，由于色散效应而产生脉冲展宽或畸变，采用一些办法来控制和降低色散，目的是消除脉冲展宽或畸变。控制色散的办常见法压缩光源的谱宽：通过激光器本身调制信号的特点来控制色散效应选用合适的光纤：目前G.655是比较适合DWDM长途传输的光纤色散补偿技术：色散补偿光纤/色散补偿光栅Page18色散补偿光纤的补偿原理传输光纤DCFDCF特性：主要特性是色散特性和传输损耗特（1）特殊设计折射率分布和芯径，强化波导色散，实现负D和S（

S为色散斜率，D为色散系数）；（2）小芯径，大色散系数，短光纤；较大非线性系数（3）D和S尽量与传输光纤匹配。色散补偿光纤（DCF）是一种特制的光纤，其色度色散为负值，恰好与传输光纤相反，可以抵消传输光纤的常规色散影响色散补偿光纤的优点和不足Page19色散补偿光纤（DCF）的优势在于：其补偿带宽宽，能同时对多个WDM信道进行色散补偿而且是无源全光纤设备成本相对较低安装简单，无需调测同时也有自己的缺点：其色散补偿能力是固定的；其有效面积只有19μm2，比标准单模光纤的85μm2小得多，从而导致更敏感的非线性效应；需要的DCF光纤的长度长，达要补偿的SMF长度的五分之一，从而增大了传输损耗，需要光放进行补偿并且体积大，重量重色散补偿光栅色散补偿光栅（DCG，DispersionCompensationGrating）是一种啁啾光纤光栅（CFG，ChirpedFiberGrating），光纤内折射率呈周期性的变化。色散补偿光栅的基本原理：长波长的分量在光栅的前端耦合到反向传播模，而短波长的分量在光纤光栅的后端耦合到反向传输模。使之与光纤传输所产生的时延大小相等、方向相反，起到降低色散的作用。Page20色散补偿光栅的优点和不足色散补偿光栅的优势在于：损耗小，一般小于1dB非线性效应不敏感同时也有自己的缺点：补偿范围窄制作难度大温度敏感存在补偿抖动Page21由于PMD的统计特性和不确定性，使得PMD的补偿的难度非常大，目前只能依靠发送/接收激光器本身的PMD容限来克服。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以上）长距离传输的主要因素。PDM的色散补偿Page22色散管理的定义及目的色散管理的定义：GVD和信号功率沿光纤链路的变化与传输光纤的类型、DCF和光放大器的相对位置等因素相关，研究GVD以及信号功率在光纤链路上的分布以使系统性能达到最佳的技术称之为色散管理目的1：有效地抑制交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等非线性效应目的2：保持较好的脉冲形状，减小信号的码间干扰（ISI）Page23Page24内容介绍光纤和色散的基本概念色散对波分信号的影响色散的补偿原理波分系统色散补偿规则典型案例色散补偿基本公式残余色散＝L(OMS跨段中光缆传输距离）（km）－色散补偿距离（km）残余色残要求：就是某种单板的实际网络系统设计和调测时对于残余色散的一个指标要求，如40G速率的系统要求残余色散在正负5Km，最大不超过正负10Km。10G速率的系统残余色散一般要求处于正/负10~30Km。其中OTU/线路板的色散容限是由发送机（激光器）决定的，在每块单板的硬件描述中都可以查到，一般在正负800ps左右，部分单板较低，部分单板容限很大。对照我们熟悉的光功率概念来对照理解色散的几个指标残余色散－－－接收光功率色散要求－－－光功率要求色散容限上门限－－－过载点色散容限下门限－－－灵敏度色散容限优化实例：Page25色散的代价假如当前网络设计之中准备使用的某40G单板的OSNR容限值为：XdB同时通过计算当前OMS段中的DGD产生的OSNR代价值为：YdB当前OMS段中其他的各种因素导致的OSNR代价为：ZdB设当前OMS段落接收端的实际OSNR值为：WdB则在满足以下不等式成立的情况下，才能够保证系统性能：

W≥X+Y+ZPage26典型色散补偿方式补偿的基本原则：OMS跨段的光纤累计色散被1：1完全补偿，线路中的色散补偿，根据光纤类型选择色散补偿模块，进行100%的色散补偿；尽可能的在每个OTS跨段完成补偿同时在一定条件下进行色散拓扑调整，以减少放大器的配置数量，参见“线路色散补偿优化”章节。

方式1：周期性补偿方式2：预补偿＋周期性补偿方式3：周期性补偿＋欠补偿/过补偿Page28色散配置原则－－G.652系统(均匀补偿)15×80kmG.652系统典型色散配置发端预补20km，线路中色散均匀补偿，误差不超过±10km，线路末端残余色散保持在±5km以内线路中尽量采用过补偿形式（如65/70/75km的跨段统一用80kmDCM做补偿）线路中的欠补偿要及时补偿禁止发端预补偿正色散补偿模块Page29色散配置原则－－LEAF系统（周期补偿）发端不预补，每级过补20km，即第3n+1级的残余色散-20km、第3n+2级的残余色散-40km、第3n+3级的残余色散-60km，在第4级将色散补偿到0，周期性补偿，线路末端残余色散在色散容限范围内。线路中尽量采用过补偿形式线路中入纤点累积色散不超过±100km线路中的欠补偿要及时补偿线路色散补偿优化常见可优化场景：1.当使用100%补偿原则进行线路色散补偿时，对于跨段损耗+DCM的插损之和大于36dB（OAU103的最大增益）时，需要使用OAU+OBU这样的双级放大器；2.对于线路衰减与DCM插损之和超过23dB时就需要选择使用OAU双极放大器，不能使用成本更低的OBU的单级放大器。3.OTM站点的收端，色散补偿后的残余色散满足单板的色散指标要求；同时如果接收端实际接收的OSNR较低，需要优化的时候，可以考虑将收端的色散补偿模块拆成两个色散补偿模块，其中一个为20km或10km小规格DCM模块，放到上一级的OLA站点，用于系统色散窗口的调整优化。Page30在一定条件下通过调整各跨段DCM的补偿量，达到降低放大器配置价格的目的根据跨段损耗与DCM的插损之和小于36dB增益（OAU103）或者小于23dB(OBU1C03增益)的要求选择DCM规格，所选DCM规格与100%补偿量之间的差值在上游2各站点或者下游四个站内补偿，并且遵循最快补偿原则，即以最快的速度就近补偿完，且线路中累积色散不能超过200km对应的光纤。上游两个站点或者下游四个站内DCM的选择，原则上不引起放大器从单级放大器到多级放大器，从一个放大器到两个放大器的切换，否则成本上的好处就减小甚至消失了。系统性能优先、成本第二原则，上述优化不能导致系统性能处于不能长期稳定运行的程度，如有冲突，优先满足性能的要求。有无预补DRZ/CRZ系统色散窗口比较不同码型的最佳色散补偿点是不同的，有的接近0，有的过补/欠补一点为好，所以一般系统中设计的色散补偿配置，稍微过补或者欠补一点都不能说是错误的，可能需要根据具体调测时的系统性能情况进行色散补偿微调。Page31不同功率DRZ系统色散窗口比较Page32特殊应用-混纤传输时的色散补偿对于混合光纤的情况，线路上按照各自光纤的补偿原则进行补偿，652光纤按照-10~+10Km的残余色散补偿；Leaf光纤残余色散计算时，将652与Leaf光纤之间1：4的关系将652光纤折算成Leaf光纤长度，加上Leaf光纤的残余色散，总残余色散范围满足Leaf光纤的残余色散要求。当G.653与其他光纤混传时，先补偿其他光纤色散，再考虑G.653光纤。Page3315.00km6.75dBG652ARDU9M40B103RDU9M40B103WSM9D40B101WSM9D40B101WSM9RDU9A101AA103BAOSNR=26.642dB62.00km18.50dBG655-DSplice_9BRDU9M40B103RDU9M40B103WSM9D40B101WSM9D40B101WSM9RDU9A101A103B4km2dBG652ARDU9M40B103RDU9M40B103WSM9D40B101WSM9D40B101WSM9RDU9A101A101EB101R01OSNR=15.00dB89.41km22.00dBG652Splice_14163.00km40.87dBG653BRDU9M40B103RDU9M40B103WSM9D40B101WSM9D40B101WSM9WSM9RDU9RDU9A101A101EB101R01A101A103R01OSNR=14.87dB33.48km10dBG653特殊应用-DCM补偿不同类型光纤的色散使用G.652DCM来补偿LEAF光纤,是按照1：4的比例来进行替代计算的由于G.652光纤和LEAF光纤的色散斜率不同，实际上使用G.652DCM对LEAF光纤进行补偿时，并不能完全符合LEAF光纤的色散曲线Page34400Km以内，可以完全使用G.652DCM来补LEAF光纤，但是一定要注意色散补偿的均匀，按照1：4的比例替代补偿，尽量使用G.652类型的DCM-A和DCM-B，不要使用其他更大规格的色散补偿模块，收端色散补偿尽量处于欠补LEAF光纤10~33Km；400Km～550Km，在400Km以内完全按照上一原则进行补偿，对超过400Km的部分，使用LEAFDCM进行补偿，但是满足要求外还需要额外考虑1dB的OSNR代价，是考虑色散不匹配的影响，收端色散补偿尽量处于欠补LEAF光纤10~33Km；超过550Km，必须全部使用LEAFDCM，同时保持系统处于欠补状态，使用LEAF的色散补偿模块进行完全补偿(100％色散完全补偿的形式)，不能再使用G.652的DCM模块来补偿LEAF光纤。收端残余色散尽量处于欠补LEAF光纤10~33Km

备注：对要求支持单波40Gb/s业务的网络，由于40Gb/s有严格的色散要求；使用G.652DCM来补偿LEAF光纤的情况，由于严重的色散倾斜影响，将导致色散不能满足40Gb/s速率业务的要求。G.653的色散补偿原则有两种情况需要考虑分色散补偿由于DCM补偿对于不同波长信号补偿有轻微偏差，当传输距离超过一定限度后，偏差将累计到一个不可忽视的程度，就需要进行分带色散补偿因为G.653光纤在C波段的色散系数由负到正并通过零点，所以对它的色散补偿也应该分为三种：正补偿、零补偿、负补偿。利用DMU色散管理单元和DCM配合或者DSE单板可以实现这种色散补偿。DSE单板可以对系统中的不同色带信号进行不同程度的色散补偿。FDS为色散斜率补偿模块，也可以一定程度上控制这种偏差现象。城域/NGWDM波分系统目前不支持分带色散补偿。Page35附：常用DCM模块指标ThedetailinformationpleaserefertheBOMlistfilePage36BomCodeNameDescription45060025SSE-DCM(A)-C-LEAF(20km)LEAF,-71ps/nm@1545nm,<=4dB45060022SSE-DCM(B)-C-LEAF(40km)LEAF,-163~-143ps/nm@1545nm,<=5dB45060021SSE-DCM(C)-C-LEAF(60km)LEAF,-244~-215ps/nm@1545nm,<=6.2dB45060020SSE-DCM(D)-C-LEAF(80km)LEAF,-324~-287ps/nm@1545nm,<=6.9dB45060019SSE-DCM(E)-C-LEAF(100km)LEAF,-404~-360ps/nm@1545nm,<=7.8dB45060049SSE-DCM(F)-C-LEAF(120km)LEAF,-482~-434ps/nm@1545nm,<=8.7dB45060036SSE-DCM(5)-C-G653(5km)G.653,73.5~93.5ps/nm@1550nm(5km),<=1.9dB45060034SSE-DCM(10)-C-G653(10km)G.653,147~187ps/nm@1545nm(10km),<=3.0dB45060055SSE-DCM(20)-C-G653(20km)G.653,294~374ps/nm@1545nm(20km),<=5.0dB45060023SSE-DCM(S)-C-652(5km)G.652,-77~-87ps/nm@1545nm,<=2.3dB,45060038SSE-DCM(T)-C-652(10km)G.652,-170~-158ps/nm@1545nm,<=2.8dB45060012SSE-DCM(A)-C-652(20km)G.652,-319~-337ps/nm@1545nm,<=3.6dB45060013SSE-DCM(B)-C-652(40km)G.652,-635~-673ps/nm@1545nm,<=5.4dB45060014SSE-DCM(C)-C-652(60km)G.652,-953~-1009ps/nm@1545nm,<=7.4dB45060015SSE-DCM(D)-C-652(80km)G.652,-1270~-1340ps/nm@1545nm,<=9.5dB45060024SSE-DCM(E)-C-652(100km)G.652,-1671~-1611ps/nm@1