光纖色散及補償方法簡述

1、光纖色散及補償方法簡述目錄1色散的基本概念151.1基本概念151.2光纖中色散的種類151.3光纖色散表示法151.4單模光纖的色散系數(shù)151.5光纖色散造成的系統(tǒng)性能損傷151.6減小色散的技術(shù)151.7偏振模色散（PMD）152非線性問題15關(guān)鍵詞：光纖色散 色散補償 摘 要：本資料介紹了光纖的色散以及色散補償方法?？s略語清單：無。參考資料清單： 無。光纖色散及補償方法簡述當(dāng)前，光纖通信正向超高速率、超長距離的方向發(fā)展。EDFA的出現(xiàn)為1.55um波長窗口實現(xiàn)大容量、長距離光通信創(chuàng)造了條件，并使光纖通信中衰耗的問題得到了一定的解決。然而光纖的色散影響仍然是制約因素之一，加之引入光放大器使

2、光信號功率提高之后，光纖的非線性影響又突顯出來。1 色散的基本概念1.1 基本概念光纖色散是由于光纖所傳送信號的不同頻率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。所謂群速度就是光能在光纖中的傳輸速度。所謂光信號畸變，一般指脈沖展寬。1.2 光纖中色散的種類光纖中的色散可分為材料色散、波導(dǎo)色散、模式色散。材料色散和波導(dǎo)色散也稱為模內(nèi)色散，模式色散也稱為模間色散。材料色散是由于光纖材料的折射率隨光源頻率的變化引起的，不同光源頻率所所應(yīng)的群速度不同，引起脈沖展寬。波導(dǎo)色散是由于模傳播常數(shù)隨波長的變化引起的，與光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，它的大小可以和材料色散相比擬。材料色散和波導(dǎo)色

3、散在單模光纖和多模光纖中均存在。模式色散是由于不同傳導(dǎo)模在某一相同光源頻率下具有不同的群速度，所引起的脈沖展寬。模式色散主要存在于多模光纖中。簡而言之，材料色散和波導(dǎo)色散是由于光纖傳輸?shù)男盘柌皇菃我活l率所引起的，模式色散是由于光纖傳輸?shù)男盘柌皇菃我荒Ｊ剿鸬摹?.3 光纖色散表示法在光纖中，不同速度的信號傳過同樣的距離會有不同的時延，從而產(chǎn)生時延差，時延差越大，表示色散越嚴(yán)重。因而，常用時延差來表示色散程度。時延并不表示色散值，時延差用于表示色散值。若各信號成分的時延相同，則不存在色散，信號在傳輸過程中不產(chǎn)生畸變。時延差可由信號各頻率成分的傳輸速度不同所引起，也可由信號各模式的傳輸速度不同所

4、引起。1.4 單模光纖的色散系數(shù)單模光纖中只有基模傳輸，總色散由材料色散、波導(dǎo)色散等組成。它們都與波長有關(guān)，所以單模光纖的總色散也稱波長色散。色散系數(shù)就是兩個波長間隔為1nm的兩個光波傳輸1 km長度光纖到達時間之差，單位為ps/nm·km。5. 色散與傳輸速率的關(guān)系群速色散對比特率的影響可利用不產(chǎn)生相鄰脈沖重疊的準(zhǔn)則BT1B為比特率，T為群速色散造成的脈沖展寬傳輸速率越高，為保證信號正確傳輸，色散的影響必須越小。T=DL L-傳輸距離，D-色散系數(shù)，為光源的均方根譜寬，-20dB譜寬-20， =-20 /6.07 1.5 光纖色散造成的系統(tǒng)性能損傷與光纖色散有關(guān)的系統(tǒng)性能損傷可以由

5、多種原因引起，比較重要的有兩類：碼間干擾、模分配噪聲等。 1. 碼間干擾光纖色散會導(dǎo)致所傳輸光脈沖的展寬。實際接收波形是由激光器的許多根線譜構(gòu)成的，既便接收機能對單根線譜形成的波形進行理想均衡，但由于每根線譜產(chǎn)生的相同波形所經(jīng)歷的色散不同而前后錯開，使結(jié)合的波形不同于單根線譜波形，仍會造成非理想均衡。2. 模分配噪聲這是由于光纖的色散作用與激光器的光譜特性相結(jié)合產(chǎn)生的系統(tǒng)損傷。雖然激光器各譜線的功率總和是一定的，但各根譜線的功率是隨機起伏的。當(dāng)激光器的各譜線經(jīng)過光纖后，由于光纖的固有色散使不同波長的譜線產(chǎn)生不同的延時，造成不同比特的接收波形不同，形成接受脈沖的展寬。1.6 減小色散的技術(shù)在15

6、50nm波長附近，G.652光纖的色散典型值為17ps/nm·km。當(dāng)光纖的衰減問題得到解決以后，色散受限就變成了決定系統(tǒng)傳輸距離的一個主要問題。DA技術(shù)即色散容納技術(shù)，就是通過 一些技術(shù)手段減小或消除色散的影響，延長傳輸距離。一般來說，解決方法有：1. 壓縮光源的譜寬色散對光脈沖傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在經(jīng)過傳輸?shù)墓饷}沖將受到展寬，而這種展寬的大小在一定傳輸距離的情況下，取決于傳輸光纖的色散系數(shù)和光源發(fā)送的光波的頻譜寬度。光源的譜寬越寬（頻率啁啾系數(shù)越大），光纖色散對光脈沖的展寬越大。因此通過選用頻率啁啾系數(shù)小的激光器，可以減小傳輸線路色散的影響。頻率啁啾是單縱模激光器才有的系統(tǒng)損傷。當(dāng)

7、單縱模激光器工作于直接調(diào)制時，注入電流的變化會引起載流子密度的變化，進而使有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，結(jié)果使激光器的諧振腔的光通路長度發(fā)生變化，導(dǎo)致波長隨時間偏移，發(fā)生所謂的頻率啁啾現(xiàn)象，表現(xiàn)為波長穩(wěn)定性差，光譜寬。當(dāng)光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后，由于光纖的色散作用，使受頻率啁啾影響的光脈沖波形發(fā)生展寬。減小光源啁啾系數(shù)的辦法：（1）采用外調(diào)制的激光器（即間接調(diào)制光源），它是由一個恒定光源和一個光調(diào)制器構(gòu)成的，通過使用恒定光源，避免了直接調(diào)制時激勵電流電流的變化，從而減小了光源發(fā)出光波長的偏移，達到降低頻率啁啾系數(shù)的目的；（2）應(yīng)用譜線寬度很窄的單縱模DFB激光器，并令它有負(fù)的預(yù)啁啾。選擇光模塊時不僅

8、要注意發(fā)光功率、中心波長，同時還要注意-20dB譜寬，最大色散（色散容限）。如SS32L1605，工作波長1550.12nm,發(fā)光功率為-2+3dBm,傳輸距離170km(需加放大器），最大色散：6500ps/nm。2. 選用新型光纖一些用戶新鋪光纖為G.655(非零點色散位移光纖),在1550nm波長附近，光纖色度色散系數(shù)4ps/nm·Km左右。3. 色散補償技術(shù) (1)首先采用色散補償光纖（DCF）對傳輸線路的色散性能進行補償是一項比較成熟的技術(shù)。 色散補償光纖（DCF）是一種特制的光纖，其色度色散為負(fù)值，恰好與G.652光纖相反，可以抵消G.652常規(guī)色散的影響。其色散系數(shù)典型

9、值為-90ps/（nm·Km），因而DCF只需在總線路長度上占G.652 光纖的長度的1/5,即可使總鏈路色散值接近于零。但衰耗大（約為0.5dB/km）需使用EDFA來補償，且對強光產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，應(yīng)與避免。采用DCF來進行色散補償是一種無源補償方法，十分簡單易行。如在DWDM系統(tǒng)中已采用的色散補償器可能就是由DCF等構(gòu)成。4. 色散補償器規(guī)格規(guī)格DCM-40DCM-60DCM-80色散1544.5nmps/nm-658±10-988±10-1317±15插入損耗1545nmdB56.88.6品質(zhì)因子1545nmps/nm/dB131145153

10、平均偏振模式色散1500-1565ps1.11.41.5(2)還有其他類型的色散補償器，如采用采用啁啾光柵做色散補償，其色散補償量標(biāo)稱值為40公里、60公里和80公里，做成單板。在STM-64系統(tǒng)采用G.652光纖色散受限傳輸距離為80km。建議傳輸距離在80km100km，采用40km的補償器進行補償，傳輸距離在100km120km，采用60km的補償器進行補償。(3)利用非線性光學(xué)效應(yīng)壓縮色散具體是指利用Kerr效應(yīng)之一的自相位調(diào)制特性STM-64光接口參數(shù)一些參數(shù)的解釋：L-64.2a-采用PDC作色散補償(PDC無源色散補償)L-64.2b-采用SPM 作色散補償(SPM-自相位調(diào)制)

11、L-64.2c-采用預(yù)啁啾作色散補償V-64.2a-采用PDC作色散補償V-64.2b-采用SPM和PDC作色散補償1.7 偏振模色散（PMD）當(dāng)采用辦法使光纖通信系統(tǒng)中的色度色散變得很小或趨于零時，光纖的偏振模色散的影響就突出了，成為限制高比特率信號（10Gbit/s及以上）長距離傳輸?shù)闹饕蛩亓?。由于PMD的統(tǒng)計特性，以及PMD的不確定性，使得PMD的補償?shù)碾y度非常大。目前，尚未有PMD補償器件出售。1. 技術(shù)原理在理想的圓對稱纖芯的單模光纖中，兩個正交偏振模和是完全簡并的，兩者的傳播常數(shù)相等，故不存在偏振模色散，但在實際的光纖中，由于光纖制造工藝造成纖芯截面一定程度的橢圓度，或者是由于材

12、料的熱漲系數(shù)的不均勻性造成光纖截面上各向異性的應(yīng)力而導(dǎo)致光纖折射率的各向異性，這兩者均能造成兩個偏振模傳播常數(shù)的差異，從而產(chǎn)生群時延的不同，形成了偏振模色散。和的兩個正交偏振模的傳播常數(shù)之差稱為雙折射。上述光纖結(jié)構(gòu)本身存在的雙折射稱為本征雙折射。此外，光纖在彎曲、扭絞、橫向壓力等機械外力的作用下也會產(chǎn)生附加雙折射。當(dāng)光纖截面的圓對稱性受到破壞，由雙折射形成的兩個不同傳播常數(shù)的正交偏振模之間會產(chǎn)生相互耦合，由于兩個偏振模的傳播常數(shù)相差很小，因而模式耦合很強。光纖的本征雙折射及其受到的外力在實際的光纖線路上都是隨機的，因而偏振模之間的耦合也是隨機的。從而產(chǎn)生的偏振模色散是一個隨機量，它無法象色度色

13、散那樣容易補償。2. PMD對系統(tǒng)的影響雖然導(dǎo)致脈沖擴展的機理不同，但是PMD與色度色散對系統(tǒng)的性能具有同樣的影響。過高的色散導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)的誤碼及誤碼率的增加；導(dǎo)致模擬系統(tǒng)信號的失真和信噪比的降低。根據(jù)現(xiàn)有各種單模光纖的制作水平，ITU-T規(guī)定單模光纖的平均偏振模色散系數(shù)。表1列出了根據(jù)上述數(shù)據(jù)列出的數(shù)字系統(tǒng)最長計算距離的實例。表1 傳輸距離與PMD和數(shù)據(jù)速率PMD(ps/)2.5Gbit/s10Gbit/s40Gbit/s3180km11km<1km11600km100km6km0.56400km400km25km0.1160000km10000km625km國內(nèi)早期鋪設(shè)的光纖大部分為

14、G.652光纖，很多沒有經(jīng)過嚴(yán)格測試，至少很少測試PMD參數(shù)。在大量鋪設(shè)的G.652光纖上使用電10G，光纖必須經(jīng)過嚴(yán)格測試，耗時較長。色散功率代價隨傳輸距離、比特率、光譜寬度和光纖色散系數(shù)這四個參數(shù)值的增加而迅速增加。為了防范由于色散功率代價的迅速增加而導(dǎo)致的系統(tǒng)性能惡化，應(yīng)使系統(tǒng)有足夠的工作余度，避開高功率代價區(qū)。一般認(rèn)為1dB功率代價是最大可以容忍的數(shù)值，因而將1dB功率代價所對應(yīng)的光通道色散值定義為光通道最大色散值。2 非線性問題在常規(guī)光纖通信系統(tǒng)中，光纖中的光強較弱，此時光纖是線性媒質(zhì)，光纖的各項特性參數(shù)隨光場作線性變化。隨著DWDM技術(shù)和EDFA技術(shù)的不斷進步，光纖中傳輸?shù)牟ㄩL數(shù)越

15、來越多，進入光纖的光功率不斷增大。在進入光纖的光強很大的情況下，光纖表現(xiàn)出非線性光學(xué)特性。非線性效應(yīng)的強弱不僅僅與光強有關(guān)，而且與相互作用的長度有關(guān)。由于光纖的損耗很小，可以在較長的距離保持高的光強度，這大大增加了相互作用的長度，從而使非線性光學(xué)效應(yīng)成為最終限制系統(tǒng)性能的因素。而且，色散與一些非線性效應(yīng)關(guān)系緊密，不同的色散量會使非線性效應(yīng)的強弱不一樣，最終對系統(tǒng)的影響也比較復(fù)雜。在高速率傳輸系統(tǒng)中，尤其在信道數(shù)很多、信道間隔很小的密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，非線性效應(yīng)成為限制系統(tǒng)性能的主要因素之一。傳輸光纖非線性效應(yīng)具有以下特點。一是種類多，主要分為受激散射（包括受激布里淵散射SBS與受激拉曼散射SRS兩種）和光克爾效應(yīng)（包