光通信中的色散管理與補(bǔ)償技術(shù)(共17頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上能力拓展訓(xùn)練報(bào)告 題 目： 光通信中的色散管理與補(bǔ)償技術(shù) 專業(yè)班級(jí)： 電子0901班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 劉 金 根 武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院2012年07月13日專心-專注-專業(yè)能力拓展訓(xùn)練任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：電子0901 指導(dǎo)教師： 劉金根 工作單位：信息工程學(xué)院 題 目：光通信中的色散管理與補(bǔ)償技術(shù) 初始條件：具有扎實(shí)的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)基本理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)；具備初步的文獻(xiàn)查閱和專題調(diào)研技能；一定的中英文文獻(xiàn)閱讀與綜合能力。要求完成的主要任務(wù)： 1.在電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)體系范圍內(nèi)確定選題，題目自擬。2.查閱與選題相關(guān)的文獻(xiàn)資料，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)資料的閱

2、讀分析與綜合，寫(xiě)出調(diào)研報(bào)告；要求報(bào)告內(nèi)容的可讀性強(qiáng)，撰寫(xiě)格式規(guī)范，圖標(biāo)的使用正確，參考文獻(xiàn)的引用恰當(dāng)；字?jǐn)?shù)不少于6000字，參考文獻(xiàn)不少于10篇，其中外文文獻(xiàn)不少于2篇。時(shí)間安排：12012年7月9日集中，布置能力拓展訓(xùn)練任務(wù)；講解訓(xùn)練具體實(shí)施計(jì)劃、報(bào)告格式的要求與答疑事項(xiàng)。22012年7月9日 至2012年7月12日完成選題的確定、資料查閱、能力拓展訓(xùn)練報(bào)告的撰寫(xiě)。3. 2012年7月13日提交能力拓展訓(xùn)練報(bào)告書(shū)，進(jìn)行驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄 摘 要本文敘述了光通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的參數(shù)-色散，以及G65光纖通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償技術(shù)。文章

3、還詳細(xì)分析說(shuō)明了各種補(bǔ)償技術(shù)原理，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。最后強(qiáng)調(diào)說(shuō)明色散補(bǔ)償就是用來(lái)補(bǔ)償光纖線路色散和非線性失真的技術(shù)。關(guān)鍵詞：光通信系統(tǒng)、色散、色散補(bǔ)償技術(shù) AbstractThis paper describes the optical communication system one of the important parameters-dispersion, and G65 optical fiber communication system of the dispersion compensation technology. The article also detail the var

4、ious compensation technology principle, and compares their advantages and disadvantages. Finally emphasizes that the dispersion compensation is designed to compensate for fiber optic lines the dispersion and nonlinearity of the distortion of technology.Keywords: optical communication system, dispers

5、ion, the dispersion compensation technology1 緒論 當(dāng)前，光纖通信正向超高速率、超長(zhǎng)距離的方向發(fā)展。EDFA(即摻鉺光纖放大器，是一種對(duì)信號(hào)光放大的一種有源光器件）的誕生是光纖通信領(lǐng)域革命性的突破，它使長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能，是DWDM系統(tǒng)(密集型光波復(fù)用)及未來(lái)高速系統(tǒng)、全光網(wǎng)絡(luò)不可缺少的重要器件。1其研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)光纖通信的發(fā)展有著重要的意義。今天光纜網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布世界各地，光纖通信成為“信息高速公路”的重要支柱。但是由于光纖本身具有傳輸損耗，使得光信號(hào)只能傳輸不太遠(yuǎn)的距離就會(huì)衰減到接受機(jī)無(wú)法辨別的程度。從前光中繼采用“光-電-光

6、”的方式進(jìn)行光放大。EDFA的問(wèn)世引起了光通信技術(shù)的一場(chǎng)革命，在以光纖為傳輸媒體的郵電通信、有線電視以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。它的出現(xiàn)為1.55um波長(zhǎng)窗口實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)距離光通信創(chuàng)造了條件，并使光纖通信中衰耗的問(wèn)題得到了一定的解決。然而，隨著光傳輸系統(tǒng)中的傳輸速率的提高和信號(hào)傳輸帶寬的增加，色散問(wèn)題日益顯著。已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖規(guī)G.652線路的零色散點(diǎn)位于1.31um，在1.55um處時(shí)則具有較大的色散系數(shù)(17ps/nm/km)，光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途傳輸后，由于光纖色散值的積累引起脈沖展寬，導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間串?dāng)_，使得接收端產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，從而使傳輸特性變壞。2光纖色散補(bǔ)償技術(shù)的研究，

7、對(duì)提高目前已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖通信系統(tǒng)的容量具有尤其重要的意義。目前，全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)教設(shè)的1.3 µ m零色散光纖總長(zhǎng)度超過(guò)5000萬(wàn)公里，而我們知道現(xiàn)在光纖通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為1.5µm，這樣光纖就存在D16ps/kmnm的色散、該色散限制光通信系統(tǒng)的傳輸速度在2Gb/s以下。即使是新教設(shè)的光纖、為了限制四波混頻現(xiàn)象也仍需使用非零色散位移光纖。故為了克服色散對(duì)通信距離及通信速率的限制，必須對(duì)光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償。【3】2 光纖色散的基本介紹光纖通信的發(fā)展方向是高速率、大容量。它從PDH 8 Mb/s, 34Mb/s,140Mb/s, 565Mb/s發(fā)展到SDH 155Mb/

8、s，622Mb/s，2.5Gb/s，10Gb/s?，F(xiàn)在又進(jìn)展為波分復(fù)用WDM、密集型波分復(fù)用DWDM。同時(shí)，光纖的結(jié)構(gòu)從G652、G653、G654，發(fā)展到G655，以及G652C類。【4】光纖的技術(shù)指標(biāo)很多，其中色散是其主要的技術(shù)指標(biāo)之一。 2.1 光纖色散的基本概念 光纖色散是指由于光纖所傳送信號(hào)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(hào)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(hào)畸變，一般指脈沖展寬。色散是光纖的一種重要的光學(xué)特性，色散會(huì)引起光脈沖的展寬、嚴(yán)重限制了光纖的傳輸容量及帶寬。 2.2 光纖色散的種類由于光纖有不同的種類，產(chǎn)生色散的機(jī)理也不

9、盡相同。光纖的色散主要?dú)w結(jié)為三類，即材料色散、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，不同光源頻率所對(duì)應(yīng)的群速度不同，從而引起脈沖展寬。 波導(dǎo)色散是由于模傳播常數(shù)隨波長(zhǎng)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(jiǎn)而言之，材料色散和波導(dǎo)色散是由于光纖傳輸?shù)男盘?hào)不是單一頻率所引起的，模式色散是由于光纖傳輸?shù)男盘?hào)不是單一模式

10、所引起的?！?】 2.3 光纖色散表示法 在光纖中，不同速度的信號(hào)傳過(guò)同樣的距離會(huì)有不同的時(shí)延，從而產(chǎn)生時(shí)延差，時(shí)延差越大，表示色散越嚴(yán)，因而，常用時(shí)延差來(lái)表示色散程度。時(shí)延并不表示色散值，時(shí)延差用于表示色散值。若各信號(hào)成分的時(shí)延相同，則不存在色散，信號(hào)在傳輸過(guò)程中不產(chǎn)生畸變。時(shí)延差可由信號(hào)各頻率成分的傳輸速度不同所引起，也可由信號(hào)各模式的傳輸速度不同所引起。 2.4 光纖色散與傳輸速率的關(guān)系 色散系數(shù)就是兩個(gè)波長(zhǎng)間隔為1nm的兩個(gè)光波傳輸1 km長(zhǎng)度光纖到達(dá)時(shí)間之差，單位為ps/nm·km。群速色散對(duì)比特率的影響可利用不產(chǎn)生相鄰脈沖重疊的準(zhǔn)則來(lái)表示，如下式所示： BT1 （式2.4

11、.1）其中B為比特率，T為群速色散造成的脈沖展寬。 T=DL （式2.4.2） L為傳輸距離，D為色散系數(shù)，為光源的均方根譜寬，-20dB譜寬表示為-20 ，=-20 /6.07。所以傳輸速率越高，為保證信號(hào)正確傳輸，則色散的影響必須越小。【6】 2.5 光纖色散導(dǎo)致光脈沖展寬分析 光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖色散導(dǎo)致光脈沖展寬的理論分析如下:已知入射光場(chǎng)的歸一化振幅為高斯函數(shù)分布，即則人射光脈沖的形狀如圖1所示，其中第一步：求入射光脈沖的寬度，便于與展寬后的脈沖作比較。（1）半極大值處的半寬度 ，其中兩邊取對(duì)數(shù)： ，即所以半極大值的全寬度為（2）入射光脈沖高斯函數(shù)曲線下降到 處的半寬度 ，

12、即所以 ，所以全寬度為第二步：求光脈沖通過(guò)光纖的線性色散后的展寬情況。利用光波在色散介質(zhì)中傳播的麥克斯韋方程，以及傅里葉函數(shù)把時(shí)域變換為頻域，求出高斯光脈沖展寬后的寬度為 ，由公式可知， 即為入射光脈沖的半寬度，上式方程表明，群速度色散展寬了脈沖，其展寬程度取決于色散長(zhǎng)度 對(duì)于給定長(zhǎng)度的光纖，由于短的光脈沖有較短的色散長(zhǎng)度，因而其展開(kāi)程度較大。在光纖的 處，高斯光脈沖的脈寬展寬到 倍，如圖2所示?！?】3 光通信中的色散補(bǔ)償技術(shù)目前，已有多種群速度色散補(bǔ)償方案被提出，如后置色散補(bǔ)償技術(shù)、前置色散補(bǔ)償技術(shù)、色散補(bǔ)償濾波器、高色散補(bǔ)償光纖(DCF)技術(shù)和凋啾光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù)，以及GT標(biāo)準(zhǔn)具等。

13、下面將主要對(duì)色散補(bǔ)償光纖(DCF)、啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償(DCG)技術(shù)和GT標(biāo)準(zhǔn)具做一簡(jiǎn)單的介紹、討論。 3.1色散補(bǔ)償光纖 色散補(bǔ)償光纖的基本思想是：讓光信號(hào)通過(guò)不同的光纖段，這些光纖段具有不同的色散。該思想在1980年就已經(jīng)被提出來(lái)了，然而，只有到了1990年光纖放大器的出現(xiàn)才加速了色散補(bǔ)償光纖的發(fā)展步伐。 色散補(bǔ)償光纖（DCF）是一種特制的光纖，是利用基模波導(dǎo)來(lái)獲得高的負(fù)色散值，色散補(bǔ)償光纖通過(guò)改變光纖的芯徑、摻雜濃度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使零色散波長(zhǎng)移至大于1550nm波長(zhǎng)的位置，于是在 1550nm處得到較大的負(fù)色散系數(shù)，通常在-50-200ps/nm/km，其色度色散恰好與G.652光纖相反

14、，可以抵消G.652常規(guī)色散的影響。其色散系數(shù)典型值為-90ps/（nm·Km），因而DCF只需在總線路長(zhǎng)度上占G.652 光纖的長(zhǎng)度的1/5,即可使總鏈路色散值接近于零。為了得到高的負(fù)色散值系數(shù)，必須減小光纖芯徑，增加相對(duì)折射率差，而這種作法往往又會(huì)導(dǎo)致光纖的衰耗增加(0.51dB/km)，所以需使用EDFA來(lái)補(bǔ)償，且對(duì)強(qiáng)光產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，應(yīng)與避免。色散補(bǔ)償光纖已經(jīng)在全世界的高速通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，許多傳輸系統(tǒng)都是通過(guò)DCF+G.652光纖實(shí)現(xiàn)的，采用DCF來(lái)進(jìn)行色散補(bǔ)償是一種無(wú)源補(bǔ)償方法，十分簡(jiǎn)單易行。3.2 啁啾光纖光柵啁啾通常是指一種頻率變化的現(xiàn)象。如果光纖光柵的

15、周期沿長(zhǎng)度方向發(fā)生一定變化，則其頻率沿長(zhǎng)度方向也會(huì)發(fā)生一定變化，即發(fā)生了啁啾，稱這種光柵為啁啾光纖光柵。啁啾可以是線性的，也可以是非線性的。當(dāng)光脈沖信號(hào)通過(guò)圖3.2.1總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的啁啾光柵(周期由大到小)時(shí)，信號(hào)的長(zhǎng)、短波長(zhǎng)分量分別在光纖的頭、尾部反射，則短波分量比長(zhǎng)波分量多走了2L的路程，從而補(bǔ)償了由群速度不同而導(dǎo)致的色散，起到壓縮由于光纖傳輸所導(dǎo)致的光脈沖展寬的作用。對(duì)于10Gb/s及其以上的系統(tǒng)，系統(tǒng)商開(kāi)始選擇啁啾光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償。其優(yōu)點(diǎn)是插入損耗很小，且損耗與補(bǔ)償距離無(wú)關(guān)，幾乎不受光纖非線性影響，對(duì)光信號(hào)的延遲非常低，模塊體積小且成本低。然而也存在一些急需克服的缺陷，如帶寬過(guò)窄、群

16、時(shí)延非線性、額外的介入損耗及需要解決制作過(guò)程的實(shí)用化，如制作過(guò)程的可重復(fù)性、封裝、溫度補(bǔ)償?shù)取！?】 圖3.2.1 啁啾光柵色散補(bǔ)償原理 3.3 GT標(biāo)準(zhǔn)具基于GT標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)的色散補(bǔ)償模塊，其核心元件GT標(biāo)準(zhǔn)具是由兩個(gè)平行反射鏡構(gòu)成，前一片是低反鏡，后一片是全反鏡，鏡片之間的介質(zhì)折射率小于反射鏡的折射率。GT標(biāo)準(zhǔn)具使光信號(hào)中不同的光譜分量所傳輸?shù)墓獬滩煌?，產(chǎn)生周期性的色散效果。當(dāng)該色散周期與信道間隔匹配時(shí)，該方案可同時(shí)補(bǔ)償所有DWDM信道的色散。采用單級(jí)GT標(biāo)準(zhǔn)具，色散補(bǔ)償范圍和工作帶寬有限。通過(guò)多個(gè)GT標(biāo)準(zhǔn)具級(jí)聯(lián)，參見(jiàn)圖3.3.1中的配置，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)光學(xué)介質(zhì)的熱光效應(yīng)，通過(guò)加熱器改變溫度，

17、精確控制每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具群時(shí)延曲線的峰值波長(zhǎng)位置，不僅實(shí)現(xiàn)大范圍的色散量調(diào)節(jié)，同時(shí)也拓寬了通道工作帶寬，可用于系統(tǒng)的可調(diào)色散補(bǔ)償?！?】 圖3.3.1 級(jí)聯(lián)型GT標(biāo)準(zhǔn)具3.4 技術(shù)方案對(duì)比表3.4.1對(duì)以上三種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)觀察，我們發(fā)現(xiàn)啁啾光纖光柵具有插入損耗低和低傳輸延遲特征。 表 3.4.1 色散補(bǔ)償技術(shù)方案對(duì)比3.5 高速光通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償高速光通信系統(tǒng)中的色散管理復(fù)雜，不同類型的傳輸系統(tǒng)對(duì)色散補(bǔ)償有不同的要求，可參見(jiàn)表3.5.1(僅列出了部分應(yīng)用) ,結(jié)合表3.4.1我們發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的色散補(bǔ)償技術(shù)都無(wú)法全面滿足各類系統(tǒng)要求，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要具體分析系統(tǒng)色散特點(diǎn)，采用多種色散補(bǔ)

18、償技術(shù)相結(jié)合的方式。 表 3.5.1 高速光通信各類應(yīng)用對(duì)色散補(bǔ)償要求對(duì)于超長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用，由于啁啾光纖光柵和GT標(biāo)準(zhǔn)具存在著群時(shí)延抖動(dòng)，當(dāng)器件級(jí)聯(lián)后，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)傳輸代價(jià)，此時(shí)首選色散補(bǔ)償光纖技術(shù)，由于色散補(bǔ)償光纖無(wú)法100%補(bǔ)償色散斜率，同時(shí)也要考慮在接收端進(jìn)行通道間殘余色散補(bǔ)償。對(duì)于海底光纜傳輸系統(tǒng)，為了減少超長(zhǎng)距離傳輸帶來(lái)的色散累積問(wèn)題，傳輸光纜采用的是不同類型的光纖混合配置，或者采用低色散系數(shù)光纖，在接收端由于傳輸光纖色散斜率的原因，參見(jiàn)圖3.5.1，中間信道的色散能夠得到完全補(bǔ)償，兩邊的信道殘余色散高達(dá)+/-4000ps/nm，參見(jiàn)圖3.5.2，在接收端只能采用啁啾光柵的技術(shù)方案進(jìn)

19、行通道間殘余色散補(bǔ)償?！?0】圖3.5.1 海纜接收端殘余色散圖 圖3.5.2 利用啁啾光纖光柵對(duì)海纜進(jìn)行殘余色散補(bǔ)償對(duì)于40Gb/s高速光通信系統(tǒng)，他們的色散補(bǔ)償具有精確性、及時(shí)性的特點(diǎn)。第一，由于系統(tǒng)色散容限與信號(hào)速率的平方成正比，40Gb/s系統(tǒng)的色散容限僅為50ps/nm左右。因此在系統(tǒng)當(dāng)中，必須使用色散補(bǔ)償技術(shù)在接收端對(duì)每個(gè)信道信號(hào)的殘余色散進(jìn)行精確補(bǔ)償，確保在接收機(jī)工作在色散容限范圍內(nèi)。第二，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中同時(shí)還要考慮到傳輸系統(tǒng)器件的老化、長(zhǎng)途傳輸線路受到沿途氣候影響等眾多因素，它們可能使信道中的色散隨時(shí)間改變，這就要求系統(tǒng)在接收端對(duì)色散補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行殘余色散的檢測(cè)，需要采用基于啁啾光纖光柵或者GT標(biāo)準(zhǔn)具的可調(diào)色散補(bǔ)償模塊。4 總結(jié) 隨著光纖傳輸損耗問(wèn)題的基本解決，光纖色散和非線性問(wèn)題隨即成為發(fā)展高速、大容量光通信系統(tǒng)的主要障礙。在通信系統(tǒng)中，由于信號(hào)的各頻率成分或各模式成分的傳輸速度不同，在光纖中傳輸一段距離后，將互相散開(kāi)，脈沖加寬，即產(chǎn)生光纖色散。嚴(yán)重時(shí)，前后脈沖將互相重疊，形成碼間干擾，增加誤碼率，影響了光纖的帶寬，限制了光纖的傳輸容量。 由于光纖的色散能夠有效抑制四波混頻等非線性效應(yīng)，因此對(duì)光通信系統(tǒng)進(jìn)行