光通信中的色散管理與補償技術(shù)(共17頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上能力拓展訓(xùn)練報告 題 目： 光通信中的色散管理與補償技術(shù) 專業(yè)班級： 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)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：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償技術(shù) 初始條件：具有扎實的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)基本理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識；具備初步的文獻查閱和專題調(diào)研技能；一定的中英文文獻閱讀與綜合能力。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)的文獻資料，通過對文獻資料的閱

2、讀分析與綜合，寫出調(diào)研報告；要求報告內(nèi)容的可讀性強，撰寫格式規(guī)范，圖標的使用正確，參考文獻的引用恰當；字數(shù)不少于6000字，參考文獻不少于10篇，其中外文文獻不少于2篇。時間安排：12012年7月9日集中，布置能力拓展訓(xùn)練任務(wù)；講解訓(xùn)練具體實施計劃、報告格式的要求與答疑事項。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)練報告的撰寫。3. 2012年7月13日提交能力拓展訓(xùn)練報告書，進行驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄 摘 要本文敘述了光通信系統(tǒng)中一個重要的參數(shù)-色散，以及G65光纖通信系統(tǒng)的色散補償技術(shù)。文章

3、還詳細分析說明了各種補償技術(shù)原理，并比較其優(yōu)缺點。最后強調(diào)說明色散補償就是用來補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 當前，光纖通信正向超高速率、超長距離的方向發(fā)展。EDFA(即摻鉺光纖放大器，是一種對信號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，使得光信號只能傳輸不太遠的距離就會衰減到接受機無法辨別的程度。從前光中繼采用“光-電-光

6、”的方式進行光放大。EDFA的問世引起了光通信技術(shù)的一場革命，在以光纖為傳輸媒體的郵電通信、有線電視以及計算機網(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，隨著光傳輸系統(tǒng)中的傳輸速率的提高和信號傳輸帶寬的增加，色散問題日益顯著。已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖規(guī)G.652線路的零色散點位于1.31um，在1.55um處時則具有較大的色散系數(shù)(17ps/nm/km)，光脈沖信號經(jīng)過長途傳輸后，由于光纖色散值的積累引起脈沖展寬，導(dǎo)致嚴重的碼間串擾，使得接收端產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，從而使傳輸特性變壞。2光纖色散補償技術(shù)的研究，

7、對提高目前已經(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零色散光纖總長度超過5000萬公里，而我們知道現(xiàn)在光纖通信系統(tǒng)的工作波長為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。故為了克服色散對通信距離及通信速率的限制，必須對光纖進行色散補償?！?】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)在又進展為波分復(fù)用WDM、密集型波分復(fù)用DWDM。同時，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)指標很多，其中色散是其主要的技術(shù)指標之一。 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。色散是光纖的一種重要的光學(xué)特性，色散會引起光脈沖的展寬、嚴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)生色散的機理也不

9、盡相同。光纖的色散主要歸結(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?/p>

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，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。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則來表示，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，為保證信號正確傳輸，則色散的影響必須越小?！?】 2.5 光纖色散導(dǎo)致光脈沖展寬分析 光信號在光纖中傳輸時，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度 對于給定長度的光纖，由于短的光脈沖有較短的色散長度，因而其展開程度較大。在光纖的 處，高斯光脈沖的脈寬展寬到 倍，如圖2所示?！?】3 光通信中的色散補償技術(shù)目前，已有多種群速度色散補償方案被提出，如后置色散補償技術(shù)、前置色散補償技術(shù)、色散補償濾波器、高色散補償光纖(DCF)技術(shù)和凋啾光纖光柵色散補償技術(shù)，以及GT標準具等。

13、下面將主要對色散補償光纖(DCF)、啁啾光纖光柵色散補償(DCG)技術(shù)和GT標準具做一簡單的介紹、討論。 3.1色散補償光纖 色散補償光纖的基本思想是：讓光信號通過不同的光纖段，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)才加速了色散補償光纖的發(fā)展步伐。 色散補償光纖（DCF）是一種特制的光纖，是利用基模波導(dǎo)來獲得高的負色散值，色散補償光纖通過改變光纖的芯徑、摻雜濃度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使零色散波長移至大于1550nm波長的位置，于是在 1550nm處得到較大的負色散系數(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。為了得到高的負色散值系數(shù)，必須減小光纖芯徑，增加相對折射率差，而這種作法往往又會導(dǎo)致光纖的衰耗增加(0.51dB/km)，所以需使用EDFA來補償，且對強光產(chǎn)生嚴重的非線性效應(yīng)，應(yīng)與避免。色散補償光纖已經(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DCF+G.652光纖實現(xiàn)的，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。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、周期沿長度方向發(fā)生一定變化，則其頻率沿長度方向也會發(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。當光脈沖信號通過圖3.2.1總長度為L的啁啾光柵(周期由大到小)時，信號的長、短波長分量分別在光纖的頭、尾部反射，則短波分量比長波分量多走了2L的路程，從而補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。對于10Gb/s及其以上的系統(tǒng)，系統(tǒng)商開始選擇啁啾光纖光柵進行色散補償。其優(yōu)點是插入損耗很小，且損耗與補償距離無關(guān)，幾乎不受光纖非線性影響，對光信號的延遲非常低，模塊體積小且成本低。然而也存在一些急需克服的缺陷，如帶寬過窄、群

16、時延非線性、額外的介入損耗及需要解決制作過程的實用化，如制作過程的可重復(fù)性、封裝、溫度補償?shù)?。?】 圖3.2.1 啁啾光柵色散補償原理 3.3 GT標準具基于GT標準具技術(shù)的色散補償模塊，其核心元件GT標準具是由兩個平行反射鏡構(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標準具使光信號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。當該色散周期與信道間隔匹配時，該方案可同時補償所有DWDM信道的色散。采用單級GT標準具，色散補償范圍和工作帶寬有限。通過多個GT標準具級聯(lián)，參見圖3.3.1中的配置，結(jié)合標準具內(nèi)光學(xué)介質(zhì)的熱光效應(yīng)，通過加熱器改變溫度，

17、精確控制每個標準具群時延曲線的峰值波長位置，不僅實現(xiàn)大范圍的色散量調(diào)節(jié)，同時也拓寬了通道工作帶寬，可用于系統(tǒng)的可調(diào)色散補償?！?】 圖3.3.1 級聯(lián)型GT標準具3.4 技術(shù)方案對比表3.4.1對以上三種技術(shù)優(yōu)缺點進行了對比，通過觀察，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 色散補償技術(shù)方案對比3.5 高速光通信系統(tǒng)中的色散補償高速光通信系統(tǒng)中的色散管理復(fù)雜，不同類型的傳輸系統(tǒng)對色散補償有不同的要求，可參見表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)有的色散補償技術(shù)都無法全面滿足各類系統(tǒng)要求，實際應(yīng)用當中需要具體分析系統(tǒng)色散特點，采用多種色散補

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)用對色散補償要求對于超長距離傳輸應(yīng)用，由于啁啾光纖光柵和GT標準具存在著群時延抖動，當器件級聯(lián)后，會給系統(tǒng)帶來傳輸代價，此時首選色散補償光纖技術(shù)，由于色散補償光纖無法100%補償色散斜率，同時也要考慮在接收端進行通道間殘余色散補償。對于海底光纜傳輸系統(tǒng)，為了減少超長距離傳輸帶來的色散累積問題，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，參見圖3.5.1，中間信道的色散能夠得到完全補償，兩邊的信道殘余色散高達+/-4000ps/nm，參見圖3.5.2，在接收端只能采用啁啾光柵的技術(shù)方案進

19、行通道間殘余色散補償?！?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海纜進行殘余色散補償對于40Gb/s高速光通信系統(tǒng)，他們的色散補償具有精確性、及時性的特點。第一，由于系統(tǒng)色散容限與信號速率的平方成正比，40Gb/s系統(tǒng)的色散容限僅為50ps/nm左右。因此在系統(tǒng)當中，必須使用色散補償技術(shù)在接收端對每個信道信號的殘余色散進行精確補償，確保在接收機工作在色散容限范圍內(nèi)。第二，在實際應(yīng)用當中同時還要考慮到傳輸系統(tǒng)器件的老化、長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間改變，這就要求系統(tǒng)在接收端對色散補償后的信號進行殘余色散的檢測，需要采用基于啁啾光纖光柵或者GT標準具的可調(diào)色散補償模塊。4 總結(jié) 隨著光纖傳輸損耗問題的基本解決，光纖色散和非線性問題隨即成為發(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，脈沖加寬，即產(chǎn)生光纖色散。嚴重時，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)，因此對光通信系統(tǒng)進行