光纖色散及補(bǔ)償方法簡述

1、光纖色散及補(bǔ)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(bǔ)償 摘 要：本資料介紹了光纖的色散以及色散補(bǔ)償方法。縮略語清單：無。參考資料清單： 無。光纖色散及補(bǔ)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(shí)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(hào)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(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。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?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)不是單一模式所引起的。1.3 光纖色散表示法在光纖中，不同速度的信號(hào)傳過同樣的距離會(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)重。因而，常用時(shí)延差來表示色散程度。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

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(gè)波長間隔為1nm的兩個(gè)光波傳輸1 km長度光纖到達(dá)時(shí)間之差，單位為ps/nmkm。5. 色散與傳輸速率的關(guān)系群速色散對(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(hào)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)性能損傷可以由多種原因引起

5、，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(huì)導(dǎo)致所傳輸光脈沖的展寬。實(shí)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(jī)能對(duì)單根線譜形成的波形進(jìn)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(cuò)開，使結(jié)合的波形不同于單根線譜波形，仍會(huì)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(jī)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(shí)，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1550nm波長

6、附近，G.652光纖的色散典型值為17ps/nmkm。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(gè)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(duì)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(duì)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)單縱模激光器工作于直接調(diào)

7、制時(shí)，注入電流的變化會(huì)引起載流子密度的變化，進(jìn)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(shí)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(gè)恒定光源和一個(gè)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(shí)激勵(lì)電流電流的變化，從而減小了光源發(fā)出光波長的偏移，達(dá)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(shí)不僅要注意發(fā)光功率、中心波長

8、，同時(shí)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(diǎn)色散位移光纖),在1550nm波長附近，光纖色度色散系數(shù)4ps/nmKm左右。3. 色散補(bǔ)償技術(shù) (1)首先采用色散補(bǔ)償光纖（DCF）對(duì)傳輸線路的色散性能進(jìn)行補(bǔ)償是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)。 色散補(bǔ)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)典型值為-90ps/（nmKm），因而D

9、CF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(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。采用DCF來進(jìn)行色散補(bǔ)償是一種無源補(bǔ)償方法，十分簡單易行。如在DWDM系統(tǒng)中已采用的色散補(bǔ)償器可能就是由DCF等構(gòu)成。4. 色散補(bǔ)償器規(guī)格規(guī)格DCM-40DCM-60DCM-80色散1544.5nmps/nm-65810-98810-131715插入損耗1545nmdB56.88.6品質(zhì)因子1545nmps/nm/dB131145153平均偏振模式色散1500-1565ps1.11.41.5(2)還有其他類型的色散補(bǔ)償

10、器，如采用采用啁啾光柵做色散補(bǔ)償，其色散補(bǔ)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(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償，傳輸距離在100km120km，采用60km的補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償(PDC無源色散補(bǔ)償)L-64.2b-采用SPM 作色散補(bǔ)償(SPM-自相位調(diào)制)L-64.2c-采用預(yù)啁啾作色散補(bǔ)償V-64.2a-采用PDC作色散補(bǔ)償V-64.2

11、b-采用SPM和PDC作色散補(bǔ)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(shí)，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(hào)（10Gbit/s及以上）長距離傳輸?shù)闹饕蛩亓?。由于PMD的統(tǒng)計(jì)特性，以及PMD的不確定性，使得PMD的補(bǔ)償?shù)碾y度非常大。目前，尚未有PMD補(bǔ)償器件出售。1. 技術(shù)原理在理想的圓對(duì)稱纖芯的單模光纖中，兩個(gè)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(shí)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

12、均能造成兩個(gè)偏振模傳播常數(shù)的差異，從而產(chǎn)生群時(shí)延的不同，形成了偏振模色散。和的兩個(gè)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(jī)械外力的作用下也會(huì)產(chǎn)生附加雙折射。當(dāng)光纖截面的圓對(duì)稱性受到破壞，由雙折射形成的兩個(gè)不同傳播常數(shù)的正交偏振模之間會(huì)產(chǎn)生相互耦合，由于兩個(gè)偏振模的傳播常數(shù)相差很小，因而模式耦合很強(qiáng)。光纖的本征雙折射及其受到的外力在實(shí)際的光纖線路上都是隨機(jī)的，因而偏振模之間的耦合也是隨機(jī)的。從而產(chǎn)生的偏振模色散是一個(gè)隨機(jī)量，它無法象色度色散那樣容易補(bǔ)償。2. PMD對(duì)系統(tǒng)的影響雖然導(dǎo)致脈沖擴(kuò)展的機(jī)理不同，但是PMD與色度

13、色散對(duì)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(hào)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(jì)算距離的實(shí)例。表1 傳輸距離與PMD和數(shù)據(jù)速率PMD(ps/)2.5Gbit/s10Gbit/s40Gbit/s3180km11km1km11600km100km6km0.56400km400km25km0.1160000km10000km625km國內(nèi)早期鋪設(shè)的光纖大部分為G.652光纖，很多沒有經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，至少很少測(cè)試PMD參數(shù)。在大量鋪設(shè)的G.652光纖上使

14、用電10G，光纖必須經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，耗時(shí)較長。色散功率代價(jià)隨傳輸距離、比特率、光譜寬度和光纖色散系數(shù)這四個(gè)參數(shù)值的增加而迅速增加。為了防范由于色散功率代價(jià)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(jià)區(qū)。一般認(rèn)為1dB功率代價(jià)是最大可以容忍的數(shù)值，因而將1dB功率代價(jià)所對(duì)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(qiáng)較弱，此時(shí)光纖是線性媒質(zhì)，光纖的各項(xiàng)特性參數(shù)隨光場(chǎng)作線性變化。隨著DWDM技術(shù)和EDFA技術(shù)的不斷進(jìn)步，光纖中傳輸?shù)牟ㄩL數(shù)越來越多，進(jìn)入光纖的光功率不斷增大。在進(jìn)入光纖的光強(qiáng)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(qiáng)弱不僅僅與光強(qiáng)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(qiáng)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(huì)使非線性效應(yīng)的強(qiáng)弱不一樣，最終對(duì)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(diǎn)。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)（包括自