光纖通信系統(tǒng)中的色散問題及其補償研究

1、高速光纖通信的色散補償技術 2015學年第1學期考試科目 光纖通信原理 姓 名 年 級 2014級 專 業(yè) 電子科學與技術 2015年 1月 15日高速光纖通信系統(tǒng)的色散補償問題#（ 重慶郵電大學 光電工程學院 重慶 400065）摘要：本文首先對色散進行了較全面的概述，提出并分析各項光纖參數(shù)對通信系統(tǒng)的影響。簡單的說明了色散補償?shù)脑恚榻B了當代的幾種光纖色散補償技術，進而將這些方法進行多方面的比較分析，展望色散補償研究前景。關鍵詞：光纖通信；色散補償；脈沖展寬；比較；Optical communication system of dispersion problems and compen

2、sation research#(The Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)Abstract:This paper first to dispersion is comprehensive overview of, put forward and analysis the optical fiber parameters on the influence of the communication system. A short description of the disp

3、ersion compensation principle, this paper introduces several kinds of contemporary optical fiber dispersion compensation technology, and a lot of these methods of comparative analysis, looking to the dispersion compensation research prospect.Key word:Optical Fiber Communication;Dispersion Compensati

4、on;Pulse Broadening;Compare;0 前 言近年來，隨著電信業(yè)務的發(fā)展和需求的不斷增長，需要傳輸系統(tǒng)提供更高的容量，目前普遍采用波分復用技或提高傳輸速率來增加系統(tǒng)的容量。我們知道，影響光纖通信系統(tǒng)的兩個主要問題是光纖的衰減和色散。隨著摻鉺光纖放大器（EDFA）的實用化，光纖損耗不再是限制系統(tǒng)性能提高的主要因素。在放大器實現(xiàn)對光纖的衰減補償之后，色散成為限制密集波分復用（DWDM）和10G.652和G.655單模光纖中存在色散斜率，使得傳輸同樣距離的不同波長信號光具有不同的色散量；這些最終導致通信質(zhì)量劣化，嚴重時會使系統(tǒng)無法正常工作。因此需對通信鏈路實行色散補償，以使各波長

5、信號的色散量限制在系統(tǒng)容限內(nèi)。因此人們提出了色散補償光纖法、啁啾光柵法、預啁啾技術、色散支持傳輸法和頻譜反轉(zhuǎn)法等色散補償方案。1色散的基本概念1.1 光纖色散的種類（1）模式色散：在多模光纖中存在許多傳輸模式，即使在同一波長，不同模式沿光纖軸向的傳輸速度也不同，到達接受端所用的時間不同，而產(chǎn)生了模式色散。（2）材料色散：由于光纖材料的折射率是波長的非線性函數(shù)，從而使光的傳輸速度隨波長的變化而變化，由此而引起的色散稱做材料色散。材料色散主要是有光源的光譜寬度所引起。由于光纖通信中使用的光源不是單色光，具有一定的頻譜寬度，這樣不同波長的光波傳輸速度不同，從而產(chǎn)生時延差，引起脈沖展寬。材料色散引起的

6、脈沖展寬與光源的光譜線寬和材料色散系數(shù)成正比，所以在系統(tǒng)使用時盡可能選擇光譜線寬窄的光源。石英光纖材料的零色散系數(shù)波長在1270nm附近。（3）波導色散: 同一模式的相位常數(shù)隨波長而變化，即群速度隨波長而變化，由此而引起的色散稱為波導色散。波導色散主要是由光源的光譜寬度和光纖的幾何結(jié)構(gòu)所引起的。一般波導色散比材料色散小。普通石英光纖在波長1310nm附近波導色散與材料色散可以相互抵消，使二者總的色散為零。因而，普通石英光纖在這一波段是一個低色散區(qū)。在多模式光纖中以上三種色散均存在。對于多模階躍光纖，模式色散占主要地位，其次是材料色散，波導色散比較小，可以忽略不計。對于多模漸變光纖，模式色散較小

7、，波導色散同樣可以忽略不計。對于單模光纖，上述三種色散中只有材料色散和波導色散存在。(4)偏振模色散:偏振模色散是由于實際的光纖總是存在一定的不完善性，使得沿著不同方向偏振的同一模式的相位常數(shù)不同，從而導致這兩個模式傳輸不同步，形成色散。偏振模色散通常較小，在速率不高的光纖通信系統(tǒng)中可以忽略不計。對于工作在零色散波長的單模光纖，偏振模色散將成為最后的極限。光纖色散對通信系統(tǒng)的性能影響主要表現(xiàn)在對傳輸中繼距離和傳輸速率的限制。1.2色散對光通信系統(tǒng)的影響光纖的色散現(xiàn)象對光纖通信極為不利，它使得兩個相鄰的脈沖發(fā)生串擾，產(chǎn)生判決錯誤5。色散對脈沖的這種影響可以從眼圖中看出來：從發(fā)送端發(fā)送出來的初始脈

8、沖比較規(guī)整，眼張開度大，經(jīng)過一定長度有色散的光纖傳輸后，眼圖會呈現(xiàn)出色散的圖樣，眼張開度變小，脈沖形狀變壞，在誤碼測試儀上表現(xiàn)為誤碼率變大。對于當單光纖來說，由光源發(fā)射進入光纖的光脈沖包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳輸，因而在傳輸?shù)倪^程中會出現(xiàn)脈沖展寬，這種現(xiàn)象就是群速度色散，或簡言之色散。色散的主要來源有材料色散和波導色散。材料色散是纖芯材料的折射率隨波長變化引起的，而波導色散是因模式的傳播常數(shù)隨/（前者為光纖芯徑，后者為光波長）變化而產(chǎn)生的，這是單模光纖色散的主要原因3。色散對系統(tǒng)性能的影響還表現(xiàn)在和光纖中非線性效應的相互作用。一方面色散加劇自相位調(diào)制（SPM）

9、等非線性效應所產(chǎn)生的脈沖形狀畸變，使其放大展寬；另一方面色散在波分復用系統(tǒng)中也可以抑制交叉相位調(diào)制(XPM)、四波混頻（FWM）等非線性效應。關于色散和非線性效應間的相互作用，在系統(tǒng)設計時要予以綜合考慮，整體把握，以實現(xiàn)更好的傳輸性能。色散對系統(tǒng)傳輸距離的限制 （1.1）式中：L-色散受限距離（km）-當光源為多縱模激光器時取 0.115; 單縱模激光器時取 0.306B-傳輸速率（Mb/s）D-光纖色散系數(shù)（ps/nm·km）-光源的均方根譜寬（nm）由此可見，光系統(tǒng)傳輸距離由光纖本身的色散，系統(tǒng)傳輸速率以及光源的性能所決定的。在傳輸系統(tǒng)設計時，不考慮光源的因素，傳輸距離與傳輸速率

10、和光纖色散的關系是： （1.2）因此要想保證通信質(zhì)量必須加大碼間距，這就不得不付出降低碼速率、減少通信容量的代價。另外色散隨著傳輸距離的增加將越來越嚴重，也必須減小中繼距離以保證通信質(zhì)量。經(jīng)推導，光纖通信系統(tǒng)不受色散限制的臨界傳輸速率 (根據(jù)光纖的質(zhì)量在0.51.0之間取值)，最大中繼距離為 (這里為光纖色散的均方根脈沖展寬)。所以，采取適當?shù)纳⒀a償，減少甚至抵消、D的影響，就可以使得、得以改善。1.2.2色散對系統(tǒng)比特速率的限制（1）光源譜寬較寬在光源譜寬較寬的系統(tǒng)中，V>>1，又考慮系統(tǒng)遠離色散波長，因此3項可以不考慮。假如我們進一步忽略頻率啁啾（C=0）式1.3表示的色散引

11、起脈沖展寬的系數(shù)可進一步簡化為 (1.3)式中的是用波長單位表示的光源均方根譜寬，是光纖的色散系數(shù)。輸出寬度為，式中的是色散引入的脈沖展寬。受限的比特速率應滿足，此時至少95%的高斯脈沖能量在比特時隙內(nèi)。對于窄脈沖，此時，色散對比特速率的限制應滿足。 對于工作在零色散波長的光纖系統(tǒng) (1.4)這里的3已用色散斜率S代替。于是輸出脈沖展寬為 (1.5 )式中。當時，色散對零色散波長光纖系統(tǒng)比特速率的限制是 (1.6)（2）光源譜寬較窄在光源譜較窄的系統(tǒng)中V<<1，因為光源譜寬比更小，假如我們忽略項，并置C=0，此時有 (1.7)當時，最小，其值為。使用就可以得到受限的比特率 (1.8

12、)對于工作在光纖零色散系統(tǒng)，當，并使用V<<1和C<<1，此時脈沖展寬為 (1.9)當時，最小，其值為 (1.10)使用就可以得到受限的比特率 (1.11)此時色散的影響最小，對于典型值時，比特速率可達150Gb/s。因此使光纖工作在接近零色散波長，并使用窄線寬的光源，就可以使系統(tǒng)的性能的到提高。2色散補償原理目前光傳輸系統(tǒng)中的色散補償，可行的色散補償方法可以分為兩大類，其一是基于光纖的色散補償技術，如采用色散補償光纖(DCF)、反常色散光纖(RDF)等；其二采用色散補償模塊(DCM)對通道色散及色散斜率進行補償，如基于啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)、鏡像相位陣列(VI

13、PA)、平面波導的各類色散補償器等。對與已敷設的系統(tǒng)，一種簡單直接的色散補償方案是在線路放大器中插入無源的固定色散補償模塊(DCM)，這對于目前的10Gb/s傳輸是可行的。下面我們具體來介紹幾種主要的色散補償技術。2.1 色散補償光纖（DCF）在現(xiàn)代光纖通信中，采用色散補償光纖 DCF 進行補償是一種比較理想的色散補償技術，其發(fā)展較為成熟，且補償帶寬比較寬。DCF 是一種無源器件，可置于光纖傳輸鏈路的任意位置進行色散補償，兼容性好，且安裝方便，能實現(xiàn)寬帶色散補償。對現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡進行升級和擴容，采用色散補償光纖進行色散補償是目前比較理想的一種補償技術。DCF 補償技術的補償原理如圖 2.1

14、 所示。圖2.1周期性光纖色散補償示意圖DCF 優(yōu)點是補償帶寬比較大，且安裝靈活方便，因此一直是人們研究的熱點，為了獲得更大的負色散系數(shù)，減小模場直徑，控制好波導色散?，F(xiàn)在商用的 DCF 的負色散系數(shù)已經(jīng)達到-170ps/(nm·km)，用來補償 G.652 光纖，實現(xiàn)對現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡升級和擴容是一種比較理想的選擇。在長距離光纖傳輸系統(tǒng)中，采用 DCF 進行色散補償，通常每個光纖跨段的配置是由一段傳輸光纖后加光放大器，然后再接色散補償光纖，補償光纖的后面再接一光放大器，用來補償 DCF 的插入損耗。通過周期性的配置來實現(xiàn)色散補償，即實現(xiàn)整個光纖傳輸鏈路的色散為一比較小的值或者為零。

15、在光纖傳輸系統(tǒng)中，我們雖然進行了色散補償，但由于溫度的變化，光纖的老化以及其他的原因，光纖的色散不是一個固定的值，而是在不斷變化的，這就需要能進行自適應補償?shù)哪K或者可管理的色散補償模塊。光纖通信要求的不斷提高，也推進了 DCF技術的不斷發(fā)展。例如，在ECOC上，Civcom公司展示的可管理色散補償模塊（M-DCM），該模塊主要用來替換城域網(wǎng)中的 DCM 色散補償模塊，這種模塊的優(yōu)點在于它三倍可調(diào)，可以進行多通道的遠程管理，能夠?qū)崿F(xiàn)-1 7001 700 ps/nm 范圍內(nèi)的色散補償。2.2啁啾光纖光柵采用啁啾光纖光柵7進行色散補償，主要的優(yōu)點是插入損耗小，非線性作用能力比較弱，色散補償系數(shù)比

16、較大，可大大節(jié)約傳輸鏈路的補償模塊數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)成本。啁啾光纖光柵的補償原理如圖 2.2所示。在啁啾光纖光柵中，不同頻率的入射光在光柵的不同位置上進行反射，因此產(chǎn)生不同的時延，頻率比較大的分量在光柵的近端反射，頻率比較小的分量在光柵的尾端反射，光纖中傳輸時造成的時延和光柵所引入的時延剛好相反，兩者相互抵消，使展寬的脈沖得到壓縮，脈沖寬度得到恢復。圖2.2啁啾光纖光柵色散補償原理圖光信號在光纖中傳輸，由于色散的作用，經(jīng)過一定距離后，光脈沖就會展寬，導致前后碼元之間的相互干擾，影響通信質(zhì)量，降低系統(tǒng)的性能。采用啁啾光纖光柵進行色散補償，能夠很好的補償整個光纖傳輸鏈路的色散，同時不引入額外的插入損耗

17、。在后置補償方案中，啁啾光纖光柵能很好地抑制光放大器的自發(fā)輻射噪聲，提高通信系統(tǒng)的性能。啁啾光纖光柵對 G.652 光纖具有很好的兼容性，能實現(xiàn)光纖色散和色散斜率的同時補償。同時它的色散補償量大，所用的色散補償模塊比較少，因而成本相對比較低。另外，非線性作用弱，體積小，使用方便也是它備受關注的主要原因。因此，采用啁啾光纖光柵實現(xiàn)現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)的升級和擴容是比較理想的色散補償方案之一。2.3激光預啁啾技術常規(guī)單模光纖傳輸，由于構(gòu)成光信號的電磁波各分量在光纖中具有不同的傳輸速度，致使脈沖展寬。如果初始脈沖帶有啁啾，并且與光纖色散所引起的啁啾反號時，脈沖的凈啁啾減小，結(jié)果導致脈沖壓窄。當二者啁啾相

18、等時，脈沖寬度最窄。激光預啁啾技術，就是在激光器產(chǎn)生的光脈沖信號之前，利用外調(diào)制器使光脈沖信號發(fā)生有規(guī)律的啁啾，然后再發(fā)送信號的一種技術。通過外調(diào)制器使光脈沖成為被壓縮的負啁啾脈沖，該脈沖在光纖傳輸過程中，受光纖色散的影響，使原來被壓縮的光脈沖在接收之前得到還原，從而擴大了系統(tǒng)的色散容限，延長了系統(tǒng)的傳輸距離。這種技術的色散補償量有限，只在脈沖傳輸?shù)某跏茧A段起到一定的輔助作用，在長距離傳輸信號放大后則不起作用?？梢姶朔椒ǖ纳⒀a償能力不高，難于升級，不利于系統(tǒng)擴容發(fā)展。2.4色散支持傳輸法色散支持傳輸法需利用激光器的調(diào)頻特性，在光纖傳輸系統(tǒng)中先對激光器進行直接(內(nèi))調(diào)制，由于不同頻率的信號在光

19、纖中的傳播速率不同，在接收端產(chǎn)生信號交疊，對于純粹的移頻鍵控(FSK)來說，光功率在兩種頻率的光強重合處為最高峰，在兩頻率的光強錯開之處為低谷?？刂祁l率調(diào)制的大小使得不同波長的光經(jīng)過L距離后所產(chǎn)生的時延差 (B為傳輸速率)，于是調(diào)頻信號就變成了調(diào)幅信號，通過低通濾波器進行判決即可;對于有殘余幅度調(diào)制的FSK來說，在接收端產(chǎn)生四數(shù)值光功率，可在判決電路之后利用低通濾波器或一個兩門限判決器，從而得到回復的初始信號。此方法結(jié)構(gòu)簡單，技術成熟，且不必使用外調(diào)制器，造價低，但是必須使用FM性能較好的激光器，且在接收時必須根據(jù)激光器的光纖傳遞函數(shù)，合理地設計濾波器等，以克服由于啁啾和寄生調(diào)幅所造成的影響。

20、2.5頻譜反轉(zhuǎn)法中途譜反轉(zhuǎn)法（MSSI，Mid-span Spectral Inversion）又稱為光相位共軛法（OPC），是利用半導體光放大器或光纖中的相位共軛過程實現(xiàn)頻譜反轉(zhuǎn)，即在傳輸鏈路的中點將信號頻譜或波長共軛反轉(zhuǎn), 從而使第一段光纖中產(chǎn)生的色散積累由波長反轉(zhuǎn)后的第二段光纖中符號相反的色散抵消，實現(xiàn)色散補償。頻譜反轉(zhuǎn)方法的流程如圖2.3。圖2.3 頻譜反轉(zhuǎn)法流程在單模光纖中繼段的中間插入一段色散位移光纖作為非線性器件，當光信號通過時會產(chǎn)生相位共軛波，即頻譜倒置信號。此相位共軛波與原信號具有時間反演的性質(zhì)。原信號因色散作用使波形展寬，而相位共軛波則因色散影響而被壓縮，從而使失真的信號重

21、新恢復。其中關鍵的技術是中間頻譜反轉(zhuǎn)單元需較準確地設置在總色散值一半的地方，還要控制偏振波動，以免影響相位共軛波的時間反轉(zhuǎn)特性。在非線性介質(zhì)中，當輸入功率為1、2和3光（波矢分別為K1、K2和K3）足夠強時，發(fā)生三階非線性極化。當滿足相位匹配條件時，就會產(chǎn)生四波混頻并輸出頻率為、波矢為K的光，其中i，j，k=1，2，3，jk。在信號光（頻率為s）傳輸一段距離后，加入光功率足夠強的泵浦光（頻率為p），且使其滿足相位匹配條件，則產(chǎn)生四波混頻效應，這樣輸出光中有頻率為的成分，它使得s的高頻分量轉(zhuǎn)換成為的低頻分量，而s的低頻分量轉(zhuǎn)換成為的高頻分量。在繼續(xù)傳播過程中，原相位超前的光頻率相位便逐漸落后，原

22、相位落后的光頻率相位便逐漸超前，從而減小直至抵消原來的色散。圖中，圈中所示的是信號的頻譜在傳輸過程中的演變，S為輸入信號，P為泵浦信號，為頻率，C為譜反轉(zhuǎn)之后信號的復制品。頻譜反轉(zhuǎn)色散補償?shù)姆椒蓪崿F(xiàn)大容量長距離的色散補償，且損耗較小。用半導體器件可實現(xiàn)相位匹配四波混頻，它與其他光器件集成還可用丁。全光網(wǎng)，但對所用的人功率泵浦光波提出一定要求，這些相關技術有待進一步研究。2.7光電色散補償技術對當前的通信網(wǎng)絡來說，要實現(xiàn)全光網(wǎng)的目標，還面臨著很大的困難：一是在光域?qū)崿F(xiàn)時鐘的提取非常困難；二是全光網(wǎng)上的信息管理與維護很難在光域中實現(xiàn)。盡管目前 MEMS（微電子機件開關）能夠?qū)崿F(xiàn)全光交叉連接，但有

23、許多技術上的問題需要妥善解決，以 MEMS 技術為基礎的全光網(wǎng)的真正實用化還有很長的路要走。對當前的光纖通信網(wǎng)絡，光器件的補償能夠滿足高速光纖網(wǎng)絡發(fā)展的要求，價格相對比較昂貴，同時很難實現(xiàn)信道的自適應補償，而電色散補償技術卻能彌補這一不足，實現(xiàn)信道的自適應補償，有效的減小碼間干擾，提高系統(tǒng)的性能。同時，電補償器件的成本比較低，尤其是大規(guī)模集成電路的使用，更利于電補償器件的小型化，方便在接收端進行使用。近年來，電色散補償技術取得了非常大的進步，無論對短距離還是長距離來說，都是一種非常有效的補償技術，尤其是對系統(tǒng)升級和擴容時，它和光域色散補償技術結(jié)合，能夠很好的減小光纖中的非線性作用，提高通信系統(tǒng)

24、的質(zhì)量。2.7.1 電域均衡器在光纖通信中，我們常用時域均衡器。時域均衡器主要有線性均衡器和非線性均衡器。在光電色散補償方案中，為了實現(xiàn)光纖信道的自適應均衡，采用前饋均衡器（FFE）和判決反饋均衡器（DFE）相組合的結(jié)構(gòu)。這種組合的均衡器能對復雜的信號進行均衡，有效地消除碼間干擾。FFE 主要消除主能量點以前的失真，而 DFE 能有效的消除主能量點后面的碼間干擾。與其他均衡器相比，它對信號的均衡效果最好。3色散補償技術的比較（1）若采用色散補償光纖，對于區(qū)域網(wǎng)來說，負色散光纖方法效果較好，實施藝業(yè)不難。但對于城域網(wǎng)來說情況就有所不同。首先必須使兩個節(jié)點之間的總色散為零。即使用一段標準單模光纖另

25、外加一段負色散光纖，負色散光纖比標準單模光纖有更人的損耗，而且由于芯徑不同，兩種光纖在連接處有較大的損耗。由于在全光網(wǎng)絡中必須進行功率控制以平衡整個網(wǎng)絡的功率，因此，負色散光纖的加入會給功率控制造成困難，對光通信質(zhì)量帶來嚴重的劣化影響。（2）預啁啾技術對于局域網(wǎng)來說非常有效，但是對于城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)來說它的補償距離不能滿足要求。（3）對于本地網(wǎng)來說，由于節(jié)點之間只有兒千米或更短的距離，如果網(wǎng)絡本身不是太復雜，即使傳輸速率是10Gbit/s，也可以不必使用色散補償。如果網(wǎng)絡較為復雜使用負色散光纖就不是一種好辦法，應當使用其他的色散補償方法。相比之下，實現(xiàn)頻率反轉(zhuǎn)及預啁啾等技術在目前都具有一定的難度

26、，對光源要求苛刻，實施工藝復雜，不易實現(xiàn)。在實施過程中不僅工程造價高，而且色散補償效果也不適于靈活多變得全光網(wǎng)絡，且引入的噪聲降低了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。（4）啁啾光纖光柵被業(yè)內(nèi)人士認為是目前最為實用的一種色散補償方式。它具有帶寬寬、插入損耗和高補償率等特點。由于體積小，可以很容易地安裝于現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)中，可以很方便地進行全光通信的一維集成。技術穩(wěn)定性好，產(chǎn)品可靠性高。由于預啁啾光纖光柵是反射器件，在系統(tǒng)中使用時，需配以環(huán)形器方可實施。這種方案會引入附加損耗和增加了工程造價，但目前環(huán)形器的制造技術已比較成熟，這種無源器件的性能指標如插入損耗等亦比較理想，引入系統(tǒng)中不會對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生大的影響。與前兒種

27、方案相比，實施工藝簡單，造價亦不高，且可根據(jù)傳輸距離或所需補償量來設計、選擇器件。這種方案靈活方便，補償效果好，可控制性也好。如果所設計和加工的光纖光柵的周期是均勻的增加或者說是線性很好的啁啾光纖光柵，并僅以頻寬2nm的半導體激光器發(fā)出的飛100ps的脈沖為標準，那么在理論上可以得出這樣的結(jié)論：啁啾光纖光柵可以使得系統(tǒng)在全光通信條件下傳輸距離擴人3個以上數(shù)舉級。用光纖光柵補償色散的作用就如同用光放人器補償損耗。因此啁啾光纖光柵的研制和應用對實現(xiàn)高速率、大容量、長距離的全光通信有重要意義。4展望高速光纖通信系統(tǒng)及技術的不斷發(fā)展，要求色散補償技術向著高補償效率、結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、使用方便、易于升級和擴容、器件小型化、降低成本等方向發(fā)展。目前，光纖光柵色散補償技術已經(jīng)取得了很大的進步，但是它的理論和實驗研究上仍處探索、發(fā)