光纖通信中的色散補償實驗仿真

1、光纖通信中的色散補償實驗仿真摘 要：本文介紹了，光纖通信中色散補償?shù)母拍?、分類、影響及補償方法，同時利用Optisystem軟件仿真模擬了色散補償光纖、FBG補償、啁啾光纖光柵等色散補償方案。關(guān)鍵詞：光纖通信 色散補償 Optisystem仿真The Dispersion Compensation In Optical Fiber CommunicationYanlong Yuan(Beijing Institute of Technology, School of Opto-electronics, Electronic Science and Technology)Abstract: Th

2、is paper introduces, the concept, classification and the influence and the compensation methodsoptical of dispersion compensation in fiber communication, and use Optisystem software simulation the dispersion compensation fiber, FBG compensation, chirp optical fiber grating, the dispersion compensati

3、on scheme.Keywords: optical fiber communication dispersion compensation Optisystem simulation1.概述目前，光纖線性通信已不能滿足現(xiàn)在信息處理傳輸?shù)囊?，因為它存在著三個主要的缺陷：其一是光纖的色散，其二是光纖損耗,其三是非線性。低損耗光纖和摻鉺光纖放大器的廣泛應(yīng)用解決了高速光纖通信系統(tǒng)的傳輸損耗問題。光纖的色散又能有效抑制四波混頻等非線性效應(yīng)，因此，色散問題已成為光纖通信系統(tǒng)進行升級擴容的主要障礙。受色散的影響，傳輸速率為10Gbits、光脈沖寬度為50ps的系統(tǒng)只能傳輸40 km。傳輸速率為80Gb

4、its時，傳輸距離不足2 km。為了兼顧色散和非線性兩種要素，人們提出了一種折衷方案，即將光纖的零色散點偏離155 u m窗口使之在155 u m波長處的色散不為零，約有26 pskmnm的色散，這就是G655光纖。當(dāng)光纖傳輸?shù)乃俾瘦^低、距離較短時，采用G、655光纖進行傳輸?shù)霓k法是可行的。但是，G655光纖并沒有解決色散問題，高速、長距離傳輸中仍然需要色散補償。并且由于其低色散，光纖的非線性效應(yīng)使通道間距為50GHz的波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)很難實現(xiàn)。而G652光纖在155 u m窗口處的大色散可以有效的抑制非線性，通過色散補償，實現(xiàn)通道間距為50GHz的WDM 系統(tǒng)的傳輸毫無問題。迄今為止，

5、全世界鋪設(shè)的光纖干線長達2億公里以上，其中的80為G652光纖。我國的八縱八橫主要干線鋪設(shè)的基本也都是G652光纖。隨著全球信息業(yè)務(wù)量的迅猛增加，通信網(wǎng)絡(luò)必然要進一步向高速大容量方向發(fā)展，開發(fā)已有光通信系統(tǒng)的潛力，在G652光纖上開通高速系統(tǒng)，關(guān)鍵問題是色散補償。近年來，光纖通信正以日新月異的速度發(fā)展，高速率，WDM 系統(tǒng)及EDFA 已經(jīng)商用，實驗室中的WDM 光纖通信速率已經(jīng)達到了1000Gbit/s。在采用級連EDFA的高速率和WDM 系統(tǒng)中由于EDFA 的出現(xiàn)，基本上解決了光纖損耗的問題，光纖的色散成為系統(tǒng)的重要限制因素。2.色散及其分類2.1 色散及其表示由于光纖中所傳信號的不同頻率成

6、分，或信號能量的各種模式成分，在傳輸過程中，因群速度不同互相散開，引起傳輸信號波形失真，脈沖展寬的物理現(xiàn)象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘柮}沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。色散簡而言之就是不同頻率的光在傳輸媒質(zhì)中具有不同的群速度。從機理上說，光纖色散分為材料色散， 波導(dǎo)色散和模式色散。前兩種色散由于信號不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號不是單一模式所引起。（1） 模間色散：多模光纖中由于各個導(dǎo)模之間群速度不同造成模間色散。在發(fā)送機多個導(dǎo)模同時激勵時，各個導(dǎo)模具有不同的群速，到達接收端的時刻不同。（2） 波導(dǎo)色散：這是某個導(dǎo)模在不同波長（光源有一定的譜寬）下的群速度不同引起的

7、色散，它與光纖結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)，又稱為結(jié)構(gòu)色散。（3） 材料色散：這是由于光纖材料的折射率隨光頻率呈非線性變化，而光源有一定譜寬，于是不同的波長引起不同的群速度。（4） 偏振模色散：普通單模光纖實際上傳輸兩個相互正交的模式，實際在單模光纖存在各種少量隨機的不確定性，不對稱性，造成了兩個偏振模的群時延不同，導(dǎo)致偏振模色散。當(dāng)一束電磁波與電介質(zhì)的束縛電子相互作用的時候，介質(zhì)的響應(yīng)通常與光波的頻率有關(guān)，這種特性稱為色散，它表明折射率n() 對頻率的依附關(guān)系。光纖的色散效應(yīng)可以用波矢k或傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系來表示，即() 。在中心頻率0處將()展開得到：式中，0=n0c,表示介質(zhì)在中心頻率0處的傳播

8、常數(shù)；1=1cn+dnd，等于群速度的倒數(shù):2=1c2dnd+d2nd2表示群速度色散，和脈沖的展寬有關(guān);3為三階色散參量。2.2 由二階色散效應(yīng)引起的脈沖展寬當(dāng)不考慮高階色散效應(yīng)時，光脈沖在單模光纖內(nèi)傳輸?shù)腘LS方程可表示為：式中，A為脈沖包絡(luò)的慢變振幅，T 是隨脈沖以群速度g v 移動的參考系中的時間度量。引入一個對初始脈寬T0 歸一化的時間量=TT0。同樣，引入歸一化振幅U，Az,=P0Uz,。當(dāng)L L NL ，而LL D 時，忽略吸收效應(yīng)和非線性效應(yīng)，在脈沖的演變過程中，GVD起主要作用。利用分步傅里葉方法，當(dāng)輸入為高斯脈沖時，可以得到圖1：圖1 光纖內(nèi)由色散所致的高斯脈沖展寬點線表示

9、z =0時，U(z,T ) 2的圖形，實線表示z = 2LD 時，U (z,T ) 2的圖形，點劃線表示z = 4LD時，U (z,T)2的圖形。從上圖可以看出，隨著z 的增加，高斯脈沖在逐漸展寬，其振幅在逐漸減小。另外，脈沖的形狀保持不變。3.色散補償技術(shù)對于新敷設(shè)的高速和 WDM 光纖線路，可以采用非零色散位移光纖。這種光纖在1.55 微米處有非零，但很小的色散，既可以是正色散，也可以是負色散，若采用色散管理技術(shù)，可以在很長的距離上消除色散的積累，同時，對WDM 系統(tǒng)的四波混頻效率較低，有利于抑制非線性效應(yīng)的影響。具體的色散補償方法有以下幾種：3.1色散補償光纖（DCF）色散補償光纖（DC

10、F）開發(fā)于20 世紀90 年代中期，它在實現(xiàn)色散補償任務(wù)中扮演了十分重要的角色。目前，國內(nèi)99% 以上1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線仍然使用G.652 標(biāo)準(zhǔn)光纖，因此在每個（或幾個）光纖段的輸入或輸出端可以通過放置DCF色散補償模塊（DCM），周期性地使光纖鏈路上累積的色散接近零，使單信道1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線傳輸光纖的色散得到較好的補償。但是，一般的1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長距離傳輸系統(tǒng)中所使用光發(fā)射機的光波長范圍較大，可達20nm。此外，隨著在1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長距離傳輸系統(tǒng)中CWDM 或DWDM 技術(shù)的引入，必須考慮光纖對不同波長信道的色

11、散斜度問題。其基本原理是通過對光纖的芯徑及折射率分布的設(shè)計，利用光纖的波導(dǎo)色散效應(yīng)，使其零色散波長大于1.55 微米，即在1.55 微米波長處產(chǎn)生較大的負色散，這樣當(dāng)常規(guī)光纖和色散補償光纖級聯(lián)使用時，兩者將會互相抵消。若用Ds和Dc分別表示常規(guī)光纖和色散補償光纖在1處的色散系數(shù)，Ls和Lc分別表示常規(guī)光纖和色散補償光纖的傳輸距離，則當(dāng)滿足時，群時延色散被補償，當(dāng)滿足時，二階色散被補償。式中Ds1和Dc1是Ds和Dc的微商。以G.652 光纖1550 nm 窗口為例， 光纖的色散明顯地隨波長而變化，在1530nm 處色散系數(shù)約為15.5ps/nm.km，在1565nm 處約為17.6ps/nm.

12、km，色散斜率（定義為色散系數(shù)對波長的微分）約為0.06ps/nm.km。假設(shè)寬帶色散補償器件對所有Cband 信號的色散補償量是一樣的，則經(jīng)多個光纖段傳輸后，紅端信號光（1565nm）所積累的色散將明顯大于比藍端（1530nm），因此，無論對于一般的1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長距離傳輸系統(tǒng)或CWDM/DWDM1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長距離傳輸系統(tǒng)，都必需考慮采用斜率補償型色散補償光纖組件，用于補償光纖的色散斜率，將總色散控制在色散容限窗口內(nèi)，使1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長距離傳輸系統(tǒng)中色散斜率問題得到較好的解決。斜率補償型DCF 的優(yōu)點是帶寬不受限制，產(chǎn)品供應(yīng)

13、商多，穩(wěn)定性高。目前，斜率補償DCF 模塊已獲廣泛應(yīng)用，在全球范圍內(nèi)，它是1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長距離傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)色散補償?shù)氖走x方案。它的缺點是非線性效應(yīng)較明顯，輸入光功率不能過高，插入損耗較大。此外，DCF 制成的DCM 色散量不可調(diào)，而且不同類型的光纖需要不同類型的DCF。圖2 用負色散的色散補償光纖對正色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的色散進行補償3.2 啁啾光纖光柵(CFBG)色散補償采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，幾乎可以在各種光纖上不同程度地寫入光柵。光纖光柵就是光敏光纖在選定波長光照射后形成的折射率呈固定周期性分布的一種無源光器件。光纖光柵進行色散補償?shù)氖疽鈭D如圖5所示。光波經(jīng)過光柵

14、后起到色散均衡的作用，從而實現(xiàn)色散補償。其基本原理是：啁啾光纖光柵中，諧振波是位置的函數(shù)，因此不同波長的入射光在啁啾光纖光柵的不同位置上反射并具有不同的時延，短波長分量經(jīng)受的時延長，長波長分量經(jīng)受的時延短，光柵所引入的時延與光纖中傳輸時造成的時延正好相反，二者引入的時延差相互抵消，使脈沖寬度得以恢復(fù)。圖6為光纖光柵的反射譜和時延曲線。可以看到帶寬范圍內(nèi)的時延曲線基本為一條直線，其斜率就是該光纖光柵所能補償?shù)纳⒘?。圖3啁啾光纖光柵色散補償原理圖4 用光環(huán)形器將啁啾光柵的反射信號分離出來啁啾光纖光柵與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)兼容性好，具有較低的傳輸損耗和插入損耗，色散補償量大，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖色散和色散斜率的同

15、時補償，折射率調(diào)制可以根據(jù)需要來通過不同的曝光過程加以控制，且價格低廉，易于大批量生產(chǎn)。因此，啁啾光纖光柵色散補償器已被公認為具有很好應(yīng)用前景的色散解決方案。目前，光柵的溫度漂移、時延紋波、光功率波動和包層模附加損耗大等，是實現(xiàn)光纖光柵色散補償實用化系統(tǒng)必須解決的幾個主要問題。OFC2003上，有多篇文章談到了光纖光柵色散補償補償器的研究，對以上幾個問題都已經(jīng)提出了多種行之有效的解決方法。3.3色散支持傳輸法這是一種新的傳輸方式，它也利用激光器的調(diào)頻特性，采用頻移鍵控的調(diào)制方式，先對激光器進行頻率調(diào)制，當(dāng)注入電流按二進制NRZ 碼變化時，電流的變化引起光功率 光頻率的變化。不同頻率的信號在光纖

16、中的傳播速率不同，在接收端信號產(chǎn)生重疊，控制頻率調(diào)制深度使Dt =1/B，t是延遲的時間，B 是傳輸?shù)乃俾剩谑?，調(diào)頻信號變成了調(diào)幅信號，在接收端采用積分器或低通濾波器和一個判決電路，即可恢復(fù)出原始信號。3.4頻譜反轉(zhuǎn)法頻譜反轉(zhuǎn)法也稱相位共扼法，它利用光纖中的非線性效應(yīng)實現(xiàn)頻譜反轉(zhuǎn)之后進行二次傳輸，從而和第一段光纖的色散相抵消，利用此法不僅可以抵消色散，還可以補償造成的脈沖形狀失真的其他因素，如自相位調(diào)制等。此法的優(yōu)點是可以實現(xiàn)大容量長距離的色散補償，且損耗較小；缺點是設(shè)備比較復(fù)雜，且對激光器頻率的單一性要求比較高。4.實驗仿真4.1.Compensation of dispersion id

17、eal dispersion compensation(理想色散補償元件的色散補償)如圖5所示，利用OptiSystem設(shè)計這樣的布局對其色散補償進行仿真和分析。對初始時的脈沖波形，以及經(jīng)過10km非線性色散光纖或的脈沖波形，以及最后經(jīng)過FBG色散補償器后的脈沖波形進行檢測和分析，從而設(shè)計和改善系統(tǒng)中的色散補償性能。圖5 理想色散補償元件的色散補償布局圖而該布局中的關(guān)鍵元件：FBG色散補償器的屬性設(shè)定可參見下圖6： 圖6 FBG色散補償器的屬性設(shè)定圖各元件的參數(shù)設(shè)定好后，運行模擬，然后我們可得到以下一系列結(jié)果。在40Gb/s碼率和0.5 Time Bit Slot的系統(tǒng)中，由Optical G

18、aussian Pulse Generator產(chǎn)生的初始脈沖寬度約為35ps。（見圖7） 產(chǎn)生的光信號入纖傳輸，經(jīng)過了10km的單模光纖后其脈沖寬度由于色散展寬約為160ps。（見圖8）其脈寬將近增寬了4倍于初始的寬度。為了對這個色散導(dǎo)致的脈沖失真進行復(fù)原和補償，這里使用了一個FBG色散補償元件來對脈沖波形進行復(fù)原。其中色散補償值可以調(diào)節(jié)，這里設(shè)為-160ps/nm。經(jīng)過模擬后，我們可在Optical Time Domain Visualizer中觀察經(jīng)補償元件后的脈沖波形（圖9）可以看到經(jīng)過補償后的脈沖寬度復(fù)原到初始狀態(tài)。 圖7 入纖前光脈沖的波形圖 圖8 經(jīng)過10km后的脈沖波形圖圖9 經(jīng)過色散補償器的光脈沖波形可見，模擬出的結(jié)果和我們經(jīng)計算預(yù)期的結(jié)果相當(dāng)一致，這也為我們對提供的色散補償元件的性能做了很好的性能測試和模擬。4.2 Compensation of dispersion OptiGrating(光柵色散補償)脈沖在單模光纖中傳輸時，由于光纖反常色散的影響，脈沖的前沿頻率藍移，厚顏頻率紅移。在啁啾光纖光柵中，紅移分量在光柵近端被反射，而藍移分量在遠端反射，因此利用啁啾光纖光柵可以進行色散補償。如圖10所示，用啁啾光纖光柵色散補償設(shè)計這樣的布局對其色散補償進行仿真和分析。對初始時的脈沖波形，以及經(jīng)過10km非線性色散光纖或的脈沖波形，以及最后經(jīng)過FBG色散補償器后