光纖通信中的色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)仿真參考模板

1、光纖通信中的色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)仿真摘 要：本文介紹了，光纖通信中色散補(bǔ)償?shù)母拍?、分類、影響及補(bǔ)償方法，同時(shí)利用Optisystem軟件仿真模擬了色散補(bǔ)償光纖、FBG補(bǔ)償、啁啾光纖光柵等色散補(bǔ)償方案。關(guān)鍵詞：光纖通信 色散補(bǔ)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螅驗(yàn)樗嬖谥齻€(gè)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(jìn)行升級(jí)擴(kuò)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(shí)，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(diǎn)偏離155 u m窗口使之在155 u m波長(zhǎng)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(shí)，采用G、655光纖進(jìn)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(zhǎng)距離傳輸中仍然需要色散補(bǔ)償。并且由于其低色散，光纖的非線性效應(yīng)使通道間距為2 / 1950GHz的波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)很難實(shí)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(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)通道間距為50GHz的WDM 系統(tǒng)的傳輸毫無問題

5、。迄今為止，全世界鋪設(shè)的光纖干線長(zhǎng)達(dá)2億公里以上，其中的80為G652光纖。我國(guó)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(jìn)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)室中的WDM 光纖通信速率已經(jīng)達(dá)到了1000Gbit/s。在采用級(jí)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(hào)

6、的不同頻率成分，或信號(hào)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(hào)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?hào)脈沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。色散簡(jiǎn)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(jī)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(hào)不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號(hào)不是單一模式所引起。（1） 模間色散：多模光纖中由于各個(gè)導(dǎo)模之間群速度不同造成模間色散。在發(fā)送機(jī)多個(gè)導(dǎo)模同時(shí)激勵(lì)時(shí)，各個(gè)導(dǎo)模具有不同的群速，到達(dá)接收端的時(shí)刻不同。（2） 波導(dǎo)色散：這是某個(gè)導(dǎo)模在不同波長(zhǎng)（光源有一定的譜寬）下的群速

7、度不同引起的色散，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(zhǎng)引起不同的群速度。（4） 偏振模色散：普通單模光纖實(shí)際上傳輸兩個(gè)相互正交的模式，實(shí)際在單模光纖存在各種少量隨機(jī)的不確定性，不對(duì)稱性，造成了兩個(gè)偏振模的群時(shí)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(shí)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(duì)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

8、率0處的傳播常數(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(shí)，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(dòng)的參考系中的時(shí)間度量。引入一個(gè)對(duì)初始脈寬T0 歸一化的時(shí)間量=TT0。同樣，引入歸一化振幅U，Az,=P0Uz,。當(dāng)L <<L NL ，而LL D 時(shí)，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(shí)，可以得到圖1：圖1 光纖內(nèi)由色

9、散所致的高斯脈沖展寬點(diǎn)線表示z =0時(shí)，U(z,T ) 2的圖形，實(shí)線表示z = 2LD 時(shí)，U (z,T ) 2的圖形，點(diǎn)劃線表示z = 4LD時(shí)，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(bǔ)償技術(shù)對(duì)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(fù)色散，若采用色散管理技術(shù)，可以在很長(zhǎng)的距離上消除色散的積累，同時(shí)，對(duì)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(bǔ)償方法有以下幾種：3.1色散補(bǔ)償光纖

10、（DCF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）開發(fā)于20 世紀(jì)90 年代中期，它在實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償任務(wù)中扮演了十分重要的角色。目前，國(guó)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(gè)（或幾個(gè)）光纖段的輸入或輸出端可以通過放置DCF色散補(bǔ)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(bǔ)償。但是，一般的1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中所使用光發(fā)射機(jī)的光波長(zhǎng)范圍較大，可達(dá)20nm。此外，隨著在1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中CWDM 或DWDM 技術(shù)的引入，必

11、須考慮光纖對(duì)不同波長(zhǎng)信道的色散斜度問題。其基本原理是通過對(duì)光纖的芯徑及折射率分布的設(shè)計(jì)，利用光纖的波導(dǎo)色散效應(yīng)，使其零色散波長(zhǎng)大于1.55 微米，即在1.55 微米波長(zhǎng)處產(chǎn)生較大的負(fù)色散，這樣當(dāng)常規(guī)光纖和色散補(bǔ)償光纖級(jí)聯(lián)使用時(shí)，兩者將會(huì)互相抵消。若用Ds和Dc分別表示常規(guī)光纖和色散補(bǔ)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(bǔ)償光纖的傳輸距離，則當(dāng)滿足時(shí)，群時(shí)延色散被補(bǔ)償，當(dāng)滿足時(shí)，二階色散被補(bǔ)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(zhǎng)而變化，在1530nm 處色散系數(shù)約為15.5ps/nm.km，在1565nm

12、 處約為17.6ps/nm.km，色散斜率（定義為色散系數(shù)對(duì)波長(zhǎng)的微分）約為0.06ps/nm.km。假設(shè)寬帶色散補(bǔ)償器件對(duì)所有Cband 信號(hào)的色散補(bǔ)償量是一樣的，則經(jīng)多個(gè)光纖段傳輸后，紅端信號(hào)光（1565nm）所積累的色散將明顯大于比藍(lán)端（1530nm），因此，無論對(duì)于一般的1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)或CWDM/DWDM1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)，都必需考慮采用斜率補(bǔ)償型色散補(bǔ)償光纖組件，用于補(bǔ)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(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中色散斜率問題得到較好的解決。斜率補(bǔ)償型DCF 的

13、優(yōu)點(diǎn)是帶寬不受限制，產(chǎn)品供應(yīng)商多，穩(wěn)定性高。目前，斜率補(bǔ)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(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償?shù)氖走x方案。它的缺點(diǎn)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(fù)色散的色散補(bǔ)償光纖對(duì)正色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的色散進(jìn)行補(bǔ)償3.2 啁啾光纖光柵(CFBG)色散補(bǔ)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(zhǎng)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(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)氖?/p>

14、意圖如圖5所示。光波經(jīng)過光柵后起到色散均衡的作用，從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)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(zhǎng)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(shí)延，短波長(zhǎng)分量經(jīng)受的時(shí)延長(zhǎng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)分量經(jīng)受的時(shí)延短，光柵所引入的時(shí)延與光纖中傳輸時(shí)造成的時(shí)延正好相反，二者引入的時(shí)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(shí)延曲線。可以看到帶寬范圍內(nèi)的時(shí)延曲線基本為一條直線，其斜率就是該光纖光柵所能補(bǔ)償?shù)纳⒘?。圖3啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償原理圖4 用光環(huán)形器將啁啾光柵的反射信號(hào)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(bǔ)償量大，能

15、夠?qū)崿F(xiàn)光纖色散和色散斜率的同時(shí)補(bǔ)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(jià)格低廉，易于大批量生產(chǎn)。因此，啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償器已被公認(rèn)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(shí)延紋波、光功率波動(dòng)和包層模附加損耗大等，是實(shí)現(xiàn)光纖光柵色散補(bǔ)償實(shí)用化系統(tǒng)必須解決的幾個(gè)主要問題。OFC2003上，有多篇文章談到了光纖光柵色散補(bǔ)償補(bǔ)償器的研究，對(duì)以上幾個(gè)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(duì)激光器進(jìn)行頻率調(diào)制，當(dāng)注入電流按二進(jìn)制NRZ 碼變化時(shí)，電流的變化引起光功率 光頻率

16、的變化。不同頻率的信號(hào)在光纖中的傳播速率不同，在接收端信號(hào)產(chǎn)生重疊，控制頻率調(diào)制深度使Dt =1/B，t是延遲的時(shí)間，B 是傳輸?shù)乃俾?，于是，調(diào)頻信號(hào)變成了調(diào)幅信號(hào)，在接收端采用積分器或低通濾波器和一個(gè)判決電路，即可恢復(fù)出原始信號(hào)。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(shí)現(xiàn)頻譜反轉(zhuǎn)之后進(jìn)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(bǔ)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(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)大容量長(zhǎng)距離的色散補(bǔ)償，且損耗較??；缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜，且對(duì)激光器頻率的單一性要求比較高。4.實(shí)驗(yàn)仿真4.1.Compensation of

17、 dispersion ideal dispersion compensation(理想色散補(bǔ)償元件的色散補(bǔ)償)如圖5所示，利用OptiSystem設(shè)計(jì)這樣的布局對(duì)其色散補(bǔ)償進(jìn)行仿真和分析。對(duì)初始時(shí)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(bǔ)償器后的脈沖波形進(jìn)行檢測(cè)和分析，從而設(shè)計(jì)和改善系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償性能。圖5 理想色散補(bǔ)償元件的色散補(bǔ)償布局圖而該布局中的關(guān)鍵元件：FBG色散補(bǔ)償器的屬性設(shè)定可參見下圖6： 圖6 FBG色散補(bǔ)償器的屬性設(shè)定圖各元件的參數(shù)設(shè)定好后，運(yùn)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

18、系統(tǒng)中，由Optical Gaussian 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(hào)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(duì)這個(gè)色散導(dǎo)致的脈沖失真進(jìn)行復(fù)原和補(bǔ)償，這里使用了一個(gè)FBG色散補(bǔ)償元件來對(duì)脈沖波形進(jìn)行復(fù)原。其中色散補(bǔ)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(bǔ)償元件后的脈沖波形（圖9）可以看到經(jīng)過補(bǔ)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1

19、0km后的脈沖波形圖圖9 經(jīng)過色散補(bǔ)償器的光脈沖波形可見，模擬出的結(jié)果和我們經(jīng)計(jì)算預(yù)期的結(jié)果相當(dāng)一致，這也為我們對(duì)提供的色散補(bǔ)償元件的性能做了很好的性能測(cè)試和模擬。4.2 Compensation of dispersion OptiGrating(光柵色散補(bǔ)償)脈沖在單模光纖中傳輸時(shí)，由于光纖反常色散的影響，脈沖的前沿頻率藍(lán)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(lán)移分量在遠(yuǎn)端反射，因此利用啁啾光纖光柵可以進(jìn)行色散補(bǔ)償。如圖10所示，用啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償設(shè)計(jì)這樣的布局對(duì)其色散補(bǔ)償進(jìn)行仿真和分析。對(duì)初始時(shí)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(bǔ)償器