光纖通信系統(tǒng)中色散補償技術(shù)

光纖通信系統(tǒng)中色散補償技術(shù)光纖通信系統(tǒng)中色散補償技術(shù)蔣玉蘭(浙江華達集團富陽，311400)【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)。文章還詳細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)。1概述光纖通信的發(fā)展方向是高速率、大容量。它從PDH8Mb/s,34Mb/s,140Mb/s,565Mb/s發(fā)展到SDH155Mb/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。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。色散就是指不同顏色(不同頻率)的光在光纖中傳輸時，由于具有不同的傳播速度而相互分離。單模光纖主要色散是群時延色散，即波導(dǎo)色散和材料色散。這些色散都會導(dǎo)致光脈沖展寬，導(dǎo)致信號傳輸時的畸變和接收誤碼率的增大。對于新建工程新敷設(shè)高速率或WDM光纜線路，可以采用非零色散位移光纖（NZ-DCF），ITU一T將這種光纖定名為G655。G655光纖在1550nm處有非零色散，但數(shù)值很?。?.1~10.0pb/nm·km）。其色散值可以是正，也可以是負。若采用色散管理技術(shù)，可以在很長距離上消除色散的積累。同時，對WDM系統(tǒng)的四波混頻現(xiàn)象也可壓得很低，有利于抑制非線性效應(yīng)的影響。自從光纖通信商用開始，至今20余年，國內(nèi)外已大量敷設(shè)了常規(guī)單模光纖(G652)的光纜，這類光纜工作在1550nm波段時，有18ps/nm·km的色散，成為影響中繼距離的主要因素。所以，對高速率長距離的系統(tǒng)必須要考慮色散補償問題。光纖色散產(chǎn)生的因素有:材料色散、波導(dǎo)色散、模式色散等等。但主要是前面兩項因素引起不同波長的光在光纖中傳播造成群時延差。解決光信號色散引起群時延差的方法就是色散補償技術(shù)。2光纖色散述語色散:光源光譜組成中的不同波長的不同群速度在一根光纖中傳輸所引起的光脈沖展寬。4.1負色散光纖補償法DCF是一種有負色散系數(shù)的光纖，D=－90ps(nm·km)。若在CSMF中接人足夠長度的DCF，可使總的色散值控制在系統(tǒng)容限以內(nèi)，如圖3所示。原則上DCF可放在線路的任何位置，但在發(fā)送端應(yīng)放在光放大器之前，因為若放在光放大器之后，高功率光信號在以二F中會引起非線性，不僅減弱DCF的補償作用，還會嚴重影響系統(tǒng)的性能。從應(yīng)用的角度要求DCF的負色散系數(shù)愈大愈好，同時插人衰減越小越好。通常插人的DCF長度是需要補償CSMF的20%左右。與其他色散補償措施相比。DCF技術(shù)要相對成熟，但其插人衰減較大，約為CSMF的5倍，須用光放大器補償。利用DCF技術(shù)與EDFA光放大器，1obit實驗記錄可達2245km。但DCF的成本昂貴，約為CSMF的10~20倍，短期內(nèi)難以大量推廣應(yīng)用。4.4色散支持技術(shù)〔DST)DST的基本原理是，高速數(shù)字信號在直接調(diào)制方式作用下，在光強度調(diào)制(IM)的同時還伴有FSK調(diào)制。這是因為與輸人NRZ電信號“O”、“I”對應(yīng)著兩個光波長，它們由于光纖色散而不能同時到達接收端，其時間差加Δt=Δλ·D·L，即:Δt=ΔV?λ2?D?L∕C(2)式中△V為兩個光波的頻率差，正確選擇光源的偏流可控制△V，使山正好為1比特間隔。從而可在接收機利用兩電平判決電路將ASK信號解調(diào)為NRZ信號，而光纖的色散則起到了FS/ASK信號轉(zhuǎn)換的作用。據(jù)報導(dǎo)利用DST技術(shù)在CSMF上可無中繼傳輸10Gbit/s信號達253krn。DsT的缺點或限制條件是要求硯調(diào)制指數(shù)、接收機帶寬等參數(shù)需與光中繼段的色散匹配。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之處為最高峰，在兩頻率的光強錯開之處為低谷?？刂祁l率調(diào)制的大小使不同波長的光經(jīng)過L距離后所產(chǎn)生的時延差Δt=Δλ?D?L=I/B(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或一個兩門限判決器，從而得到恢復(fù)的初始數(shù)字信號。阿爾卡特在法國SELAG研究中心用色散支持傳輸法成功地進行了10Gb/s信號無中繼傳輸253km的實驗。此方法結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，且不必使用外調(diào)制器，造價較低，但是必須使用E隨性能較好的激光器，且在接收時必須根據(jù)激光器和光纖傳遞函數(shù)，合理地設(shè)計濾波器等，以克服由于惆啾和寄生調(diào)幅所造成的影響。4.5光纖光柵色散補償技術(shù)光纖光柵(均勻光纖光柵)的另一個特性，就是在禁帶(Photonicbandgap)附近的極強的傳輸色散特性(一般要比普通光纖介質(zhì)大出幾個數(shù)量級倍)，可以利用光纖光柵的這一特性在傳輸中〔而非反射中)進行色散補償。盡管這一強色散區(qū)域存在的頻帶很窄，但其獨特的性質(zhì)還是引起了人們的關(guān)注。由于F-P效應(yīng)所造成的反射帶隙外振蕩的影響，這種方法一直未受到人們的重視。最近，隨著光纖光柵切趾技術(shù)的成熟，人們已經(jīng)可以消除反射帶隙幾乎所有振蕩，這使得利用均勻光纖光柵進行色散補償再現(xiàn)生命力。在國外，對光纖光柵的傳輸色散性質(zhì)的理論探討和實驗研究已經(jīng)取得了很大成果。有人提出利用這種強色散特性進行色散補償，較其它色散補償方案更易實現(xiàn)，且具有更高的補償效率。實驗上已成功實現(xiàn)了在72km的光纖中利用光纖光柵在10Gbit/s信號無誤傳輸時的色散補償。最近，人們又提出級聯(lián)光纖光柵的構(gòu)思，利用它可以在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中實現(xiàn)多信道色散的同時補償。如圖4所示通過改變外部條件來改變均勻光纖光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實現(xiàn)色散的可調(diào)諧。文獻[3]利用壓電陶瓷使得光纖光柵的中心波長移動了5.02nm，這對于均勻光纖光柵的色散調(diào)諧已足夠。如果把兩個或兩個以上不同周期的光纖光柵“連接”起來組成“級聯(lián)光纖光柵”，可以實現(xiàn)對不同波長的多路脈沖同時進行色散補償，還可以對整個級聯(lián)光纖光柵進行調(diào)諧，也可以對其中某些光纖光柵進行調(diào)諧，以達到我們所期望的色散補償效果。4.6碉啾光柵技術(shù)在光纖上制成折射率非周期性變化的惆啾光柵，就形成一個寬帶濾波器，它的不同位置對應(yīng)于不同的Bragg反射波長。當光脈沖信號通過這種啁啾光柵(周期從大到小，長度為Lg)時，其長、短波長分量分別在光柵的頭、尾部反射，這樣短波長分量比長波長分量多走2Lg距離，兩波長分量之間產(chǎn)生時延差Δt=2Lg/Vg。從而補償了由于群速度不同導(dǎo)致的色散，起到壓縮光脈沖的作用。如圖5所示。利用嚴格的耦合波理論分析啁啾光柵色散補償機制，求出其Bragg波長、帶寬、時延率等，并利用Rungc-Kutta數(shù)值方法求解啁啾光柵的反射譜特性。啁啾光柵的長度、啁啾量、Bragg帶寬、反射譜特性等參量決定了它的色散補償能力。設(shè)計、研制高質(zhì)量的啁啾光柵是實現(xiàn)這種色散補償技術(shù)的關(guān)鍵。英國、美國、加拿大等國家對啁啾光柵色散補償開展了廣泛的研究，利用單個或多個啁啾光柵進行色散補償，已在10Gb/s常規(guī)光纖通信網(wǎng)上傳輸數(shù)百公里。國內(nèi)也研制了10cm長的惆啾光纖光柵，并已完成了10Gb/s光信號在G652光纖上傳輸104公里的色散補償實驗。理論、實驗研究結(jié)果表明:采用無源光纖光柵進行色散補償，具有體積小、插人損耗低、與光纖兼容性好、波長選擇性好、易于集成等優(yōu)點，利用多個光纖光柵級聯(lián)可提高補償能力，光纖光柵法還便于系統(tǒng)使用和維護，其成本低、可升級性好、可靠性高、受非線性效應(yīng)影響小、極化不敏感，具有很好的實用性。4.7光孤子傳輸技術(shù)所謂色散可控光孤子也就是眾所周知的歸零碼(RZ)調(diào)制，它同WDM技術(shù)相結(jié)合，能夠動態(tài)地將光網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率提升到ITb/s以上，傳輸距離可達數(shù)千公里。對于那些追求將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酶h、更快的服務(wù)提供商來說，以色散可控光孤子為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)是他們要尋找的答案。這種技術(shù)不僅允許服務(wù)提供商大幅度降低傳輸和帶寬的成本，而且也將簡化網(wǎng)絡(luò)配置和管理，此外還能提供分插復(fù)用功能，在沿著超長距離路徑的中間節(jié)點上靈活按需分配帶寬。孤子波的特點是光脈沖經(jīng)過一段距離的傳輸后不會中斷或者展寬，這使它成為光纖通信網(wǎng)中的一種理想技術(shù)。光孤子經(jīng)過精心設(shè)計，可以周期性地以可控方式改變它的形狀，從而在到達目的地時仍然保持原狀。因此以色散可控光孤子為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)減少了對通道再生的要求，使傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)從這些網(wǎng)中獲得新生。降低傳輸費用典型情況下，常規(guī)的光傳輸每隔60到1公里使用光放大器來放大光信號。但是每隔幾百公里仍然需要進行一次再生來去除噪聲和其它傳輸損傷的影響。這需要采用大量的昂貴設(shè)備來將光波轉(zhuǎn)變成電信號，以便對每一路信號進行單獨處理。與之對比，光孤子改變了光網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的編碼方式，并可延長再生距離，從而可以大幅度削減傳輸成本?，F(xiàn)在服務(wù)提供商們面臨著激烈競爭的挑戰(zhàn)，這意味著這種創(chuàng)新的技術(shù)擁有潛在市場。預(yù)計今年可望開始部署上述新技術(shù)。同時.幾家主流設(shè)備提供商繼續(xù)對上述技術(shù)進行開發(fā)和實驗。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒炗涗洷砻?，在一根標準光纖上傳輸10Gb/s的數(shù)據(jù)，傳輸距離可達16000公里，當速率提高到40Gb/s時，傳輸距離也仍可超過1000公里。作用不容低估對于那些希望從傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)向色散可控光孤子基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)移的服務(wù)提供商來說，這個轉(zhuǎn)移可以是快速、容易和透明的。新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看起來非常相似，區(qū)別僅僅是所需要的再生器或者端站的數(shù)量急劇減少。初期階段色散可控光孤子系統(tǒng)的運行速率為10Gb/s，逐步向40G的方向發(fā)展。按照計劃，傳輸系統(tǒng)的容量要達到160個波長。在無電再生的情況下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離可達數(shù)千公里，此外還提供光分插復(fù)用功能。在技術(shù)上，光孤子設(shè)備和傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)之間的主要差別在于前者引人了一種產(chǎn)生光孤子脈沖的新型轉(zhuǎn)發(fā)器和大功率光信號放大器。轉(zhuǎn)發(fā)器將光纖中的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，再反方向轉(zhuǎn)變。光孤子產(chǎn)品的另一個特征是它使用喇曼放大器而不是傳統(tǒng)的摻餌光纖放大器進行放大。各種因素的平衡超長距離系統(tǒng)的設(shè)計者需要在提高光信號功率來克服噪聲影響，或者減少光信號功率來抑制非線性失真這兩者之間做出艱難選擇。而這正是光孤子能夠發(fā)揮優(yōu)點的機會、:通過均衡色散和非線性失真的影響來為光孤子脈沖創(chuàng)造近乎理想的光纖傳輸環(huán)境，允許使用比一般情況下更大的光功率。傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般是使用非歸零碼調(diào)制技術(shù)，而光孤子則使用歸零碼技術(shù)，因為它不容易受非線性失真的影響:通過對光脈沖的精心設(shè)計是可以利用光纖色散的累積效應(yīng)來補償非線性失真的影響的。但光纖路徑上的色散特性必須作為總體系統(tǒng)設(shè)計的一部分加以適當控制，故產(chǎn)生了“色散可控光孤子”的名稱。盡管使用的設(shè)計規(guī)則不同.在光孤子網(wǎng)絡(luò)中的色散控制方式同傳統(tǒng)的長途、高比特率DWDM系統(tǒng)中采用的色散控制方式是相似的，即在放大器節(jié)點上使用無源補償器件(DCM)0一些持懷疑態(tài)度的人認為當進行超長距離傳輸時，服務(wù)提供商可能不得不犧牲帶寬容量來延長傳輸距離。然而，色散可控光孤子設(shè)備提供商正在改進技術(shù)，在不犧牲帶寬的條件下達到數(shù)千公里的傳輸距離。一旦色散可控光孤子技術(shù)進人市場，可以預(yù)料這種技術(shù)會繼續(xù)向前發(fā)展，并進一步降低成本。更低的成本將鼓勵服務(wù)提供商在其網(wǎng)絡(luò)中使用這種技術(shù)，而不僅僅在超長距離的骨干網(wǎng)上使用。色散可控光孤子網(wǎng)絡(luò)將促進新的光傳輸標準出臺。如果采用這種新的傳輸技術(shù)，服務(wù)提供商就能夠應(yīng)付未來帶寬繼續(xù)增長對系統(tǒng)裝備的挑戰(zhàn)，幫助服務(wù)提供商踏上快速成功的道路。5技術(shù)方案比較色散補償?shù)姆椒ê芏?，但上述幾種補償技術(shù)使用較多?，F(xiàn)就上述各方法進行比較。①惆啾光柵技術(shù):采用無源器件，應(yīng)用方便，維護便利。本方法實現(xiàn)簡單并可靠，且易與光纖兼容。補償距離長，對極化不敏感，對非線性影響小，制作技術(shù)成熟，成本低。便于系統(tǒng)全光化、集成化?？芍苯佑糜诔Ｒ?guī)傳輸網(wǎng)，對現(xiàn)有設(shè)備和線路改動較小，是現(xiàn)階段推廣應(yīng)用的好方法。②負色散光纖補償技術(shù):采用無源器件，技術(shù)成熟，應(yīng)用和維護方便，且易升級。但是成本高，插人衰減大，對非線性影響大。③色散支持技術(shù):結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，成本低，但是升級能力差。④光相位共扼或中間頻譜反轉(zhuǎn)技術(shù):補償距離長，但技術(shù)成熟性差。⑤減小光源譜寬:色散的影響程度與光源的譜寬有關(guān)，譜寬越窄色散的影響越小，中繼段距離越長。⑥光纖光柵色散補償技術(shù):隨著光纖光柵切趾技術(shù)的成熟，國外此方法用于色散補償已取得了顯著效果，特別是在DWDM系統(tǒng)中實現(xiàn)多信道色散同時補償有它的特色。⑦光孤子傳輸技術(shù):本技術(shù)適用于系統(tǒng)更新?lián)Q代時采用，因為它需要用新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來控制色散。如果用在現(xiàn)有系統(tǒng)上而對現(xiàn)有系統(tǒng)要作較大的改動。光孤子傳輸技術(shù)對于超長距離中繼段的光纖色散補償具有很好的發(fā)展前景。本方法經(jīng)過進一步實用化研究之后，它將在色散補償技術(shù)領(lǐng)域中顯示優(yōu)勢。6小結(jié)光通信的最基本要求是激光在光纖中傳輸當數(shù)據(jù)到達終端時保持原型。然而光纖網(wǎng)的許多不利因素影響了數(shù)據(jù)傳輸距離。主要的不利因素是信號