光纖通信系統(tǒng)中色散補(bǔ)償技術(shù)

光纖通信系統(tǒng)中色散補(bǔ)償技術(shù)光纖通信系統(tǒng)中色散補(bǔ)償技術(shù)蔣玉蘭(浙江華達(dá)集團(tuán)富陽(yáng)，311400)【摘要】本文敘述了光通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的參數(shù)—色散，以及G65光纖通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償技術(shù)。文章還詳細(xì)說明了各種補(bǔ)償技術(shù)原理，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。最后強(qiáng)調(diào)說明色散補(bǔ)償就是用來補(bǔ)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。現(xiàn)在又進(jìn)展為波分復(fù)用WDM、密集型波分復(fù)用DWDM。同時(shí)，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(biāo)很多，其中色散是其主要的技術(shù)指標(biāo)之一。色散就是指不同顏色(不同頻率)的光在光纖中傳輸時(shí)，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(shí)延色散，即波導(dǎo)色散和材料色散。這些色散都會(huì)導(dǎo)致光脈沖展寬，導(dǎo)致信號(hào)傳輸時(shí)的畸變和接收誤碼率的增大。對(duì)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(fù)。若采用色散管理技術(shù)，可以在很長(zhǎng)距離上消除色散的積累。同時(shí)，對(duì)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(guó)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(shí)，有18ps/nm·km的色散，成為影響中繼距離的主要因素。所以，對(duì)高速率長(zhǎng)距離的系統(tǒng)必須要考慮色散補(bǔ)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(xiàng)因素引起不同波長(zhǎng)的光在光纖中傳播造成群時(shí)延差。解決光信號(hào)色散引起群時(shí)延差的方法就是色散補(bǔ)償技術(shù)。2光纖色散述語(yǔ)色散:光源光譜組成中的不同波長(zhǎng)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(fù)色散光纖補(bǔ)償法DCF是一種有負(fù)色散系數(shù)的光纖，D=－90ps(nm·km)。若在CSMF中接人足夠長(zhǎng)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?yàn)槿舴旁诠夥糯笃髦螅吖β使庑盘?hào)在以二F中會(huì)引起非線性，不僅減弱DCF的補(bǔ)償作用，還會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。從應(yīng)用的角度要求DCF的負(fù)色散系數(shù)愈大愈好，同時(shí)插人衰減越小越好。通常插人的DCF長(zhǎng)度是需要補(bǔ)償CSMF的20%左右。與其他色散補(bǔ)償措施相比。DCF技術(shù)要相對(duì)成熟，但其插人衰減較大，約為CSMF的5倍，須用光放大器補(bǔ)償。利用DCF技術(shù)與EDFA光放大器，1obit實(shí)驗(yàn)記錄可達(dá)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(hào)在直接調(diào)制方式作用下，在光強(qiáng)度調(diào)制(IM)的同時(shí)還伴有FSK調(diào)制。這是因?yàn)榕c輸人NRZ電信號(hào)“O”、“I”對(duì)應(yīng)著兩個(gè)光波長(zhǎng)，它們由于光纖色散而不能同時(shí)到達(dá)接收端，其時(shí)間差加Δt=Δλ·D·L，即:Δt=ΔV?λ2?D?L∕C(2)式中△V為兩個(gè)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(jī)利用兩電平判決電路將ASK信號(hào)解調(diào)為NRZ信號(hào)，而光纖的色散則起到了FS/ASK信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用。據(jù)報(bào)導(dǎo)利用DST技術(shù)在CSMF上可無(wú)中繼傳輸10Gbit/s信號(hào)達(dá)253krn。DsT的缺點(diǎn)或限制條件是要求硯調(diào)制指數(shù)、接收機(jī)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(duì)激光器進(jìn)行直接(內(nèi))調(diào)制，由于不同頻率的信號(hào)在光纖中的傳播速率不同，在接收端產(chǎn)生信號(hào)交疊，對(duì)于純粹的移頻鍵控(FSK)來說，光功率在兩種頻率的光強(qiáng)重合之處為最高峰，在兩頻率的光強(qiáng)錯(cuò)開之處為低谷。控制頻率調(diào)制的大小使不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過L距離后所產(chǎn)生的時(shí)延差Δt=Δλ?D?L=I/B(B為傳輸速率)，于是調(diào)頻信號(hào)就變成了調(diào)幅信號(hào)，通過低通濾波器進(jìn)行判決即可:對(duì)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(gè)兩門限判決器，從而得到恢復(fù)的初始數(shù)字信號(hào)。阿爾卡特在法國(guó)SELAG研究中心用色散支持傳輸法成功地進(jìn)行了10Gb/s信號(hào)無(wú)中繼傳輸253km的實(shí)驗(yàn)。此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，且不必使用外調(diào)制器，造價(jià)較低，但是必須使用E隨性能較好的激光器，且在接收時(shí)必須根據(jù)激光器和光纖傳遞函數(shù)，合理地設(shè)計(jì)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(bǔ)償技術(shù)光纖光柵(均勻光纖光柵)的另一個(gè)特性，就是在禁帶(Photonicbandgap)附近的極強(qiáng)的傳輸色散特性(一般要比普通光纖介質(zhì)大出幾個(gè)數(shù)量級(jí)倍)，可以利用光纖光柵的這一特性在傳輸中〔而非反射中)進(jìn)行色散補(bǔ)償。盡管這一強(qiáng)色散區(qū)域存在的頻帶很窄，但其獨(dú)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(jìn)行色散補(bǔ)償再現(xiàn)生命力。在國(guó)外，對(duì)光纖光柵的傳輸色散性質(zhì)的理論探討和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了很大成果。有人提出利用這種強(qiáng)色散特性進(jìn)行色散補(bǔ)償，較其它色散補(bǔ)償方案更易實(shí)現(xiàn)，且具有更高的補(bǔ)償效率。實(shí)驗(yàn)上已成功實(shí)現(xiàn)了在72km的光纖中利用光纖光柵在10Gbit/s信號(hào)無(wú)誤傳輸時(shí)的色散補(bǔ)償。最近，人們又提出級(jí)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(shí)現(xiàn)多信道色散的同時(shí)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)色散的可調(diào)諧。文獻(xiàn)[3]利用壓電陶瓷使得光纖光柵的中心波長(zhǎng)移動(dòng)了5.02nm，這對(duì)于均勻光纖光柵的色散調(diào)諧已足夠。如果把兩個(gè)或兩個(gè)以上不同周期的光纖光柵“連接”起來組成“級(jí)聯(lián)光纖光柵”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的多路脈沖同時(shí)進(jìn)行色散補(bǔ)償，還可以對(duì)整個(gè)級(jí)聯(lián)光纖光柵進(jìn)行調(diào)諧，也可以對(duì)其中某些光纖光柵進(jìn)行調(diào)諧，以達(dá)到我們所期望的色散補(bǔ)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(gè)寬帶濾波器，它的不同位置對(duì)應(yīng)于不同的Bragg反射波長(zhǎng)。當(dāng)光脈沖信號(hào)通過這種啁啾光柵(周期從大到小，長(zhǎng)度為L(zhǎng)g)時(shí)，其長(zhǎng)、短波長(zhǎng)分量分別在光柵的頭、尾部反射，這樣短波長(zhǎng)分量比長(zhǎng)波長(zhǎng)分量多走2Lg距離，兩波長(zhǎng)分量之間產(chǎn)生時(shí)延差Δt=2Lg/Vg。從而補(bǔ)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(yán)格的耦合波理論分析啁啾光柵色散補(bǔ)償機(jī)制，求出其Bragg波長(zhǎng)、帶寬、時(shí)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(zhǎng)度、啁啾量、Bragg帶寬、反射譜特性等參量決定了它的色散補(bǔ)償能力。設(shè)計(jì)、研制高質(zhì)量的啁啾光柵是實(shí)現(xiàn)這種色散補(bǔ)償技術(shù)的關(guān)鍵。英國(guó)、美國(guó)、加拿大等國(guó)家對(duì)啁啾光柵色散補(bǔ)償開展了廣泛的研究，利用單個(gè)或多個(gè)啁啾光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償，已在10Gb/s常規(guī)光纖通信網(wǎng)上傳輸數(shù)百公里。國(guó)內(nèi)也研制了10cm長(zhǎng)的惆啾光纖光柵，并已完成了10Gb/s光信號(hào)在G652光纖上傳輸104公里的色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。理論、實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:采用無(wú)源光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償，具有體積小、插人損耗低、與光纖兼容性好、波長(zhǎng)選擇性好、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，利用多個(gè)光纖光柵級(jí)聯(lián)可提高補(bǔ)償能力，光纖光柵法還便于系統(tǒng)使用和維護(hù)，其成本低、可升級(jí)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(shí)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(dòng)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(dá)數(shù)千公里。對(duì)于那些追求將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酶h(yuǎn)、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(jiǎn)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(zhǎng)距離路徑的中間節(jié)點(diǎn)上靈活按需分配帶寬。孤子波的特點(diǎn)是光脈沖經(jīng)過一段距離的傳輸后不會(huì)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(jì)，可以周期性地以可控方式改變它的形狀，從而在到達(dá)目的地時(shí)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(duì)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(fèi)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(hào)。但是每隔幾百公里仍然需要進(jìn)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(hào)，以便對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)處理。與之對(duì)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，這意味著這種創(chuàng)新的技術(shù)擁有潛在市場(chǎng)。預(yù)計(jì)今年可望開始部署上述新技術(shù)。同時(shí).幾家主流設(shè)備提供商繼續(xù)對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)記錄表明，在一根標(biāo)準(zhǔn)光纖上傳輸10Gb/s的數(shù)據(jù)，傳輸距離可達(dá)16000公里，當(dāng)速率提高到40Gb/s時(shí)，傳輸距離也仍可超過1000公里。作用不容低估對(duì)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(gè)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(yùn)行速率為10Gb/s，逐步向40G的方向發(fā)展。按照計(jì)劃，傳輸系統(tǒng)的容量要達(dá)到160個(gè)波長(zhǎng)。在無(wú)電再生的情況下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)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(hào)放大器。轉(zhuǎn)發(fā)器將光纖中的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再反方向轉(zhuǎn)變。光孤子產(chǎn)品的另一個(gè)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(jìn)行放大。各種因素的平衡超長(zhǎng)距離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要在提高光信號(hào)功率來克服噪聲影響，或者減少光信號(hào)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(diǎn)的機(jī)會(huì)、: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?yàn)樗蝗菀资芊蔷€性失真的影響:通過對(duì)光脈沖的精心設(shè)計(jì)是可以利用光纖色散的累積效應(yīng)來補(bǔ)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(jì)的一部分加以適當(dāng)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(jì)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(zhǎng)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(diǎn)上使用無(wú)源補(bǔ)償器件(DCM)0一些持懷疑態(tài)度的人認(rèn)為當(dāng)進(jìn)行超長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，服務(wù)提供商可能不得不犧牲帶寬容量來延長(zhǎng)傳輸距離。然而，色散可控光孤子設(shè)備提供商正在改進(jìn)技術(shù)，在不犧牲帶寬的條件下達(dá)到數(shù)千公里的傳輸距離。一旦色散可控光孤子技術(shù)進(jìn)人市場(chǎng)，可以預(yù)料這種技術(shù)會(huì)繼續(xù)向前發(fā)展，并進(jìn)一步降低成本。更低的成本將鼓勵(lì)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(zhǎng)距離的骨干網(wǎng)上使用。色散可控光孤子網(wǎng)絡(luò)將促進(jìn)新的光傳輸標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。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(zhǎng)對(duì)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(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，但上述幾種補(bǔ)償技術(shù)使用較多。現(xiàn)就上述各方法進(jìn)行比較。①惆啾光柵技術(shù):采用無(wú)源器件，應(yīng)用方便，維護(hù)便利。本方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并可靠，且易與光纖兼容。補(bǔ)償距離長(zhǎng)，對(duì)極化不敏感，對(duì)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。可直接用于常規(guī)傳輸網(wǎng)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和線路改動(dòng)較小，是現(xiàn)階段推廣應(yīng)用的好方法。②負(fù)色散光纖補(bǔ)償技術(shù):采用無(wú)源器件，技術(shù)成熟，應(yīng)用和維護(hù)方便，且易升級(jí)。但是成本高，插人衰減大，對(duì)非線性影響大。③色散支持技術(shù):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，成本低，但是升級(jí)能力差。④光相位共扼或中間頻譜反轉(zhuǎn)技術(shù):補(bǔ)償距離長(zhǎng)，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(zhǎng)。⑥光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù):隨著光纖光柵切趾技術(shù)的成熟，國(guó)外此方法用于色散補(bǔ)償已取得了顯著效果，特別是在DWDM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多信道色散同時(shí)補(bǔ)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(shí)采用，因?yàn)樗枰眯碌南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)來控制色散。如果用在現(xiàn)有系統(tǒng)上而對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)要作較大的改動(dòng)。光孤子傳輸技術(shù)對(duì)于超長(zhǎng)距離中繼段的光纖色散補(bǔ)償具有很好的發(fā)展前景。本方法經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)用化研究之后，它將在色散補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域中顯示優(yōu)勢(shì)。6小結(jié)光通信的最基本要求是激光在光纖中傳輸當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)終端時(shí)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(hào)