1、相干光纖通信系統中相干光纖通信系統中色散補償技術研究色散補償技術研究 B12011026 趙樂 B11010429 張晨源鑫 B12011017 麻思敏 B12011019 田圳澤 B12011035 張斌引言 近年來，隨著電信業務的發展和需求的不斷增長，需要傳輸系統提供高的容量，目前普遍采用波分復用技或提高傳輸速率來增加系統的容量。我們知道，影響光纖通信系統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性能提高的主要因素。在放大器實現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G655單模光纖中存在色散斜率，使

2、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量劣化，嚴重時會使系統無法正常工作。因此對通信鏈路實行色散補償，以使各波長信號的色散量限制在系統容限內。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法等色散補償方案。 色散的產生 色散是指因為光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的傳播速度不同，使得這些頻率成分或模式到達光纖終端有先有后，從而產生信號傳播過程中的光脈沖的展寬。色散一般用時延差來表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距離所需要的時間之差。衡量光纖中色散的大小是用色散系數，它的定義是波長相距1nm(頻率間隔為124.3GHz)

3、的兩個光信號傳輸1km距離的時延差。而色散系數對波長曲線的斜率成為色散斜率，它反映色散系數隨波長變化的情況。不同廠家不同型號的光纖具有不同的色散特性。而色散補償就是通過各種手段抵消上述信號不同頻率或模式成分到達終端的時延差。 色散對光通信系統的影響 光纖的色散現象對光纖通信極為不利，它使得兩個相鄰的脈沖發生串擾，產生判決錯誤。色散對脈沖的這種影響可以從眼圖中看出來：從發送端發送出來的初始脈沖比較規整，眼張開度大，經過一定長度有色散的光纖傳輸后，眼圖會呈現出色散的圖樣，眼張開度變小，脈沖形狀變壞，在誤碼測試儀上表現為誤碼率變大。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

4、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，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，從而產生時延差，引起脈沖展寬。材料色散引起的脈沖展寬與光源的光譜線寬和材料色散系數成正比，所以在系統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波長在1270nm附近。 (3)波導色散: 同一模式的相位常數隨波長而變化，即群速度隨波長而變化，由此而

5、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構所引起的。一般波導色散比材料色散小。普通石英光纖波長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。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， 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不同，從而導致這兩個

6、模式傳輸不同步，形成色散。光纖通信系統中的色散問題及其補償研究 偏振模色散通常較小，在速率不高的光纖通信系統中可以忽略不計。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的性能影響主要表現在對傳輸中繼距離和傳輸速率的限制。色散補償原理 在考慮和同時起作用的情況下，采用周期等于放大器間隔的周期色散排布，放大器用來補償每對光纖的損耗，每對放大器之間恰好有兩種光纖，這兩種光纖的和的符號分別相反，這樣使平均色散降到很小的值，當 1L+2L=0且1L+2L=0 色散得到完全補償。其中和分別是長為1L的光纖的GVD和TOD參量。 目前光傳輸系統中的色散補償，可行的色散補償方

7、法可以分為兩大類，其一是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(VIPA)、平面波導的各類色散補償器等。對與已敷設的系統，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色散補償光纖DCF 研究光纖材料、摻雜濃度、芯徑人小及結構等與色散的關系，我們得知純石英材料在1.27um從波長上不存在色散，并稱之為零色散波長。不同摻雜的石英材料可產

8、生不同的材料色散，使其零色散波長向長波長方向移動。改變光纖結構參數，如減小芯徑、不同摻雜濃度等可增大其折射率，使零色散波長移至大于1.55um波長的位置，從而在1.55um處得到較大的負色散。具有這種特性的光纖稱為色散位移光纖。光纖光柵 光纖光柵是通過在光纖或波導上刻上光柵來控制在其中的反射，從而實現光信號的延遲。如果在一個波導上采用不等間距的刻度，則可以控制不同頻率的光延時，從而實現較大帶寬上的色散補償。 （1）啁啾光纖光柵 啁啾光纖光柵是指光柵周期沿光纖方向呈周期性線性變化，這樣不同波長的光經過啁啾光柵時被反射的位置不同，從而出現了相對的時間差，即具有波長色散的特性。利用該特性可以補償光纖

9、線路中的色散，所能補償的色散量及帶寬由光柵長度和啁啾量來決定。采用啁啾光纖光柵進行色散補償的原理圖，是基于反射式的補償。光柵的光學特性主要由其長度、纖芯折射率調制強度和光柵的啁啾參數決定。對同一長度的光柵來說，啁啾量越大，反射帶寬越大，色散值越小。通過均衡考慮光柵的這幾個參數，即可得到所學的色散補償量。（2）均勻光纖光柵 與啁啾光纖光柵相對應，均勻光柵是指光柵周期沿光纖放向上是均勻的。理論上，均勻光纖光柵存在一定的反射帶寬，波長處于這一范圍內的光會被強烈放射。對于遠離反射帶隙附近的信號來說，光纖光柵同普通光纖是一樣的，然而，當波長距反射帶隙很近時（距離大約和反射帶寬具有同樣的數量級），光信號雖

10、然會通過光柵，但同時會經歷一個極強的色散，利用該色散可對光纖傳輸線路中積累的色散進行補償。虛像相位陣列法虛像相位陣列法(vPIA，Virtual Imgade Phasde Array) 是一種利用光學透鏡陣列的方法來實現色散補償的。它讓不同波長光經過的路徑長度不同來改變它們的群延時，從而產生所需要的色散。它的光學系統包括準直和會聚透鏡、玻璃板和三維反射鏡(用于產生束腰的多個虛像)。 其原理結構如圖所示。虛像的位置依賴于光傳播的距離，而距離又隨波長的不同而改變，這樣就形成了色散。通過改變三維反射鏡的形狀，可以得到正色散或負色散，而且針對每一波長，合理選擇反射鏡形狀，也可實現斜率補償。這種方法的

11、優點是可以通過圖中3 D反射鏡上下位置的移動對色散大小進行調制，實驗中的色散調節范圍為一800一+8ooPs/nm但是由于光路調節復雜，且對透鏡的制作有特殊要求，而且由于是分立光器件組成的，外界微小的震動都將產生很大的影響，因此離實用化尚存在很大距離。 中途譜反轉法（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頻譜反轉，即在傳輸鏈路的中點將信號頻譜或波長共軛反轉, 從而使第一段光纖中產生的色散積累由波長反轉后的第二段光纖中符號相反的色散抵消，實現色散補償。頻譜反轉方法的流程。圖中，圈中所示的是信號

12、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為譜反轉之后信號的復制品。頻譜反轉色散補償的方法可實現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相位匹配四波混頻，它與其他光器件集成還可用丁。全光網，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。色散補償技術的比較 （1）若采用色散補償光纖，對于區域網來說，負色散光纖方法效果較好，實施藝業不難。但對于城域網來說情況就有所不同。首先必須使兩個節點之間的總色散為零。即使用一段標準單模光纖另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

13、光網絡中必須進行功率控制以平衡整個網絡的功率，因此，負色散光纖的加入會給功率控制造成困難，對光通信質量帶來嚴重的劣化影響。（2）預啁啾技術對于局域網來說非常有效，但是對于城域網和廣域網來說它的補償距離不能滿足要求。（3）對于本地網來說，由于節點之間只有兒千米或更短的距離，如果網絡本身不是太復雜，即使傳輸速率是IOGbit/s， 也可以不必使用色散補償。如果網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，實現頻率反轉及預啁啾等技術在目前都具有一定的難度，對光源要求苛刻，實施工藝復雜，不易實現。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

14、絡，且引入的噪聲降低了系統的傳輸質量。（4）啁啾光纖光柵被業內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有的傳輸系統中，可以很方便地進行全光通信的一維集成。技術穩定性好，產品可靠性高。由于預啁啾光纖光柵是反射器件，在系統中使用時，需配以環形器方可實施。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，引入系統中不會對網絡性能產生大的影響。與前兒種方案相比，實施工藝簡單，造價亦不高，且可根據傳輸距離或所需補償量來設計、選擇器光纖通信系統中的色散問題及其補償

15、研究。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的半導體激光器發出的飛100ps的脈沖為標準，那么在理論上可以得出這樣的結論：啁啾光纖光柵可以使得系統在全光通信條件下傳輸距離擴人3個以上數舉級。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高速率、大容量、長距離的全光通信有重要意義。展望未來 高速光纖通信系統及技術的不斷發展，要求色散補償技術向著高補償效率、結構簡單、高可靠性、使用方便、易于升級和擴容、器件小型化、降低成本等方向發展。目前，光纖光柵色散補償技術已經取得了很大的進步，但是它的理論和實驗研究上仍處探索、發展階段，要求我們對現有補償方法進行完善