光传输系统中色度色散的计算-

1、 光传输系统中色度色散的计算潘倩微(佛山电力设计院,广东佛山528200Jun.10,20100通信与网络技术的突飞猛进,不仅在许多应用领域刺激了人们对高新技术需求的渴望,而且正在深层次上转变人们的思想观念,尤其在电力专网上,近年来,通信网络所传送的业务由原来单一的话音通信发展到现在的承载保护、安稳、办公自动化、会议电视、远动等信息。因此,电力光纤传输网也必须由早期的155Mbit/s 速率向10Gbit/s 的速率发展。不同传输速率、不同传输距离和不同层次网络需要选用不同性能的传输光纤。例如,承担国家级核心网高速率、大容量和远距离传输的反之,在城域网中担当多种速率、多种业务大容量和短距离传输

2、的CWDM 系统应该选用G.652C 或G.652D 光纤。因此,不同的系统需要使用不同性能的光纤,由此也决定了整个系统的传输性能。1电力二级光传输网的结构形式广东省电力二级光传输网络采用分层分区的形式构成高速层和骨干层,网络覆盖省通信中心、21个地调、所有500kV 变电站,以及少量的220kV变电站和部分省调电厂,主要采用华为、马可尼等传输设备组网,用于提供跨地区的省调业务通道;各地区的三级通信网基本形成以220kV 变电站2色散分析2.1色散的概念色散分为色度色散与偏振色散两大类,文章重点讨论色度色散的问题。在实际应用中,各种色散以复杂的关系结合在一起,共同决定了光纤色度色散的大小。所谓

3、色度色散是指入射到光纤的光脉冲经光纤传输以后,出射端光脉冲将发生时间展宽的现象。色度色散按产生原因的不同,又可以分为:模式色散(模间色散、材料色散、波导色散和偏振色散。后两者都与光波长有关,所以又统称为“波长色散”或“模内色散”。1模式色散:多模光纤中,不同模式之间群速率不同而产生的色散。对单模光纤来说,因为光纤尺寸可以同光波长相比拟,所以光纤只允许一种模式在其中传播,不存在模式色散的问题。2材料色散:由于光纤材料折射率随光波长(频率而变引起的色散。3波导色散:光纤某一模式对不同波长群速率不同、传播常数不同而产生的色散。54··4偏振色散:单模光纤中,由于光纤双折射使两个正

4、交偏振模HE x11和HE y11产生时延差而出现的色散。模式色散仅存在于多模光纤中,比材料色散与波导色散之和还要高几十倍,所以在多模光纤中其材料色散与波导色散可以忽略不计。单模光纤因基本上不存在模式色散,其色度色散主要由材料色散、波导色散构成,所以适合于进行大容量传输。2.2相关参数指标光口的色散受限距离指标不仅与光源本身的调制方式有关,还与光纤的型号类型有关。2.3设备光源的调制方式在光纤通信中为了使光源器件发出与信息电脉冲相应的光脉冲流,需要对光源发出的光波进行调制。目前,半导体激光器信号的调制方式有直接调制和外调制2种。直接调制方式就是用电脉冲信号直接去改变光源的工作电流,从而使光源器

5、件发出与电脉冲信号相应的光脉冲:即在数字电信号为“1”的瞬间,光发送机采用一个“传号”光脉冲;在数字为“0”的瞬间,光发送机不发光即为“空号”。外调制方式就是让光源连续发光,在其外部用电信号间接地控制光源所发出的光,从而获得与电脉冲信号相对应的光脉冲流。当传输速率很高时,采用直接调制方式会出现“啁啾”现象,最后导致光源的发射波长发生偏移,严重的影响系统的性能。所以,直接调制方式一般用于2.5Gbit/s以下低速级别光口中。外调制方式需要调制器,激光器在直流状态下工作,具备无激光啁啾、低色散失真、大消光比、高速率等优点。但成本较高,生产难度大,尤其适合于2.5Gbit/s及以上高速率级别光口中。

6、3受限距离的计算设备光源的色散受限距离主要与光源的调制方式有关,可以根据相关公式进行计算。3.1直接调制方式下色散受限距离的计算对于2.5Gbit/s速率以下系统,其光口大多采用直接调制方式。可以使用如下的色散受限公式计算色散受限距离L(×1012/×B×D(1式中为光脉冲的相对展宽值;为光源器件的根均方谱宽,单位为nm;B为系统的传输速率,单位为bit/s;D(为色散系数,单位为ps/nm·km。由上式可知,速率越高,受限距离越短。以2.5Gbit/s为例进行计算,得出色散受限距离为:L (L16.2=(0.491×1012/(0.75/6.

7、07×2500×106×17= 93km,大于L16.2的衰耗距离82km,不是色散受限系统。可见采用直接调制方式的光源,其色散受限距离均大于衰耗受限距离,因此在实际工程设计中可以不予考虑。3.2外调制方式时色散受限距离的计算对于2.5Gbit/s及以上速率系统,大多采用外调制方式。可使用如下的色散受限计算公式得出色散受限距离L=光源色散容限/D(2对于2.5Gbit/s速率的传输系统,由于目前的生产工艺水平已经达到11000ps/nm的色散容限值。以G.652光纤的色散系数为17ps/nm·km来计算,其受限距离可以达到640km。因此,在实际应用中,

8、只需采用对应色散容限要求的单板即可,无需对2.5Gbit/s速率的光口进行色散的补偿。·技术研究·潘倩微光传输系统中色度色散的计算55··对于传输速率为10Gbit/s的系统,目前各厂家仅能提供最大2000ps/nm左右的色散容限值,以G.652光纤的色散系数为17ps/nm·km来计算,传输受限距离在100km左右,小于在实际应用中遇到的长距离传输的长度,因此,需要根据光缆的长度计算色散损耗,进行色散补偿。4色度色散的补偿技术光纤色散大大限制了高速光纤通信系统传输的距离,故对高速光纤通信系统进行的色散补偿变得十分必要。目前色散补偿技术主要有光

9、纤型色散补偿技术和光栅型色散补偿技术。4.1光纤型色散补偿技术色散补偿光纤(DCF,Fispersion Compensating Fiber是一种特制的光纤,其色度色散为负值,恰好与G.652光纤相反,可以抵消G.652常规色散的影响。在实际应用中一般采用DCF基本模块,其色散值约为-340ps/nm,按G.652光纤的色散系数17ps/nm·km计算,每个DCF基本模块可以补偿20km的传输距离,DCF基本模块可以根据需要进行组合,成为更长距离的色散补偿模块(DCM,Dispersion Compensating Module,其补偿距离为20km的整数倍。但DCF有较大的插损(

10、每个DCF基本模块的插损约3dB,需要利用光放大器的多余增益来补偿。比如光迅科技公司的光纤型DCM,色散补偿量有340,670,1000,1340,1680ps/nm等多种规格,分别对应20,40,60,80,100km的补偿距离。对应的插入损耗分别为3,4.5,5.5,7,8dB。4.2光栅型色散补偿技术色散补偿光栅(DCG,Dispersion Compensat-ing Grating是近年来发展起来的色散补偿技术,其基本原理是:使群速率高的谱分量多绕一段距离,群速率低(传播得慢的谱分量少经过一段距离,从而使得反射后到达对端的时间相等,就抵消了由于时延造成的色散效应。其优点有色散补偿量大

11、、体积小、插损小、成本低、不受光纤非线性效应的影响等。华为公司将此技术直接集成到设备板卡上,可以将板卡插在设备的业务槽位里。啁啾光栅色散补偿板目前有800,1020,1360ps/nm三种规格,其标称补偿距离分别为40,60,80km,对应的插入损耗均为3dB。再如光迅科技公司的光纤光栅型色散补偿模块(DCM-FG,可以安装在17寸标准机柜中,其模块型号有680,1020,1360, 1700ps/nm等补偿量,分别对应20,40,60,80, 100km的补偿距离。其模块由光纤光栅和环形器或者耦合器组成,采用环形器时插损为3.5dB,采用耦合器时插损为8dB。4.3其他色散补偿方式目前,部分

12、生产厂商将波长转换技术、色散补偿技术融合在一起,组成了独立的宽谱放大设备,在电网中也得到了广泛应用。如光迅科技公司提供的RT-EDFA-BA设备,其接收波长涵盖了1100 1650nm等窗口,允许输入的传输速率也覆盖了从155Mbit/s到2.5Gbit/s的较大范围。通过内部的色散补偿模块I(包括3种型号80,150,360km和放大板、预放大板等将传输信号拉远。输出端波长统一调整为1550nm。这给设备厂商的组网提供了更多的技术选择。5色散补偿量的计算色散受限系统的问题可以通过色散补偿技术加以解决,色散补偿量的大小,可以通过如下公式计算得出色散补偿量=L×D(-光板色散受限量+调

13、整量(3式中L为传输距离,换算成G.652光缆的长度。L=L1(G.652光缆的长度+L2(G.655光缆的长度×4/17(4对于调整量的大小,应当视具体线路长度、补偿技术而定,但是为了提供简单统一的计算模型,可以将调整量控制在一个定值。在电网实际应用中,单跨度传输距离一般不超过200km。而各厂家提供的长距离光源色散容量均大于800ps/nm(40km,需要色散补偿的距离就在0160km之间。考虑到色散补偿模块的补偿量最大具有10%的偏差(即最大有160×10%=±16km的偏差,所以,必须对这部分偏差再次进行补偿。而这部分补偿的模块还会存在偏差,因此,可以按照

14、补偿距离长度的15%作为色散的补电力系统通信2010,31(212 56··偿冗余量(即160×15%=24km 或408ps/nm 。这样,色散补偿量的大小就可以控制在840km 之间,而光源只需要承担032km 的正色散偏差即可,完全符合厂家光源色散容量的要求。针对电网的实际情况,推荐色散补偿距离的计算方法为色散补偿量=传输距离×D (-光板色散容限+408ps/nm (24km (56设计实例某新建变电站,通信线路容量为10Gbit/s 速率系统,设备提供厂家的外调制光源色散容限为800ps/nm ,光缆线路总长度108km ,其中G.652光缆长

15、度95km ,G.655光缆长度13km 。光缆对应的色散系数分别为17,4ps/nm ·km 。下面考虑如何进行色度色散的补偿。首先,将混合光缆的长度换算成G.652光缆的长度L =95+13×4/17=95+3=98km ;其次,计算需要色散补偿的量色散补偿量=98×17-800+408=1274ps/nm (即75km ;最后,计算出需要增加的色散补偿模块。对于1274ps/nm ,取整1360ps/nm (即80km 。因此,对于该项目,可以配置1360ps/nm 的光纤型色散补偿模块1个,也可以配置1360ps/nm 的光栅型色散补偿模块1个。7结束语文

16、章介绍了光传输中色散的基本概念以及色散补偿技术,着重对色度色散作出分析。结合广东省现有传输设备各厂家提供的参数,参照市场上提供的色散补偿产品,依据相关的计算理论,经过实际测试、验算后形成了色度色散简单、统一的计算模型公式,为设计人员提供了可行的计算依据。参考文献1胡先志.构建高速通信光网络关键技术M.北京:电子工业出版社,2008.2孙雨南,王茜倩,伍剑,等.光纤技术:理论基础与应用.北京:北京理工大学出版社,2006.(ZL 潘倩微(1963,女,广东佛山人,工程师,从事光传输技术应用研究。(收稿日期:2010-01-12Calculation of chromatic dispersion

17、 in optical transmission systemPAN Qian -wei(Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Foshan 528200,China Abstract:After years of construction and development,Guangdong power communication network has become a full optical fiber communication network composed of one provincial and 21city -level tran

18、smission networks.Along with the rapid development of power grid,higher transmission speed and longer transmission distance are required.So how to use existing resources to configure the optical equipment and provide high quality transmission signals is the facing problem.This paper discusses the disper