（通信与信息系统专业论文）动态色度色散补偿技术的研究及应用.pdf

_ 煳嘲| 1 1 1 - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ 。_ 。o o o 。_ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - i - - - _ - _ 。o o 。_ _ - _ _ - _ 叫l ，j 一 j f f fj j i f - ，w 摘要 近年来，光纤通信正以日新月异的速度发展，4 0g b i t sd w d m 以及可重构光分 插复用( r o a d m ) 系统均已进行商用。4 0g b i t sd w d m 系统的低色散容限，r o a d m 系统中由于光通道路径的改变带来的链路残余色散变化以及网络保护倒换的快速响 应等均要求采用动态色度色散补偿技术。本论文结合色度色散补偿、色散管理的基础 知识，论述了动态色度色散补偿技术的重要性，详细介绍了实现动态色度色散补偿的 关键技术。提出了在系统接收端通过对光通道在接收机处的线路纠错误码率、接收光 功率和接收端o s n r 值的联合监测来控制可调色散补偿模块动态调整的具体实现方 案。并通过实验验证了该方案的可实现性和有效性。本论文主要包括以下几个部分。 首先描述了光路由的变化，环境温度的变化，色散补偿模块补偿斜率的误差等因 素对d w d m 系统的影响，尤其对4 0g b i t sd w d m 以及可重构光分插复用( r o a d m ) 系统的影响，提出了动态色度色散补偿的必要性。介绍了色散补偿的基本概念以及 1 0g b i t s 和4 0g b i t sd w d m 系统的具体色散管理办法，对色度色散的补偿进行了全 面概括。 其次详细介绍了动态色度色散补偿的几项关键技术：动态色度色散补偿器件的研 究与应用；动态色度色散补偿系统中的色散监测技术；动态色度色散补偿的系统模型。 通过上述各种技术的介绍，使得我们对可调色散补偿模块、色散监测技术和动态色度 色散补偿的系统模型有更全面的了解。 最后通过具体实验给出了动态色度色散补偿技术实现的原理、系统模型、动 态调整的具体算法和系统验证测试方法。并通过在4 0g b i t sd w d m 系统上进行验 证测试表明本论文所提出的通过对光通道在接收机处的线路纠错误码率、接收光功 率和接收端o s n r 值的联合监测来控制可调色散补偿模块动态调整的方案是切实 可行的。 关键词：可调色散补偿；密集波分复用系统；可重构光分插复用；误码率；信噪比 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sc h a n g e dr a p i d l y ，4 0g b i t sd w d m a n dr e c o n f i g u r a b l e o p t i c a la d d & d r o ps y s t e m sh a v e b e e nc o n d u c t i n gb u s i n e s s l o w d i s p e r s i o nt o l e r a n c eo f4 0g b i t sd w d ms y s t e m ，r e s i d u a ld i s p e r s i o nc h a n g e sb yp t i c a l c h a n n e lp a t hl i n k c h a n g e so fr o a d ms y s t e m sa n dt h er a p i dd y n a m i cr e q u i r e m e n t s r e s p o n s eo fn e t w o r kp r o t e c t i o ns w i t c h i n ga r ea l ln e e dc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e i nt h i sp a p e r ，c o m b i n e dw i t hd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t b a s i ck n o w l e d g e ，d i s c u s s e st h ed y n a m i cc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y t h ei m p o r t a n c eo fi m p l e m e n t a t i o nd e t a i l so fd y n a m i cc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n o ft h ek e yt e c h n o l o g i e s p r o p o s e dr e c e i v e ri nt h es y s t e mt h r o u g ht h eo p t i c a lc h a n n e li nt h e r e c e i v e re r r o rc o r r e c t i o nc i r c u i td e p a r t m e n tb i t r a t e ，r e c e i v e o p t i c a lp o w e ra n do s n r v a l u e so ft h er e c e i v i n ge n do ft h ej o i n tm o n i t o r i n gt oc o n t r o lt h et u n a b l ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nm o d u l ed y n a m i c a l l ya d j u s tt h es p e c i f i cp r o g r a mo fe x p e r i m e n t s a n d t h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t a ld a t at ov e r i f yt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o g r a mc a na n d e f f e c t i v e n e s s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n gs e c t i o n s f i r s t l y ，d e s c r i b et h er o u t i n go fo p t i c a lc h a n g e si nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ec h a n g e s ， d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nm o d u l e ss l o p ee r r o rc o m p e n s a t i o na n do t h e rf a c t o r so nd w d m s y s t e m s ，e s p e c i a l l yf o r4 0g b i t sd w d ma n dr e c o n f i g u r a b l eo p t i c a la d d & d r o ps y s t e m s ( r o a d m ) p u tf o r w a r dt h ed y n a m i co ft h en e e df o rc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n i n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p to fd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o na n dt h es p e c i f i cd i s p e r s i o n m a n a g e m e n tm e t h o d sf o rt h e10g b i t sa n d4 0g b i t sd w d ms y s t e m ，a n dt h e ng i v ea c o m p r e h e n s i v es u m m a r y f o rc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n s e c o n d l y ，g i v ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n so fs e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sf o rt h ed y n a m i c c h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ：d y n a m i cc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s ；d y n a m i cc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns y s t e md i s p e r s i o n m o n i t o r i n gt e c h n i q u e s ；d y n a m i cc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns y s t e mm o d e l 。 t h r o u g h t h ei n t r o d u c t i o no ft h e s e t e c h n o l o g i e s ，m a k i n g o u rt u n a b l e d i s p e r s i o n 武汉邮电科学研究院硕士论文 c o m p e n s a t i o nm o d u l e ，d i s p e r s i o nm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s a n d d y n a m i c c h r o m a t i c d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns y s t e mm o d e lh a sam o r ec o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n g f i n a l l yt h ea d o p t i o no fs p e c i f i ce x p e r i m e n t sg i v ead y n a m i cc h r o m a t i cd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u et oa c h i e v et h ep r i n c i p l e s ，s y s t e mm o d e l ，t h ed y n a m i ca d j u s t m e n t o ft h es p e c i f i ca l g o r i t h ma n d s y s t e mv a l i d a t i o nt e s t i n gm e t h o d s a n da d o p t e di n4 0g b i t s d w d m s y s t e mm o d u l a t i o nc o d ef o rd i f f e r e n tt y p e so ft e s t i n g ，v a l i d a t i o no ft h ep r o g r a m i m p l e m e n t a t i o na n de f f e c t i v e n e s sm a yb et h a tp r o p o s e db yt h i sp a p e rt h r o u g ht h el i g h t c h a n n e li nt h er e c e i v e rd e p a r t m e n tl i n ee r r o rc o r r e c t i o nr a t e ，r e c e i v eo p t i c a lp o w e ra n d o s n rv a l u e so ft h er e c e i v i n ge n do ft h ej o i n tm o n i t o r i n gt oc o n t r o lt h et u n a b l ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nm o d u l ed y n a m i c a l l ya d j u s tt h ep r o g r a mi sp r a c t i c a b l e k e yw o r d s ：t d c ；d w d m ：r o a d m ；b e r ；o s n r 武汉邮电科学研究院硕士论文 第1 章绪论 近年来光纤通信正以日新月异的速度发展，由于传输容量的快速增长高速 d w d m 系统在传输网络中被运营商广泛采用。高速率、长距离、大容量、智能化是 d w d m 系统的发展目标。随着d w d m 系统中单信道速率的逐步提高，d w d m 系统 的受限已由早期的衰耗受限转变为色度色散乃至偏振模式色散受限。就d w d m 系统 的而言，人们认为光纤中的色度色散是时不变的，系统一旦配置好，就能稳定运行。 实际应用中当信号速率2 5 g b i t s 时，一般不需要色散补偿。对于1 0 g b i t s d w d m 系 统采用基于色散补偿光纤、啁啾光纤光栅等不同技术的固定色散补偿模块就可以解决 d w d m 系统的色散受限问题。而近年来随着d w d m 系统单信道信号速率的逐步提 高，网络配置的动态变化，业务开通及维护的快速需求都导致了对动态色度色散补偿 技术的需求。 1 1d w d m 网络的发展现状和趋势 随着当自i 通信网业务的主体正在由传统的t d m 业务转向i p 业务，高速d w d m 系统在传输网络中被运营商广泛采用。4 0 g b i t s d w d m 系统以及r o a d m 系统均已 进行商用。d w d m 的网络拓扑也逐步地由早期地点到点的拓扑逐步过渡到环网或网 状网的拓扑。 4 0 g b i t s d w d m 方面，运营商对4 0 g 高速传输的需求日渐迫切，尤其是承载大量 i p 流量的基础电信运营商。目前，4 0 g 传输业务需求主要来自骨干路由器高速中继电 路。a t & t 、v e r i z o n 以及n t t 等国外电信公司已经相继于2 0 0 7 年一季度和二季度完 成了将骨干网升级至4 0 g b i t s 系统的部署【i 】；国内运营商也已经启动在未来2 至3 年 内升级4 0 g b i t s 传输网络的计划，同时烽火通信在2 0 0 4 年就发布了国内首个8 0 4 0 g b i t s 系统，并于2 0 0 5 年开通上海杭州的试点工程。截至2 0 0 8 年3 月，华为、诺 基亚西门子、富士通、北电、阿尔卡特。朗讯、爱立信( 原马可尼) 、c i e n a 、n e c 等厂 商都已发布4 0 g 商用设备。根据厂商路标，具有5 0 g h z 信道间隔、1 0 0 0 公里以上超 长距传输等更高性能的设备也将陆续推出。不仅主流传输设备厂商均已推出商用设 备，而且部分厂商已经有运营商的规模商用案例，如华为在西班牙t e l e f o n i c a 、俄罗斯 武汉邮电科学研究院硕士论文 t r a n s t e l e c o m 、美国x o 等电信运营商中均有4 0 g 网络规模成功商用案例。 r o a d m 作为一种可重构的光分叉复用设备，近年来得到了业界的广泛重视，它 的主要优势体现在：可以实现纯光域组网，业务透明性好；无o e o 变换，可降低网 络成本；波长级的处理粒度，适合大颗粒业务，如1 0 g b i t s 、4 0 g b i t s 的传送：支持 灵活组网、业务调度能力；易于网络扩展，随业务扩展而逐步增加投资；易于网络规 划，适合多种网络拓扑( 链路环网网状网) ；具有灵活的远程配置功能，可降低设备 运营及维护成本；支持多种网络保护恢复功能，生存能力强；支持智能控制平面的 加载。但是它也存在一些问题，例如：它还是一个模拟传输系统，受传输距离限制( c d 、 p m d 、非线性、o s n r 等) ，无法组建大型端到端的纯光网络，由于初期的处理颗粒 即为波长，初期投资成本较高。 1 2 动态色度色散补偿的必要性 随着d w d m 系统单信道信号速率的逐步提高，网络配置的网状化，业务开通及 维护的快速需求都导致了对动态色度色散补偿技术的需求。具体原因如下： 系统的模块化设计：对于设备厂商而言，由于常规的固定式色散补偿模块型号有 限而不同工程或同一工程不同跨段的模块需求各不相同。为此，设备供应商需要库存 大量不同型号的固定色散补偿模块才能满足不同应用场合的需求。相应地如果采用可 调色散补偿模块，那么就可以减少设备供应商的固定色散补偿模块的库存备货种类， 从而实现系统的模块化设计满足快速的开通及维护需求。 光路的动态变化：近年来随着r o a d m 系统的应用以及d w d m 系统保护倒换的 需求，系统链路会发生动态变化。这样以来信号所经链路的传输距离及光纤类型都会 发生变化从而在接收端会产生不同的残余色散，因此也需要采用动态色度色散补偿技 术来调节链路残余色散，使得接收机始终保持最佳接收性能。 对于4 0 g b i v s 及以上速率的d w d m 系统进行精确补偿【l 】：色散补偿所需的精确 度随着信号比特率的提高而迅速增加。通常情况下1 0 g b i t sd w d m 系统中，可以允 许的链路残余色散约为1 0 0 0 p s n m ，如表1 1 所示对于4 0 g b i v sd w d m 系统这一数值 非常小【2 】。因此在4 0 g b i t sd w d m 系统中需要采用可调色散补偿模块，动态地实现 链路色度色散的精确补偿。 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 表1 14 0g b i t s 各种码型传输性能对比 n r zc s r zo d b n r z - p d p s kr z d q p s k b e r = 1 0 。3o s n r 灵 1 71 6 61 7 51 41 4 2 敏度( d b ) l d bo s n r 代价色 4 5 3 51 7 01 0 01 1 0 散容限范围( d b ) l d bo s n r 代价 7 59782 0 p m d 容限范围( d b ) 环境的影响：温度变化会导致色散发生变化，而这一变化会对系统产生严重影响。 在光纤中零色散波长随温度变化而变化，其变化速度为0 0 3 r i m ，相对色散变化正比 于光纤色散斜率以及温度变化。假设某段s m f 光纤长度l = 5 0 0 k m ，温度变化 t 一2 5 ，色散斜率d = 0 0 8 p s ( n m 2 k i n ) ，则温度变化导致的色散变化量a d = 3 0 p s n m 。这一色散变化量对于1 0 g b i t s 系统而言并不算大，但对于4 0 g b i t s 系统就相 当大，因为4 0 g b i t s 系统的l d b 代价容限约为6 0p s r t m 。 信号功率的变化：当发射机光输出光功率变化或系统增减波道时，系统总的入纤 光功率会发生变化。于是传输光纤中的非线性效应也会随之而变，这样一来系统的最 佳色散补偿图谱也会发生变化，这一点对于4 0 g b i t s 系统是需要进行考虑的。 不同调制码型的应用：在4 0 g b i t s 系统各设备制造商会采用不同的调制码型，即 便同一设备制造商也会提供多种调制码型以满足不同应用场合需求。如图1 1 所示在 l d bo s n r 代价下4 0 g b i t s 系统中的n r z 、c s r z 、o d b 、d p s k 、d q p s k 等码型的 最佳接收残余色散范围均不相同，因此也会应用到可调色散补偿模块。 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 。d _ _ ， 鑫 g 叱 z o 一一r z o q p s k v nr z p d p s k p 一一o d b 、； ” ； 一一c s r z ； 卜 一- 一n r z 隧 ，一 。 y 厂 f 一 ，二j ：；lt i 、 v 毒l | j 1 兰声j |l f， n 、_ | l 弋! 走静 一 、l x 卜、j 厶 _ ： 群速度色散( p 彰n m ) 图1 14 0 g b i t sd w d m 系统中各种不同码型色散容限示意图 1 3 本课题研究的目的及意义 本课题研究目的是为了通过对基于不同技术方案实现的可调色散补偿技术和基 于各种不同原理的色散监测方法的对比分析，提出可行的动态色度色散补偿方案并通 过实验加以验证。通过详细的比较和具体的实现方案，为在高速d w d m 系统中实现 动态色度色散补偿提供理论依据和参考模型，这些对于d w d m 系统工程来说是具有 十分重要的指导意义的。此外本文对色散的基础知识以及d w d m 系统中的色散补偿 及管理也做了总结和概括，这些对于解决高速d w d m 系统中地色度色散补偿是非常 重要的。 1 4 本课题主要内容及创新点 本文首先描述了光路由的变化，环境温度的变化，色散补偿模块补偿斜率的误差， 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 等因素对d w d m 系统的影响，尤其对4 0g b i t sd w d m 以及可重构光分插复用 ( r o a d m ) 系统的影响，提出了动态色度色散补偿的必要性。介绍了色散补偿的基 本概念以及1 0g b i t s 和4 0g b i t sd w d m 系统的具体色散管理办法，对色度色散的 补偿进行了全面概括。其次详细介绍了实现动态色度色散补偿的几项关键技术：动态 色度色散补偿器件的研究与应用；动态色度色散补偿系统中的色散监测技术：动态色 度色散补偿的系统模型。通过上述各种技术的介绍，使得我们对可调色散补偿模块、 色散监测技术和动态色度色散补偿的系统模型有更全面的了解。最后通过具体实验给 出了动态色度色散补偿技术实现的原理、系统模型、动态调整的具体算法和系统验证 测试方法。并通过在1 0g b i t s 和4 0g b i t sd w d m 系统上针对不同调制码型的测试， 验证了本方案的可实现性和有效性。 本文的主要创新性成果，在于通过对各种可调色散补偿技术以及色散监控技术进 行比较和总结，提出了通过对光通道在接收机处的线路纠错误码率、接收光功率和接 收端o s n r 值的联合监测来控制可调色散补偿模块动态调整的方案，并通过系统实 验对该方案进行了验证。 5 武汉邮电科学研究院硕+ 论文 第2 章d w d m 系统中色度色散的影响及补偿 2 1 色度色散的基本概念 在任何非真空介质及波导结构中，不同频率的电磁波其传输速率也不同，这就是 色散的本质。光纤色散就是由材料的折射率和波导的传输参数都与频率相关的这一特 性产生的。光纤的色散包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散仅存在于多模 光纤中，是由于不同模式的传输时延不同而形成的。在单模光纤中，色散主要由材料 色散和波导色散组成，它们统称为色度色散，是由于在光纤中传输的不同频率成分的 光的传输时延不同而产生的一种物理效应【3 1 。 色度色散除了与光纤的类型、性能、长度有关外，还与光源的谱宽有关。任何经 过调制的数据都不是零谱宽，而是具有本征的带宽，其频率的跨度大约和比特率自身 的量级相当。调制数据的这些不同频谱成分在光纤中以不同速率传输，因此色散的存 在将导致在光载波上进行强度调制得数字信号脉冲展宽，进而限制了在光纤上的最大 传输速率。 色度色散是个累积效应，其影响随传输距离而线性增加，随数据速率呈平方关系 增长。色散与数据速率的平方相关性来自两个效应，首先数据速率的倍增会引起信号 频谱的倍增，于是色散效应也倍增，其次数据速率的倍增使得数据脉冲在时域上只有 以前的一般，因而系统对色散引起的时域展宽加倍敏感。更宽的频谱与更短的脉冲宽 度相结合，带来了整体的平方效应。色散通常用每公里传输距离、每纳米信号频谱上 延迟皮秒数 p s ( m k m ) 】来描述。 一般认为当脉冲扩展等于比特时长的时候，数据传送的距离达到最大值。对于比 特周期b ，色散值d 和谱宽九，色散受限距离由式2 1 给出。 l - 矗面咕 ( 2 1 ) 以标准单模光纤为例，在1 5 5 0 m 波长处其色散系数d = 1 7p s ( i 吼k m ) ，对于 1 0 g b w s 的数据，在出现明显功率代价前的最大传输距离l d = 5 2 m 。更精确的计算 6 武汉邮电科学研究院硕十论文 表明在色散导致的功率代价小于l d b 时该距离为6 0k m 。无色散补偿时色散导致的功 率代价随距离呈指数增长关系，因此要保持良好的信号质量就必须进行色散补偿。 2 2 固定色散补偿 目前在1 0g b i t s 及1 0g b i t s 以下速率d w d m 系统中均采用固定方式的色散补 偿。在4 0g b i t sd w d m 系统中线路光纤的色散也主要采用固定色散补偿方式进行补 偿，残余的比较小的色散量才采用了可调色散补偿技术进行补偿。工程中常见的固定 式色散补偿主要采用基于色散补偿光纤的色散补偿模块。由于写光栅工艺的改进目前 已有采用啁啾布拉格光栅构成的连续型的多信道色散补偿模块进行商用，而且该类型 模块插入损耗小，对系统的非线性影响也较弱，因此应用前景比较广泛。 2 2 1 色散补偿光纤 利用色散补偿光纤( d c f ) 制作而成的色散补偿模块( d c m ) 是当前d w d m 系 统中常见的色散补偿方式。色散补偿光纤具有负的色散值来补偿常规单模光纤的正色 散，使时延接近为一固定值，保持光波形不展宽。 单模d c f 在1 5 5 0 n m 波长附近具有较大的负色散，用这种光纤与常规单模光纤 串接组成传输线路，可以补偿常规单模光纤在该光波长处的诈色散，以延长传输距离。 为了获得显著的补偿效果，d c f 与常规单模光纤长度的选择应该符合式2 2 要求【4 j 。 d ( k ) l + d 。( k ) l 。= o ( 2 2 ) 其中d ( k ) 和d 。( k ) 分别为常规单模光纤和d c f 在工作波长入。的色散系数，l 和l c 分别为常规单模光纤和d c f 的长度。 d c f 光纤的纤芯直径通常比标准单模光纤小很多( 标准单模光纤一般为9 u m ， d c f 光纤一般为4 u m ) ，但同等长度的d c f 色散值一般为标准单模光纤的5 1 0 倍。 但d c f 的比标准单模光纤的衰耗系数大。 d c f 的主要特性是色散特性和传输损耗特性，此外还有d c f 和常规单模光纤的 7 武汉邮电科学研究院硕十论文 连接损耗以及d c f 的弯曲损耗。 对于色散特性，除了1 5 5 0 n m 波长处的色散系数d 。外，还包括色散和波长关系 曲线的斜率s 。从色散补偿效果来说，要求d c f 的色散系数越大越好，但要求色散 斜率满足式2 3 。 sd 一= 一 i s 。ii d 。i ( 2 3 ) 以便在较宽的波长范围内，尤其在1 5 3 0 一1 5 6 0 n m 波长范围内进行有效的色散补偿。 式中d 和s 分别为常规单模光纤的色散参量和色散斜率。 对于传输损耗的特性，为了使d c f 获得较大的负色散，需增加纤芯的相对折射率 差，这样在纤芯内大量的惨杂会额外地增加散射损耗，因此d c f 的衰减系数一般较 大。采用d c f 进行色散补偿时回引入较大的线路附加损耗，进而影响信号的传输质 量。 因此在选用d c f 时必须兼顾色散系数和衰耗系数这两个参数。为了直接比较不同 类型的d c f 特征，式2 4 中定义了d c f 的品质因数( f o m ) 。 酬= 剧 ( 2 4 ) 式中d c 和口。分别为d c f 的色散系数和衰减系数。显然在满足色散补偿条件下d c f 的品质因数越高越好。 2 2 2 啁啾布拉格光纤光栅 由于光纤布拉格光栅( f b g ) 损耗低、封装尺寸小和光学非线性弱，它正成为一 种有力的色散补偿技术。f b g 由逐段的单模光纤组成，各段纤芯的折射率沿光纤长 度方向呈现周期性变化。对于在纤芯种传播的特定波长的光信号，如果折射率的空间 周期符合布拉格条件，那么此周期性结构对光信号就起到了镜面反射的作用。按照 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 f b g 折射率变化周期是恒定的还是渐变的可以将其分为均匀光纤布拉格光栅 ( u f b g ) 和啁啾光纤布拉格光栅( c f b g ) 。两种f b g 的区别在于：u f b g 的反射 谱较窄，只能反射单一频率的光信号；而c f b g 的反射谱较宽，可以反射多个频率的 光信号，并且各个频率分量的时延差不同。根据两种光栅的不同特性，u f b g 多用于 光滤波，c f b g 则用于色散补偿【5 】。 在啁啾光纤光栅中，不同频率的光在光纤光栅上的不同位置处达到布拉格条件， 从而可以通过设计啁啾分布，控制不同的光频率分量在光栅中的往返时延，利用光纤 光栅中的传输时延抵消传输光纤的群时延。由于群速度色散的作用，输入到啁啾光纤 光栅的光脉冲中的短波长分量( 高频分量) 群速度高，经过光纤传输以后位于脉冲的 前沿，而长波长分量位于脉冲的后沿，造成光脉冲的展宽。输入光脉冲经过三端口的 光环形器后进入啁啾光纤光栅，长波长分量在光栅的起始端就被反射，而短波长分量 在光栅的末端才被反射，于是就补偿了群速度色散效应，使输出脉冲宽度被压缩，甚 至还原。 2 3 色散管理 在d w d m 系统中由于色度色散的存在可以有效地抑制交叉相位调制( x p m ) 和 四波混频( f w m ) 等非线性效应，而在接收端较小地累积色散可以保持较好的脉冲 形状，减小信号的码间干扰( i s i ) 。群速度色散和信号功率沿光纤链路的变化与传输 光纤的类型、d c m 和光放大器的相对位置等因素有关，研究群速度色散以及信号功 率在光纤链路上的分布以便使系统性能达到最佳的技术称之为色散管理。 2 3 1 色散管理的目标 色散管理技术在很大程度上解决了光纤色度色散对信号传输的限制，同时也有效 地避免了波分复用的光信号在传输过程中可能产生的严重四波混频( f w m ) 效应。色散 管理技术的基本思想是在通信链路中交替使用工作于负色散区的标准单模光纤和工 作于正色散区的的色散补偿光纤，这样每段光纤的g v d 都足够大，以至于可以忽略 f w m 效应。与此同时，光脉冲又可以通过周期性的展宽和压缩使其得到一定程度的 恢复，甚至是完全回复，从而获得稳定的传输。 9 一 武汉邮电科学研究院硕士论文 二- 对色散进行控制的关键在于对其进行管理而不是消除它。零色散是不适用于实际 的d w d m 传输的，而累积色散最终会限制系统性能。通常的方案是创建一个色散图 样，传输链路的设计者可以改变器件产生的正的或负的色散。如图2 1 所示，正色散 传输光纤和负色散补偿元件交替使用，从而将链路末端的残余色散值控制到合理范围 内。总之，色散管理的目标是在光纤的任一点上色散都不为零，从而有效地消除f w m 和x p m ，但在链路末端的残余色散值控制到合理范围内，从而保证接收机的最佳性 能。 ! 筌孓、众一二：公： u 一一一一一 距离 图2 1 色散管理示意图 2 3 31 0 g b i t sd w d m 系统的色散管理 目前在1 0g b i t sd w d m 系统中多采用固定色散补偿的方式来解决传输过程中色 度色散对光脉冲信号的影响。固定色散补偿一般采用色散补偿光纤或啁啾布拉格光纤 光栅来实现。基于上述技术的色散补偿模块一般根据系统设计的需要以及工程可实现 性等因素，分布放置在链路各个跨段中。 如图2 2 所示，在1 0g b i t sd w d m 系统实际应用中一般采用d c m 模块来进行 色散补偿，d c m 模块可根据系统需求放置在发送端、接收端、或线路中间。常见的 方式是将d c m 模块放置于两级e d f a 之间，这样做有几个好处： 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 图2 2 采用固定补偿方式的d w d m 系统示意图 ( 1 ) 在放大器处方便光纤连接。 ( 2 ) d c f 插损较大，前级配置放大器有助于光功率提升。 ( 3 ) d c f 的有效面积较小，非线性高，应限制其最大入射光功率。将d c m 置 于两级放大器之间既可以保证链路的o s n r 值下降较慢又避免大功率注入d c m 引起 较大非线性效应。 2 3 44 0 g b i t sd w d m 系统的色散管理 随着数据业务的急速增长对传输带宽的要求越来越大，4 0g b i t sd w d m 系统已 逐步开始应用于传输网络中。众所周知4 0g b i t sd w d m 系统的色散容限约为1 0 g b i v sd w d m 系统的1 1 6 ，尽管4 0g b i t sd w d m 系统目前存在多种码型调制方式， 但由于受到技术成熟度、成本可行性等因素的影响，目前比较成熟的n r z 、o d b 、 d p s k 等码型的色散容限均不是很高。由表1 可见在常见的4 0g b i t sd w d m 调制码 型中引起l d bo s n r 代价下最大的色散容限为+ - 1 1 0 p s n m 。实际系统应用中若只采 用固定色散补偿方式的话，由于常规色散补偿模块的色散系数与色散斜率不能与光纤 完全一致，经过一段长度的光纤传输后在系统接收端的残余色散很容易超出系统的色 散容限；此外线路的保护倒换、环境温度的变化等均会引起链路残余色散的变化。因 此为保证系统的稳定运行，可调色散补偿器的应用在4 0g b i t sd w d m 系统中显得尤 为重要。 如图2 3 所示，目前4 0g b i t sd w d m 系统的色散补偿一般采用固定色散补偿加 可调色散补偿的方式【6 l 。固定色散补偿一般采用色散补偿模块对传输线路的色散进行 大致地补偿。可调色散补偿器一般位于系统接收端，采用基于单通道精确色散补偿方 武汉邮电科学研究院硕士论文 式进行。通常情况下可调色散补偿器既可独立地看作一个工作单元，也可与接收机集 成在一起。 图2 34 0 l b i t sd w d m 系统中的典型色散补偿方式 根据图2 3 所示在4 0g b i t sd w d m 系统接收侧从o d u 进行特定波长光信号解 复用后，每路特定波长均通过一个可调色散补偿器。通常情况下可调色散补偿器的动 态补偿范围在负的几百个p s n m k m 到正的几百个p s n m k m 之间。当系统接收端的 链路残余色散超出接收机的最佳容忍范围时，便可通过网管对可调色散补偿器的预设 值进行重新设置。目前已有不少厂家在4 0g b i t sd w d m 系统中开始将可调色散补偿 器与光转发单元的接收机集成起来，以便实现可调色散补偿器的动态自适应调整。例 如通过对应接收机的线路误码率、纠错量等信息采用一定算法来对可调色散补偿器实 现闭环控制。采用动态自适应的可调色散补偿技术，将使得整个系统更加稳定，接收 机的性能始终保持最优化。 1 2 武汉邮电科! 学研究院硕十论文 第3 章动态色度色散补偿的关键技术 动态色度色散补偿的目标是能够在不需要人为干预的情况下，结合软件及硬件技 术采用一定算法能够动态、自适应地对d w d m 系统接收端的残余色散进行调整。动 态色度色散补偿技术的实现有赖于可调色散补偿技术以及色散监测技术的研究及发 展。研究可调色散补偿技术的目的是实现色度色散的调整，而通过研究色散监测技术 则可以实现色度色散的动态自适应调整。为了规范和促进动念色度色散补偿技术的发 展i t u t 专门出台了相关标准：t - r e c g 6 6 7 ，该标准对动态色度色散补偿的原理以 及系统实现模型进行了详细介绍，对动念色度色散补偿系统的实现具有指导和参考意 义。 3 1 可调色散补偿技术 可调色散补偿技术有多种实现方案，目前已有基于啁啾布拉格光纤光栅刀、g t ( g i r e s t o u m o i s ) 标准具干涉技术【8 】、虚拟成像相位阵列( v i p a ) 、m e m s ( 微电子 机械系统) 【9 】技术、p l c ( 平面光波导回路) 环形共振腔技术【1 0 】等多种实现方式，常 用的实现方式有啁啾布拉格光纤光栅、g t ( g i r e s t o u m o i s ) 标准具干涉技术、虚拟 成像相位阵列( v i p a ) 三种。 3 1 1 啁啾布拉格光纤光栅 啁啾布拉格光纤光栅是通过施加温度变化或机械应力，改变沿光纤轴向的光栅周 期、平均折射率或者同时改变两者来实现色散补偿。温度变化和机械应力将导致啁啾 光纤光栅响应波长的漂移，漂移量由式3 1 给出。 a l r l = a + ( d n n d t ) a t + e 0 5 n 2 e n e p 1 2 p ( p l l + p 1 2 ) 】)( 3 1 ) 从上式可以看到，自仃一项为温度对光栅的扰动，其大小与光纤材料的热膨胀系数 a 、温度变化t 相关；后一项为机械应力对光栅的扰动，其大小与外加机械应力、 光弹张量p i j 有关。由于在啁啾光纤光栅中不同波长的入射光在啁啾光纤光栅不同位 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 置上反射并具有不同时延，波长的漂移导致了相应时延的变化，因此利用光纤随机械 应力和温度变化呈现的波长漂移特性可实现啁啾光纤光栅的动态调谐功能。与色散补 偿光纤相比，啁啾光纤光栅具有色散补偿量大，与光纤兼容性好，插入损耗小，结构 紧凑等优势。 施加温度变化的方式是采用镀膜技术在啁啾光纤光栅外层制备一个光纤分布式 加热器，当金属膜两端通上电流时，啁啾光纤光栅在长度方向产生近似分布的温度梯 度场，啁啾光纤光栅布拉格波长随通电电流发生漂移。而施加机械应力的方式通常有 有悬臂梁、电磁拉伸、侧应力挤压等几种方式，机械应力对啁啾光纤光栅的扰动要比 温度对啁啾光纤光栅的扰动明显，因而应力调谐方式的调谐范围大，响应速度快。如 图3 1 所示，目前由于采用温度调节的方式较之应力调节方式具备温度控制电压小、 结构紧凑、制备简单等优点，因而实际应用中主要采用基于f b g 技术的温度调节型的 可调色散补偿模块。而采用应力调节技术的模块可实现斜率可调色散补偿，目前各厂 家正在积极研究中。 图3 1 基于f b g 技术的可调色散补偿模块示意图 3 1 2g t ( g i r e s t o u r n o i s ) 标准具 基于g t 标准具干涉技术的可调色散补偿模块，利用多腔标准具在一个特定的带 宽上具有线性变化的色散，来实现可调色散补偿。如图3 2 所示，利用该技术制作的 可调色散补偿模块通常由两个标准具构成，标准具a 被设计成负色散斜率，而标准 具b 色散斜率是正的。二者的色散斜率要么相同，要么呈简单的比例关系，当标准 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 具a 和标准具b 的谱线发生相对移动时，就可以达到调节色散的目的同时在一定区域 内得到一个恒定的色散值。色散值的大小由两个标准具的相对偏移来决定。 e t a l o na f v e t a l o nb f i | l v 图3 2 基于标准具技术的可调色散补偿模块示意图 3 1 3 虚拟成像相位阵列 虚拟成像相位阵列( v i p a ) 主要利用光信号的角度色散特性。光信号从光纤端 面出射后，经准直透镜、半柱面镜会聚到镜面玻璃板上。在镜面玻璃板后，由会聚镜 和反射镜面组成回路系统使得不同波长的光按不同路径返回。波长较短的光色散角度 偏上，走的光程长，波长较长的光色散角度偏下，走的光程短，这样正好补偿常规光 纤的正色散。 如图3 3 所示，v i p a 模块中安装有固定的透镜、可调整的3 d 反射镜和镀膜的玻 璃平板。该模块的色散可以通过如下几种方式进行调节。第一，通过在同一光传输平 面上向与玻璃板相反的方向移动反射镜和会聚透镜，可以改变相对时延的大小。第二， 通过改变镜面曲线可以改变色散，使用一只三维反射镜，其镜面曲线沿与传输光束垂 直的方向变化，在垂直于传输光束的平面内平移此反射镜就可以改变色散。而且通过 镜面曲线的凹凸调整可以实现色散值的正负调整。 1 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 图3 3 基于v i p a 技术的可调色散补偿模块示意图 v i p a