光纤通信系统中色散补偿技术

1、光纤通信系统中色散补偿技术蒋玉兰（浙江华达集团富阳，31 1400）【摘要】本文叙述了光通信系统中一个重要的参数一色散，以及G65光纤通信系统的色散补偿技术。文章还详细说明了各种补偿技术原理，并比较其优 缺点。最后强调说明色散补偿就是用来补偿光纤线路色散和非线性失真的技术。1概述光纤通信的发展方向是高速率、大容量。它从PDH 8 Mb/s, 34Mb/s,140Mb/s, 565Mb/s发展到SDH 155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s，10Gb/s。现在又进展为波分复用 WDM、密集型 波分复用 DWDM。同时，光纤的结构从 G652、G653、G654，发展到 G655，以及 G

2、652C 类。光纤的技术指标很多，其中色散是其主要的技术指标之一。色散就是指不同颜色（不同频率）的光在光纤中传输时，由于具有不同的传播速度而相互 分离。单模光纤主要色散是群时延色散，即波导色散和材料色散。这些色散都会导致光 脉冲展宽，导致信号传输时的畸变和接收误码率的增大。对于新建工程新敷设高速率或 WDM 光缆线路，可以采用非零色散位移光纤 （NZ-DCF），ITU 一 T将这种光纤定名为 G655。G655光纤在1 550 nm 处有非零色散，但 数值很小（0.110.0pb/nm km ）。其色散值可以是正，也可以是负。若采用色散管理技术， 可以在很长距离上消除色散的积累。同时，对WDM

3、系统的四波混频现象也可压得很低，有利于抑制非线性效应的影响。自从光纤通信商用开始，至今 20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤 （G652）的 光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm km的色散，成为影响中继距离的主要 因素。所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题。光纤色散产生的因素有：材料色散、波导色散、模式色散等等。但主要是前面两项因素 引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。2光纤色散述语色散：光源光谱组成中的不同波长的不同群速度在一根光纤中传输所引起的光脉冲展宽。材料色散:因折射率随光的波长不同呈非线性，

4、所以产生材料色散。由单模光纤的纤芯和 包层材料所引起的色散，考虑到光纤的弱导条件（ 1），可以忽略纤芯与包层之间色散特性的差别，则简化为材料色散。波导色散:单模光纤中光场主要分布在光纤的纤芯中，也有部分光场分布在包层中。因为 纤芯和包层的折射率不同， 因而光波在纤芯和包层中的相速度不一样。光波传输的群速度则是光波在光纤和包层中按能量 （光强）分布的速度加权平均值。不同波长的光波在纤芯和包层 上有不同的速度 V值和传播常数，以及不同的能量分布。因此，不同波长的光波在光纤中 的群速度也不同，这就构成了波导色散。模式色散:由于在单个频率处每个模式的群时延具有不同的数值而引起的色散。3光纤色散导致光脉

5、冲展宽分析光信号在光纤中传输由于光纤色散导致光脉冲展宽的理论分析如下 入射光场的归一化振幅为高斯函数分布。T) -则人射光脉冲的形状为（参见图1）第-步；求人射光脉冲的宽度、便于与厦宽后的脉宽柞叱较半极大值处的半宽度石（参见图I）3I/(0,0)I3ex二半就大值的全宽度%/ln 2 7=1.665Td4色散补偿技术光纤色散补偿是一项新的技术，需要认真研讨和试验。这里提出几种方法进行探讨：4.1负色散光纤补偿法DCF是一种有负色散系数的光纤，D= 90ps(nm km)。若在CSMF中接人足够长度的DCF，可使总的色散值控制在系统容限以内，如图3所示。原则上DCF可放在线路的任何位置，但在发送

6、端应放在光放大器之前，因为若放在光 放大器之后，高功率光信号在以二F中会引起非线性，不仅减弱 DCF的补偿作用，还会严重影响系统的性能。从应用的角度要求 DCF的负色散系数愈大愈好，同时插人衰减越小越好。通常插人的DCF长度是需要补偿 CSMF的20%左右。与其他色散补偿措施相比。 DCF技术要相对成熟， 但其插人衰减较大，约为 CSMF的5倍，须用光放大器补偿。利用DCF技术与EDFA光放大器，1 obit实验记录可达2 245km。但DCF的成本昂贵，约为 CSMF的1020倍，短期内 难以大量推广应用。42光相位共続OPC或中间频谱反转（胡却）技术在光纤中堆威的中何插人段DSF作为非线性

7、器件.当光苗号通过时会产生相 位共辄弓、耶频谱倒賈信号此相位共馳波勺原信号具有时何反演的性质原信号因色散作 用何波应展宽.而眉位共梅波则氏色散影响而被压缩从而使失直的信号廝新恢良“利用ok 技术在360 km的CSMF上已成功地进行了 10 Gbit/s的信号传输试撤其主要的限制是中制 藏谱反转单元需较堆确地设置在总伽值-半的地方还要控制偏掘波动川免影响相位共 轨浹的盯冋反映持乩在卅线性介质中，当输人频率为町妁的光【波先分芜伪I、2 3、足够强时.发生三阶非线性醫化*当满足相位匹配条件g勺*卜0时，就会产生四波混 频并输出频率为曲=缈+（4渡矢为K的光，J?中柱信号光饋率为蚀）传输一段距离之后

8、*加人光功率足够强的录浦光（赖率为叫打 且使其満足相位匹配条件.产生四波混频效应.这样输出光申有频率为护吗呷的曲* 它便得耳的冊频分萝转费为述狭分罐，而他的低藏分爭转换为的髙鞭分量在继续传播 过程中，硕相位超前的比频率相应便逐渐落后原珀位落幷的光频率相应便送渐超前，从而 感小育至抵消原有的邑散*童大利.丹麦等国凉豹究島塢益半导休光磧大ST垂宜腔表面辐射徹光器的简井与非 简畀四波混強，通过位相其牠或彼怏转换等来实现色散补卷.研究表明敕诱反转色散补偿 的方法可实现大容章长距离的色散辛陪.且损耗较小；用半萍体器件可实现相位匹配冯波混 频它与其它光器件舉感还可用干全光网，但对所用的大功和浦光波提出-定

9、要求.这母 相羌技术有挣进一歩研究*4.4色散支持技术DST）DST的基本原理是，高速数字信号在直接调制方式作用下，在光强度调制（IM）的同时还伴有FSK调制。这是因为与输人 NRZ电信号“ 0”、“I”对应着两个光波长，它们由 于光纤色散而不能同时到达接收端，其时间差加 t=AD L,即： t= V ?入2 ? D? L / C （2）式中 V为两个光波的频率差，正确选择光源的偏流可控制厶V，使山正好为1比特间隔。从而可在接收机利用两电平判决电路将ASK信号解调为NRZ信号，而光纤的色散则起到了 FS/ASK信号转换的作用。据报导利用DST技术在CSMF上可无中继传输10Gbit/s信号达2

10、53krn。DsT的缺点或限制条件是要求砚调制指数、接收机带宽等参数需与 光中继段的色散匹配。色散支持传输法需利用激光器的调频特性，在光纤传输系统中先对激光器进行直接（内）调制，由于不同频率的信号在光纤中的传播速率不同，在接收端产生信号交叠，对于纯粹的移频键控（FSK）来说，光功率在两种频率的光强重合之处为最高峰，在两频率的光强错开之 处为低谷。控制频率调制的大小使不同波长的光经过L距离后所产生的时延差 t= 入？D ?L=I/B（B为传输速率），于是调频信号就变成了调幅信号，通过低通滤波器进 行判决即可：对于有残余幅度调制的 FSK来说，在接收端产生四数值光功率，可在判决电 路之后利用低通滤

11、波或一个两门限判决器，从而得到恢复的初始数字信号。阿尔卡特在法国SEL AG研究中心用色散支持传输法成功地进行了10Gb/s信号无中继传输253km的实验。此方法结构简单，技术成熟，且不必使用外调制器，造价较低，但是 必须使用E随性能较好的激光器，且在接收时必须根据激光器和光纤传递函数，合理地设 计滤波器等，以克服由于惆啾和寄生调幅所造成的影响。4.5光纤光栅色散补偿技术光纤光栅（均匀光纤光栅）的另一个特性，就是在禁带（Photonic band gap）附近的极强的传 输色散特性（一般要比普通光纤介质大出几个数量级倍），可以利用光纤光栅的这一特性在传输中而非反射中）进行色散补偿。尽管这一强色

12、散区域存在的频带很窄，但 其独特的性质还是引起了人们的关注。由于F-P效应所造成的反射带隙外振荡的影响，这种方法一直未受到人们的重视。最近，随着光纤光栅切趾技术的成熟，人们已经可以消除反射带隙几乎所有振荡，这使得利用均匀光纤光栅进行色散补偿再现生命力。在国外，对光纤光栅的传输色散性质的理论探讨和实验研究已经取得了很大成果。有人提出利用这种强色散特性进行色散补偿，较其它色散补偿方案更易实现，且具有更高的补偿效率。实验上已成功实现了在72km的光纤中利用光纤光栅在10Gbit/s信号无误传输时的色散补偿。最近，人们又提出级联光纤光栅的构思，禾U用它可以在密集波分复用系统中实现多信道色散的同时补偿。

13、如图4所示光纤光攔注色散卄偿通过改变外部条件来改变均匀光纤光栅的结构参数，可以实现色散的可调谐。文献3利用压电陶瓷使得光纤光栅的中心波长移动了5.02 nm,这对于均匀光纤光栅的色散调谐已足够。如果把两个或两个以上不同周期的光纤光栅“连接”起来组成“级联光纤光栅”，可以实现对不同波长的多路脉冲同时进行色散补偿，还可以对整个级联光纤光栅进行调谐，也可以对其中某些光纤光栅进行调谐，以达到我们所期望的色散补偿效果。4.6碉啾光栅技术在光纤上制成折射率非周期性变化的惆啾光栅，就形成一个宽带滤波器，它的不同位 置对应于不同的 Bragg反射波长。当光脉冲信号通过这种啁啾光栅（周期从大到小，长度为Lg）时

14、，其长、短波长分量分别在光栅的头、尾部反射，这样短波长分量比长波长分量多 走2Lg距离，两波长分量之间产生时延差 t=2Lg/Vg。从而补偿了由于群速度不同导致的利用严格的耦合波理论分析啁啾光栅色散补偿机制，求出其Bragg波长、带宽、时延率等，并利用Rungc-Kutta数值方法求解啁啾光栅的反射谱特性。啁啾光栅的长度、啁啾量、Bragg带宽、反射谱特性等参量决定了它的色散补偿能力。设计、研制高质量的啁啾光栅是实现这种色散补偿技术的关键。英国、美国、加拿大等国家对啁啾光栅色散补偿开展了广泛的研究，利用单个或多个啁啾光栅进行色散补偿，已在10 Gb/s常规光纤通信网上传输数百公里。国内也研制了

15、 10 cm长的惆啾光纤光栅，并已完成了10 G b/s光信号在G652光纤上传输104公里的色散补偿实验。理论、实验研究结果表明：采用无源光纤光栅进行色散补偿，具有体积小、插人损耗低、与光纤兼容性好、波长选择性好、易于集成等优点，利用多个光纤光栅级联可提高补偿能力， 光纤光栅法还便于系统使用和维护，其成本低、可升级性好、 可靠性高、受非线性效应影响小、极化不敏感，具有很好的实用性。4.7光孤子传输技术所谓色散可控光孤子也就是众所周知的归零码(RZ)调制，它同 WDM技术相结合，能够动态地将光网络的传输速率提升到I Tb/s以上，传输距离可达数千公里。对于那些追求将数据传输得更远、更快的服务提

16、供商来说，以色散可控光孤子为基础 的网络是他们要寻找的答案。这种技术不仅允许服务提供商大幅度降低传输和带宽的成本， 而且也将简化网络配置和管理，此外还能提供分插复用功能，在沿着超长距离路径的中间节点上灵活按需分配带宽。孤子波的特点是光脉冲经过一段距离的传输后不会中断或者展宽，这使它成为光纤通 信网中的一种理想技术。光孤子经过精心设计，可以周期性地以可控方式改变它的形状，从而在到达目的地时仍然保持原状。因此以色散可控光孤子为基础的网络基础结构减少了对通道再生的要求，使传统的光纤网从这些网中获得新生。降低传输费用典型情况下，常规的光传输每隔60到1公里使用光放大器来放大光信号。但是每隔几百公里仍然

17、需要进行一次再生来去除噪声和其它传输损伤的影响。这需要采用大量的昂贵设备来将光波转变成电信号，以便对每一路信号进行单独处理。与之对比，光孤子改变了光网络中数据的编码方式，并可延长再生距离，从而可以大幅度削减传输成本。现在服务提供商们面临着激烈竞争的挑战，这意味着这种创新的技术拥有潜在市场。预计今年可望开始部署上述新技术。同时几家主流设备提供商继续对上述技术进行开发和实验。数据传输的实验记录表明，在一根标准光纤上传输 10Gb/s的数据，传输距离可达16 000 公里，当速率提高到 40Gb/s时，传输距离也仍可超过 1000公里。作用不容低估对于那些希望从传统的光纤网向色散可控光孤子基础设施转

18、移的服务提 供商来说，这个转移可以是快速、 容易和透明的。新的网络结构同现有的网络结构看起来非 常相似，区别仅仅是所需要的再生器或者端站的数量急剧减少。初期阶段色散可控光孤子系统的运行速率为10 Gb/s，逐步向40G的方向发展。按照计划，传输系统的容量要达到160个波长。在无电再生的情况下， 系统的数据传输距离可达数千公里，此外还提供光分插复用功能。在技术上，光孤子设备和传统的 DWDM系统之间的主要差别在于前者引人了一种产生 光孤子脉冲的新型转发器和大功率光信号放大器。转发器将光纤中的光信号转变成电信号， 再反方向转变。光孤子产品的另一个特征是它使用喇曼放大器而不是传统的掺饵光纤放大器 进

19、行放大。各种因素的平衡超长距离系统的设计者需要在提高光信号功率来克服噪声影响，或者 减少光信号功率来抑制非线性失真这两者之间做出艰难选择。而这正是光孤子能够发挥优点的机会、：通过均衡色散和非线性失真的影响来为光孤子脉冲创造近乎理想的光纤传输环境， 允许使用比一般情况下更大的光功率。传统的系统一般是使用非归零码调制技术，而光孤子则使用归零码技术，因为它不容易受非线性失真的影响：通过对光脉冲的精心设计是可以利用光纤色散的累积效应来补偿非线性失真的影响的。但光纤路径上的色散特性必须作为总体系统设计的一部分加以适当控制，故产生了 “色散可控光孤子”的名称。尽管使用的设计规 则不同在光孤子网络中的色散控

20、制方式同传统的长途、高比特率DWDM系统中采用的色散控制方式是相似的，即在放大器节点上使用无源补偿器件(DCM)0一些持怀疑态度的人认为当进行超长距离传输时，服务提供商可能不得不牺牲带宽容 量来延长传输距离。 然而，色散可控光孤子设备提供商正在改进技术，在不牺牲带宽的条件 下达到数千公里的传输距离。一旦色散可控光孤子技术进人市场，可以预料这种技术会继续向前发展，并进一步降低成本。更低的成本将鼓励服务提供商在其网络中使用这种技术，而不仅仅在超长距离的骨干网上使用。色散可控光孤子网络将促进新的光传输标准出台。如果采用这种新的传输技术， 服务提供商就能够应付未来带宽继续增长对系统装备的挑战，帮助服务

21、提供商踏上快速成功的道路。5技术方案比较色散补偿的方法很多，但上述几种补偿技术使用较多。现就上述各方法进行比较。 惆啾光栅技术：采用无源器件，应用方便，维护便利。本方法实现简单并可靠，且易与光纤 兼容。补偿距离长，对极化不敏感，对非线性影响小，制作技术成熟，成本低。便于系统全 光化、集成化。可直接用于常规传输网， 对现有设备和线路改动较小， 是现阶段推广应用的 好方法。负色散光纤补偿技术 ：采用无源器件，技术成熟，应用和维护方便，且易升级。 但是成本高，插人衰减大，对非线性影响大。色散支持技术：结构简单，技术成熟，成本低，但是升级能力差。光相位共扼或中间频谱反转技术：补偿距离长，但技术成熟性差。减小光源谱宽：色散的影响程度与光源的谱宽有关，谱宽越窄色散的影响越小，中继段距 离越长。光纤光栅色散补偿技术 ：随着光纤光栅切趾技术的成熟，国外此方法用于色散补 偿已取得了显著效果，特别是在 DWDM