单模光纤中的色散及色散补偿技术

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1、单I模光纤中的色散及色散补偿技术Revised by Liu Ji ng on Jan uary 12, 2021光通信光纤中的色散补偿技术 ( 原理、优点、缺点 )姓 名: 彭坚大_ 学 号： 专业班级 :_电04摘 要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数一一色散，详细介绍了各种色 散补偿技术的原理，以及色散补偿光纤和碉啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案 的特点。Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of

2、 various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.素。所 以，对高速率长距离的系统必关键词：色散效应，色散补偿1. 引言色散是由于光纤中所传送信号 的 不同频率成分或不同模式成分的 群速 度不同 , 而引起传输信号畸变 的一种物 理现象。在光纤中，脉冲 色散越小， 它所携带的信息容量就 越大。其链

3、路 的色散累积直接影响 系统的传输性 能，白从光纤通信商 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 155Onm波 段时，有 18ps/nm ? km 的色散，成 为影响中继距离的主要因须要 考虑色散补偿问题，研究宽 带多波 长色散补偿具有重要意 义。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. 色散补偿原理2. 1 光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频 率成 分，或信号

4、能量的各种模式成 分，在传输 过程中，因群速度不同 互相散开，引起传 输信号波形失 真，脉冲展宽的物理现象 称为色 散。光纤色散的存在使传输的信 号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输 容 量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分 为材料色散，波导色散和模式色散。前两 种色散由于信 号不是单一频率所引起， 后一种色散由于信号不是单一模式所引 起。 当一束电磁波与电介质的束缚电子 相互作用的时候，介质的响应通常与光波的频率3有关，这种特性称 为色散， 它表明折射率（3）对频率的依附关系。 光纤的色散效应可以用波欠 k或传 播常 数B与频率的关系来表示，即B（ 3）。在中心频率3。处将B处的传播常数；石丿等

5、于群速度的倒L dn d2度色散，和脉冲的展宽有关；B3为三阶色散参量。Os)=u(s)和 V +( ?时）+-凶）+3 C二、色散补偿的基本原理01 =二丄n +a)1在光纤中，不同频率的信cl号传输数；acdco da表示群速速率不同，传输同距离后会有不同的时延T,从而产生时延差（厶T） o时延差越大,表示色散越严重，具体表现为光脉冲在沿光纤传 输过 程中被展宽的程度愈大。因此 色散的度 量,通常都是采用每单位 长度的群时延 差来表示。脉冲在单 模光纤中的传输基 本方程为 式中，A为光信号的缓变振（3）展开得到:高阶色散（又称三阶色散）系数。与幅;Z为传输距离；T为时间；B2为群 速度色散

6、（GVD或称二阶色散系数, 它是脉冲展宽的主要因素；B3为二阶色散相比，三阶色散对脉冲的色散补偿的基本原理是使用影响通常较小。当 P2 | lps2/ km 时， B3 可以 忽 略不计。求解方程得：式中， A(0, 3) 为 A(0, T) 的傅 里叶变 换。可见，色散引起的光信 号畸变是由 相位系数旳罟 | 决 定的。单模光纤单 位长度的色散量 可以由下式得出： 式中，c为光速;V为光纤传输的归 一化 频率; b 为归一化传输常数。式(3) 等号右边第 1 项决定于材料 折射率，称之为材料色散 ; 第 2 项由 于 与光纤波导性能有关，称之为波 导色 散。普通单模光纤在 1550nm 窗口

7、的色 度色散系数约为 16ps/ (nm ? km) , 传 输 100 km 后色散可 达到 1600ps/nm而对于10Gbit/ s 系统,它的最大色散容限是lOOOps/ nm。可见，要使 系统正常 运转 , 必须进行色散补偿。2. 色散补偿技术方案 个或多个大负色散 的器件对光纤的 正色散实施抵消，对光 纤中的色散 累积进行补偿，从而使系统的总色 散量减小。目前，色散补偿的方 法 有：色散补偿光纤(DCF)、碉啾光 纤 光栅和电子色散补偿技术等。3.常规DCF技术方案采用常规DCF进行通信系统链路 色散补偿的技术是现在通用的技 术，其 发展较为成熟。由于 DCF是 一种无源器 件，安

8、装灵活方便，能实 现宽带色散补 偿和一阶色散、二阶 色散全补偿，还可 与1310nm零色散 标准单模光纤兼容， 适当控制 DCF 的模场直径、改善熔接技 术，能得 到较小的插入损耗 , 因此受到 普遍 重视，成为当今研究的热点。 DCF 的概念最早在1980年提出，EDFA在通 信系统的成功应用加速了 DCF的发 展,DCF已从最初的匹配包层 型到多包 层折射率剖面型。多包层 结构一方面可 以得到很高的负色散 和负色散斜率，另 一方面又可以降 低弯曲损耗.DCF的品 质因素(品质 因素二色散系数绝对值 / 衰减系数) 越来越高。为了得到具有较大负色散系数的DCF必须控制波导色 散。现在已经有大

9、量的商用 DCF用于补 偿G.652光纤在C波段和L波段传输 时的色散。采用常规 DCF进行通信系 统链路色散补偿的 技术是现在通用的技 术，其发展较 为成熟。由于DCF是一种 无源器件 , 安装灵活方便，能实现宽带 色散补 偿和一阶色散、二阶色散全补 偿，还可与1310 nm零色散标准单模光 纤兼容，适当控制DCF的模场直径、改 善熔接技术，能得到较小的 插入损耗， 因此受到普遍重视，成为 当今研究的热 点。DCF的概念最早 在1980年提出， EDFA在通信系统的成功应用加速了 DCF的发展,DCF已从最初的匹配包层型 到多包层折 射率剖面型。多包层结构一 方面可 以得到很高的负色散和负色

10、散斜 率, 另一方面又可以降低弯曲损耗。DCF的品质因素（品质因素二色散系 数 绝对值 / 衰减系数）越来越高。 为了得 到具有较大负色散系数的 DCF必须控制 用于补偿 G.652光纤在C波段和L波段传输时的色 散。缺点：非线性效应较明显，输入光 功率 不能过高，插入损耗较大，此 外DCF制 成的DCM色散量不可调， 而且不同类型 的光纤需要不同的 DCM .优点：效果显着，系统工作稳定， 实施简便色散补偿量可控外，还能 实现 宽带补偿从而实现高密度波分 复用 .波导色散。现在已经 有大量的商用 DCF 们的重视。最近，随着光纤光栅切 趾技4. 光纤光栅色散补偿技术 光纤光栅（均匀光纤光栅）

11、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 儿个数量级 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 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 术的成熟，人们已经可以消除 反射带隙 儿乎所有振荡，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 己经取得了很大成果。有人 提出利用这种强色散特性进行色散补 偿，较其它

12、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，利用它可 以在密集波分复用系 统中实现多信 道色散的同时补偿。如图 4 所示：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

13、 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。 优点 ; 不受电磁干扰，灵敏度高 缺点：不 能完全消除高阶色散，制 造非线性碉啾 的相位掩膜非常困难 且价格昂贵5. 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 通过这种碉啾光栅 （周期从大到小，长度为Lg）时，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At=2Lg/Vg。从而补偿了由于 群速 度不同导致的色散，起到压缩

14、 光脉冲的 作用。如图 5所示。利用严格的耦合波 理论分析碉啾光 栅色散补偿机制，求出 其 Bragg 波长、带宽、时延率等，并利 用 Runge-Kutta 数值方法求解碉啾光栅的反射谱特性。碉啾光栅的长 度、碉随着高速率宽带光传输系统的 发展 ,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 高质量的碉啾光栅 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 碉啾光栅 色散补偿开展了广泛的研 究，利用单个 或多个碉啾光栅进行 色散补偿，己在 10 Gb/s 常规光纤 通信网上传输数百公 里。国内也研 制了 10 cm 长的惆啾光 纤光栅，并 已

15、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。 优点：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。6. 观点，色散补偿技术的发展方向11 戈稳编 . 雷达接收机技术色散及其斜率的管理越来越 重要。成熟 的色散补偿技术不断推 出新的功能 , 新的 色散补偿技术不 断涌现。纵观目前国际 上的色散补 偿技术，可

16、以得出色散补偿 技术的 发展趋势:传统的DCF因其光纤 技 术成熟度好，生产方便，在近儿年内 仍然是主流产品；多通道光纤光栅 色散 补偿技术的研究逐渐成为热点 , 多通道色 散补偿器已经具备了一定 的市场竞争力， 大量商用产品已经 推向市场，有逐步取 代传统DCF之势；EDC有其独特优点，前 景可观， 但是技术不成熟， 有待完善， 比 如较 长距离传输时，器件的补偿范围受 到信号传输葩离的限制，需要增加 固定 补偿量等；色散补偿PCF代表着未来高 效补偿的发展方向，它具 有广阔的发展 空间和应用前景，虽 然现已开始获得初 步应用， 但受到 诸多因素的制约， 因此要 实现大量 商用还有很长的路要走。 参考文献