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1、光纤通信中的色散补偿实验仿真摘 要：本文介绍了，光纤通信中色散补偿的概念、分类、影响及补偿方法，同 时利用Optisystem软件仿真模拟了色散补偿光纤、FBG补偿、啁啾光纤光栅等 色散补偿方案。关键词：光纤通信色散补偿Optisystem仿真TheDispersionCompensationlnOpticalFiberCommunicationYanlongYuan(Beijing Institute of Technology, School of Opto-electronics,Electronic Science and Technology)Abstract: This paper
2、 in troduces, the con cept, classifica tion and the in flue nee and the compe nsation methodsop ti cal of dispersi on compe nsation in fiber comm un ica tion, and use Op ti system software simula tion the dispersi on compe nsation fiber, FBG compe nsation, chirp opti cal fiber gra ting, the dispersi
3、 on compe nsation scheme. Keywords: op ti cal fiber comm un ica tiondispersi on compe nsationOptisystem simula tion1概述目前，光纤线性通信已不能满足现在信息处理传输的要求，因为它存在着三 个主要的缺陷：其一是光纤的色散，其二是光纤损耗,其三是非线性。低损耗光 纤和掺铒光纤放大器的广泛应用解决了高速光纤通信系统的传输损耗问题。光纤 的色散又能有效抑制四波混频等非线性效应，因此，色散问题已成为光纤通信系 统进行升级扩容的主要障碍。受色散的影响，传输速率为lOGbit/s、光脉冲宽度为
4、50ps的系统只能传输 40 km。传输速率为80Gbit/s时，传输距离不足2 km。为了兼顾色散和非线性两 种要素，人们提出了一种折衷方案，即将光纤的零色散点偏离1. 55 u m窗口使 之在1. 55 um波长处的色散不为零，约有26ps/km.nm的色散，这就是G. 655 光纤。当光纤传输的速率较低、距离较短时，采用、655光纤进行传输的办法是 可行的。但是，G. 655光纤并没有解决色散问题，高速、长距离传输中仍然需要 色散补偿。并且由于其低色散，光纤的非线性效应使通道间距为50GHz的波分复 用（WDM）系统很难实现。而G. 652光纤在1. 55 um窗口处的大色散可以有效的抑
5、 制非线性，通过色散补偿，实现通道间距为50GHz的WDM系统的传输毫无问题。 迄今为止，全世界铺设的光纤干线长达2亿公里以上，其中的80%为G. 652光纤。 我国的八纵八横主要干线铺设的基本也都是G. 652光纤。随着全球信息业务量的 迅猛增加，通信网络必然要进一步向高速大容量方向发展，开发已有光通信系统 的潜力，在G. 652光纤上开通高速系统，关键问题是色散补偿。近年来，光纤通信正以日新月异的速度发展，高速率，WDM系统及EDFA已 经商用，实验室中的WDM光纤通信速率已经达到了 1000Gbit/s。在采用级连EDFA 的高速率和WDM系统中由于EDFA的出现，基本上解决了光纤损耗的
6、问题，光纤 的色散成为系统的重要限制因素。2. 色散及其分类2.1 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。色散简而言之就是不同频率的光在传输媒质中具有不同的群速度。 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。（1）模间色散：多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发 送机多个导模同时激励时，各个导
7、模具有不同的群速，到达接收端的时刻 不同。（2）波导色散：这是某个导模在不同波长（光源有一定的谱宽）下的群速度不 同引起的色散，它与光纤结构的波导效应有关，又称为结构色散。（3）材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化，而光源有 一定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度。（4）偏振模色散：普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，实际在单模 光纤存在各种少量随机的不确定性，不对称性，造成了两个偏振模的群时 延不同，导致偏振模色散。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n（3）对频率的依附关系。光纤的色散效应可
8、以用波矢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（3）展开得到：式中，叽=n0 3,表示介质在中心频率30处的传播常数；B i=1（n+3就等于群速度的倒数：B=2(2血 + 3cd3dn）表示群速度色散,和脉冲的展宽有关; d32B 3为三阶色散参量。2.2 由二阶色散效应引起的脉冲展宽当不考虑高阶色散效应时，光脉冲在单模光纤内传输的NLS方程可表示为:愕一中+今器代式中，A为脉冲包络的慢变振幅，T是随脉冲以群速度gv移动的参考系中的时 间度量。引入一个对初始脉宽TO归一化的时间量t=T0。同样引入归一化振幅A（z, T ）=代U（z, T）。当L L NL，而L
9、L D时，忽略吸收效应和非线性效应，在脉冲的演变过程中，GVD起主要作用。利用分步傅里叶方法，当输入为高 斯脉冲时，可以得到图1：图1 光纤内由色散所致的高斯脉冲展宽点线表示z =0时，U(z,T ) 2的图形，实线表示z = 2L时，U (z,T ) 2的D图形，点划线表示z = 4L时，U (z,T)2的图形。从上图可以看出，随着z的增D 加，高斯脉冲在逐渐展宽，其振幅在逐渐减小。另外，脉冲的形状保持不变。3. 色散补偿技术对于新敷设的高速和 WDM 光纤线路，可以采用非零色散位移光纤。这种光 纤在1.55 微米处有非零，但很小的色散，既可以是正色散，也可以是负色散， 若采用色散管理技术，
10、可以在很长的距离上消除色散的积累，同时，对WDM系 统的四波混频效率较低，有利于抑制非线性效应的影响。具体的色散补偿方法有以下几种：3.1色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤(DCF)开发于20世纪90年代中期，它在实现色散补偿任务 中扮演了十分重要的角色。目前，国内99%以上1550nm外调制光纤干线/超干 线仍然使用 G.652 标准光纤，因此在每个(或几个)光纤段的输入或输出端可 以通过放置DCF色散补偿模块(DCM),周期性地使光纤链路上累积的色散接近零, 使单信道1550nm外调制光纤干线/超干线传输光纤的色散得到较好的补偿。但是，一般的 1550nm 外调制光纤干线/超干线长距离传输
11、系统中所使用光发射机的光波长范围较大，可达20nm。此外，随着在1550nm外调制光纤干线/ 超干线长距离传输系统中CWDM或DWDM技术的引入，必须考虑光纤对不同波长 信道的色散斜度问题。其基本原理是通过对光纤的芯径及折射率分布的设计，利用光纤的波导色散 效应，使其零色散波长大于1.55 微米，即在1.55 微米波长处产生较大的负色 散，这样当常规光纤和色散补偿光纤级联使用时，两者将会互相抵消。若用 Ds和D分别表示常规光纤和色散补偿光纤在入处的色散系数，L和L分别表示常 c 1 s c规光纤和色散补偿光纤的传输距离，则当满足时，群时延色散被补偿，当满足卫厶（兄4）+。；厶（兄4） = 0时
12、，二阶色散被补偿。式中Di和Di是D和D的微商。s c s c以 G.652 光纤 i550 nm 窗口为例， 光纤的色散明显地随波长而变化，在 1530nm处色散系数约为15.5ps/nm.km，在1565nm处约为17.6ps/nm.km，色散 斜率（定义为色散系数对波长的微分）约为0.06ps/nm.km。假设宽带色散补偿 器件对所有 Cband 信号的色散补偿量是一样的，则经多个光纤段传输后，红 端信号光（1565nm）所积累的色散将明显大于比蓝端（ 1530nm），因此，无论对 于一般的 i550nm 外调制光纤干线/超干线长距离传输系统或 CWDM/DWDMi550nm 外调制光纤
13、干线/超干线长距离传输系统，都必需考虑采用斜率补偿型色散补偿 光纤组件，用于补偿光纤的色散斜率，将总色散控制在色散容限窗口内，使 i550nm 外调制光纤干线/超干线长距离传输系统中色散斜率问题得到较好的解 决。斜率补偿型DCF的优点是带宽不受限制，产品供应商多，稳定性高。目前， 斜率补偿DCF模块已获广泛应用，在全球范围内，它是1550nm外调制光纤干线 /超干线长距离传输系统实现色散补偿的首选方案。它的缺点是非线性效应较明显，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类型的DCF。图2 用负色散的色散补偿光纤对正色散标准单模光纤的色散
14、进行补偿3.2啁啾光纤光栅(CFBG)色散补偿采用适当的光源和光纤增敏技术，几乎可以在各种光纤上不同程度地写入光 栅。光纤光栅就是光敏光纤在选定波长光照射后形成的折射率呈固定周期性分布 的一种无源光器件。光纤光栅进行色散补偿的示意图如图 5 所示。光波经过光栅 后起到色散均衡的作用，从而实现色散补偿。其基本原理是：啁啾光纤光栅中，谐振波是位置的函数，因此不同波长的入 射光在啁啾光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延，短波长分量经受的时 延长，长波长分量经受的时延短，光栅所引入的时延与光纤中传输时造成的时延 正好相反，二者引入的时延差相互抵消，使脉冲宽度得以恢复。图6为光纤光栅 的反射谱和时延
15、曲线。可以看到带宽范围内的时延曲线基本为一条直线，其斜率 就是该光纤光栅所能补偿的色散量。图 3 啁啾光纤光栅色散补偿原理图 4 用光环形器将啁啾光栅的反射信号分离出来啁啾光纤光栅与现有光纤系统兼容性好，具有较低的传输损耗和插入损耗， 色散补偿量大，能够实现光纤色散和色散斜率的同时补偿，折射率调制可以根据 需要来通过不同的曝光过程加以控制，且价格低廉，易于大批量生产。因此，啁 啾光纤光栅色散补偿器已被公认为具有很好应用前景的色散解决方案。目前，光栅的温度漂移、时延纹波、光功率波动和包层模附加损耗大等，是 实现光纤光栅色散补偿实用化系统必须解决的几个主要问题。OFC 2003上，有 多篇文章谈到
16、了光纤光栅色散补偿补偿器的研究，对以上几个问题都已经提出了 多种行之有效的解决方法。3.3 色散支持传输法这是一种新的传输方式，它也利用激光器的调频特性，采用频移键控的调制方式，先对激光器进行频率调制，当注入电流按二进制NRZ码变化时，电流的 变化引起光功率 光频率的变化。不同频率的信号在光纤中的传播速率不同，在 接收端信号产生重叠，控制频率调制深度使 At二1/B，At是延迟的时间，B是 传输的速率，于是，调频信号变成了调幅信号，在接收端采用积分器或低通滤波 器和一个判决电路，即可恢复出原始信号。3.4频谱反转法频谱反转法也称相位共扼法，它利用光纤中的非线性效应实现频谱反转之后 进行二次传输，从而和第一段光纤的色散相抵消
