光纖通信系統中色散補償技術蔣玉蘭（浙江華達集團富陽，311400）【摘要】本文敘述了光通信系統中一個重要的參數一色散，以及G65光纖通信系統的色散補償技術。文章還詳細說明了各種補償技術原理，并比較其優缺點。最后強調說明色散補償就是用來補償光纖線路色散和非線性失真的技術。1概述光纖通信的發展方向是高速率、大容量。它從PDH8Mb/s,34Mb/s,140Mb/s,565Mb/s發展到SDH155Mb/s,622Mb/s,2.5Gb/s,10Gb/s?，F在又進展為波分復用WDM、密集型波分復用DWDM。同時，光纖的結構從G652、G653、G654，發展到G655，以及G652C類。光纖的技術指標很多，其中色散是其主要的技術指標之一。色散就是指不同顏色（不同頻率）的光在光纖中傳輸時，由于具有不同的傳播速度而相互分離。單模光纖主要色散是群時延色散，即波導色散和材料色散。這些色散都會導致光脈沖展寬，導致信號傳輸時的畸變和接收誤碼率的增大。對于新建工程新敷設高速率或WDM光纜線路，可以采用非零色散位移光纖（NZ-DCF），ITU一T將這種光纖定名為G655。G655光纖在1550nm處有非零色散，但數值很?。?.1?10.0pb/nm?km）。其色散值可以是正，也可以是負。若采用色散管理技術，可以在很長距離上消除色散的積累。同時，對WDM系統的四波混頻現象也可壓得很低，有利于抑制非線性效應的影響。自從光纖通信商用開始，至今20余年，國內外已大量敷設了常規單模光纖（G652）的光纜，這類光纜工作在1550nm波段時，有18ps/nm?km的色散，成為影響中繼距離的主要因素。所以，對高速率長距離的系統必須要考慮色散補償問題。光纖色散產生的因素有:材料色散、波導色散、模式色散等等。但主要是前面兩項因素引起不同波長的光在光纖中傳播造成群時延差。解決光信號色散引起群時延差的方法就是色散補償技術。2光纖色散述語色散：光源光譜組成中的不同波長的不同群速度在一根光纖中傳輸所引起的光脈沖展寬。材料色散:因折射率隨光的波長不同呈非線性，所以產生材料色散。由單模光纖的纖芯和包層材料所引起的色散，考慮到光纖的弱導條件（△<<【），可以忽略纖芯與包層之間色散特性的差別，則簡化為材料色散。波導色散:單模光纖中光場主要分布在光纖的纖芯中，也有部分光場分布在包層中。因為纖芯和包層的折射率不同，因而光波在纖芯和包層中的相速度不一樣。光波傳輸的群速度則是光波在光纖和包層中按能量（光強）分布的速度加權平均值。不同波長的光波在纖芯和包層上有不同的速度V值和傳播常數，以及不同的能量分布。因此，不同波長的光波在光纖中的群速度也不同，這就構成了波導色散。模式色散:由于在單個頻率處每個模式的群時延具有不同的數值而引起的色散。

3光纖色散導致光脈沖展寬分析光信號在光纖中傳輸由于光纖色散導致光脈沖展寬的理論分析如下:入射光場的歸一化振幅為高斯函數分布。以⑩了）_點以⑩了）_點則人射光脈沖的形狀為則人射光脈沖的形狀為（參見圖1）圈］入射配林沖圈］入射配林沖第一步；求人射光脈沖的寬度，使亍與展寬后的昧寬作比較,〔二半極大值處的半-魘.度，3兜圖1：網辿叛對數；\=】n_2；1貝。Qi—網辿叛對數；\=】n_2二半被大蘊的土寬.度7"：國1『1=2。In%*

=1.6657；,

②入射光脈沖高斯函數曲數下降土到姓的半寬度馬(參見圖I)..-全寬度為《％第,?步：求光豚沖迎I過光纖的線性色敝打的展寬情況.利州光波在色散介；貴中傳播的麥克斯韋力-程,以及付利葉函數把時域變挽到頻域「再求出高斯光脈沖■展寬后的寬度U(5)電上分析叮知，鳥即為人射光豚沖的平寬度牛L⑷式，方程⑶式衣明，群速度色散展寬了牌沖。其展宛程度取決于在散恢座小?對一靖定恢度的光纖，由于短的光脈沖有較短的色散長度3因而其展寬程度膠大。在光纖的虬高斯光脈沖的昧置展寬到槌際如固2所示。1^2高斯光豚沖的一豚沖辰寬亦窸1^2高斯光豚沖的一豚沖辰寬亦窸4色散補償技術光纖色散補償是一項新的技術，需要認真研討和試驗。這里提出幾種方法進行探討：4.1負色散光纖補償法DCF是一種有負色散系數的光纖，D=—90ps(nm?km)。若在CSMF中接人足夠長度的DCF,可使總的色散值控制在系統容限以內，如圖3所示。原則上DCF可放在線路的任何位置，但在發送端應放在光放大器之前，因為若放在光放大器之后，高功率光信號在以二F中會引起非線性，不僅減弱DCF的補償作用，還會嚴重影響系統的性能。囹3DCE的司用術例從應用的角度要求DCF的負色散系數愈大愈好，同時插人衰減越小越好。通常插人的DCF長度是需要補償CSMF的20%左右。與其他色散補償措施相比。DCF技術要相對成熟，但其插人衰減較大，約為CSMF的5倍，須用光放大器補償。利用DCF技術與EDFA光放大器，1obit實驗記錄可達2245km。但DCF的成本昂貴，約為CSMF的10?20倍，短期內難以大量推廣應用。4,2光相位共轆（QPC）或中聞頻譜反轉（MSI）技術，在CSMF光纖中垂段的申間掐人一段DEF作為非線性器件，當光伯號油過時會產生相位共窺*,即塑｝留腎信號“此相位共規波:時W凌;具有時間反演佝性質.原信號因乞微作用他波形展覽.而相位共輒波則因■色威影響而跛比縮，雙而使失氏的信峙也新恢艙“利用QPC技術在3Sm的CSMF仁已成行了IHGbi^的信號傳輸試臆，其主要的陲制是中間救塔反轉單兀需致準確地設置在總色散螢一*的地方.還要控制偏振披動.以免影響相■位共軸波的時間反映特性。在*線性介質中，當瑜入城率為納、徒、皿的光’:波矢分別為］23；足夠避時，發生［階非線性極化，當滿足利位置配條件aeWHTJ對.就會產牛四波混.頻井輸出頻率為皿-叫+咐叫波失為尺的光,其中q婦23J以在信號光（頹率.為叫）佻輸…K距離之忌一如1人洗功?率足夠避的某浦充（.頻率為必），‘1使-M蟒是相位陽配條件■產生叫波握麴效成，這蛛輸M光中右頊率為，村2噸-外箔盛介，三使得鬼#高頻分§轉換為劍氐損分量，行當簫祇厥分麻捋換為m的高膠分量，在繼續傳播過程中，原郴位超前削光頻率相應便琛落片，郵帝時的光頻率相櫥便逐漸刷前，隊_一而減小宜至一抵消原有的色散.意大利-丹麥等國家研究高增盤半導體光放大暴，垂直庭表面稻射敝光器的簡井與非簡弄四波糧撅，通過位棉共摭或波長轉換等來實現色敢串限，研究表明：頻請反轉色散補健的方法可實現大容最氏距離的色散補f咨h損和技小，用半導體輯件可實現相位匹丁四波混撞‘E與其它光時集成還可用于F光可怛對所用的大游蒙漕光波提出一定要求,這些相無技術書待講?步研乳L是在北強度調制下,由于注入LD的平-均電流的變化■便單縱挨的成態波長發生變動，產::fe啊啾炫應,等敖于光源譜寬展寬。此時在CSMF上的]dB光功率代價對成的中繼距離可用F我估就式中:匚為光速OXit/kWs）,4為波長，召為系統的比特弘由上式訶知,在.啾彩響下.即使對于25Gbit/s系統.中維距離也只看4.65km,而術fT口GEiA系統一將不到半公職為此，2.5Utiil/s亢系統也必須采用外調制器，以克服賊啾的限制，香將電信號如在果-介質。如具體、M-ZF—'Jh.利用介質的電光敢成就可間接地建。電佰號與LD光信號的調制美系這樣,LD將產生穩定的大功率單縱棋光波.外凋制器能以鍛低的「崗唯對妣波進行調制，就可枝倡遠大于忤接曲制的色成受限距離』日市已實用的光外凋制器有電子吸收艱半導體光調制器和波導型銅酸便（LiNbOs）馬耕一曾德（M-4閱制器?；ㄕ?體枳小，容堂勺光那冥成，騷動電壓柢,、功耗小，但一劌瞅逑不到零，-股為S5、L也有嫩得妤的且已在陸地墓削中廣泛應用，后者電光效應好,理論上的響敬系數為字M川于40沛嵌以』一的超高速同制，調制的線寬很斜但體枳￡難與LD集成|[擂人衰戚較大,弱用于&途海繾光酒借系統。4.4色散支持技術〔DST）DST的基本原理是，高速數字信號在直接調制方式作用下，在光強度調制（IM）的同時還伴有FSK調制。這是因為與輸人NRZ電信號“O”、“I”對應著兩個光波長，它們由于光纖色散而不能同時到達接收端，其時間差加△t=△入?D?L,即：At=AV?入2-D-L/C（2）式中AV為兩個光波的頻率差，正確選擇光源的偏流可控制逆，使山正好為1比特間隔。從而可在接收機利用兩電平判決電路將ASK信號解調為NRZ信號，而光纖的色散則起到了FS/ASK信號轉換的作用。據報導利用DST技術在CSMF上可無中繼傳輸10Gbit/s信號達253krn。DsT的缺點或限制條件是要求硯調制指數、接收機帶寬等參數需與光中繼段的色散匹配。色散支持傳輸法需利用激光器的調頻特性，在光纖傳輸系統中先對激光器進行直接內）調制，由于不同頻率的信號在光纖中的傳播速率不同，在接收端產生信號交疊，對于純粹的移頻鍵控（FSK）來說，光功率在兩種頻率的光強重合之處為最高峰，在兩頻率的光強錯開之處為低谷?？刂祁l率調制的大小使不同波長的光經過L距離后所產生的時延差At=AA?D?L=I/B（B為傳輸速率），于是調頻信號就變成了調幅信號，通過低通濾波器進行判決即可:對于有殘余幅度調制的FSK來說，在接收端產生四數值光功率，可在判決電路之后利用低通濾波或一個兩門限判決器，從而得到恢復的初始數字信號。阿爾卡特在法國SELAG研究中心用色散支持傳輸法成功地進行了10Gb/s信號無中繼傳輸253km的實驗。此方法結構簡單，技術成熟，且不必使用外調制器，造價較低，但是必須使用E隨性能較好的激光器，且在接收時必須根據激光器和光纖傳遞函數，合理地設計濾波器等，以克服由于惆啾和寄生調幅所造成的影響。4.5光纖光柵色散補償技術光纖光柵（均勻光纖光柵）的另一個特性，就是在禁帶（Photonicbandgap）附近的極強的傳輸色散特性（一般要比普通光纖介質大出幾個數量級倍），可以利用光纖光柵的這一特性在傳輸中〔而非反射中）進行色散補償。盡管這一強色散區域存在的頻帶很窄，但其獨特的性質還是引起了人們的關注。由于F-P效應所造成的反射帶隙外振蕩的影響，這種方法一直未受到人們的重視。最近，隨著光纖光柵切趾技術的成熟，人們已經可以消除反射帶隙幾乎所有振蕩，這使得利用均勻光纖光柵進行色散補償再現生命力。在國外，對光纖光柵的傳輸色散性質的理論探討和實驗研究已經取得了很大成果。有人提出利用這種強色散特性進行色散補償，較其它色散補償方案更易實現，且具有更高的補償效率。實驗上已成功實現了在72km的光纖中利用光纖光柵在10Gbit/s信號無誤傳輸時的色散補償。最近，人們又提出級聯光纖光柵的構思，利用它可以在密集波分復用系統中實現多信道色散的同時補償。如圖4所示Itl4光纖罡齦京也散補償通過改變外部條件來改變均勻光纖光柵的結構參數，可以實現色散的可調諧。文獻[3]利用壓電陶瓷使得光纖光柵的中心波長移動了5.02nm，這對于均勻光纖光柵的色散調諧已足夠。如果把兩個或兩個以上不同周期的光纖光柵“連接”起來組成“級聯光纖光柵”可以實現對不同波長的多路脈沖同時進行色散補償，還可以對整個級聯光纖光柵進行調諧，也可以對其中某些光纖光柵進行調諧，以達到我們所期望的色散補償效果。4.6碉啾光柵技術在光纖上制成折射率非周期性變化的惆啾光柵，就形成一個寬帶濾波器，它的不同位置對應于不同的Bragg反射波長。當光脈沖信號通過這種啁啾光柵（周期從大到小，長度為Lg）時，其長、短波長分量分別在光柵的頭、尾部反射，這樣短波長分量比長波長分量多走2Lg距離，兩波長分量之間產生時延差^t=2Lg/Vg。從而補償了由于群速度不同導致的色散，起到壓縮光脈沖的作用。如圖5所示。利用嚴格的耦合波理論分析啁啾光柵色散補償機制，求出其Bragg波長、帶寬、時延率等，并利用Rungc-Kutta數值方法求解啁啾光柵的反射譜特性。啁啾光柵的長度、啁啾量、Bragg帶寬、反射譜特性等參量決定了它的色散補償能力。設計、研制高質量的啁啾光柵是實現這種色散補償技術的關鍵。英國、美國、加拿大等國家對啁啾光柵色散補償開展了廣泛的研究，利用單個或多個啁啾光柵進行色散補償，已在10Gb/s常規光纖通信網上傳輸數百公里。國內也研制了10cm長的惆啾光纖光柵，并已完成了10Gb/s光信號在G652光纖上傳輸104公里的色散補償實驗。理論、實驗研究結果表明:采用無源光纖光柵進行色散補償，具有體積小、插人損耗低、與光纖兼容性好、波長選擇性好、易于集成等優點，利用多個光纖光柵級聯可提高補償能力，光纖光柵法還便于系統使用和維護，其成本低、可升級性好、可靠性高、受非線性效應影響小、極化不敏感，具有很好的實用性。4.7光孤子傳輸技術所謂色散可控光孤子也就是眾所周知的歸零碼(RZ)調制，它同WDM技術相結合，能夠動態地將光網絡的傳輸速率提升到ITb/s以上，傳輸距離可達數千公里。對于那些追求將數據傳輸得更遠、更快的服務提供商來說，以色散可控光孤子為基礎的網絡是他們要尋找的答案。這種技術不僅允許服務提供商大幅度降低傳輸和帶寬的成本，而且也將簡化網絡配置和管理，此外還能提供分插復用功能，在沿著超長距離路徑的中間節點上靈活按需分配帶寬。孤子波的特點是光脈沖經過一段距離的傳輸后不會中斷或者展寬，這使它成為光纖通信網中的一種理想技術。光孤子經過精心設計，可以周期性地以可控方式改變它的形狀，從而在到達目的地時仍然保持原狀。因此以色散可控光孤子為基礎的網絡基礎結構減少了對通道再生的要求，使傳統的光纖網從這些網中獲得新生。降低傳輸費用典型情況下，常規的光傳輸每隔60到1公里使用光放大器來放大光信號。但是每隔幾百公里仍然需要進行一次再生來去除噪聲和其它傳輸損傷的影響。這需要采用大量的昂貴設備來將光波轉變成電信號，以便對每一路信號進行單獨處理。與之對比，光孤子改變了光網絡中數據的編碼方式，并可延長再生距離，從而可以大幅度削減傳輸成本。現在服務提供商們面臨著激烈競爭的挑戰，這意味著這種創新的技術擁有潛在市場。預計今年可望開始部署上述新技術。同時.幾家主流設備提供商繼續對上述技術進行開發和實驗。數據傳輸的實驗記錄表明，在一根標準光纖上傳輸10Gb/s的數據，傳輸距離可達16000公里，當速率提高到40Gb/s時，傳輸距離也仍可超過1000公里。作用不容低估對于那些希望從傳統的光纖網向色散可控光孤子基礎設施轉移的服務提供商來說，這個轉移可以是快速、容易和透明的。新的網絡結構同現有的網絡結構看起來非常相似，區別僅僅是所需要的再生器或者端站的數量急劇減少。初期階段色散可控光孤子系統的運行速率為10Gb/s，逐步向40G的方向發展。按照計劃，傳輸系統的容量要達到160個波長。在無電再生的情況下，系統的數據傳輸距離可達數千公里，此外還提供光分插復用功能。在技術上，光孤子設備和傳統的DWDM系統之間的主要差別在于前者引人了一種產生光孤子脈沖的新型轉發器和大功率光信號放大器。轉發器將光纖中的光信號轉變成電信號，再反方向轉變。光孤子產品的另一個特征是它使用喇曼放大器而不是傳統的摻餌光纖放大器進行放大。各種因素的平衡超長距離系統的設計者需要在提高光信號功率來克服噪聲影響，或者減少光信號功率來抑制非線性失真這兩者之間做出艱難選擇。而這正是光孤子能夠發揮優點的機會、：通過均衡色散和非線性失真的影響來為光孤子脈沖創造近乎理想的光纖傳輸環境，允許使用比一般情況下更大的光功率。傳統的系統一般是使用非歸零碼調制技術，而光孤子則使用歸零碼技術，因為它不容易受非線性失真的影響:通過對光脈沖的精心設計是可以利用光纖色散的累積效應來補償非線性失真的影響的。但光纖路徑上的色散特性必須作為總體系統設計的一部分加以適當控制，故產生了“色散可控光孤子”的名稱。盡管使用的設計規則不同.在光孤子網絡中的色散控制方式同傳統的長途、高比特率DWDM系統中采用的色散控制方式是相似的，即在放大器節點上使用無源補償器件(DCM)0一些持懷疑態度的人認為當進行超長距離傳輸時，服務提供商可能不得不犧牲帶寬容量來延長傳輸距離。然而，色散可控光孤子設備提供商正在改進技術，在不犧牲帶寬的條件下達到數千公里的傳輸距離。一旦色散可控光孤子技術進人市場，可以預料這種技術會繼續向前發展，并進一步降低成本。更低的成本將鼓勵服務提供商在其網絡中使用這種技術，而不僅僅在超長距離的骨干網上使用。色散可控光孤子網絡將促進新的光傳輸標準出臺。如果采用這種新的傳輸技術，服務提供商就能夠應付未來帶寬繼續增長對系統裝備的挑戰，幫助服務提供商踏上快速成功的道路。5技術方案比較色散補償的方法很多，但上述幾種補償技術使用較多?，F就上述各方法進行比較。①惆啾光柵技術:采用無源器件，應用方便，維護便利。本方法實現簡單并可靠，且易與光纖兼容。補償距離長，對極化不敏感，對非線性影響小，制作技術成熟，成本低。便于系統全光化、集成化?？芍苯佑糜诔Ｒ巶鬏斁W，對現有設備和線路改動較小，是現階段推廣應用的好方法。②負色散光纖補償技術:采用無源器件，技術成熟，應用和維護方便，且易升級。但是成本高，插人衰減大，對非線性影響大。③色散支持技術:結構簡單，技術成熟，成本低，但是升級能力差。④光相位共扼或中間頻譜反轉技術:補償距離長，但技術