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光纤通信系统中色散补偿技术
蒋玉兰
(浙江华达集团富阳,311400)
【摘要】本文表达了光通信系统中一个重要的参数—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,并比拟其优缺点。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
光纤通信的开展方向是高速率、大容量。它从PDH8Mb/s,34Mb/s,140Mb/s,565Mb/s开展到SDH155Mb/s,622Mb/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,开展到G655,以及G652C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别离。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1550nm处有非零色散,但数值很小〔~·km〕。其色散值可以是正,也可以是负。假设采用色散管理技术,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,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(△<<I),可以忽略纤芯与包层之间色散特性的差异,那么简化为材料色散。
波导色散:单模光纤中光场主要分布在光纤的纤芯中,也有局部光场分布在包层中。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。光波传输的群速度那么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。
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3光纤色散导致光脉冲展宽分析
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。
那么人射光脉冲的形状为(参见图1)
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4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:

DCF是一种有负色散系数的光纤,D=-90ps(nm·km)。假设在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。
原那么上DCF可放在线路的任何位置,但在发送端应放在光放大器之前,因为假设放在光
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。
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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,1obit实验记录可达2245km。但DCF的本钱昂贵,约为CSMF的10~20倍,短期内难以大量推广应用。
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〔DST)
DST的根本原理是,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“O〞、“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Δt=Δλ·D·L,即:Δt=ΔV•λ2•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△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,而光纤的色散那么起到了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253krn。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顶峰,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
Δt=Δλ•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:对于有剩余幅度调制的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SELAG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。

光纤光栅(均匀光纤光栅)的另一个特性,就是在禁带(Photonicbandgap)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,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
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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],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,以到达我们所期望的色散补偿效果。

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,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Δt=2Lg/Vg。从而补偿了由于群速度不同导致的色散,起到压缩光脉冲的作用。如图5所示。
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10Gb/s常规光纤通信网上传输数百公里。国内也研制了10cm
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