相干光纖通信系統(tǒng)

1、相干光纖通信系統(tǒng)中相干光纖通信系統(tǒng)中 色散補(bǔ)償技術(shù)研究色散補(bǔ)償技術(shù)研究 B12011026 趙樂(lè) B11010429 張晨源鑫 B12011017 麻思敏 B12011019 田圳澤 B12011035 張斌 引言 近年來(lái)，隨著電信業(yè)務(wù)的發(fā)展和需求的不斷增長(zhǎng)，需要傳 輸系統(tǒng)提供高的容量，目前普遍采用波分復(fù)用技或提高傳 輸速率來(lái)增加系統(tǒng)的容量。我們知道，影響光纖通信系統(tǒng) 的兩個(gè)主要問(wèn)題是光纖的衰減和色散。隨著摻鉺光纖放大 器（EDFA）的實(shí)用化，光纖損耗不再是限制系統(tǒng)性能提高 的主要因素。在放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的衰減補(bǔ)償之后，色散 成為限制密集波分復(fù)用（DWDM）和10G.652和G655單模 光纖

2、中存在色散斜率，使得傳輸同樣距離的不同波長(zhǎng)信號(hào) 光具有不同的色散量；這些最終導(dǎo)致通信質(zhì)量劣化，嚴(yán)重 時(shí)會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此對(duì)通信鏈路實(shí)行色散補(bǔ)償， 以使各波長(zhǎng)信號(hào)的色散量限制在系統(tǒng)容限內(nèi)。因此人們提 出了色散補(bǔ)償光纖法、啁啾光柵法、預(yù)啁啾技術(shù)、色散支 持傳輸法和頻譜反轉(zhuǎn)法等色散補(bǔ)償方案。 色散的產(chǎn)生 色散是指因?yàn)楣饷}沖中的不同頻率或模式在光纖中的傳播速度不 同，使得這些頻率成分或模式到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生 信號(hào)傳播過(guò)程中的光脈沖的展寬。色散一般用時(shí)延差來(lái)表示，所 謂時(shí)延差，是指不同頻率的信號(hào)成分傳輸同樣的距離所需要的時(shí) 間之差。衡量光纖中色散的大小是用色散系數(shù)，它的定義是波長(zhǎng) 相

3、距1nm(頻率間隔為124.3GHz)的兩個(gè)光信號(hào)傳輸1km距離的時(shí)延 差。而色散系數(shù)對(duì)波長(zhǎng)曲線的斜率成為色散斜率，它反映色散系 數(shù)隨波長(zhǎng)變化的情況。不同廠家不同型號(hào)的光纖具有不同的色散 特性。而色散補(bǔ)償就是通過(guò)各種手段抵消上述信號(hào)不同頻率或模 式成分到達(dá)終端的時(shí)延差。 色散對(duì)光通信系統(tǒng)的影響 光纖的色散現(xiàn)象對(duì)光纖通信極為不利，它 使得兩個(gè)相鄰的脈沖發(fā)生串?dāng)_，產(chǎn)生判決 錯(cuò)誤。色散對(duì)脈沖的這種影響可以從眼圖 中看出來(lái)：從發(fā)送端發(fā)送出來(lái)的初始脈沖 比較規(guī)整，眼張開(kāi)度大，經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度有 色散的光纖傳輸后，眼圖會(huì)呈現(xiàn)出色散的 圖樣，眼張開(kāi)度變小，脈沖形狀變壞，在 誤碼測(cè)試儀上表現(xiàn)為誤碼率變大。 光纖色

4、散的種類 （1）模式色散： 在多模光纖中存在許多傳輸模式，即使在同一波長(zhǎng)，不同模式沿光纖軸向的傳輸速度也不同，到達(dá)接 受端所用的時(shí)間不同，而產(chǎn)生了模式色散。 (2)材料色散： 由于光纖材料的折射率是波長(zhǎng)的非線性函數(shù)，從而使光的傳輸速度隨波長(zhǎng)的變化而變化，由此而引起的 色散稱做材料色散。材料色散主要是有光源的光譜寬度所引起。由于光纖通信中使用的光源不是單色光， 具有一定的頻譜寬度，這樣不同波長(zhǎng)的光波傳輸速度不同，從而產(chǎn)生時(shí)延差，引起脈沖展寬。材料 色散引起的脈沖展寬與光源的光譜線寬和材料色散系數(shù)成正比，所以在系統(tǒng)使用時(shí)盡可能選擇光譜 線寬窄的光源。石英光纖材料的零色散系數(shù)波長(zhǎng)在1270nm附近。

5、 (3)波導(dǎo)色散: 同一模式的相位常數(shù)隨波長(zhǎng)而變化，即群速度隨波長(zhǎng)而變化，由此而引起的色散稱為波導(dǎo)色散。 波導(dǎo)色散主要是由光源的光譜寬度和光纖的幾何結(jié)構(gòu)所引起的。一般波導(dǎo)色散比材料色散小。普通石英 光纖波長(zhǎng)1310nm附近波導(dǎo)色散與材料色散可以相互抵消，使二者總的色散為零。因而，普通石英 光纖在這一波段是一個(gè)低色散區(qū)。在多模式光纖中以上三種色散均存在。對(duì)于多模階躍光纖，模式 色散占主要地位，其次是材料色散，波導(dǎo)色散比較小，可以忽略不計(jì)。對(duì)于多模漸變光纖，模式色 散較小， 波導(dǎo)色散同樣可以忽略不計(jì)。對(duì)于單模光纖，上述三種色散中只有材料色散和波導(dǎo)色散存 在。 (4)偏振模色散： :偏振模色散是由于

6、實(shí)際的光纖總是存在一定的不完善性，使得沿著不同方向偏振的同一模式的相位常數(shù) 不同，從而導(dǎo)致這兩個(gè)模式傳輸不同步，形成色散。光纖通信系統(tǒng)中的色散問(wèn)題及其補(bǔ)償研究 偏振模色散通常較小，在速率不高的光纖通信系統(tǒng)中可以忽略不計(jì)。對(duì)于工作在零色散波長(zhǎng)的單模光纖，偏振模色散將 成為最后的極限。光纖色散對(duì)通信系統(tǒng)的性能影響主要表現(xiàn)在對(duì)傳輸中繼距離和傳輸速率的限制。 色散補(bǔ)償原理 在考慮和同時(shí)起作用的情況下，采用周期等于放大器間隔 的周期色散排布，放大器用來(lái)補(bǔ)償每對(duì)光纖的損耗，每對(duì) 放大器之間恰好有兩種光纖，這兩種光纖的和的符號(hào)分別 相反，這樣使平均色散降到很小的值，當(dāng) 1L+2L=0且 1L+2L=0 色散

7、得到完全補(bǔ)償。其中和分別是長(zhǎng)為1L的光纖 的GVD和TOD參量。 目前光傳輸系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償，可行的色散補(bǔ)償方法可以 分為兩大類，其一是于光纖的色散補(bǔ)償技術(shù)，如采用色散 補(bǔ)償光纖(DCF)、反常色散光纖(RDF)等；其二采用色散補(bǔ) 償模塊(DCM)對(duì)通道色散及色散斜率進(jìn)行補(bǔ)償，如基于啁 啾光纖布拉格光柵(CFBG)、鏡像相位陣列(VIPA)、平面波導(dǎo) 的各類色散補(bǔ)償器等。對(duì)與已敷設(shè)的系統(tǒng)，一種簡(jiǎn)單直接 的色散補(bǔ)償方案是在線路放大器中插入無(wú)源的固定色散補(bǔ) 償模塊(DCM)，這對(duì) 于目前的10Gb/s傳輸是可行的。下面 我們具體來(lái)介紹幾種主要的色散補(bǔ)償技術(shù) 色散補(bǔ)償光纖DCF 研究光纖材料、摻雜濃

8、度、芯徑人小及結(jié)構(gòu)等與色散的關(guān) 系，我們得知純石英材料在1.27um從波長(zhǎng)上不存在色散， 并稱之為零色散波長(zhǎng)。不同摻雜的石英材料可產(chǎn)生不同的 材料色散，使其零色散波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。改變光纖 結(jié)構(gòu)參數(shù)，如減小芯徑、不同摻雜濃度等可增大其折射率， 使零色散波長(zhǎng)移至大于1.55um波長(zhǎng)的位置，從而在1.55um 處得到較大的負(fù)色散。具有這種特性的光纖稱為色散位移 光纖。 光纖光柵 光纖光柵是通過(guò)在光纖或波導(dǎo)上刻上光柵來(lái)控制在其中的反射，從而實(shí)現(xiàn)光 信號(hào)的延遲。如果在一個(gè)波導(dǎo)上采用不等間距的刻度，則可以控制不同頻率 的光延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)較大帶寬上的色散補(bǔ)償。 （1）啁啾光纖光柵 啁啾光纖光柵是指光柵

9、周期沿光纖方向呈周期性線性變化，這樣不同波長(zhǎng)的 光經(jīng)過(guò)啁啾光柵時(shí)被反射的位置不同，從而出現(xiàn)了相對(duì)的時(shí)間差，即具有波 長(zhǎng)色散的特性。利用該特性可以補(bǔ)償光纖線路中的色散，所能補(bǔ)償?shù)纳⒘?及帶寬由光柵長(zhǎng)度和啁啾量來(lái)決定。采用啁啾光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)脑?圖，是基于反射式的補(bǔ)償。光柵的光學(xué)特性主要由其長(zhǎng)度、纖芯折射率調(diào)制 強(qiáng)度和光柵的啁啾參數(shù)決定。對(duì)同一長(zhǎng)度的光柵來(lái)說(shuō)，啁啾量越大，反射帶 寬越大，色散值越小。通過(guò)均衡考慮光柵的這幾個(gè)參數(shù)，即可得到所學(xué)的色 散補(bǔ)償量。 （2）均勻光纖光柵 與啁啾光纖光柵相對(duì)應(yīng)，均勻光柵是指光柵周期 沿光纖放向上是均勻的。理論上，均勻光纖光柵 存在一定的反射帶寬，波長(zhǎng)

10、處于這一范圍內(nèi)的光 會(huì)被強(qiáng)烈放射。對(duì)于遠(yuǎn)離反射帶隙附近的信號(hào)來(lái) 說(shuō)，光纖光柵同普通光纖是一樣的，然而，當(dāng)波 長(zhǎng)距反射帶隙很近時(shí)（距離大約和反射帶寬具有 同樣的數(shù)量級(jí)），光信號(hào)雖然會(huì)通過(guò)光柵，但同 時(shí)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)極強(qiáng)的色散，利用該色散可對(duì)光纖 傳輸線路中積累的色散進(jìn)行補(bǔ)償。 虛像相位陣列法 虛像相位陣列法(vPIA，Virtual Imgade Phasde Array) 是一種利用光學(xué)透鏡陣列的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償?shù)?。它讓不同波長(zhǎng)光經(jīng)過(guò)的路 徑長(zhǎng)度不同來(lái)改變它們的群延時(shí)，從而產(chǎn)生所需要的色散。它的光學(xué)系統(tǒng)包 括準(zhǔn)直和會(huì)聚透鏡、玻璃板和三維反射鏡(用于產(chǎn)生束腰的多個(gè)虛像)。 其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。虛像

11、的位置依賴于光傳播的距離，而距離又隨波長(zhǎng)的不 同而改變，這樣就形成了色散。通過(guò)改變?nèi)S反射鏡的形狀，可以得到正色 散或負(fù)色散，而且針對(duì)每一波長(zhǎng)，合理選擇反射鏡形狀，也可實(shí)現(xiàn)斜率補(bǔ)償。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)圖中3 D反射鏡上下位置的移動(dòng)對(duì)色散大小進(jìn)行調(diào) 制，實(shí)驗(yàn)中的色散調(diào)節(jié)范圍為一800一+8ooPs/nm但是由于光路調(diào)節(jié)復(fù)雜，且 對(duì)透鏡的制作有特殊要求，而且由于是分立光器件組成的，外界微小的震動(dòng) 都將產(chǎn)生很大的影響，因此離實(shí)用化尚存在很大距離。 中途譜反轉(zhuǎn)法（MSSI，Mid-span Spectral Inversion）又稱為光相位共軛法 （OPC），是利用半導(dǎo)體光放大器或光纖中的相位

12、共軛過(guò)程實(shí)現(xiàn)頻譜反轉(zhuǎn)，即 在傳輸鏈路的中點(diǎn)將信號(hào)頻譜或波長(zhǎng)共軛反轉(zhuǎn), 從而使第一段光纖中產(chǎn)生的色散 積累由波長(zhǎng)反轉(zhuǎn)后的第二段光纖中符號(hào)相反的色散抵消，實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。頻譜 反轉(zhuǎn)方法的流程。圖中，圈中所示的是信號(hào)的頻譜在傳輸過(guò)程中的演變，S為輸 入信號(hào)，P為泵浦信號(hào)， 為頻率，C為譜反轉(zhuǎn)之后信號(hào)的復(fù)制品。頻譜反轉(zhuǎn)色散補(bǔ)償?shù)姆椒蓪?shí)現(xiàn)大容 量長(zhǎng)距離的色散補(bǔ)償，且損耗較小。用半導(dǎo)體器件可實(shí)現(xiàn)相位匹配四波混頻， 它與其他光器件集成還可用丁。全光網(wǎng)，但對(duì)所用的人功率泵浦光波提出一定 要求，這些相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步研究。 色散補(bǔ)償技術(shù)的比較 （1）若采用色散補(bǔ)償光纖，對(duì)于區(qū)域網(wǎng)來(lái)說(shuō)，負(fù)色散光纖方法效果較好，實(shí)

13、施藝業(yè)不難。但對(duì)于城域網(wǎng) 來(lái)說(shuō)情況就有所不同。首先必須使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的總色散為零。即使用一段標(biāo)準(zhǔn)單模光纖另外加一 段負(fù)色散光纖，負(fù)色散光纖比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖有更人的損耗，而且由于芯徑不同，兩種光纖在連接處 有較大的損耗。由于在全光網(wǎng)絡(luò)中必須進(jìn)行功率控制以平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功率，因此，負(fù)色散光纖的 加入會(huì)給功率控制造成困難，對(duì)光通信質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的劣化影響。 （2）預(yù)啁啾技術(shù)對(duì)于局域網(wǎng)來(lái)說(shuō)非常有效，但是對(duì)于城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)來(lái)說(shuō)它的補(bǔ)償距離不能滿足要求。 （3）對(duì)于本地網(wǎng)來(lái)說(shuō)，由于節(jié)點(diǎn)之間只有兒千米或更短的距離，如果網(wǎng)絡(luò)本身不是太復(fù)雜，即使傳輸 速率是IOGbit/s， 也可以不必使用色散補(bǔ)償。如果網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)

14、雜使用負(fù)色散光纖就不是一種好辦法， 應(yīng)當(dāng)使用其他的色散補(bǔ)償方法。 相比之下，實(shí)現(xiàn)頻率反轉(zhuǎn)及預(yù)啁啾等技術(shù)在目前都具有一定的難度， 對(duì)光源要求苛刻，實(shí)施工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施過(guò)程中不僅工程造價(jià)高，而且色散補(bǔ)償效果也 不適于靈活多變得全光網(wǎng)絡(luò)，且引入的噪聲降低了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。 （4）啁啾光纖光柵被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是目前最為實(shí)用的一種色散補(bǔ)償方式。它具有帶寬寬、插入損耗和 高補(bǔ)償率等特點(diǎn)。由于體積小，可以很容易地安裝于現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)中，可以很方便地進(jìn)行全光通 信的一維集成。技術(shù)穩(wěn)定性好，產(chǎn)品可靠性高。由于預(yù)啁啾光纖光柵是反射器件，在系統(tǒng)中使用時(shí)， 需配以環(huán)形器方可實(shí)施。這種方案會(huì)引入附加損耗和增加了

15、工程造價(jià)，但目前環(huán)形器的制造技術(shù)已 比較成熟，這種無(wú)源器件的性能指標(biāo)如插入損耗等亦比較理想，引入系統(tǒng)中不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生大 的影響。與前兒種方案相比，實(shí)施工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)亦不高，且可根據(jù)傳輸距離或所需補(bǔ)償量來(lái)設(shè)計(jì)、 選擇器光纖通信系統(tǒng)中的色散問(wèn)題及其補(bǔ)償研究。這種方案靈活方便，補(bǔ)償效果好，可控制性也好。 如果所設(shè)計(jì)和加工的光纖光柵的周期是均勻的增加或者說(shuō)是線性很好的啁啾光纖光柵，并僅以頻寬 2nm的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的飛100ps的脈沖為標(biāo)準(zhǔn)，那么在理論上可以得出這樣的結(jié)論：啁啾光纖光 柵可以使得系統(tǒng)在全光通信條件下傳輸距離擴(kuò)人3個(gè)以上數(shù)舉級(jí)。用光纖光柵補(bǔ)償色散的作用就如 同用光放人器補(bǔ)償損耗。因此啁啾光纖光柵的研制和應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、長(zhǎng)距離的全光通 信有重要意義。 展望未來(lái) 高速光纖通信系統(tǒng)及技術(shù)的不斷發(fā)展，要求色散補(bǔ)償技術(shù)向著高補(bǔ)償 效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性、使用方便、易于升級(jí)和擴(kuò)容、器件小型 化、降低成本等方向發(fā)展。目前，光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)取得了 很大的進(jìn)步，但是它的理論和實(shí)驗(yàn)研究上仍處探索、發(fā)展階段，要求 我們對(duì)現(xiàn)有補(bǔ)償方法進(jìn)行完善的同時(shí)