光傳輸系統(tǒng)中色度色散的計算-

1、 光傳輸系統(tǒng)中色度色散的計算潘倩微(佛山電力設(shè)計院,廣東佛山528200Jun.10,20100通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進,不僅在許多應用領(lǐng)域刺激了人們對高新技術(shù)需求的渴望,而且正在深層次上轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊乃枷胗^念,尤其在電力專網(wǎng)上,近年來,通信網(wǎng)絡(luò)所傳送的業(yè)務(wù)由原來單一的話音通信發(fā)展到現(xiàn)在的承載保護、安穩(wěn)、辦公自動化、會議電視、遠動等信息。因此,電力光纖傳輸網(wǎng)也必須由早期的155Mbit/s 速率向10Gbit/s 的速率發(fā)展。不同傳輸速率、不同傳輸距離和不同層次網(wǎng)絡(luò)需要選用不同性能的傳輸光纖。例如,承擔國家級核心網(wǎng)高速率、大容量和遠距離傳輸?shù)姆粗?在城域網(wǎng)中擔當多種速率、多種業(yè)務(wù)大容量和短距離傳輸

2、的CWDM 系統(tǒng)應該選用G.652C 或G.652D 光纖。因此,不同的系統(tǒng)需要使用不同性能的光纖,由此也決定了整個系統(tǒng)的傳輸性能。1電力二級光傳輸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式廣東省電力二級光傳輸網(wǎng)絡(luò)采用分層分區(qū)的形式構(gòu)成高速層和骨干層,網(wǎng)絡(luò)覆蓋省通信中心、21個地調(diào)、所有500kV 變電站,以及少量的220kV變電站和部分省調(diào)電廠,主要采用華為、馬可尼等傳輸設(shè)備組網(wǎng),用于提供跨地區(qū)的省調(diào)業(yè)務(wù)通道;各地區(qū)的三級通信網(wǎng)基本形成以220kV 變電站2色散分析2.1色散的概念色散分為色度色散與偏振色散兩大類,文章重點討論色度色散的問題。在實際應用中,各種色散以復雜的關(guān)系結(jié)合在一起,共同決定了光纖色度色散的大小。所謂

3、色度色散是指入射到光纖的光脈沖經(jīng)光纖傳輸以后,出射端光脈沖將發(fā)生時間展寬的現(xiàn)象。色度色散按產(chǎn)生原因的不同,又可以分為:模式色散(模間色散、材料色散、波導色散和偏振色散。后兩者都與光波長有關(guān),所以又統(tǒng)稱為“波長色散”或“模內(nèi)色散”。1模式色散:多模光纖中,不同模式之間群速率不同而產(chǎn)生的色散。對單模光纖來說,因為光纖尺寸可以同光波長相比擬,所以光纖只允許一種模式在其中傳播,不存在模式色散的問題。2材料色散:由于光纖材料折射率隨光波長(頻率而變引起的色散。3波導色散:光纖某一模式對不同波長群速率不同、傳播常數(shù)不同而產(chǎn)生的色散。54··4偏振色散:單模光纖中,由于光纖雙折射使兩個正

4、交偏振模HE x11和HE y11產(chǎn)生時延差而出現(xiàn)的色散。模式色散僅存在于多模光纖中,比材料色散與波導色散之和還要高幾十倍,所以在多模光纖中其材料色散與波導色散可以忽略不計。單模光纖因基本上不存在模式色散,其色度色散主要由材料色散、波導色散構(gòu)成,所以適合于進行大容量傳輸。2.2相關(guān)參數(shù)指標光口的色散受限距離指標不僅與光源本身的調(diào)制方式有關(guān),還與光纖的型號類型有關(guān)。2.3設(shè)備光源的調(diào)制方式在光纖通信中為了使光源器件發(fā)出與信息電脈沖相應的光脈沖流,需要對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制。目前,半導體激光器信號的調(diào)制方式有直接調(diào)制和外調(diào)制2種。直接調(diào)制方式就是用電脈沖信號直接去改變光源的工作電流,從而使光源器

5、件發(fā)出與電脈沖信號相應的光脈沖:即在數(shù)字電信號為“1”的瞬間,光發(fā)送機采用一個“傳號”光脈沖;在數(shù)字為“0”的瞬間,光發(fā)送機不發(fā)光即為“空號”。外調(diào)制方式就是讓光源連續(xù)發(fā)光,在其外部用電信號間接地控制光源所發(fā)出的光,從而獲得與電脈沖信號相對應的光脈沖流。當傳輸速率很高時,采用直接調(diào)制方式會出現(xiàn)“啁啾”現(xiàn)象,最后導致光源的發(fā)射波長發(fā)生偏移,嚴重的影響系統(tǒng)的性能。所以,直接調(diào)制方式一般用于2.5Gbit/s以下低速級別光口中。外調(diào)制方式需要調(diào)制器,激光器在直流狀態(tài)下工作,具備無激光啁啾、低色散失真、大消光比、高速率等優(yōu)點。但成本較高,生產(chǎn)難度大,尤其適合于2.5Gbit/s及以上高速率級別光口中。

6、3受限距離的計算設(shè)備光源的色散受限距離主要與光源的調(diào)制方式有關(guān),可以根據(jù)相關(guān)公式進行計算。3.1直接調(diào)制方式下色散受限距離的計算對于2.5Gbit/s速率以下系統(tǒng),其光口大多采用直接調(diào)制方式?？梢允褂萌缦碌纳⑹芟薰接嬎闵⑹芟蘧嚯xL(×1012/×B×D(1式中為光脈沖的相對展寬值;為光源器件的根均方譜寬,單位為nm;B為系統(tǒng)的傳輸速率,單位為bit/s;D(為色散系數(shù),單位為ps/nm·km。由上式可知,速率越高,受限距離越短。以2.5Gbit/s為例進行計算,得出色散受限距離為:L (L16.2=(0.491×1012/(0.75/6.

7、07×2500×106×17= 93km,大于L16.2的衰耗距離82km,不是色散受限系統(tǒng)?？梢姴捎弥苯诱{(diào)制方式的光源,其色散受限距離均大于衰耗受限距離,因此在實際工程設(shè)計中可以不予考慮。3.2外調(diào)制方式時色散受限距離的計算對于2.5Gbit/s及以上速率系統(tǒng),大多采用外調(diào)制方式?？墒褂萌缦碌纳⑹芟抻嬎愎降贸錾⑹芟蘧嚯xL=光源色散容限/D(2對于2.5Gbit/s速率的傳輸系統(tǒng),由于目前的生產(chǎn)工藝水平已經(jīng)達到11000ps/nm的色散容限值。以G.652光纖的色散系數(shù)為17ps/nm·km來計算,其受限距離可以達到640km。因此,在實際應用中,

8、只需采用對應色散容限要求的單板即可,無需對2.5Gbit/s速率的光口進行色散的補償。·技術(shù)研究·潘倩微光傳輸系統(tǒng)中色度色散的計算55··對于傳輸速率為10Gbit/s的系統(tǒng),目前各廠家僅能提供最大2000ps/nm左右的色散容限值,以G.652光纖的色散系數(shù)為17ps/nm·km來計算,傳輸受限距離在100km左右,小于在實際應用中遇到的長距離傳輸?shù)拈L度,因此,需要根據(jù)光纜的長度計算色散損耗,進行色散補償。4色度色散的補償技術(shù)光纖色散大大限制了高速光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x,故對高速光纖通信系統(tǒng)進行的色散補償變得十分必要。目前色散補償技術(shù)主要有光

9、纖型色散補償技術(shù)和光柵型色散補償技術(shù)。4.1光纖型色散補償技術(shù)色散補償光纖(DCF,Fispersion Compensating Fiber是一種特制的光纖,其色度色散為負值,恰好與G.652光纖相反,可以抵消G.652常規(guī)色散的影響。在實際應用中一般采用DCF基本模塊,其色散值約為-340ps/nm,按G.652光纖的色散系數(shù)17ps/nm·km計算,每個DCF基本模塊可以補償20km的傳輸距離,DCF基本模塊可以根據(jù)需要進行組合,成為更長距離的色散補償模塊(DCM,Dispersion Compensating Module,其補償距離為20km的整數(shù)倍。但DCF有較大的插損(

10、每個DCF基本模塊的插損約3dB,需要利用光放大器的多余增益來補償。比如光迅科技公司的光纖型DCM,色散補償量有340,670,1000,1340,1680ps/nm等多種規(guī)格,分別對應20,40,60,80,100km的補償距離。對應的插入損耗分別為3,4.5,5.5,7,8dB。4.2光柵型色散補償技術(shù)色散補償光柵(DCG,Dispersion Compensat-ing Grating是近年來發(fā)展起來的色散補償技術(shù),其基本原理是:使群速率高的譜分量多繞一段距離,群速率低(傳播得慢的譜分量少經(jīng)過一段距離,從而使得反射后到達對端的時間相等,就抵消了由于時延造成的色散效應。其優(yōu)點有色散補償量大

11、、體積小、插損小、成本低、不受光纖非線性效應的影響等。華為公司將此技術(shù)直接集成到設(shè)備板卡上,可以將板卡插在設(shè)備的業(yè)務(wù)槽位里。啁啾光柵色散補償板目前有800,1020,1360ps/nm三種規(guī)格,其標稱補償距離分別為40,60,80km,對應的插入損耗均為3dB。再如光迅科技公司的光纖光柵型色散補償模塊(DCM-FG,可以安裝在17寸標準機柜中,其模塊型號有680,1020,1360, 1700ps/nm等補償量,分別對應20,40,60,80, 100km的補償距離。其模塊由光纖光柵和環(huán)形器或者耦合器組成,采用環(huán)形器時插損為3.5dB,采用耦合器時插損為8dB。4.3其他色散補償方式目前,部分

12、生產(chǎn)廠商將波長轉(zhuǎn)換技術(shù)、色散補償技術(shù)融合在一起,組成了獨立的寬譜放大設(shè)備,在電網(wǎng)中也得到了廣泛應用。如光迅科技公司提供的RT-EDFA-BA設(shè)備,其接收波長涵蓋了1100 1650nm等窗口,允許輸入的傳輸速率也覆蓋了從155Mbit/s到2.5Gbit/s的較大范圍。通過內(nèi)部的色散補償模塊I(包括3種型號80,150,360km和放大板、預放大板等將傳輸信號拉遠。輸出端波長統(tǒng)一調(diào)整為1550nm。這給設(shè)備廠商的組網(wǎng)提供了更多的技術(shù)選擇。5色散補償量的計算色散受限系統(tǒng)的問題可以通過色散補償技術(shù)加以解決,色散補償量的大小,可以通過如下公式計算得出色散補償量=L×D(-光板色散受限量+調(diào)

13、整量(3式中L為傳輸距離,換算成G.652光纜的長度。L=L1(G.652光纜的長度+L2(G.655光纜的長度×4/17(4對于調(diào)整量的大小,應當視具體線路長度、補償技術(shù)而定,但是為了提供簡單統(tǒng)一的計算模型,可以將調(diào)整量控制在一個定值。在電網(wǎng)實際應用中,單跨度傳輸距離一般不超過200km。而各廠家提供的長距離光源色散容量均大于800ps/nm(40km,需要色散補償?shù)木嚯x就在0160km之間。考慮到色散補償模塊的補償量最大具有10%的偏差(即最大有160×10%=±16km的偏差,所以,必須對這部分偏差再次進行補償。而這部分補償?shù)哪K還會存在偏差,因此,可以按照

14、補償距離長度的15%作為色散的補電力系統(tǒng)通信2010,31(212 56··償冗余量(即160×15%=24km 或408ps/nm 。這樣,色散補償量的大小就可以控制在840km 之間,而光源只需要承擔032km 的正色散偏差即可,完全符合廠家光源色散容量的要求。針對電網(wǎng)的實際情況,推薦色散補償距離的計算方法為色散補償量=傳輸距離×D (-光板色散容限+408ps/nm (24km (56設(shè)計實例某新建變電站,通信線路容量為10Gbit/s 速率系統(tǒng),設(shè)備提供廠家的外調(diào)制光源色散容限為800ps/nm ,光纜線路總長度108km ,其中G.652光纜長

15、度95km ,G.655光纜長度13km 。光纜對應的色散系數(shù)分別為17,4ps/nm ·km 。下面考慮如何進行色度色散的補償。首先,將混合光纜的長度換算成G.652光纜的長度L =95+13×4/17=95+3=98km ;其次,計算需要色散補償?shù)牧可⒀a償量=98×17-800+408=1274ps/nm (即75km ;最后,計算出需要增加的色散補償模塊。對于1274ps/nm ,取整1360ps/nm (即80km 。因此,對于該項目,可以配置1360ps/nm 的光纖型色散補償模塊1個,也可以配置1360ps/nm 的光柵型色散補償模塊1個。7結(jié)束語文

16、章介紹了光傳輸中色散的基本概念以及色散補償技術(shù),著重對色度色散作出分析。結(jié)合廣東省現(xiàn)有傳輸設(shè)備各廠家提供的參數(shù),參照市場上提供的色散補償產(chǎn)品,依據(jù)相關(guān)的計算理論,經(jīng)過實際測試、驗算后形成了色度色散簡單、統(tǒng)一的計算模型公式,為設(shè)計人員提供了可行的計算依據(jù)。參考文獻1胡先志.構(gòu)建高速通信光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社,2008.2孫雨南,王茜倩,伍劍,等.光纖技術(shù):理論基礎(chǔ)與應用.北京:北京理工大學出版社,2006.(ZL 潘倩微(1963,女,廣東佛山人,工程師,從事光傳輸技術(shù)應用研究。(收稿日期:2010-01-12Calculation of chromatic dispersion

17、 in optical transmission systemPAN Qian -wei(Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Foshan 528200,China Abstract:After years of construction and development,Guangdong power communication network has become a full optical fiber communication network composed of one provincial and 21city -level tran

18、smission networks.Along with the rapid development of power grid,higher transmission speed and longer transmission distance are required.So how to use existing resources to configure the optical equipment and provide high quality transmission signals is the facing problem.This paper discusses the disper