光纖通信系統(tǒng)的色散補償

1、尤纖通信糸筑旳色散補償j王林 方玲 楊恩澤 張以謨 馬曉紅 于晉龍 黃超 李世忱(天津大學電子信息工程學院300072)摘要本文介紹光纖通信系統(tǒng)幾種常用色散補償技術(shù)的基本原理及其性能特點，并結(jié) 合實際給出具體的使用方法。關(guān)鍵詞 色散補償色散均衡光纖法布里羅(f2p)干涉儀中圖分類號tn913 2exact canpensation for chranatic d ispersionh a transm ission f iber systanwangl h yang enze zhang y mo et al(t ian jin u niversity, electrom ics &

2、infbim ation engineering college 300072)abstract w e danonstrate some methods to compensate exactly for chromatic disper2 sbn in a transm issbn fiber and show how to use these m ethods to compress optical puls2 eskeywords dispersion compensation, dispersion equalizing fiber, f35 interferom2 eter收稿日期

3、:199 82022053 本項目為863高技術(shù)計劃資助1工程上解決光纖色散的幾種方案在光纖通信系統(tǒng)中，因色散與系統(tǒng)的比特率有 如下關(guān)系：b = °鳥s，式中d為色散系數(shù)、厶 為光纖長度、mk為光源線寬,3為系統(tǒng)比特率，所以 群色散是限制比特率與距離積(b厶)提高的主要因 素。提高b厶值的途徑，常采用兩種方法：一是壓經(jīng) 光源譜寬(選用碉啾小線寬窄的激光器作為光源) 二是降低光纖的色散系數(shù)d。減小d值常采用零奩 散位移光纖(dsf)o標準1. 310 an零色散常規(guī)單模 光纖(smf, g 652光纖)在1 310 an處色散系數(shù) 接近于零,損耗為q 36 db 而在1. 550 an

4、處的損耗典型值是()22db.xin,色散系數(shù)約為+ 18 psjfnm km )o 見g. 652光纖不足之處在于 1. 550 an處色散比較大，這対高速率數(shù)字傳輸不 利。而1. 550 an零色散位移光纖(g 653 dsf)是通 過改變對光纖的波導結(jié)構(gòu)設(shè)計，將光纖的零色散波 長k從l 3 an移至在l 55 an處，其色散系數(shù)接近 于零,損耗為(1 24 db,/ino可見dsf達到了低色散 和低損耗的統(tǒng)一，克服了 g 652單模光纖的不足。 通常使用單頻激光器，并使其中心波長與dsf光纖 的零色散波長一致，來減少色散的影響，可使厶報 普通單模光纖增大一個數(shù)量級以上。為此，早期的光 纖

5、通信系統(tǒng)把該單模光纖作為首選光纖，這在線性 傳輸條件下是可行的。但就目前超高速大容量光纖 通信發(fā)展的趨勢來看，不宜廣泛采用dsf。其原因 是當今為了增加信道數(shù)量而廣泛采用的密集波分復 用(dwdm )技術(shù)和光放大器,使得耦合到光纖中笊 光功率增加到使光纖產(chǎn)生非線性(p 2 mw ),即大 于產(chǎn)生非線性閾值的功率。由此引發(fā)了諸多非線性 現(xiàn)象，其中的四波混頻(fwm)將會產(chǎn)生新的頻率分 量，它易引起路際串擾。實驗和理論都表明，fw iv 在系統(tǒng)的工作波長接近零色散波長時特別活躍，輿 結(jié)果會使系統(tǒng)性能惡化，嚴重時其至不能工作。12 此，対于dw dm高速光纖傳輸系統(tǒng)，應(yīng)將光纖本身 的色散與其非線性特

6、性綜合考慮。如果在工作波長 段存在有限色散，會使fwm得到有效遏制。為此， 人們提出在系統(tǒng)工作波長范圍內(nèi)，即edfa譜寬范 圍內(nèi)應(yīng)無零色散點。也就是既要降低l 55 an處光 纖的色散，又需使光纖保持較小的色散來減小光纖 的非線性對系統(tǒng)的不良影響。非零色散位移光纖能 滿足人們的這種要求，該光纖保持較小的色散值以 減小光纖的非線性對系統(tǒng)的不良影響。最近at&t 研制i；的真波(t ru cw avc)單模光纖，就是在1550 nm窗口的工作波長范圍內(nèi)為非零色散單模光纖, 簡稱 nzdf (non2ero dispersbn fiber)« 而康寧 (co rn in g )公司

7、新近推出的大有效面積光纖 (l ea f)則是根據(jù)光纖非線性效應(yīng)與纖芯的有效面 積成反比而又不失單模光纖的特性而制作的， leaf可有效地降低光纖系統(tǒng)的非線性。從光源上 考慮，由于脈沖頻譜是由兩部分構(gòu)成,其一是由光脈 沖脈寬本身導致的光譜寬度即變化極限譜寬，另一 部分則是由于光脈沖碉啾所引起的譜寬展寬部分。 對于線性傳輸系統(tǒng)，由光源所發(fā)出的脈沖頻譜寬度 在脈沖的傳輸過程中始終保持不變，而碉啾和色散 則改變光脈沖的頻譜相位和脈沖寬度，在相同的脈 寬情況下，初始嚅啾越大光脈沖譜寬越寬。因此，可 以說光纖色散對系統(tǒng)的影響主要來口于蜩啾系 數(shù)|。控制入射脈沖的碉啾，可改善光纖通信屮色散 對傳輸距離的限

8、制?？傄胰荷⒅桓淖児饷}沖的脈 寬而不改變脈沖的譜寬。要壓縮光源的譜寬就應(yīng)從 減少輸出光脈沖的碉啾著手，而獲得無碉啾輸出光 脈沖常有以下兒種方法：(1)采用鎖模激光器，尤其12是鎖模光纖激光器(近來國外大量報道這方面的工 作廠。它與半導體激光器相比具有輸出光脈沖功率 高、脈寬窄、無頻率碉啾，并可直接產(chǎn)生近變化極阪 光脈沖，輸出波長易于調(diào)諧，是線性光纖通信系統(tǒng)利 光孤子通訊系統(tǒng)較理想的光源。對于有初始碉鮒 的光脈沖信號源(如半導體激光器)，就需使用外詬 制技術(shù)。使用外調(diào)制技術(shù)指的是通過光調(diào)制器來遞 免因使用直接調(diào)制方法所產(chǎn)生的頻率碉啾，如利斥 銳酸鋰光調(diào)制器對信號進行幅度或相位調(diào)制，經(jīng)它 調(diào)制所

9、出射的光脈沖動態(tài)譜寬與驅(qū)動信號無關(guān)，苗 可使其碉啾系數(shù)幾乎為零，較易獲得近變化極限光 脈沖。一般對于含有初始碉啾的信號源，如dfb潴 光器所發(fā)出常帶有較嚴重負碉啾的光脈沖，通過夕i 調(diào)制技術(shù)來減小碉啾系數(shù)或改變光脈沖波形至少可 使系統(tǒng)b厶積提高一個數(shù)量級'，所以，在高碼速逍 信系統(tǒng)中使用十分普遍。目前常用的光調(diào)制器有應(yīng) 種：一-種是波導型錠酸鋰馬赫曾徳型光調(diào)制器；另 一種是電吸收型半導體光調(diào)制器。前者利用祝酸鈣 光電效應(yīng)進行光調(diào)制，它具冇調(diào)制性能高、初始碉唏 兒乎為零，不受光纖色散限制等特點，但體積較大 而后者利用半導體材料屮的franz kelolays效應(yīng)或 量子阱中的斯塔克效應(yīng)進

10、行光調(diào)制，其特點是體初 小，功率小,可與光源集成，但碉啾聲比前者要大些， 因而，調(diào)制速率不如前者高。2光纖通信的色散補償技術(shù)色散補償技術(shù)主耍是通過在光纖傳輸途中加入 適合的色散元件解決因光纖色散而引起的波形失 真。這些色散元件主要有:色散均衡光纖(e qu a lizin < fiber)的使用，這包括正、負色散光纖、色散補償光纟 1 (dcf)和線性碉啾光纖光柵的合理使用；法布里理 羅干涉儀壓縮正、負碉啾脈沖；對光源加線性預碉勵 壓縮光脈沖；用四波混頻所引起的相位共轆來進冇 中途譜反轉(zhuǎn)從而達到色散補償?shù)确椒?。預碉啾技爪 是通過對調(diào)制信號進行調(diào)頻(加碉啾)再調(diào)制光源滋 方法，該方法能將光

11、脈沖壓窄，從而有效地提髙光肪 沖抗光纖色散的能力。我們知道當初始碉啾參量c 二0時，光脈沖在光纖中傳輸脈寬會單調(diào)上升，而當 c h0時，在適當?shù)纳⒐饫w中傳輸時，即只要滿后 bcv 0,光脈沖就會在一定的范圍內(nèi)(zwzmq篠 到壓縮“。利用此特性可在光纖通信川延長色散無 傳輸距離的限制。選擇最佳預碉啾值可獲得最佳圧 縮效果。中途譜反轉(zhuǎn)(m id span sp ec t ra 1 inversion)衣 術(shù)是在光纖線路中途使光譜反向，該項技術(shù)很適臺 用在光時分復用(o tdm )系統(tǒng),但其技術(shù)實施需要 較昂貴的設(shè)備。2 1正色散光纖(ndf)補償我們知道對于線性初始碉啾的高斯脈沖在沿光 纖傳輸

12、時，其上任一點z處的頻譜半寬度、脈沖寬虞 以及刪啾可分別表示如下'3e= (1 + c2)，x/()(1)ti(z) = to(l + 羋孑尸+ (鬃)2" (2)a5 _ (c瑞 + c2bz+ b z)t心八 at =(冗+ cb.z)2 + &z2上式中的c為初始碉啾參量，(1)式表明碉啾的存在 增加了譜寬，譜寬增大了(l+c2)"倍。當c=0時, 譜寬減至付立葉變換極限值，即日三二1.z0o從 式給出的群速度色散與初始碉啾對脈沖展寬影響的 定量關(guān)系式屮可看出在cho的情況下,gvd展寬 脈沖寬度不僅取決于c和b(r = - kd, k為常數(shù)， d為色

13、散參量)的大小而且還與它們的相對符號有 關(guān)，當> 0時，光脈沖隨著傳輸距離的增加而單 調(diào)展寬。而當甩v 0 (即dc> 0)時光脈沖要經(jīng)歷 一個初始窄化階段(在z w zn* )變窄。式告訴我 們，導致脈沖碉啾的原因有兩種：一是初始啊啾；另 一個就是群色散導致的碉啾，后者是z的函數(shù)，即 ae(z),脈沖的窄化就是出白于這兩者的相互抵消 使光脈沖的凈碉啾減小，如對(d fb )半導體激光盎 產(chǎn)生的負碉啾(c< 0)光脈沖可用正色散光纖來壓 縮它的脈寬。補償光纖的最佳長度取決于光脈沖的 脈寬和碉啾參數(shù)，對負碉啾高斯脈沖，最優(yōu)正色散光 纖補償長度為° :-dl = hk(

14、4)(4)式屮厶為光纖長度，為脈寬jk為譜寬。當所 補償?shù)纳⒘亢线m時，蜩啾消除，光脈沖最窄，理想 情況下可達到變化極限光脈沖。一般情況，壓縮效垛 主要取決于半導體激光器出射光脈沖的脈寬及嚅啾 情況，在纖長一定的情況下，常通過改變激光器的工 作狀態(tài)(如改變偏置電流或驅(qū)動信號的微波功率來 改變光脈沖的寬度及碉啾狀況)，以獲得較好的壓縮 效果。在不考慮非線性情況下,壓縮后所獲得的最小脈寬為九腫21nvt./tf3e2),該式表明脈寬最 小值止比于輸入脈沖頻譜寬度的倒數(shù)。因此當輸入 脈寬一泄時，若碉啾越大，則頻譜越寬，因而脈寬值 越小?？梢娪谜⒐饫w對出射碉啾較大的光脈沖 壓縮脈寬很有效。目前國外

15、已成功用正色散光纖進 行色散補償，在碼速為10 gbit定的條件下得到脈寬僅為6 8 ps,時間帶寬積3z3v= q 56的超短光 脈沖。但由于補償光纖的長度不可能連續(xù)變化，而實 際激光器輸出的光脈沖的碉啾也并非是線性的。線 性蜩啾只集中在脈沖的中心部分，脈沖的前后沿的 碉啾是非線性的。在這種情況下，需結(jié)合使用帶通濾 波器以消除非線性碉啾成分來獲得近變化極限光脈 沖。2 2色散補償光纖(dcf)dcf是在l 55 an波長處具有較高負色散值 (-5a - 548psnm km ),它實質(zhì)上也是一種 色散位移光纖，只不過零色散波長移到了遠離1. 55 an的波長上odcf可抵消原標準l 310

16、an零色橄 單模光纖(g 652)在1. 55 an的正色散值,使通信 線路在i. 55 an處總色散接近于零。從而達到較婦 的色散補償作用，是一種比較理想的色散補償光纖， 尤其是對現(xiàn)已大量鋪設(shè)的g. 652光纖補償后，可延 長中繼距離約30 km,故可促使g 652光纖升級。采 用dcf的優(yōu)點在于:它是一線性無源器件，具有可 控色散補償量，并可補償dfb激光器所發(fā)出的帶有 較嚴重的紅移碉啾脈沖;dcf能放在光纖線路的任 何位置，溫度穩(wěn)定性好。對dcf要求是負色散系數(shù) (ddc)越大越好，而光纖的單位損耗(心c )越小越好, 其性能優(yōu)劣由品質(zhì)因素(fom= docjffnc )來衡量,現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)

17、dcf的fom可達200 psjnmdb）以 上,并能做到寬帶范圍內(nèi)的補償，不iidcf不足之 處在于損耗較大，約為1（ib為n。2 3法布里2®羅干涉儀（f2p干涉儀）在光纖通信系統(tǒng)屮利用法布里21白羅干涉儀對 信號進行頻域濾波和消碉啾是最為常見的一種方 法。f2p干涉儀對碉啾光脈沖的壓縮存在濾波和企 散的雙重機制。其工作原理是基于光束在f2p諧旅 腔內(nèi)往復反射而形成多光束干涉，使得某些頻率滋 光波因干涉而加強，而其余頻率的光波則減弱，從帀 出現(xiàn)諧振特性。f2p干涉儀透射譜呈現(xiàn)出尖銳的干 涉圖樣。諧振腔由兩個鍍有高反射膜ghgz（反射率 均為r）且相互平行的反射而構(gòu)成，其間隙刃（諧

18、振腔腔長）可調(diào)節(jié)。gi、g2兩反射面的光程差為：3 = 2必cosh,上式中h為入射角川為介質(zhì)折射率，相應(yīng) 的相位差為：a= 2rbjk,在正入射的情況下（h二 0）,f耳干涉儀的透射特性即f2p干涉儀的自由光 譜區(qū)可表示為：2nh而透射譜的帶寬為：av = c(l r) 2nhvi r )(6)（6）式表明譜線寬度取決于反射率/?和的大小。若 r接近于1,適當調(diào)節(jié)h就可獲得很窄的透射譜寬 此時干涉條紋極銳。所以，減少損耗即提高膜反憲 率，可提高f2p腔性能。實際使用時應(yīng)使諧振頻率 與信號的中心頻率一致，且f2p腔自由光譜區(qū)（若 以波長表示可寫為：3k= k.a/7 ）應(yīng)大于入射脈沖 的譜寬，

19、這樣可達到壓縮光脈沖的譜寬目的,使信號 的譜寬和腔體的帶寬相等。例如光脈沖通過f2p k 吋，因光脈沖的不同部位具有不同的頻率，通過調(diào)十 h來減小av，使得與脈沖前后沿所對應(yīng)的頻譜邊聲 通過濾波器時受到抑制（濾波）。當|aojf|半寬度 很窄時，光脈沖通過f2p時只有其中某一小段的洸 頻率能通過，這實質(zhì)上是壓縮了線寬。其效果是將對 應(yīng)于脈沖前后的非線性碉啾成分消除掉，從而使光 脈沖的脈寬變窄?？梢奻2p干涉儀不僅在頻域中壓 縮光脈沖的頻譜，而且在時域上壓縮了脈沖寬度，由 此得到近變化極限的光脈沖。在光纖通信系統(tǒng)中一 般選用調(diào)諧范禺寬的f2p干涉儀。由物理光學可 知,諧振腔的出射光和入射光場強之

20、比為：山 _ r 2_rj_ /soa / 1 r 2e js + r4 - 2r 2cosa 其中a=咽8sh 5=- tgj j ；'爲 群時延為：（15 _4 皿 r + comd 三c 1 + 2 + 27? cosa色散系數(shù)為：° ke s，na 1 + r wcosa 從以上3式可看出f2p干涉儀的色散均衡機制是通 過調(diào)節(jié)h來改變相位，從而改變色散參量d ,即謂 振腔對光載波所呈現(xiàn)的色散特性與h的大小有關(guān) 調(diào)節(jié)h可使腔體對一定的光載波呈現(xiàn)出正常色散區(qū) 或反常色散區(qū)。因此，根據(jù)光脈沖的碉啾特性，調(diào)十 腔體兩反射鏡的相對距離即可壓縮各種光脈沖。s 然利用f2p的選頻特

21、性來消蜩啾較有效，但它不可 能將碉啾完全消除。因此，常將光譜濾波法與色散補 償法結(jié)合使用。2 4線性啊啾光纖光柵因線性碉啾光纖光柵是沿光纖方向上光柵折射 率的調(diào)制幅度或相位被周期性調(diào)制，所以使其色散 值周期性的重復變化。光柵的周期和長度以及光纖 折射率的調(diào)制強度決定了光纖光柵的反射率及反射 帶寬。光纖光柵色散補償?shù)脑硎歉鶕?jù)衍射光柵ik 角色散特性，在陰啾光柵的不同反射點有不同的反 射波長，因此，使入射光波中的不同波長（或頻率）成 分在光柵中走過不同距離，從而產(chǎn)生不同的延時來 達到色散均衡目的。光柵周期決定反射波長，即只有 某些波長的光才能被光柵反射，線性碉啾光纖光柵 所反射的光波是在b ra

22、gg波2 k （k二2np其川n為芯區(qū)的有效折射率，p為光柵周期)附近,帶寬為 mk以內(nèi)的光波。由于傳統(tǒng)單模光纖(smf,g 652) 在1. 55 an工作窗口色散值為正處在反常色散區(qū) (& < (),紅移分量(長波反成分k)比蘭移分量 (短波長成分k)傳得慢，因而k比k經(jīng)歷的時延 長。若使中心波長在1. 55 an附近的信號光脈沖從 光柵周期大的一端入射，見圖1,則紅移分量(長波 長成分k )在光柵的前端反射，而蘭移分量(短波長 成分k )在光纖的末端反射，使得紅移分量經(jīng)過瑕 近的距離就能反射，而蘭移分量要經(jīng)歷較遠的距德 才能被反射，即紅移分量比蘭移分量經(jīng)歷的時延少。 此時光

23、柵的色散特性正好與常規(guī)單模光纖的色散特 性相反，能夠起到色散補償作用°從圖1可看出，k 比k多走2l距離，由此所產(chǎn)生的時延差為：3z= 2ljg(10)式中厶為光柵長度,u&為有效群速度。經(jīng)過光柵后 k往前趕了一段距離而k則滯后一段距離,光柵的 色散補償量可寫為：d = z/'(11)上式中b為光柵的反射帶寬，例如用120 nm的線 性碉啾光柵成功的對碼速為10 gbit/傳輸距離為 270 kin 2的常規(guī)單模光纖進行色散補償。由圖1外 難得出，信號光脈沖經(jīng)過光柵反射后單位波長間障 的群吋延d厶的近似表達式為：(12)dl = fi= |<=鐮其中d為色散系數(shù)

24、,mk是光在光柵前后兩端反射的 波長差,日工是相應(yīng)的時延差,間是有效的折射率,c 為真空中的光速,”為介質(zhì)中的光速。例如«eff =1. 45, 3k = q 2 nm，厶=4 cm,則 q厶=1933 ps>n ,這能補償約h4km常規(guī)單模光纖的色散。3光纖通信系統(tǒng)的色散補償圖2為我室承擔武漢郵電科學研究院 40 gbitjs2100 km otdm通信實驗系統(tǒng)框圖。從圖 中可看出由誤碼儀(ppg)發(fā)出的10 gh7.時鐘脈沖 驅(qū)動半導體激光器(dfb),使其發(fā)出頻率為10圖2 40 gbit広2100 km otdm通信實驗系統(tǒng)框圖(下轉(zhuǎn)第24頁)ghz、波長1. 55 a

25、n>功率約為2 mw的光載頻脈 沖，并讓它首先通過色散均衡光纖(equalizing fiber,在這里是指正色散光纖)壓縮光脈沖，然后經(jīng) f2p干涉儀進行濾波和消碉啾。得到脈寬約為6 p： 光載頻脈沖。將信號源接到外調(diào)制器(l z bo 3)上 這樣信號就能通過外調(diào)制器對載波進行調(diào)制，由出 得到近變化極限的光脈沖信號。隨后光脈沖信號檸 入到波分復用器，由于各信道光脈沖功率會明顯下 降，所以需用edfa來進行光放大然后輸入到傳輸 線路中?？紤]到損耗與色散的影響，在沿線每隔一定 距離都有色散均衡光纖進行色散補償和摻餌光纖於 大器進行光放大，使每個光放大器間隔單元內(nèi)光纟 1 的總色散接近于零

26、，這樣在不考慮非線性和損耗懂 況下，每個單元的脈寬和譜寬都可以完全得到恢復 若系統(tǒng)運行時非線性和光纖損耗不能忽略，則每個 單元的譜寬就不能得到有效的恢復，這樣勢必導致 進行測試，后者在每天或每周的預定時間対光纖光 纜進行完整的測試。結(jié) 語 光纖監(jiān)測系統(tǒng)oms98不同于國內(nèi)外已有 的光纖光纜自動測試系統(tǒng)，從設(shè)計階段就考慮到大 型復雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)代化的計算機技術(shù)和光 測試技術(shù)，是一個相當先進實用的系統(tǒng)。并且在系經(jīng) 設(shè)計時考慮itu 2t的電信管理網(wǎng)tmn的體系紳 構(gòu)和思路，引入了開放管理、互操作接口、面向?qū)ο?信息模型的概念，為在適當?shù)臅r候標準化提供了方 便。隨著通信網(wǎng)的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性彳 斷提高，對通信網(wǎng)實施統(tǒng)一有效的監(jiān)測管理是現(xiàn)代 通信網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展、可靠運營和提供完善服務(wù)的必 備條件，必將對促進我國和鐵道部電信網(wǎng)管理的自 動化進程，提高運營效率和可靠性，帶來長遠的經(jīng)澇 效益。參考文獻1王俊杰 如何組建我國的光纜自動檢測系統(tǒng) 電信技術(shù)，1996 62詹時芳 光纜線路自動檢測系統(tǒng)的探討 現(xiàn)代有線傳輸，1996 33王廷堯等 光通信設(shè)備基礎(chǔ) 天津科技出版社,19914韋樂平等光纜通信系統(tǒng)指標與測試電子工業(yè)出版社,1995（上接第15頁）脈沖譜寬隨傳輸距離的加大而越來越大。因此，在這 種情況下必須控制譜寬的累積。為此，我們在系統(tǒng)彳 采用正常色散光纖和反常色散光纖組合成一