光通信中的色散管理与补偿技术1.docx

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光通信中的色散管理与补偿技术1

《能力拓展训练》报告

题目：

光通信中的色散管理与补偿技术

专业班级：

电子0901班

学生姓名：

指导教师：

刘金根

武汉理工大学信息工程学院

2012年07月13日

能力拓展训练任务书

学生姓名：

专业班级：

电子0901

指导教师：

刘金根工作单位：

信息工程学院

题目：

光通信中的色散管理与补偿技术

初始条件：

具有扎实的电子科学与技术专业基本理论和系统的专业知识；具备初步的文献查阅和专题调研技能；一定的中英文文献阅读与综合能力。

要求完成的主要任务：

1.在电子科学与技术专业体系范围内确定选题，题目自拟。

2.查阅与选题相关的文献资料，通过对文献资料的阅读分析与综合，写出调研报告；要求报告内容的可读性强，撰写格式规范，图标的使用正确，参考文献的引用恰当；字数不少于6000字，参考文献不少于10篇，其中外文文献不少于2篇。

时间安排：

1．2012年7月9日集中，布置能力拓展训练任务；讲解训练具体实施计划、报告格式的要求与答疑事项。

2．2012年7月9日至2012年7月12日完成选题的确定、资料查阅、能力拓展训练报告的撰写。

3.2012年7月13日提交能力拓展训练报告书，进行验收和答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

本文叙述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。

文章还详细分析说明了各种补偿技术原理，并比较其优缺点。

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。

关键词：

光通信系统、色散、色散补偿技术

Abstract

Thispaperdescribestheopticalcommunicationsystemoneoftheimportantparameters-dispersion,andG65opticalfibercommunicationsystemofthedispersioncompensationtechnology.Thearticlealsodetailthevariouscompensationtechnologyprinciple,andcomparestheiradvantagesanddisadvantages.Finallyemphasizesthatthedispersioncompensationisdesignedtocompensateforfiberopticlinesthedispersionandnonlinearityofthedistortionoftechnology.

Keywords:

opticalcommunicationsystem,dispersion,thedispersioncompensationtechnology

1绪论

当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。

EDFA（即掺铒光纤放大器，是一种对信号光放大的一种有源光器件）的诞生是光纤通信领域革命性的突破，它使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是DWDM系统（密集型光波复用）及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件。

[1其研发和应用，对光纤通信的发展有着重要的意义。

今天光缆网络已经遍布世界各地，光纤通信成为“信息高速公路”的重要支柱。

但是由于光纤本身具有传输损耗，使得光信号只能传输不太远的距离就会衰减到接受机无法辨别的程度。

从前光中继采用“光-电-光”的方式进行光放大。

EDFA的问世引起了光通信技术的一场革命，在以光纤为传输媒体的邮电通信、有线电视以及计算机网络的系统发挥着重要的作用。

它的出现为1.55um波长窗口实现大容量、长距离光通信创造了条件，并使光纤通信中衰耗的问题得到了一定的解决。

然而，随着光传输系统中的传输速率的提高和信号传输带宽的增加，色散问题日益显著。

已经铺设的常规光纤规G.652线路的零色散点位于1.31um，在1.55um处时则具有较大的色散系数（17ps/nm/km），光脉冲信号经过长途传输后，由于光纤色散值的积累引起脉冲展宽，导致严重的码间串扰，使得接收端产生误码现象，从而使传输特性变坏。

[2]光纤色散补偿技术的研究，对提高目前已经铺设的常规光纤通信系统的容量具有尤其重要的意义。

目前，全世界范围内，已经教设的1.3µm零色散光纤总长度超过5000万公里，而我们知道现在光纤通信系统的工作波长为1.5µm，这样光纤就存在D≈16ps/km•nm的色散、该色散限制光通信系统的传输速度在2Gb/s以下。

即使是新教设的光纤、为了限制四波混频现象也仍需使用非零色散位移光纤。

故为了克服色散对通信距离及通信速率的限制，必须对光纤进行色散补偿。

【3】

2光纤色散的基本介绍

光纤通信的发展方向是高速率、大容量。

它从PDH8Mb/s,34Mb/s,140Mb/s,565Mb/s发展到SDH155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/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，发展到G655，以及G652C类。

【4】光纤的技术指标很多，其中色散是其主要的技术指标之一。

2.1光纤色散的基本概念

光纤色散是指由于光纤所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象。

所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。

所谓光信号畸变，一般指脉冲展宽。

色散是光纤的一种重要的光学特性，色散会引起光脉冲的展宽、严重限制了光纤的传输容量及带宽。

2.2光纤色散的种类

由于光纤有不同的种类，产生色散的机理也不尽相同。

光纤的色散主要归结为三类，即材料色散、波导色散、模式色散。

材料色散和波导色散也称为模内色散，模式色散也称为模间色散。

材料色散是由于光纤材料的折射率随光源频率的变化引起的，不同光源频率所对应的群速度不同，从而引起脉冲展宽。

波导色散是由于模传播常数随波长的变化引起的，与光纤波导结构参数有关，它的大小可以和材料色散相比拟。

材料色散和波导色散在单模光纤和多模光纤中均存在。

模式色散是由于不同传导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度，所引起的脉冲展宽。

模式色散主要存在于多模光纤中。

简而言之，材料色散和波导色散是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的，模式色散是由于光纤传输的信号不是单一模式所引起的。

【5】

2.3光纤色散表示法

在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差，时延差越大，表示色散越严，因而，常用时延差来表示色散程度。

时延并不表示色散值，时延差用于表示色散值。

若各信号成分的时延相同，则不存在色散，信号在传输过程中不产生畸变。

时延差可由信号各频率成分的传输速度不同所引起，也可由信号各模式的传输速度不同所引起。

2.4光纤色散与传输速率的关系

色散系数就是两个波长间隔为1nm的两个光波传输1km长度光纤到达时间之差，单位为ps/nm·km。

群速色散对比特率的影响可利用不产生相邻脉冲重叠的准则来表示，如下式所示：

B△T＜1（式2.4.1）

其中B为比特率，△T为群速色散造成的脉冲展宽。

△T=DLδλ（式2.4.2）

L为传输距离，D为色散系数，δλ为光源的均方根谱宽，-20dB谱宽表示为δλ-20，δλ=δλ-20/6.07。

所以传输速率越高，为保证信号正确传输，则色散的影响必须越小。

【6】

2.5光纤色散导致光脉冲展宽分析

光信号在光纤中传输时，由于光纤色散导致光脉冲展宽的理论分析如下:

已知入射光场的归一化振幅为高斯函数分布，即

则人射光脉冲的形状如图1所示，其中

第一步：

求入射光脉冲的宽度，便于与展宽后的脉冲作比较。

（1）半极大值处的半宽度

，其中

两边取对数：

，即

所以半极大值的全宽度为

（2）入射光脉冲高斯函数曲线下降到处的半宽度

，即

所以，所以全宽度为

第二步：

求光脉冲通过光纤的线性色散后的展宽情况。

利用光波在色散介质中传播的麦克斯韦方程，以及傅里叶函数把时域变换为频域，求出高斯光脉冲展宽后的宽度为，由公式可知，即为入射光脉冲的半宽度，上式方程表明，群速度色散展宽了脉冲，其展宽程度取决于色散长度对于给定长度的光纤，由于短的光脉冲有较短的色散长度，因而其展开程度较大。

在光纤的处，高斯光脉冲的脉宽展宽到倍，如图2所示。

【7】

3光通信中的色散补偿技术

目前，已有多种群速度色散补偿方案被提出，如后置色散补偿技术、前置色散补偿技术、色散补偿滤波器、高色散补偿光纤（DCF）技术和凋啾光纤光栅色散补偿技术，以及GT标准具等。

下面将主要对色散补偿光纤（DCF）、啁啾光纤光栅色散补偿（DCG）技术和GT标准具做一简单的介绍、讨论。

3.1色散补偿光纤

色散补偿光纤的基本思想是：

让光信号通过不同的光纤段，这些光纤段具有不同的色散。

该思想在1980年就已经被提出来了，然而，只有到了1990年光纤放大器的出现才加速了色散补偿光纤的发展步伐。

色散补偿光纤（DCF）是一种特制的光纤，是利用基模波导来获得高的负色散值，色散补偿光纤通过改变光纤的芯径、掺杂浓度等结构参数，使零色散波长移至大于1550nm波长的位置，于是在1550nm处得到较大的负色散系数，通常在-50~-200ps/nm/km，其色度色散恰好与G.652光纤相反，可以抵消G.652常规色散的影响。

其色散系数典型值为-90ps/（nm·Km），因而DCF只需在总线路长度上占G.652光纤的长度的1/5,即可使总链路色散值接近于零。

为了得到高的负色散值系数，必须减小光纤芯径，增加相对折射率差，而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加（0.5~1dB/km），所以需使用EDFA来补偿，且对强光产生严重的非线性效应，应与避免。

色散补偿光纤已经在全世界的高速通信系统中得到了广泛应用，许多传输系统都是通过DCF+G.652光纤实现的，采用DCF来进行色散补偿是一种无源补偿方法，十分简单易行。

3.2啁啾光纤光栅

　　啁啾通常是指一种频率变化的现象。

如果光纤光栅的周期沿长度方向发生一定变化，则其频率沿长度方向也会发生一定变化，即发生了啁啾，称这种光栅为啁啾光纤光栅。

啁啾可以是线性的，也可以是非线性的。

　　当光脉冲信号通过图3.2.1总长度为L的啁啾光栅（周期由大到小）时，信号的长、短波长分量分别在光纤的头、尾部反射，则短波分量比长波分量多走了2L的路程，从而补偿了由群速度不同而导致的色散，起到压缩由于光纤传输所导致的光脉冲展宽的作用。

　　对于10Gb/s及其以上的系统，系统商开始选择啁啾光纤光栅进行色散补偿。

其优点是插入损耗很小，且损耗与补偿距离无关，几乎不受光纤非线性影响，对光信号的延迟非常低，模块体积小且成本低。

然而也存在一些急需克服的缺陷，如带宽过窄、群时延非线性、额外的介入损耗及需要解决制作过程的实用化，如制作过程的可重复性、封装、温度补偿等。

【8】

图3.2.1啁啾光栅色散补偿原理

3.3GT标准具

　　基于GT标准具技术的色散补偿模块，其核心元件GT标准具是由两个平行反射镜构成，前一片是低反镜，后一片是全反镜，镜片之间的介质折射率小于反射镜的折射率。

GT标准具使光信号中不同的光谱分量所传输的光程不同，产生周期性的色散效果。

当该色散周期与信道间隔匹配时，该方案可同时补偿所有DWDM信道的色散。

采用单级GT标准具，色散补偿范围和工作带宽有限。

通过多个GT标准具级联，参见图3.3.1中的配置，结合标准具内光学介质的热光效应，通过加热器改变温度，精确控制每个标准具群时延曲线的峰值波长位置，不仅实现大范围的色散量调节，同时也拓宽了通道工作带宽，可用于系统的可调色散补偿。

【9】

图3.3.1级联型GT标准具

3.4技术方案对比

　　表3.4.1对以上三种技术优缺点进行了对比，通过观察，我们发现啁啾光纤光栅具有插入损耗低和低传输延迟特征。

表3.4.1色散补偿技术方案对比

3.5高速光通信系统中的色散补偿

　　高速光通信系统中的色散管理复杂，不同类型的传输系统对色散补偿有不同的要求，可参见表3.5.1（仅列出了部分应用）,结合表3.4.1我们发现：

现有的色散补偿技术都无法全面满足各类系统要求，实际应用当中需要具体分析系统色散特点，采用多种色散补偿技术相结合的方式。

表3.5.1高速光通信各类应用对色散补偿要求

　　对于超长距离传输应用，由于啁啾光纤光栅和GT标准具存在着群时延抖动，当器件级联后，会给系统带来传输代价，此时首选色散补偿光纤技术，由于色散补偿光纤无法100%补偿色散斜率，同时也要考虑在接收端进行通道间残余色散补偿。

　　对于海底光缆传输系统，为了减少超长距离传输带来的色散累积问题，传输光缆采用的是不同类型的光纤混合配置，或者采用低色散系数光纤，在接收端由于传输光纤色散斜率的原因，参见图3.5.1，中间信道的色散能够得到完全补偿，两边的信道残余色散高达+/-4000ps/nm，参见图3.5.2，在接收端只能采用啁啾光栅的技术方案进行通道间残余色散补偿。

【10】

图3.5.1海缆接收端残余色散图图3.5.2利用啁啾光纤光栅对海缆进行残余色散补偿

对于40Gb/s高速光通信系统，他们的色散补偿具有精确性、及时性的特点。

第一，由于系统色散容限与信号速率的平方成正比，40Gb/s系统的色散容限仅为50ps/nm左右。

因此在系统当中，必须使用色散补偿技术在接收端对每个信道信号的残余色散进行精确补偿，确保在接收机工作在色散容限范围内。

第二，在实际应用当中同时还要考虑到传输系统器件的老化、长途传输线路受到沿途气候影响等众多因素，它们可能使信道中的色散随时间改变，这就要求系统在接收端对色散补偿后的信号进行残余色散的检测，需要采用基于啁啾光纤光栅或者GT标准具的可调色散补偿模块。

4总结

随着光纤传输损耗问题的基本解决，光纤色散和非线性问题随即成为发展高速、大容量光通信系统的主要障碍。

在通信系统中，由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同，在光纤中传输一段距离后，将互相散开，脉冲加宽，即产生光纤色散。

严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的带宽，限制了光纤的传输容量。

由于光纤的色散能够有效抑制四波混频等非线性效应，因此对光通信系统进行升级扩容的关键将集中体现在色散问题上。

改变光纤的零色散点是一个折中的方案，但不能从根本上解决问题，究竟采取何种技术与手段才能经济有效地解决光纤色散问题，是目前光通信领域的主要研究热点之一。

本文分析表明，光纤光栅在光纤的色散补偿中将发挥越来越重要的作用。

参考文献

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[9]GovindP.Agrawal．NonlinearFiberOptics．AcademicPress，Inc...1995

[10]RobertW.Boyd．NonlinearOptics．AcademicPress，Inc...1992

本科生能力拓展训练成绩评定表

姓名

性别

女

专业、班级

电子科学与技术0901班

题目：

光通信中的色散管理与补偿技术

答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日