4. 色散补偿技术
色散补偿方法
色散补偿方法一、背景介绍色散是光在介质中传播时，不同频率光的传播速度不同所引起的现象。
在光纤通信中，色散会导致光脉冲扩展，从而限制了信号传输的速率和距离。
为了克服色散对光纤通信系统性能的影响，人们提出了各种色散补偿方法。
二、色散的分类根据色散现象的产生原理，色散可以分为两种类型：色散和相位色散。
色散是由于介质导致光在传播过程中速度的频率依赖性而引起的；相位色散则是由于介质对光的频率的相位响应不同而引起的。
在光纤通信中，我们主要关注两种类型的色散：色散和相位色散。
三、色散补偿方法1. 电子色散补偿电子色散补偿是通过使用光纤通信系统中的电子器件来减小或消除色散效应。
常见的电子色散补偿方法包括预计算和数字后处理两种。
1.1 预计算预计算方法通过事先对传输系统的特性建立模型，利用数值计算方法来评估和补偿色散效应。
它需要在系统设计阶段进行复杂的计算和建模工作，预测色散对光信号的影响，并提前进行补偿。
预计算方法的优点是可以准确地估计和补偿色散效应，但需要大量的计算和建模工作，并且对系统的实时性要求较高。
1.2 数字后处理数字后处理方法是通过对接收到的光信号进行数字信号处理来补偿色散效应。
这种方法在接收端引入了一些算法和电子器件，对接收到的光信号进行补偿。
数字后处理方法的优点是不需要对系统进行复杂的计算和建模，且实时性较好。
然而，它需要更高的计算能力和复杂的信号处理算法，且对噪声和非线性效应敏感。
2. 光纤色散补偿器光纤色散补偿器是一种被动光学元件，通过引入具有逆色散特性的光纤来补偿传输过程中产生的色散效应。
光纤色散补偿器通常包括光纤光栅和光纤光波导等结构。
它能够在光信号传输过程中引入逆色散效应，可以有效地补偿色散引起的脉冲扩展问题。
光纤色散补偿器的优点是结构简单、易于集成和应用，并且具有较好的逆色散特性。
但是，光纤色散补偿器的逆色散效应对频率的补偿范围有限。
3. 相位共轭相位共轭是一种通过光学器件来反转光波的相位特性，从而消除色散效应的方法。
色散补偿的原理
色散补偿的原理色散补偿（dispersion compensation）是一种常见的光纤通信技术，它是为了弥补光在光纤内因色散而引起的信号失真而发展出来的一种技术。
色散是光在介质中传输时，由于不同频率的光波速度不同而引起的现象，它会导致光信号在光纤中传输时出现信号失真、色散扩展等问题。
因此，为了保持信号品质、提高光纤通信效率，需要对光信号进行色散补偿。
色散补偿的原理是在光纤通信系统中增加一个补偿器件，使补偿器件能够补偿因色散而引起的信号失真。
如图1所示，信号在传输过程中会因为时间延迟而出现失真。
色散补偿就是在发送端（transmitter）或者接收端（receiver）添加一些器件，减少这种时间延迟的影响，保证信号能够按照原先的信号速率传输，并且在传输距离较远的时候能够保持高质量的传输。
图1：光信号因色散引起的失真为了实现色散补偿，技术人员可以采用一些具体的策略。
比如，在传输端，可以使用预失真技术（pre-emphasis）来强化信号的宽带，从而降低信号的失真和色散；或者可以采用限制带宽的技术，减少信号受到色散的影响；或者选择合适的光纤材质，使纤芯的折射率变化能够与色散的变化呈反向变化，从而实现一定程度的补偿。
在接收端，可以采用时间反激励技术（time-reversal），将补偿器件与光接收器组合在一起，保证信号的补偿效果。
时间反激励技术利用了一个非线性反馈回路，来将通过光传输通道的信号进行恢复，并调整信号的相位、幅度等特征，来改善信号传输的质量。
除此之外，还可以采用其他的补偿技术，比如项链状补偿和光子晶体补偿等，来实现对光信号的补偿。
这些技术都是基于对光信号相位、幅度等特征进行有效调整，能够降低信号失真、提高光纤通信的效率。
综上所述，色散补偿是一种关键的光纤通信技术，它的实现需要引入一定的器件和技术，以解决光信号在传输过程中由于色散而引起的失真问题。
通过合理的方案设计，可以为光纤通信系统提供高性能、高效率的信号传输。
高速光通信系统中的色散补偿解析
高速光通信系统中的色散补偿1．前言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1310nm，在1550 nm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。
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。
色散补偿器对于推动全光网络架构起着决定性作用，发展高速全光网络的一个先决条件是必须做到光层面的色散监控与管理。
色散补偿器件在高速传输系统及下一代智能光网络中有着广泛应用。
2. 技术方案简介目前商用的光学色散补偿模块，包含固定色散补偿和可调色散补偿两大类，分别是基于色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、GT标准具这三种技术方案。
2.1 色散补偿光纤色散补偿光纤是利用基模波导来获得高的负色散值，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。
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)。
为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散，又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的补偿光纤。
该光纤的特点是色散斜率之比与常规光纤相同，但符号相反，所以更适合在整个波形内的均衡补偿。
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，具有无群时延抖动，全波段连续补偿,能够从100G Hz间隔系统平滑升级到50GHz间隔系统等优点，但存在损耗大、光脉冲延迟高、非线性效应以及模块尺寸大等缺点。
2.2 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。
色散补偿技术
色散补偿技术介绍光通信使用的G.652标准光纤在1550 nm波长窗口的色散值为17ps/nm.km。
1550nm外调制传输系统光纤链路色散的容差比SDH等数字通信1550nm光链路要小得多，仅为1100 ps 左右，因此，对于1550nm外调制光纤干线/超干线而言，必须尽力解决好色散补偿问题。
目前，光通信系统使用的光纤色散补偿技术大多是针对非载波调制数字光纤系统的，因此，对于HFC有线电视宽带网络1550nm光纤干线/超干线而言，实际可供选用的色散补偿手段较少，限制条件较多，在实际1550nm外调制光纤传输链路中如何用好有关色散补偿技术还存在不少问题。
目前业内几种色散补偿技术介绍：1、色散补偿光纤（DCF）色散补偿光纤（DCF）开发于20世纪90年代中期，它在实现色散补偿任务中扮演了十分重要的角色。
目前，国内99% 以上1550nm外调制光纤干线/超干线仍然使用G.652标准光纤，因此在每个（或几个）光纤段的输入或输出端可以通过放置DCF色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路上累积的色散接近零，使单信道1550nm外调制光纤干线/超干线传输光纤的色散得到较好的补偿。
但是，一般的1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统中所使用光发射机的光波长范围较大，可达20nm。
此外，随着在1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统中CWDM或DWDM技术的引入，必须考虑光纤对不同波长信道的色散斜度问题。
以G.652光纤1550 nm窗口为例，光纤的色散明显地随波长而变化，在1530nm处色散系数约为15.5ps/nm.km，在1565nm处约为17.6ps/nm.km，色散斜率（定义为色散系数对波长的微分）约为0.06ps/nm.km。
假设宽带色散补偿器件对所有C－band信号的色散补偿量是一样的，则经多个光纤段传输后，红端信号光（1565nm）所积累的色散将明显大于比蓝端（1530nm），因此，无论对于一般的1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统或CWDM/DWDM1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统，都必需考虑采用斜率补偿型色散补偿光纤组件，用于补偿光纤的色散斜率，将总色散控制在色散容限窗口内，使1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统中色散斜率问题得到较好的解决。
光学系统中的色散补偿技术研究
光学系统中的色散补偿技术研究光学系统中，色散是一种常见的现象，它指不同频率的光在传播过程中，由于介质折射率引起的相位差异，导致波的形态变化。
色散会导致光束的扩散和色散，严重影响传输质量和信号传输距离。
因此，色散补偿技术成为了光学系统研究领域中一个热门话题。
一、色散问题的发生原理光的波长范围较为广泛，因而一串光波分为几个频率组。
在光线穿过介质时，不同频率的组成成分其在材料中传播的光程可不同，进而部分波会在穿过材料时受到更多或更少的相位移。
这样就会导致光的波形变形而出现色散现象。
而在光学系统中，光线的路径在不同环节中会经过许多介质，色散现象的累积作杂化解更为困难。
二、色散补偿技术的发展历程在过去的几十年中，光学系统依赖于发光二极管不同频率的发光器件中的发射点来解决这一问题，但其复杂性以及成本高昂等问题导致这种方法并不能得到广泛应用。
随着新光技术的出现，如电子学、通讯技术和光学材料的不断进展，色散补偿技术也得到了发展。
目前，色散补偿技术的研究重点是解决在光学系统中色散效应的问题。
色散补偿技术主要有以下几个：1. 光纤同轴干涉法在解决色散问题时，需要一种可靠的方法，来测量出不同波长下两个光波差异距离。
光纤同轴干涉法就是这种方法之一。
其原理是光信号通过一个长度为几毫米的光纤将信号发送到比较设备，利用不同波长下光线的色散特性测量出差异距离。
该技术无需外部控制元件和整个系统的智能控制单元，安装简便、使用方便、精度高、成本低。
2. 光纤单模脉冲压缩光纤单模脉冲压缩是一种实现色散补偿的技术，它利用光纤的色散效应压缩脉冲宽度，从而实现色散抑制。
该技术适用于无线电通信、雷达、太阳系探测、光学中继和微波光电子、激光制造等领域。
其优点是可以在光纤传输系统和光学通讯中使用，具有简单可行的可靠性高的特点。
同时，光纤单模脉冲压缩技术性能稳定，可以在实际应用中进行量化测试。
3. 非线性自相位调控技术非线性自相位调控技术是一种有效的色散补偿技术，它通过非线性波段之间的相交作用，在功率调节下实现对光信号的色散补偿。
色散面的物理意义
色散面的物理意义摘要：1.色散面的概念及其作用2.色散面的物理意义3.色散在光纤通信中的应用4.色散的补偿技术5.总结正文：色散是光纤通信中的一种重要现象，它影响着光信号在光纤中的传输性能。
本文将介绍色散面的物理意义，以及在光纤通信中的应用和补偿技术。
一、色散面的概念及其作用色散面是指光脉冲在光纤中传播时，由于不同波长的光在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在光纤中发生展宽。
这种现象称为色散。
色散可以通过光纤的折射率与波长的关系来描述。
折射率越大，光速越小，相应地传播速度就越慢。
色散在光纤通信中起着关键作用，它直接影响着光信号的传输距离和传输质量。
二、色散面的物理意义色散面的物理意义体现在以下几个方面：1.限制光信号的传输距离：随着传输距离的增加，光信号经历的光纤色散效应越明显，导致信号质量下降。
在一定传输距离后，信号质量无法满足通信要求，从而限制了光信号的传输距离。
2.影响系统性能：色散会引起光信号的频谱宽度增加，导致系统带宽减小。
此外，色散还会导致信号的巟波数增加，进而影响系统的传输容量。
3.降低信号传输效率：色散使光信号在光纤中传播速度降低，导致传输效率下降。
在光纤通信系统中，为了提高传输效率，需要采取一定的色散补偿技术。
三、色散在光纤通信中的应用1.色散补偿技术：通过对光纤通信系统中的色散进行补偿，可以提高光信号的传输质量和传输距离。
常见的色散补偿技术有：色散补偿光纤、色散补偿模块、光滤波器等。
2.色散管理：在光纤通信系统中，通过对色散进行有效管理，可以实现光信号的远距离传输。
色散管理技术包括：动态分配带宽、预加重、光纤链路优化等。
四、色散的补偿技术1.色散补偿光纤：通过在光纤通信系统中使用色散补偿光纤，可以实现对色散的有效补偿。
色散补偿光纤具有不同的折射率分布和色散特性，可以满足不同应用场景的需求。
2.色散补偿模块：色散补偿模块通过数字信号处理技术，对光信号进行巟波数补偿，从而实现色散补偿。
光纤色散补偿技术
光纤的色散分类不同的光分量(不同的模式或不同的频率等)通常以不同的速度在光纤中传输，这种现象称为色散。
色散是光纤的一种重要的光学特性，色散引起光脉冲的展宽、严重限制了光纤的传输容量及带宽。
对于多模光纤，起主要作用的色散机理是模式色散或称模间色散(即不同的模以不同的速度传输引起的色散)。
对于单模光纤，起主要作用的色散机理是色度色散或称模内色散(即不同的光频率在不同的速度下传输引起的色散〕。
由于多模光纤受模间色散的限制，传输速率不能超过100Mb/s，单模光纤则比多模光纤更优越，在长途干线实际应用中用的也都是单模光纤，此处也仅考虑单模光纤的色散。
单模光纤的模内色散主要是材料色散和波导色散。
材料色散是指由于频率的变化导致介质折射率变化而造成的传输常数或群速变化的现象;波导色散是指由于频率的变化导致波导参数变化而造成的传输常徽或群速变化的现象。
模内色散主要是实际光源都是复色光源的结果。
另外在单模光纤中，实际上传输着两个相互正交的线性偏振模式，但由于光纤的非圆对称、边应力、光纤扭曲、弯曲等造成轻微的传输速度差，从而形成偏振模色散。
高速光纤通信系统需要色散补偿目前，全世界范围内，已经教设的1.3 µm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。
另外，随着光纤通信和色散补偿方案的迅速发展，一些高速传输系统的传输速率已达到几十甚至几百Gb/s以上。
这时，偏振模色散的影响亦不可忽视光纤色散补偿方案目前，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，以及光孤子通信技术等。
色散补偿技术研究
色散补偿技术研究色散补偿技术是一种在光通信中应用广泛的技术。
随着高速光通信的发展，色散补偿技术变得愈加重要。
本文主要介绍了色散补偿技术的基本原理、常用方法以及未来发展趋势。
一、色散补偿技术的基本原理色散是光在介质中传播时由于介质对不同波长的光折射率不同而引起的波长分散现象。
由于波长越长的光在介质中的折射率越低，所以波长越长的光在介质中需要走更长的路程才能到达终点。
这就导致了波长越长的光比波长越短的光传播速度更慢，进而使它们在一定距离后逐渐被分离出来。
这种现象被称为色散。
在光通信中，信号传输过程中会经过多段光纤。
如果传输的信号是多波长混合信号，由于不同波长的光在光纤中传播速度不同，就会导致信号的失真和衰减。
因此，需要采用色散补偿技术来抵消这种影响。
色散补偿技术的基本原理是在传输信号的过程中引入一个与色散相反的系数，使得不同波长的光信号能够在适当的距离后达到同步。
这样就可以有效消除信号的失真和衰减，提高传输质量。
二、常用的色散补偿方法1. 主动补偿法主动补偿法是指在发送端或接收端引入一定的调制方式来实现色散的抵消。
主要包括电气域和光域两种方式。
电气域的主动补偿方法是在发送端对光信号进行调制，通过引入相位调制或频率调制来抵消色散。
这种方法的优点是可以实现高速调制，缺点是需要增加设备复杂度和成本。
光域的主动补偿方法是通过采用具有反色散特性的光学元件，如光纤光栅或光纤光图案等来实现。
这种方法的优点是可以进行实时补偿，缺点是需要较高的功率和成本。
被动补偿法是指直接在光纤路径中引入补偿元件来实现色散的抵消。
主要包括单模光纤、分散补偿光纤、分布式反射器和灰色翻转等方法。
单模光纤是一种直径较小的光纤，具有较低的色散特性。
在一定的波长范围内，单模光纤可以保持较好的色散性能，因此可以用来减小色散的影响。
分散补偿光纤是一种具有负色散特性的光纤。
当信号经过分散补偿光纤时，由于其色散特性的反相，就能够抵消光纤传输过程中所引起的正色散。
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传统的色散补偿光纤
G.652@C+L波段
DCF@C+L波段
采用多层波导结构，并对参数进行优化， 产生与普通单模光纤相反的色散特性。 DCF对G.652的补偿比大约为1:6.5
DCF截面折射率分布
光子晶体光纤
PCF可以进行灵活的波导结构设计，产生与普通单模光纤相反的色散 特性，其色散补偿能力比DCF强得多。 尚未商用
c( f )
1 d argH ( f ) sin 2 f 2 df fp fp
2
时延曲线为正弦型：
aLf p 在中心频率附近为近似线性， 调整斜率以补偿光纤色散： 2
以上传输函数可由基于PLC技术的格状光路来实现：
H (t ) ak (t k )
第四章 色散补偿技术
张敏明：mmz@ 万助军：zhujun.wan@ 华中科技大学光电学院
第四章 色散补偿技术
4.1 色散对光纤通信系统的影响 4.2 电子色散补偿技术 4.3 色散补偿光纤 4.4 基于FBG的色散补偿器 4.5 基于PLC技术的色散补偿器 4.6 基于GTI的色散补偿器
1 R 2 tan 1 tan(kL) 1 R
Байду номын сангаас
时延函数：
c( f )
1 d ( f ) 2 df
通过适当设计干涉腔长L和部分反射 镜的反射率R，可以得到线性时延曲 线，对光纤色散进行补偿。
基于GTI的色散补偿器
考虑到器件的温度稳定性，GTI干涉器的隔圈一般采用铟钢材料。 以压电陶瓷作为隔圈材料，可以制成可调色散补偿器。 以MEMS技术制作GTI干涉器，也可以制成可调色散补偿器。
S 0 L c 2 4 f 2 2 0 2 L f (f) 8 f c
线性拟合： l ( f ) a f f c L
传输函数的构造与实现
构造一个传输函数：
f H ( f ) exp j cos 2 f p
n
h(t )
n
C (t nT)
通过对接收光信号在电域进行抽样、软件优化和信号复原，能有效 地调整接收信号的波形，恢复由于色散、偏振模色散(PMD)和非线 性引起的光信号展宽和失真，从而达到色散补偿的效果。
EDC技术的实现方式
FFE—前馈均衡器，是一个线性滤波器，具有与光纤相反的传输特性， 抵消色散的线性成分。 DFE—判决反馈均衡器，补偿失真信号的非线性成分。
主要的EDC模块供应商：Broadcom、Scintera 、Infineon/Finisar 、 Agilent等。 单模光纤应用：80km→120km 多模光纤应用：支持10G以太网传输300m。
第四章 色散补偿技术
4.1 色散对光纤通信系统的影响 4.2 电子色散补偿技术 4.3 色散补偿光纤 4.4 基于FBG的色散补偿器 4.5 基于PLC技术的色散补偿器 4.6 基于GTI的色散补偿器
EDC技术的基本原理
t
在数据判决前加一个横向滤波器，总传 输函数为光纤与滤波器传输函数之积：
H ' () H () T ()
横向滤波器传输函数为谐波叠加，总传 输函数可消除码间干扰：
通过傅立叶逆变换得到横向滤波器的时 域特性，为一系列冲击函数的叠加：
T ( )
n
Cn e jnT
k 0
傅立叶变换
H ( ) ak e jk
k 0
格状光路的色散和光谱特性
8级延迟线构成的格状光路
随着补偿量的增加，时延曲线出现失真，光谱平坦度劣化。
色散补偿效果
30km
50km
在信道中心频率±5GHz的带宽 内，时延差异小于5ps。 需要补偿的是信道之内的色散，信 道之间的色散对通信系统无影响。
GTI型色散补偿器的光谱和时延曲线
具有很好的通带平坦度
色散补偿量取决于干涉器的 腔长和部分反射镜的反射率
色散与带宽
在光纤中传输的光脉冲，并非绝对的单色光，因色散作用，脉宽 逐渐展宽，以致相邻脉冲之间不能分别，引起码间串扰。
芯 包层
t
数据速率越高，越容易产生码间串扰 传输距离越长，越容易产生码间串扰 因此色散影响了光纤的传输带宽=速率×距离
t
第四章 色散补偿技术
4.1 色散对光纤通信系统的影响 4.2 电子色散补偿技术 4.3 色散补偿光纤 4.4 基于FBG的色散补偿器 4.5 基于PLC技术的色散补偿器 4.6 基于GTI的色散补偿器
第四章 色散补偿技术
4.1 色散对光纤通信系统的影响 4.2 电子色散补偿技术 4.3 色散补偿光纤 4.4 基于FBG的色散补偿器 4.5 基于PLC技术的色散补偿器 4.6 基于GTI的色散补偿器
升余弦切趾啁啾FBG的色散特性
取样啁啾FBG的色散特性
基于FBG的色散补偿器
光信号通过啁啾FBG后，短波长的光比长波长的光时延大。 通过应力改变光栅周期，可调节色散补偿量。 成功商用的技术
50km
第四章 色散补偿技术
4.1 色散对光纤通信系统的影响 4.2 电子色散补偿技术 4.3 色散补偿光纤 4.4 基于FBG的色散补偿器 4.5 基于PLC技术的色散补偿器 4.6 基于GTI的色散补偿器
GTI干涉器
GTI―Gires-Tournois interferometer 与FP干涉器类似，一面反射镜镀高反 膜，另一面反射镜镀部分反射膜。 IIR―Infinite Impulse Response 无限冲击响应系统，输入一个光脉冲， 在时域上得到无数个等时延的输出脉 冲。 多光束干涉叠加，反射光相对于入射 光的相移为：
第四章 色散补偿技术
4.1 色散对光纤通信系统的影响 4.2 电子色散补偿技术 4.3 色散补偿光纤 4.4 基于FBG的色散补偿器 4.5 基于PLC技术的色散补偿器 4.6 基于GTI的色散补偿器
近似线性的光纤时延曲线
S 0 L 2 4 0 L f ( ) 8 2
光纤中的色散
模间色散
材料色散
G.652光纤中的色散：普通单模光 纤，零色散点位于1310nm处。
波导色散
光纤的分类
G.652 G.653
单模光纤，典型直径8.3/125um，阶跃折射率： G.652－普通单模光纤，零色散点1310nm，在高速通信中会因色散引起误码； G.653－色散位移光纤（DSF），零色散点1550nm，DWDM非线性效应，四波混频； G.655－非零色散位移光纤（NZDSF），零色散点偏离1550nm，避免四波混频； G.654－在1550nm损耗最低0.185dB/公里，适应海底光缆长距离通信要求； G.656－全波光纤，标准酝酿中，为城域网优化设计，可用波长增加100nm； G.657－小弯曲半径单模光纤，适用于FTTH室内布线。 多模光纤： OM1－直径62.5/125um，阶跃折射率； OM2－直径50/125um，渐变折射率，优化设计模间色散； OM3－直径50/125um，渐变折射率，支持10Gbps传输300米.