动态色散补偿系统中色散监测技术的研究进展

收稿日期:2006-07-19.　基金项目:国家“973”计划项目(2003CB314907);国家自然科学基金资助项目(90604026,60320130174);清华信息科学与技术国家实验室基础研究基金资助项目.

动态综述

动态色散补偿系统中色散监测技术的研究进展

陈　明,张冶金,司治建,贺丽娜,孙　杰,陈宏伟,杨四刚,谢世钟

(清华大学电子工程系,北京100084)

摘　要:　光纤色散是限制光信号传输质量和距离的主要因素之一,动态色散补偿是高速光通信系统中迫切需要解决的问题。色散监测技术是动态色散补偿系统的关键。系统地总结了色散监

测技术的研究情况及其进展。对几种动态色散监测技术的机制、特点及其实现进行了分析比较。

关键词:　色散监测;色散补偿;色散;光纤通信中图分类号:TN929.11　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)05-0503-05

R esearch Progresses of Chromatic Dispersion Monitoring

T echniques in Dynamic Compensation Systems

C H EN Ming ,ZHAN G Ye 2jin ,SI Zhi 2jian ,H E Li 2na ,SUN Jie ,

C H EN Hong 2wei ,YAN G Si 2gang ,XIE Shi 2zhong

(Department of E lectronics E ngneering ,Tsinghu a U niversity ,B eijing 100084,CHN )

Abstract :　Fiber chromatic dispersion is a major limiting factor for ult rahigh bit 2rate t ransmission in optical fiber communications ,which rest rict s t he transmission velocity and distance.chromatic dispersion is an urgent p ro blem needing to be solved for high bite 2rate optical communication systems.Effective monitoring techniques are heart s of t he dynamical compensation systems.Some dynamical monitoring techniques are discussed.Their mechanism ,properties and performance are analyzed and compared.

K ey w ords :　chromatic

dispersion

monitoring ;

chromatic

dispersion

compensation ;

chromatic dispersion ;optical fiber communication

1　引言

光纤通信系统色散容限与比特速率成反比,随

着传输速率的增加,系统的色散容限迅速下降。如40Gb/s 系统的色散容限仅仅是10Gb/s 系统的1/16。在将来的智能化全光通信网络中,各个节点信

道上下话路及交换情况越来越复杂,接收端无法预知光信号的具体通路,因此链路色散具有不确定性,残余色散很容易达到或超过系统的色散容限,对系统性能产生严重影响[1]。因此如何经济有效地对系统色散进行动态补偿已成为研究的热点,是高速光

纤通信系统急需要解决的问题。

在动态色散补偿系统中,色散监测技术和补偿器件具有核心地位。色散监测的范围和监测精度及色散补偿器件的调节范围和调节精度直接决定了动态色散补偿系统的范围和精度,它们的复杂程度也直接决定了补偿系统的总成本[1]。

本文主要对几种色散监测技术的机制、特点、实现和优缺点进行比较研究。展望了高速光纤通信中色散补偿系统中的动态色散监测技术的发展趋势。

2　各种监测技术

目前文献报道的各种色散监测技术主要分成两大类[1]:一种是基于信号波形的色散监测技术;一种

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是基于信号频谱的色散监测技术,下面我们对其分别进行探讨。2.1　基于信号波形的色散监测技术2.1.1　基于光纤频谱展宽的色散监测技术[2]

光信号经过经过高非线性光纤传输时,其光谱由于SPM 效应会发生形变而被展宽。当链路信号残余色散较小时,信号波形较窄,光脉冲峰值较大,由于光纤的SPM 效应正比于光强的平方,此时SPM 较大;而线路残余色散增大时,脉冲被展宽,峰值变小,SPM 效应会减弱,对应的光谱展宽就减弱。使用一个窄带光滤波器滤出光谱的边带,通过监测输出功率就可以监测光谱展宽程度,从而实现在线监测系统的残余色散。

图1所示为利用光纤频谱展宽效应的色散监测原理图[2],残余色散较小时滤波器的输出功率较大;色散增加后,脉冲展宽,滤波器输出减小。值得注意的是当残余色散较大,使得脉冲展宽过大,相邻脉冲发生干涉使滤波器输出出现起伏。此方法的监测范围约为±50p s/nm ,监测精度小于5p s/nm 。此方法不要求高速的处理电路,以光处理为主,但是存在对光功率要求较高,非线性光纤的输入功率高达75mW [3],需两级光放大,受PMD 的影响较敏感等缺点

。

图1　基于光纤频谱展宽的色散监测原理图

2.1.2　基于四波混频的色散监测技术

四波混频是指四个相互作用的电磁场参与的非线性过程。光信号在非线性介质中传输时,因为非线性介质的克尔效应而发生四波混频效应,产生新频率的光波(共轭光),这个新产生的光波在光纤中传输时会受到光纤色散的影响,利用它可以监测系统的残余色散。这里我们介绍两种基于四波混频效应(光纤和SOA )的色散监测技术。

图2为利用光纤四波混频效应监测色散的原理图(a )和其实验结果(b )[4],被监测信号经过放大后

和探测光一同输入色散位移光纤(DCF ),由于光纤克尔效应发生四波混频产生新频率的共轭光。当色散增大时,DCF 中的四波混频效应减弱,对应的共轭光功率也随之减弱,使用滤波器滤出共轭光,通过监测其功率可以监测光谱展宽程度,从而可以监测系统的残余色散。从实验结果可以看出,色散监测范围约为±40p s/nm ,监测精度小于10p s/nm 。此方法以光信号处理为主,不需要高速处理电路,但是由于光纤四波混频效应较弱,监测精度不高,而且对PMD 敏感,实验中使用功率高达21mW

。

图2　基于光纤四波混频的色散监测示意图与实验结果

为了克服光纤非线性效应较小的特点,可以使用半导体光放大器的四波混频效应来实现色散监测。图3给出了基于SOA 四波混频的色散监测示意图。此方法的色散监测范围为±40p s/nm ,监测精度高于±5p s/nm ,完全在光域处理信号,无需电信号处理,成本较低,结构简单

。

图3　基于SOA 四波混频的色散监测示意图

2.1.3　基于双光子吸收的色散监测技术

图4为基于双光子吸收的色散监测的原理图(a )和实验结果图(b )[5]。被监测信号经过扰偏后送入半导体光探测器,半导体的能带跃迁能量在输入光子能量的一倍到两倍之间。因此半导体光探测器只有在发生双光子吸收的时候才能产生光电流。发

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