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)05-0503-05R esearch Progresses of Chromatic Dispersion MonitoringT echniques in Dynamic Compensation SystemsC 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 :　chromaticdispersionmonitoring ;chromaticdispersioncompensation ;chromatic dispersion ;optical fiber communication1　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・305・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・405・生双光子吸收的概率与输入光功率的平方成正比,即和输入光功率的峰值有关。

通过探测器输出光电流可以监测信号光峰值的变化,从而监测到系统的残余色散。

如图4(b )所示,该方法的色散监测范围约为±30p s/nm ,监测精度小于5p s/nm 。

此方法对输入功率的要求较低,在很多时候不需要额外的光放大就能够工作,减少了系统成本,但是存在输出信号的对比度低,对PMD 敏感等缺点。

图4　基于双光子吸收的色散监测实验和结果2.1.4　基于电吸收调制器互吸收调制的色散监测技术[6]图5为电吸收调制器互吸收调制的色散监测原理图(a )和实验结果(b )。

在该方法中,首先采用两个不同中心波长的窄带滤波器得到被监测光信号的两个残余边带,对其中一个边带加入时延而另一个边带进行放大后,将其相向输入电吸收调制器,如图5所示。

由于调制器中互吸收调制使得输出光信号携带了两路光信号的相关量,通过监测输出光的功率可以得到此相关量,通过调节延时器的值可以监图5　基于电吸收调制器互吸收的色散监测实验和结果测系统残余色散的变化。

该方法的优点是可以区分被监测系统的残余色散的符号,缺点是监测精度低,由于监测过程中需要扫描延时器,监测速度受到限制。

2.1.5　基于SOA 交叉增益调制效应的色散监测技术在利用SOA 交叉增益调制效应的色散监测技术中,被监测信号经过光窄带滤波器分为两个残余边带信号,其中之一经过延迟送入SOA ,而另一路经过放大后从相反方向送入SOA ,如图6所示[1]。

前一路信号经过SOA 时会受到后一路信号的交叉增益调制,输出将带有两路信号的相关信息。

由于两残余边带的相位差和输入信号的色散有关,所以最终输出结果是链路色散的函数,可以用于监测系统残余色散。

通过在前一路残余边带信号的时延上加入1M Hz 的正弦扰动,则在接收端电信号的相应扰动输出频谱的2阶谐波和链路色散将具有很好的关系[1],可得到更高的色散监测精度。

此方法的监测范围约为±80ps/nm ,可以区分色散符号,但是较易受到PMD 和非线性作用的影响且系统较为复杂。

图6　基于SOA 交叉增益调制的色散监测2.2　基于信号频谱的色散监测技术2.2.1　基于信号时钟提取的色散监测技术[7]对于N RZ 码来说,信号本身不具有时钟分量,但是经过具有一定色散的光纤链路后,信号会产生时钟分量;而对于RZ 码来说恰好相反,信号本身具有时钟分量,在色散媒质传播时由于色散的原因造成时钟分量减弱,通过提取信号并监测其输出功率则可以得到系统残余色散。

从图7中(a )、(b )分别为10Gb/s 系统中NRZ 码和RZ 码在不同色散情况下的电谱变化情况可以看出上述变化趋势。

图7中(c )、(d )为10Gb/s 系统中相应的实验结果。

可以看出其监测范围约为±700p s/nm ,精度小于100p s/nm 。

该方法在接收端进行电域上的时钟提取,由时钟的幅度和色散的关系监测色散,对N RZ 和・505・RZ 码都适用,结构简单,对信号无损伤,缺点是功率较大时会受到非线性影响。

图7　基于信号时钟提取的色散监测技术实验结果2.2.2　基于残余边带、单边带较相的色散监测技术[8]光通信系统中普遍采用的NRZ 、RZ 、和CSRZ 都具有携带相同信号的两个边带,利用带宽近似等于信号速率的滤波器可将其分别滤出,如滤波器中心频率偏离光载波中心波长,则可得到两个残余边带(VSB )[1]。