光纤通信系统中的色散问题及其补偿研究

高速光纤通信的色散补偿技术2015学年第1学期考试科目光纤通信原理姓名年级2014级专业电子科学与技术2015年1月15日高速光纤通信系统的色散补偿问题###（重庆邮电大学光电工程学院重庆400065）摘要：本文首先对色散进行了较全面的概述，提出并分析各项光纤参数对通信系统的影响。

简单的说明了色散补偿的原理，介绍了当代的几种光纤色散补偿技术，进而将这些方法进行多方面的比较分析，展望色散补偿研究前景。

关键词：光纤通信；色散补偿；脉冲展宽；比较；Optical communication system of dispersion problems andcompensation research####(The Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China) Abstract:This paper first to dispersion is comprehensive overview of, put forward and analysis the optical fiber parameters on the influence of the communication system. A short description of the dispersion compensation principle, this paper introduces several kinds of contemporary optical fiber dispersion compensation technology, and a lot of these methods of comparative analysis, looking to the dispersion compensation research prospect.Key word:Optical Fiber Communication;Dispersion Compensation;Pulse Broadening;Compare;0 前言近年来，随着电信业务的发展和需求的不断增长，需要传输系统提供更高的容量，目前普遍采用波分复用技或提高传输速率来增加系统的容量。

我们知道，影响光纤通信系统的两个主要问题是光纤的衰减和色散。

随着掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化，光纤损耗不再是限制系统性能提高的主要因素。

在放大器实现对光纤的衰减补偿之后，色散成为限制密集波分复用（DWDM）和10G.652和G.655单模光纤中存在色散斜率，使得传输同样距离的不同波长信号光具有不同的色散量；这些最终导致通信质量劣化，严重时会使系统无法正常工作。

因此需对通信链路实行色散补偿，以使各波长信号的色散量限制在系统容限内。

因此人们提出了色散补偿光纤法、啁啾光栅法、预啁啾技术、色散支持传输法和频谱反转法等色散补偿方案。

1色散的基本概念1.1 光纤色散的种类（1）模式色散：在多模光纤中存在许多传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接受端所用的时间不同，而产生了模式色散。

（2）材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散称做材料色散。

材料色散主要是有光源的光谱宽度所引起。

由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的频谱宽度，这样不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。

材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比，所以在系统使用时尽可能选择光谱线宽窄的光源。

石英光纤材料的零色散系数波长在1270nm 附近。

（3）波导色散: 同一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此而引起的色散称为波导色散。

波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。

一般波导色散比材料色散小。

普通石英光纤在波长1310nm 附近波导色散与材料色散可以相互抵消，使二者总的色散为零。

因而，普通石英光纤在这一波段是一个低色散区。

在多模式光纤中以上三种色散均存在。

对于多模阶跃光纤，模式色散占主要地位，其次是材料色散，波导色散比较小，可以忽略不计。

对于多模渐变光纤，模式色散较小，波导色散同样可以忽略不计。

对于单模光纤，上述三种色散中只有材料色散和波导色散存在。

(4)偏振模色散:偏振模色散是由于实际的光纤总是存在一定的不完善性，使得沿着不同方向偏振的同一模式的相位常数不同，从而导致这两个模式传输不同步，形成色散。

偏振模色散通常较小，在速率不高的光纤通信系统中可以忽略不计。

对于工作在零色散波长的单模光纤，偏振模色散将成为最后的极限。

光纤色散对通信系统的性能影响主要表现在对传输中继距离和传输速率的限制。

1.2色散对光通信系统的影响光纤的色散现象对光纤通信极为不利，它使得两个相邻的脉冲发生串扰，产生判决错误[5]。

色散对脉冲的这种影响可以从眼图中看出来：从发送端发送出来的初始脉冲比较规整，眼张开度大，经过一定长度有色散的光纤传输后，眼图会呈现出色散的图样，眼张开度变小，脉冲形状变坏，在误码测试仪上表现为误码率变大。

对于当单光纤来说，由光源发射进入光纤的光脉冲包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传输，因而在传输的过程中会出现脉冲展宽，这种现象就是群速度色散，或简言之色散。

色散的主要来源有材料色散和波导色散。

材料色散是纤芯材料的折射率随波长变化引起的，而波导色散是因模式的传播常数β随α/λ（前者为光纤芯径，后者为光波长）变化而产生的，这是单模光纤色散的主要原因[3]。

色散对系统性能的影响还表现在和光纤中非线性效应的相互作用。

一方面色散加剧自相位调制（SPM）等非线性效应所产生的脉冲形状畸变，使其放大展宽；另一方面色散在波分复用系统中也可以抑制交叉相位调制(XPM)、四波混频（FWM）等非线性效应。

关于色散和非线性效应间的相互作用，在系统设计时要予以综合考虑，整体把握，以实现更好的传输性能。

1.2.1色散对系统传输距离的限制610/()L B Dεδλ=⋅⋅⋅（1.1）式中：L---色散受限距离（km）ε---当光源为多纵模激光器时取0.115; 单纵模激光器时取0.306B---传输速率（Mb/s）D---光纤色散系数（ps/nm·km）δλ---光源的均方根谱宽（nm）由此可见，光系统传输距离由光纤本身的色散，系统传输速率以及光源的性能所决定的。

在传输系统设计时，不考虑光源的因素，传输距离与传输速率和光纤色散的关系是：25[/][][/]10Gb s km ps nm kmB L D⋅⋅⋅=（1.2）因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。

另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。

经推导，光纤通信系统不受色散限制的临界传输速率1/4(/)crB Wσα=(α根据光纤的质量在0.5~1.0之间取值)，最大中继距离为22max /2L C DB λ= (这里σ为光纤色散的均方根脉冲展宽)。

所以，采取适当的色散补偿，减少甚至抵消σ、D 的影响，就可以使得cr B 、max L 得以改善。

1.2.2色散对系统比特速率的限制（1）光源谱宽较宽在光源谱宽较宽的系统中，V>>1，又考虑系统远离色散波长，因此β3项可以不考虑。

假如我们进一步忽略频率啁啾（C=0）式1.3表示的色散引起脉冲展宽的系数可进一步简化为2120212020)(1)(1⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=σσσσβσσλDL L w (1.3)式中的λσ是用波长单位表示的光源均方根谱宽，22)/2(βλπc D -=是光纤的色散系数。

输出宽度为21220)(D σσσ+=，式中的λσσL D D =是色散引入的脉冲展宽。

受限的比特速率应满足14≤σB ，此时至少95%的高斯脉冲能量在比特时隙内。

对于窄脉冲λσσσL D D =≅，此时，色散对比特速率的限制应满足4/1≤λσD BL 。

对于工作在零色散波长的光纤系统212022120230)(211)(211⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=σσσσβσσλSL L w (1.4)这里的β3已用色散斜率S 代替。

于是输出脉冲展宽为21220212220)()(21D SL σσσσσλ+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+= (1.5 )式中2/2λσσL S D =。

当D σσ<<0时，色散对零色散波长光纤系统比特速率的限制是8/12≤λσS BL (1.6)（2）光源谱宽较窄在光源谱较窄的系统中V<<1，因为光源谱宽ωσ比0/1σ更小，假如我们忽略3β项，并置C=0，此时有212202120220)()2(D L σσσβσσ+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+= (1.7)当2120)2/(L D βσσ==时，σ最小，其值为212)(L βσ=。

使用14≤σB 就可以得到受限的比特率4/12≤L B β (1.8)对于工作在光纤零色散系统，当02=β，并使用V<<1和C<<1，此时脉冲展宽为2122021220320)()4(21D L σσσβσσ+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+= (1.9)当3130)4/(L βσ=时，σ最小，其值为31321)4/()2/3(L βσ= (1.10)使用14≤σB 就可以得到受限的比特率324.0)(313≤L B β (1.11)此时色散的影响最小，对于典型值kmL km ps 100,/1.033==β时，比特速率可达150Gb/s 。

因此使光纤工作在接近零色散波长，并使用窄线宽的光源，就可以使系统的性能的到提高。

2色散补偿原理目前光传输系统中的色散补偿，可行的色散补偿方法可以分为两大类，其一是基于光纤的色散补偿技术，如采用色散补偿光纤(DCF)、反常色散光纤(RDF)等；其二采用色散补偿模块(DCM)对通道色散及色散斜率进行补偿，如基于啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)、镜像相位阵列(VIPA)、平面波导的各类色散补偿器等。

对与已敷设的系统，一种简单直接的色散补偿方案是在线路放大器中插入无源的固定色散补偿模块(DCM)，这对于目前的10Gb/s传输是可行的。

下面我们具体来介绍几种主要的色散补偿技术。

2.1 色散补偿光纤（DCF）在现代光纤通信中，采用色散补偿光纤DCF 进行补偿是一种比较理想的色散补偿技术，其发展较为成熟，且补偿带宽比较宽。

DCF 是一种无源器件，可置于光纤传输链路的任意位置进行色散补偿，兼容性好，且安装方便，能实现宽带色散补偿。