光纤通信论文—群速度色散补偿技术研究进展

群速度色散补偿技术研究进展

摘 要

色散（GVD ），是由于光纤中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。其包括相速度色散和群速度色散，相速度色散是色散的一阶效应，而群速度色散是色散的二阶效应。在高速大容量的光纤通信中，由于光纤介质表现出群速度色散，光脉冲包络的形状会发生变化，群速度色散会引起传输波形的展宽，波形的畸变，限制了通信容量，导致误码率的增大。

如何解决由群速度色散引起的传输波形的展宽，使波形主瓣宽度更集中，提高传输系统的性能，便成了当下急需应对的问题。本文着重讨论了现有群速度色散补偿技术的优特点及研究进展。

关键词：色散，群速度，补偿技术

1.引言 色散是光纤的重要指标之一,它是由于光纤中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。由于光纤的色散,使输入脉冲在传输过程中畸变展宽,产生码间干扰,增加误码率,所以,色散限制了光纤的传输容量和传输距离。 随着光纤通信传输系统的快速发展，色散及其斜率的管理越来越重要。成熟的色散补偿技术不断推出新的功能，新的色散补偿技术不断涌现。纵观日前国际上的色散补偿技术，可以得出色散补偿技术的发展趋势，本文着重介绍了当前的几种主流的色散补偿技术：(1) 色散补偿光纤(DCF) (2)啁啾光纤光栅（FBG ）(3)电子色散补偿技术（EDC ）。

2.群速度色散引起的脉冲展宽

在不考虑非线性效应的条件下,脉冲在单模光纤中传输的基本方程为

式中，A 为光信号的缓变振幅；z 为传输距离；T 为时间；β2为群速度色散( GVD)或称二阶色散系数，它是脉冲展宽的主要因素；β3为高阶色散(又称三阶色散)系数。与二阶色散相比，三阶色散对脉冲的影响通常较小。

为进一步研究其展宽变化，定义时间1/t T z v T β=-=- (2) 代入（1）式可得：

22

122A i A i aA z t ∂∂=-+∂∂ (3) 利用一下定义的归一化振幅方程：

(,)(,)2a A z t U z t ⎧⎫=⎨⎬⎩⎭

（4） 式中P0为入射光脉冲的峰值功率。则U(z,T)满足线性偏微分方程，将其代入（3）有：

22

12U U i z t β∂∂=∂∂ （5） 如果(,)U z w 为(,)U z t 的傅里叶变化，即有：

(,)(,)exp()U z w U z t jwt dt +∞

-∞=

-⎰ （6）

式中，w 为光的角频率，即归一化幅度的频域，函数(,)U z w 满足微分方程：

2212

U i

w U z β∂=∂ （7） 此微分方程的解为： 2(,)(0,)exp 2i U z w U w w z β⎧⎫=⎨⎬⎩⎭

（8）

图1.由色散引起的脉冲展宽示意图

由此可见，群速度色散(GVD)改变了每个频谱分量的相位,相位的改变量依赖于频率及传输距离。

3.色散补偿技术

3.1色散补偿光纤(DCF)

色散补偿光纤（DCF ）在实现色散补偿任务中扮演了十分重要的角色。目前，大多数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。

DCF的概念最早在1980年提出，EDFA在通信系统的成功应用加速了DCF 的发展，DCF已从最初的匹配包层型到多包层折射率剖面型。多包层结构一方面可以得到很高的负色散和负色散斜率，另一方面又可以降低弯曲损耗。DCF 的品质因素(品质因素=色散系数绝对值/衰减系数)越来越高。为了得到具有较大负色散系数的DCF，必须控制波导色散。现在己经有大量的商用DCF用于补偿G. 652光纤在C波段和L波段传输时的色散。DCF的主要性能指标如表1所示。

它的缺点是非线性效应较明显，输入光功率不能过高，插入损耗较大。此外，DCF 制成的DCM色散量不可调，而且不同类型的光纤需要不同类型的DCF。

3.2啁啾光纤光栅(FBG)

FBG 也是一种干涉型器件，它不同于标准具可调色散补偿方案。散补偿型啁啾布拉格光纤光栅又称为啁啾光纤光栅，其结构和工作原理如图4 所示：

图2.FBG结构及色散补偿原理图

啁啾光纤光栅实际上就是在普通光纤上用一定的技术刻出变周期的光栅。当信号进入光栅后，波长为光栅周期两倍的光将被反射。不同波长的光在啁啾光中反射点的位置不同，因此入射光波长中的不同波长成分在光栅中走过不同距，产生不同的时延，从而达到色散补偿的目的。

FBG 是一种窄带器件，需要多个FBG 器件才能使色散补偿范围覆盖整个C波带。温度调节和应力调节都可实现色散调节。

啁啾布拉格光纤光栅，器件紧凑、插入损耗小，可以控制其色散斜率与传输光纤较好地

匹配。其缺点在于目前啁啾光纤光栅产品的相位特性平滑度还不能令人满意，它对光信号波长以及光谱线宽要求也比较严格。实践证明，在实际的1550nm外调制光纤超长距离传输系统中，其使用效果尚不尽如人意。

3.3电子色散补偿技术（EDC）

电子色散补偿(EDC)是一种很有吸引力的技术，EDC是基于电子滤波(均衡)技术进行光纤色散补偿的，它通过对接收的光信号进行抽样、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，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。

在实际应用中，为了实现自适应EDC，最常见的是采用前馈均衡器(FFE)和判决反馈均衡器(DFE)组合的结构，如下图所示

图3.电子色散补偿原理

图中，输入信号经由N个延迟抽头组成的前馈均衡器(FFE)与判决反馈均衡器(DFE)相结合。它能够校正信道频谱中的严重凹口。

4结论

传统的DCF因其光纤技术成熟度好，生产方便，在近几年内仍然是主流产品；多通道光纤光栅色散补偿技术的研究逐渐成为热点，多通道色散补偿器己经具备了一定的市场竞争力，大量商用产品己经推向市场，有逐步取代传统DCF之势。

由于啁啾光纤光栅与现有光纤兼容性好，具有低的传输损耗和插入损耗,且光纤光栅又是一种无源偏振不敏感全光器件。因此，利用啁啾光纤光栅进行色散补偿被认为是一种应用前景最好的方案。

电子色散补偿（EDC），指在用电领域的方法来补偿光色散。设计EDC是专用来解决色散干扰，以减轻因色散造成的光路信号损伤问题。其具有小型化、低功率和低成本的优点，因而逐渐受到更多的关注。

参考文献

[1] 张金菊主编.光纤通信原理.中国人民大学出版社

[2] G·凯泽（美）著，于辉明等译.光纤通信原理.中国人民大学出版社

[3] 吴景艳，祁志娟，王剑.色散补偿技术的发展与应用[J].科技信息，2008

[4] 杨祥林.光纤通信系统[M].北京：国防工业出版社，2000

[5] 董天临.光纤通信与光纤信息网[M].北京：清华大学出版社，2006