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。

斜率补偿型DCF的优点是带宽不受限制，产品供应商多，稳定性高。目前，斜率补偿DCF模块已获广泛应用，在全球范围内，它是1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统实现色散补偿的首选方案。

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。

2、基于标准具的可调色散补偿方案：

利用GT干涉仪，使光信号中不同的光谱分量所传输的光程不同，产生周期性的色散效果。当色散周期与信道间隔匹配时，该方案可同时补偿所有信道的色散。从原理上讲，调整路径长度和微分路径长度即可实现色散补偿量及斜率的调节。

但是该方案利用了较高的多重衍射级次，因此插损很高；带内色散比较大，此外色散斜率的调节也比较困难。

3、基于微电子机电体系（MEMS）的动态色散补偿技术

基于MEMS的动态色散补偿技术有两种结构：

一种是基于微镜的多通道可调色散补偿器，采用体衍射光栅分出每个信道，以微镜分别

改变各个信道不同的相移量来实现动态色散补偿，补偿后信号光由环行器输出。每通道的补偿量从4.6 到16.7 ps/nm.，该器件零电压插入损耗10 dB ，工作时插入损耗6dB 。

另一种是基于多级光全通滤波器，通过改变MEMS 共振腔的大小，制成动态色散补偿器。例如，贝尔实验室研制的一种基于多级光全通滤波器结构、通过改变MEMS 共振腔的大小来实现动态色散补偿的动态色散补偿器如图3所示:

当采用二级结构方式时，其补偿调节量可达±100ps/nm ，群时延抖动小于±3ps ，适于单个或多个光信道的动态色散补偿。它采用同端偏轴光纤耦合，避免了光环行器的使用，因此插入损耗可小于2dB 。

4、啁啾布拉格光纤光栅（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。

色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4 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。当光信号进入光栅后，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栅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离，产生不同的时延，从而达到色散补偿的目的。

普通单模光纤（SMF G652）在1550nm 工作窗口处具有正色散，光信号通过光纤传输后，光信号中的短波长成分（设为λs ）比长波长成分（设为λl ）传得快，因而λs 比λl 经历的时延短。加入啁啾布拉格光纤光栅后，光信号中的长波长成分λl 在光栅的前端反射，而短波长成分在光栅的末端反射，这样光纤光栅的色散特性正好与常规光纤的色散特性相反，从而起到色散补偿作用。

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Gold- Silicon PSG

Silicon

Mirror

air gap=3λ/4

air gap=λ/2 图3 贝尔动态色散补偿器

Optical Light

Optical Light

Gold- Silicon PSG

Silicon

Mirror

λl

λs

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。但是，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，由于其使用效果尚不尽如人意。

5、PLC环行共振腔色散补偿技术

基于高折射差平面光波导回路（PLC）环形共振腔技术的PLC动态色散补偿器，其调节量可达±800ps/nm，对25GHz信道间隔操作十分容易，可以实现16信道（50GHz间隔）同时进行1050ps/nm的色散补偿。如图5所示，该器件由平面波导上的8个环型共振腔组成，每个共振腔由热光相移器控制，分别对应不同的自由频谱范围。

图5P L C动态色散补偿器

但是，这类产品离实用化还有相当长的路要走。

6、电色散补偿(EDC)

电色散补偿(EDC)是一种很有吸引力的技术，它通常可以采用予色散补偿或后色散补偿两种方式。

予色散补偿方式通常应用于光发送端。它通过改变电参数的设置产生一个与链路大小相等但相位相反的予色散函数，从而实现光纤链路色散的补偿。它的优点是方案比较简单，但是，整个色散补偿调试过程需要人工干予。

后色散补偿方式通常使用于光接收端。它采用数字滤波器原理对信道色散影响进行修正。工作原理如图6所示：

图6后色散补偿

這类电色散补偿技术采用前饋均衡与附加反饋分量相结合的方法，因此，它能夠校正信道頻譜中的严重凹口。

电色散补偿（EDC）技术，可提供对单通道及多通道的色散补偿。研究表明，对于1550nm 外调制光纤干线/超干线长距离传输，EDC可使其色散容限提高80%以上。实际系统中，长达120-160公里的点对点光纤链路段使用电色散补偿可以达到较好的色散补偿效果。

据ElectroniCast的统计，包括电信和数据网络在内全球现有的光通信系统中，色散补偿器中DCF占89%，光栅、体光学干涉等模块占11%。在实用化的HFC有线电视宽带网络1550nm光纤干线/超干线中，DCF占了95%以上。