单模光纤中的色散及色散补偿技术

光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点) 姓名:__彭坚大_ 学号:_11216020418 专业班级:_电04
摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。

Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.
关键词：色散效应，色散补偿
1.引言
色散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。

在光纤中,脉冲色散越小,它所携带的信息容量就越大。

其链路的色散累积直接影响系统的传输性能,自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤
(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。

所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。

光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。

但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。

解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。

2.色散补偿原理
2.1 光纤色散述语
一、色散及其表示：
由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。

光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。

从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。

前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引
起。

当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用的时候，介质的响应通常与光波的频率ω有关，这种特性称为色散，它表明折射率n(ω)对频率的依附关系。

光纤的色散效应可以用波矢k或传播常数β与频率的关系来表示，即β(ω)。

在中心频率ωo处将β(ω)展开得到：
式中是介质在中心频率ωo 处的传播常数；等于群速度的倒数；
表示群速度色散，和脉冲的展宽有关；β3为三阶色散参量。

二、色散补偿的基本原理
1 在光纤中,不同频率的信号传输速率不同,传输同距离后会有不同的时延τ, 从而产生时延差(Δτ) 。

时延差越大,表示色散越严重,具体表现为光脉冲在沿光纤传输过程中被展宽的程度愈大。

因此色散的度量,通常都是采用每单位长度的群时延差来表示。

脉冲在单模光纤中的传输基本方程为
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。

当|β2 | >1ps2/ km时,β3 可以忽略不计。

求解方程得:
式中, A(0,ω) 为A(0, T) 的傅里叶变换。

可见,色散引起的光信号畸变是
由相位系数决定的。

单模光纤单位长度的色散量可以由下式得出:
式中, c为光速;V为光纤传输的归一化频率;b为归一化传输常数。

式(3)等号右边第1项决定于材料折射率,称之为材料色散;第2项由于与光纤波导性能有关, 称之为波导色散。

普通单模光纤在1550nm 窗口的色度色散系数约为16ps/ (nm·km) , 传输100 km 后色散可达到1600ps/ nm。

而对于10Gbit/ s系统,它的最大色散容限是1000ps/ nm。

可见,要使系统正常运转,必须进行色散补偿。

2.色散补偿技术方案
色散补偿的基本原理是使用一个
或多个大负色散的器件对光纤的正色散实施抵消,对光纤中的色散累积进
行补偿,从而使系统的总色散量减小。

目前,色散补偿的方法有:色散补偿光纤(DCF) 、啁啾光纤光栅和电子色散补偿技术等。

3. 常规DCF技术方案
采用常规DCF进行通信系统链路色散补偿的技术是现在通用的技术,
其发展较为成熟。

由于DCF是一种无源器件,安装灵活方便,能实现宽带色散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿,还可与1310nm零色散标准单模光纤兼容,适当控制DCF
的模场直径、改善熔接技术,能得到较小的插入损耗,因此受到普遍重视,成为当今研究的热点。

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。

现在已经有大量的商用DCF用于补偿G. 652光纤在C波段和L波段传输时的色散[。

采用常规DCF进行通信系统链路色散补偿的技术是现在通用的技术,其发展较为成熟。

由于DCF是一种无源器件,安装灵活方便,能实现宽带色散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿,还可与1310nm零色散标准单模光纤兼容,适当控制DCF的模场直径、改善熔接技术,能得到较小的插入损耗,因此受到普遍重视,成为当今研究的热点。

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。

现在已经有大量的商用DCF用于补偿G. 652光纤在C波段和L波段传输时的色散。

缺点：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的DCM .
优点：效果显著，系统工作稳定，实施简便色散补偿量可控外，还能实现
宽带补偿从而实现高密度波分复用 .
4. 光纤光栅色散补偿技术
光纤光栅(均匀光纤光栅)的另一个特性，就是在禁带(Photonic band gap)附近的极强的传输色散特性(一般要比普通光纤介质大出几个数量级倍)，可以利用光纤光栅的这一特性在传输中〔而非反射中)进行色散补偿。

尽管这一强色散区域存在的频带很窄，但其独特的性质还是引起了人们的关注。

由于F-P效应所造成的反射带隙外振荡的影响，这种方法一直未受到人们的重视。

最近，随着光纤光栅切趾技术的成熟，人们已经可以消除反射带隙几乎所有振荡，这使得利用均匀光纤光栅进行色散补偿再现生命力。

在国外，对光纤光栅的传输色散性质的理论探讨和实验研究已经取得了很大成果。

有人提出利用这种强色散特性进行色散补偿，较其它色散补偿方案更易实现，且具有更高的补偿效率。

实验上已成功实现了在72km 的光纤中利用光纤光栅在10Gbit/s信号无误传输时的色散补偿。

最近，人们又提出级联光纤光栅的构思，利用它可以在密集波分复用系统中实现多信道色散的同时补偿。

如图4所示：
通过改变外部条件来改变均匀光纤光栅的结构参数，可以实现色散的可调谐。

文献[3]利用压电陶瓷使得光纤光栅的中心波长移动了5.02nm，这对于均匀光纤光栅的色散调谐已足够。

如果把两个或两个以上不同周期的光纤光栅“连接”起来组成“级联光纤光栅”，可以实现对不同波长的多路脉冲同时进行色散补偿，还可以对整个级联光纤光栅进行调谐，也可以对其中某些光纤光栅进行调谐，以达到我们所期望的色散补偿效果。

优点;不受电磁干扰，灵敏度高
缺点：不能完全消除高阶色散，制造非线性啁啾的相位掩膜非常困难且价格昂贵
5. 碉啾光栅技术
在光纤上制成折射率非周期性变化的惆啾光栅，就形成一个宽带滤波器，它的不同位置对应于不同的Bragg 反射波长。

当光脉冲信号通过这种啁啾光栅(周期从大到小，长度为Lg)时，其长、短波长分量分别在光栅的头、尾部反射，这样短波长分量比长波长分量多走2Lg距离，两波长分量之间产生时延差Δt=2Lg/Vg。

从而补偿了由于群速度不同导致的色散，起到压缩光脉冲的作用。

如图5所示。

利用严格的耦合波理论分析啁啾光栅色散补偿机制，求出其Bragg波长、带宽、时延率等，并利用Rungc-Kutta 数值方法求解啁啾光栅的反射谱特性。

啁啾光栅的长度、啁啾量、Bragg 带宽、反射谱特性等参量决定了它的色散补偿能力。

设计、研制高质量的啁啾光栅是实现这种色散补偿技术的关键。

英国、美国、加拿大等国家对啁啾光栅色散补偿开展了广泛的研究，利用单个或多个啁啾光栅进行色散补偿，已在10 Gb/s常规光纤通信网上传输数百公里。

国内也研制了10 cm 长的惆啾光纤光栅，并已完成了10 G b/s光信号在G652光纤上传输104公里的色散补偿实验。

优点：采用无源光纤光栅进行色散补偿，具有体积小、插人损耗低、与光纤兼容性好、波长选择性好、易于集成等优点，利用多个光纤光栅级联可提高补偿能力，光纤光栅法还便于系统使用和维护，其成本低、可升级性好、可靠性高、受非线性效应影响小、极化不敏感，具有很好的实用性。

6.观点，色散补偿技术的发展方向
随着高速率宽带光传输系统的发展,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。

纵观目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: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,多通道色散补偿器已经具备了一定的市场竞争力,大量商用产品已经推向市场,有逐步取代传统DCF之势;EDC有其独特优点,前景可观,但是技术不成熟,有待完善,比如较长距离传输时,器件的补偿范围受到信号传输距离的限制,需要增加固定补偿量等;色散补偿PCF代表着未来高效补偿的发展方向,它具有广阔的发展空间和应用前景,虽然现已开始获得初步应用,但受到诸多因素的制约,因此要实现大量商用还有很长的路要走。

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