高速光通信系统色散补偿技术研究
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长距离传输系统 走向实用化 ， 色散补偿传输 系统 的Ｐ ＭＤ是 一个重要 的色散 和色散斜率 。结 构（ ） 简单 的ｗ 型纤芯设计 ， ｂ是 这种结构的特
问题。
点 是能够获得 大的负 色散和 色散 斜率， 点是 由于其 截止波长 过低， 缺 早在 １ ７ 年 ， ． ． ａ ｈｌ ｇ 和Ｒ Ｕ ｌ ｉ ９ ８ Ｓ Ｃ Ｒ ｓ ｉｈ ． ｈ就 发现光纤 中的 随 光纤 的弯曲性 能恶化 。为 了改进这种设计， ｅ ｒｅ 人们又在其外部增加 了一
以提高光纤的截止波长， 改善光纤的弯曲性能， 同时这种结构也更 机双折 射会造 成脉 冲展 宽， 这种现 象被称 为偏 振模 色散（Ｐ ＭＤ： ｏ 层 ， ｐ ｌ ｉ ｔ ｎ ｄ ｉ ｅｓ ｎ。在以前 的低速 率光纤通信系统 中， ＭＤ ａ ｚ ｉ ｍｏ ｅ ｐ ｒ ｏ ） ｒ ａｏ ｄｓ ｉ Ｐ 利 于灵 活地控 制色散和色散斜率。 的影响不 是很 明显， 因为普通 色散效应 对 系统 的限制 作用远 远超过 Ｐ 的影响 。但是 随着 色散补偿 技术 的出现与应 用， ＭＤ 在利 用色散 补 面积， 因此对纤芯 的椭 圆度 比较 敏感， 通常具有较 大的Ｐ Ｄ 系数 。另 Ｍ 啁啾光纤光栅进行色散补偿 ： 啁啾光纤光栅的光栅周期沿光纤方 向呈 周期性线性变 化， 因此不 间差， 使得这 种光 栅具有波长色散的特性 。利用这一特性可 以补偿光
实现， 但成本较高 。 ２ 高阶模设计 ）
以， 啁啾光纤光栅色散补偿是 目 前最有 前途的一种色散补偿方案 。显 然， 均匀光纤光栅色散补偿法也具有 啁啾光纤 光栅 补偿法所具有 的体
高阶模设 计是通 过在接近截止 波长处工作 的Ｌ １模 的负色散进 积小 、损耗低等优点 ， 由于这种方 案是利用反射带隙附近很窄的波 Ｐ １ 但 行色散补偿 。同基模设计 的色 散补偿 光纤 相比， 这种 光纤 的有效面积 长范 围进行 补偿， 性能很 不稳 定， 这是它亟待 克服的缺点 。色散补偿
和高阶色散均被补偿以后， 如果不消除光纤及Ｃ Ｂ 色散补偿器件 的 １ ５ｎ 附近获得 大负色散， ＦＧ ５０ｍ 却不能获得负 的色散斜率（ 因为ＷＤ 多 Ｍ Ｐ ， ＭＤ 传输皮秒 量级的光脉 冲将很 困难。Ｃ Ｂ 的Ｐ ＦＧ ＭＤ 情况 已引起 信 道系统 中各信道 的色散 略有 不同， 色散斜率 补偿对 于它来 说是非 人们的重视 。要想真正实 现Ｃ Ｂ 色散补偿 的普通单模光 纤高速 、 ＦＧ 常重要的） 。因此， 人们又开发 出了结构（ ） ｃ ， ｂ 和（ ） 以期同时获得负
中点谱反转法 ：
本地双折射分解 非偏振光短脉 冲模 型（ 时域分析） 利用干涉技 术， ， 直 分别进 行补偿 。
中点谱反转 法（ Ｓ， ｄｓａ ｐｃ ｒｌｎ ｅ ｉｎ是利用半导 ＭＳ ＩＭｉ— ｎＳｅｔａ Ｉ ｒ ｏ） ｐ ｖ ｓ Ｆ 过程实现频谱反转后， 进行 分析）通过分析测量 的Ｐ Ｐ ， Ｓ 之间 的群时延差 △ ｆ。这两种模 型导致 不 体 光放大器或光纤 中的四波混频（ ＷＭ） 二次传输 （ 在传 输链路 的中点将信号 频谱共轭反 转） 从而使第一段 ， 同的偏振模色散的定义， 但它们 的结果是一致 的。
系统 中的许 多器件也都具 有一定 的Ｐ ＭＤ效应 ， 随着系统 速率的提高 ， 定 。啁啾光纤 光栅 的光学特性 主要由光栅 的长度 、纤 芯区折射率调
Ｐ ＭＤ 的限制性作 用将会 变得 越来越 明显。因此， 要在 现有的光纤上 制 强度 和光栅 的啁啾参数决定， 光栅的反射带宽和色散特性主要 由啁 传输高 速光信 号， 将系统升级到 １Ｇ ／甚至４Ｇ ／ 以上， 必须 啾参数来决定 。对 同一 长度 的光栅 来说， ０ ｂｔ ｓ ｉ ０ ｂｉ ｓ ｔ 就 啁啾量越大， 反射带宽越大，
偿 光纤解 决色散 问题 的光纤链路 中， 由于色散 补偿光 纤具有 较小 的 同波长 的光经过啁啾光栅时被反射 的位置不 同。 这就 出现 了相对的时 外 已经铺 设的光缆 大多数也 具有 比较 大的Ｐ ＭＤ系数 ， 此外 光纤通信 纤线路 中的色散， 能补偿 的色散量及带宽 由光栅长度和啁啾量来决 所
着光通信系统的进一步发展， 当传 输速 率发展到１ ｂ ｓ ４ ｂ ｓ ０ ／ ， ０Ｇ ／ 甚 补偿光纤 的结 构大致可分为三种类型， 图５ Ｇ 如 所示 。
至更高时， 就遇到 了偏 振模色散（ ＭＤ 的困扰 。在普 通的一阶色散 Ｐ ）
结构（ ） ａ 是早期出现的单包层单 纤芯结构， 尽管这种设计能够在
及非线性对 系统的影 响 日益突 出。光纤色散使 光脉冲在传 输中时域
３ 色散补偿光纤的新发展 ）
展 宽， 导致通信系Βιβλιοθήκη Baidu 的误码增加， 限制 了系统的无 中继 传输距离 。因
色散补偿光纤的研究重点就是设计光纤 剖面结构， 以获得负波导
此， 如何经济有效 的对 色散进行补偿 ， 成为人们研究 的重点之一 。随 色 散及色散斜率 ， 不同结构可对不 同的传输光纤进行 色散补偿， 色散
考虑Ｐ ＭＤ的影响 。
至今 为止， 已经提出两种分 析偏 振模色散 的方法 ： 一种是基 于由 接测量在 光纤 输出端 的输 出脉冲的Ｒ 宽度 ８ Ｔ ＭＳ 或测 量干涉位置 而 得 出Ｐ ； ＭＤ 另一种是 基于对高 度相 干的传输光 的偏振主态模 型（ 域 频
色散值越小 。所 以， 通过均衡考 虑这 几个参数， 我们 可以得到所需的 色散补偿量， 这使 得啁啾光纤光栅 非常适合对Ｄ ＷＤ 系统的各信道 Ｍ
和成本 。同上述两种方案 相 比， 其他方案技 术成熟程度较低， 实用 化
的进程很缓慢， 虚像相位 阵列法通带窄， 如 对时延纹波过于敏感等， 中
点谱反转法系统结构过 于复杂。 待于进 一步改进。 有
２２ ４
字
高速光通信系统色散补偿 技术研究
薛伟 仇彦哲 南京邮 电大学 电子科 学与工程 学院 Ｂ ７ ４ ９ ２ ０４ ００ ０ 班 １０６ 杰 陈涛涛 南京邮 电大学 电子科 学与工程 学院 Ｂ ７４ ８ ２ ０４ ０ ００ 班 １０６
为 了满足人们对信息 日 益增长 的需求， 干线光通信系统 正在朝 长 纤 的高 阶模 之间模场 分布不 匹配， 应用 时需附加模 式转换器 。因此， 距 离 、高速率密集波分 复用（ ＷＤ 系统演进 。此时， Ｄ Ｍ） 光纤的色散 虽然这种结构 光纤的补偿效 率高， 但实现起来 比较复杂， 损耗也大 。
计。
啁啾 光纤光栅补 偿法 的特点 是器件小 型化 、损耗 低 、对偏振不 敏感； 随着通 信系统 传输 速率的提高以及Ｄ Ｍ 技术 的应用， ＷＤ 啁啾光 纤光栅更显示 了色散量 大 、反射率高及反射带宽宽的特点， 特别适 合
１ 基模设计 ）
基模设计是使光纤 的纤 芯具有较小的内径和较高的折射率， 在基 对Ｄ Ｍ 系统各 信道进行特定的补偿； ＷＤ 而且光栅 的体积小， 可以很容 模 中实现大负色散 和色散斜 率。 因此 光纤的模 场直径和有效 面积非 易地安装 于现有传输 系统 中， 方便地进行全 光通信的一维集成 ； 同时 常小， 型的有 效面积为 １ ～ ０ ｒ 。。这种 结构的特点是 简单 、易 它 的工 艺简单 ， 典 ５ ２ｕ ｎ 造价又不 高， 以根据传输距 离灵活设 计补偿量 。所 可
较大， 从而可以降低光纤 的非线性 。但 由于传 输光 纤中的基模和此光 光纤具有 宽带的补偿能力 ， 且性能稳定， 但在 器件小型化和加大传输
Ｌ
５ 色 敞 倍 光 纤 瓣 涮 丽 结 输 涮 ｝
距离方 面有 明显不 足， 损耗 大 、非线性强； 为实现对不 同信道 的补偿， 必须采用 复杂剖面结构 的色散和斜率 同时补偿 光纤， 了工艺难度 增大
啾光纤光栅（ Ｆ Ｇ 色散补偿 色散补偿光纤。 ＣＢ ） 实现色散补偿 。此方 色散 补偿技术 实用化 程度最 高的要 数色散补 偿光纤 （ Ｃ ） Ｄ Ｆ 和啁 光纤中产生 的色散与第二段光纤 中的色散抵消， 法能部分补偿光纤 的非线性效应， 消除光纤 中的 自 相位调制 引起 的失 真， 其成本虽与跨距无关， 但过 高。 色散补偿光纤 ： 通 过改变 光纤 的剖面结构 ， 以设计 出具有负 波导 色散值 的光 可 各种补偿方案 的比较 ： 纤—— 色散补 偿光 纤， 可采 用两种 设计 方式 ： 模设 计和 高阶模 设 基
问题。
点 是能够获得 大的负 色散和 色散 斜率， 点是 由于其 截止波长 过低， 缺 早在 １ ７ 年 ， ． ． ａ ｈｌ ｇ 和Ｒ Ｕ ｌ ｉ ９ ８ Ｓ Ｃ Ｒ ｓ ｉｈ ． ｈ就 发现光纤 中的 随 光纤 的弯曲性 能恶化 。为 了改进这种设计， ｅ ｒｅ 人们又在其外部增加 了一
以提高光纤的截止波长， 改善光纤的弯曲性能， 同时这种结构也更 机双折 射会造 成脉 冲展 宽， 这种现 象被称 为偏 振模 色散（Ｐ ＭＤ： ｏ 层 ， ｐ ｌ ｉ ｔ ｎ ｄ ｉ ｅｓ ｎ。在以前 的低速 率光纤通信系统 中， ＭＤ ａ ｚ ｉ ｍｏ ｅ ｐ ｒ ｏ ） ｒ ａｏ ｄｓ ｉ Ｐ 利 于灵 活地控 制色散和色散斜率。 的影响不 是很 明显， 因为普通 色散效应 对 系统 的限制 作用远 远超过 Ｐ 的影响 。但是 随着 色散补偿 技术 的出现与应 用， ＭＤ 在利 用色散 补 面积， 因此对纤芯 的椭 圆度 比较 敏感， 通常具有较 大的Ｐ Ｄ 系数 。另 Ｍ 啁啾光纤光栅进行色散补偿 ： 啁啾光纤光栅的光栅周期沿光纤方 向呈 周期性线性变 化， 因此不 间差， 使得这 种光 栅具有波长色散的特性 。利用这一特性可 以补偿光
实现， 但成本较高 。 ２ 高阶模设计 ）
以， 啁啾光纤光栅色散补偿是 目 前最有 前途的一种色散补偿方案 。显 然， 均匀光纤光栅色散补偿法也具有 啁啾光纤 光栅 补偿法所具有 的体
高阶模设 计是通 过在接近截止 波长处工作 的Ｌ １模 的负色散进 积小 、损耗低等优点 ， 由于这种方 案是利用反射带隙附近很窄的波 Ｐ １ 但 行色散补偿 。同基模设计 的色 散补偿 光纤 相比， 这种 光纤 的有效面积 长范 围进行 补偿， 性能很 不稳 定， 这是它亟待 克服的缺点 。色散补偿
和高阶色散均被补偿以后， 如果不消除光纤及Ｃ Ｂ 色散补偿器件 的 １ ５ｎ 附近获得 大负色散， ＦＧ ５０ｍ 却不能获得负 的色散斜率（ 因为ＷＤ 多 Ｍ Ｐ ， ＭＤ 传输皮秒 量级的光脉 冲将很 困难。Ｃ Ｂ 的Ｐ ＦＧ ＭＤ 情况 已引起 信 道系统 中各信道 的色散 略有 不同， 色散斜率 补偿对 于它来 说是非 人们的重视 。要想真正实 现Ｃ Ｂ 色散补偿 的普通单模光 纤高速 、 ＦＧ 常重要的） 。因此， 人们又开发 出了结构（ ） ｃ ， ｂ 和（ ） 以期同时获得负
中点谱反转法 ：
本地双折射分解 非偏振光短脉 冲模 型（ 时域分析） 利用干涉技 术， ， 直 分别进 行补偿 。
中点谱反转 法（ Ｓ， ｄｓａ ｐｃ ｒｌｎ ｅ ｉｎ是利用半导 ＭＳ ＩＭｉ— ｎＳｅｔａ Ｉ ｒ ｏ） ｐ ｖ ｓ Ｆ 过程实现频谱反转后， 进行 分析）通过分析测量 的Ｐ Ｐ ， Ｓ 之间 的群时延差 △ ｆ。这两种模 型导致 不 体 光放大器或光纤 中的四波混频（ ＷＭ） 二次传输 （ 在传 输链路 的中点将信号 频谱共轭反 转） 从而使第一段 ， 同的偏振模色散的定义， 但它们 的结果是一致 的。
系统 中的许 多器件也都具 有一定 的Ｐ ＭＤ效应 ， 随着系统 速率的提高 ， 定 。啁啾光纤 光栅 的光学特性 主要由光栅 的长度 、纤 芯区折射率调
Ｐ ＭＤ 的限制性作 用将会 变得 越来越 明显。因此， 要在 现有的光纤上 制 强度 和光栅 的啁啾参数决定， 光栅的反射带宽和色散特性主要 由啁 传输高 速光信 号， 将系统升级到 １Ｇ ／甚至４Ｇ ／ 以上， 必须 啾参数来决定 。对 同一 长度 的光栅 来说， ０ ｂｔ ｓ ｉ ０ ｂｉ ｓ ｔ 就 啁啾量越大， 反射带宽越大，
偿 光纤解 决色散 问题 的光纤链路 中， 由于色散 补偿光 纤具有 较小 的 同波长 的光经过啁啾光栅时被反射 的位置不 同。 这就 出现 了相对的时 外 已经铺 设的光缆 大多数也 具有 比较 大的Ｐ ＭＤ系数 ， 此外 光纤通信 纤线路 中的色散， 能补偿 的色散量及带宽 由光栅长度和啁啾量来决 所
着光通信系统的进一步发展， 当传 输速 率发展到１ ｂ ｓ ４ ｂ ｓ ０ ／ ， ０Ｇ ／ 甚 补偿光纤 的结 构大致可分为三种类型， 图５ Ｇ 如 所示 。
至更高时， 就遇到 了偏 振模色散（ ＭＤ 的困扰 。在普 通的一阶色散 Ｐ ）
结构（ ） ａ 是早期出现的单包层单 纤芯结构， 尽管这种设计能够在
及非线性对 系统的影 响 日益突 出。光纤色散使 光脉冲在传 输中时域
３ 色散补偿光纤的新发展 ）
展 宽， 导致通信系Βιβλιοθήκη Baidu 的误码增加， 限制 了系统的无 中继 传输距离 。因
色散补偿光纤的研究重点就是设计光纤 剖面结构， 以获得负波导
此， 如何经济有效 的对 色散进行补偿 ， 成为人们研究 的重点之一 。随 色 散及色散斜率 ， 不同结构可对不 同的传输光纤进行 色散补偿， 色散
考虑Ｐ ＭＤ的影响 。
至今 为止， 已经提出两种分 析偏 振模色散 的方法 ： 一种是基 于由 接测量在 光纤 输出端 的输 出脉冲的Ｒ 宽度 ８ Ｔ ＭＳ 或测 量干涉位置 而 得 出Ｐ ； ＭＤ 另一种是 基于对高 度相 干的传输光 的偏振主态模 型（ 域 频
色散值越小 。所 以， 通过均衡考 虑这 几个参数， 我们 可以得到所需的 色散补偿量， 这使 得啁啾光纤光栅 非常适合对Ｄ ＷＤ 系统的各信道 Ｍ
和成本 。同上述两种方案 相 比， 其他方案技 术成熟程度较低， 实用 化
的进程很缓慢， 虚像相位 阵列法通带窄， 如 对时延纹波过于敏感等， 中
点谱反转法系统结构过 于复杂。 待于进 一步改进。 有
２２ ４
字
高速光通信系统色散补偿 技术研究
薛伟 仇彦哲 南京邮 电大学 电子科 学与工程 学院 Ｂ ７ ４ ９ ２ ０４ ００ ０ 班 １０６ 杰 陈涛涛 南京邮 电大学 电子科 学与工程 学院 Ｂ ７４ ８ ２ ０４ ０ ００ 班 １０６
为 了满足人们对信息 日 益增长 的需求， 干线光通信系统 正在朝 长 纤 的高 阶模 之间模场 分布不 匹配， 应用 时需附加模 式转换器 。因此， 距 离 、高速率密集波分 复用（ ＷＤ 系统演进 。此时， Ｄ Ｍ） 光纤的色散 虽然这种结构 光纤的补偿效 率高， 但实现起来 比较复杂， 损耗也大 。
计。
啁啾 光纤光栅补 偿法 的特点 是器件小 型化 、损耗 低 、对偏振不 敏感； 随着通 信系统 传输 速率的提高以及Ｄ Ｍ 技术 的应用， ＷＤ 啁啾光 纤光栅更显示 了色散量 大 、反射率高及反射带宽宽的特点， 特别适 合
１ 基模设计 ）
基模设计是使光纤 的纤 芯具有较小的内径和较高的折射率， 在基 对Ｄ Ｍ 系统各 信道进行特定的补偿； ＷＤ 而且光栅 的体积小， 可以很容 模 中实现大负色散 和色散斜 率。 因此 光纤的模 场直径和有效 面积非 易地安装 于现有传输 系统 中， 方便地进行全 光通信的一维集成 ； 同时 常小， 型的有 效面积为 １ ～ ０ ｒ 。。这种 结构的特点是 简单 、易 它 的工 艺简单 ， 典 ５ ２ｕ ｎ 造价又不 高， 以根据传输距 离灵活设 计补偿量 。所 可
较大， 从而可以降低光纤 的非线性 。但 由于传 输光 纤中的基模和此光 光纤具有 宽带的补偿能力 ， 且性能稳定， 但在 器件小型化和加大传输
Ｌ
５ 色 敞 倍 光 纤 瓣 涮 丽 结 输 涮 ｝
距离方 面有 明显不 足， 损耗 大 、非线性强； 为实现对不 同信道 的补偿， 必须采用 复杂剖面结构 的色散和斜率 同时补偿 光纤， 了工艺难度 增大
啾光纤光栅（ Ｆ Ｇ 色散补偿 色散补偿光纤。 ＣＢ ） 实现色散补偿 。此方 色散 补偿技术 实用化 程度最 高的要 数色散补 偿光纤 （ Ｃ ） Ｄ Ｆ 和啁 光纤中产生 的色散与第二段光纤 中的色散抵消， 法能部分补偿光纤 的非线性效应， 消除光纤 中的 自 相位调制 引起 的失 真， 其成本虽与跨距无关， 但过 高。 色散补偿光纤 ： 通 过改变 光纤 的剖面结构 ， 以设计 出具有负 波导 色散值 的光 可 各种补偿方案 的比较 ： 纤—— 色散补 偿光 纤， 可采 用两种 设计 方式 ： 模设 计和 高阶模 设 基