光纤通信系统色散补偿技术进展

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1、光学工程前沿报告光纤通信系统色散补偿技术进展一前言近年来，随着互联网业务的迅速增长，多种新型宽带业务应运而生，对宽带通信业务容量与速率的要求也越来越高。但迄今为止，商用光纤通信系统的传输速率仍被限制在几十Gbit/s以下，这从根本上阻碍了光纤通信的发展。限制光纤中光信号传输的两个重要因素是损耗和色散。损耗限制了光信号传输的距离，色散限制了通信容量。虽然损耗问题随着1990年掺饵光纤放大器(EDFA)的出现得到了较好的解决，但却加剧了色散的累积，使得色散问题更加突出，因此如何有效地控制光纤色散成为国内外研究的热点问题。色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同

2、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，这在波分复用(WDM)系统中尤为重要。因此，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。二色散的基本原理在光纤中，不同频率的信号传输速率不同，传输相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

3、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

4、β2

5、>1ps²/km时，β3可以忽略不计。求解方程得:光学工程前沿报告式中，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exp﹛iβ2ω²∕2﹜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窗日的色

6、度色散系数约为16ps/(nm•km)，传输100km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。三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。日前，色散补偿的方法有:色散补偿光纤(DCF)、啁啾光纤光栅和电了色散补偿技术等。本文将简述DCF、啁啾光纤光栅、光子晶体DCF和电子色散补偿等4项色散补偿方案。1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

7、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、一阶色散全补偿，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

8、须控制波导色散。现在己经有大量的商用DCF用于补偿光学工程前沿报告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。在长途光缆传输系统中，通常是在每个(或几个)光纤跨段的输出端(光端机的预放大器之后)配置由DCF制成的光无源器件—色散补偿模块，以抵消传输光纤的正色散。色散补偿技术多数是使用一段DCF，而它在某些方面存在的缺陷，促使新技术不断出现。例如，在ECOC上，Civcom公司展小了它的自由通道可管理色散补偿模块(M-DCM)，该模块旨在替换城域网和大区DWDM网络中的DCMM-DCM的亮点在于它二倍可调，可以远程管理，并且是多通道

9、的。它可以对﹣1700~1700ps/nm范围内的色散进行补偿。国内外大型光纤厂家都有相关产品，表2列举了其中几个有代表性的DCM产品的参数。表中色散补偿量以80km的指标为例。2光纤布喇格光栅(FBG)色散补偿1982年，F.Ouellette首先提出采用啁啾Bragg光栅作为反射滤波器实现色散补偿的理论，但直到20世纪90年代制造工艺的进一步发展才使其得到实际光学工程前沿报告应用。啁啾光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、结构紧读、插入损耗低和非线性效应小，具有对偏振不敏感等技术优势，而目可以通过应力或者温度进行动态调谐。光纤啁啾光栅是能对色散进行有效补偿的器件

10、之一，其原理是:当光脉冲