光纤通信系统中的色散问题及其补偿研究
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光纤通信系统中的色散问题及其补偿研究
陆琴（安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011）
指导老师：胡积宝
摘要：本文首先对色散进行了较全面的概述，提出并分析各项光纤参数对通信系统的影响。简单的说明了色散补偿的原理，介绍了当代的几种光纤色散补偿技术，进而将这些方法进行多方面的比较分析，展望色散补偿研究前景。
关键词：通信，色散，色散补偿，比较
引言：近年来，随着电信业务的发展和需求的不断增长，需要传输系统提供更高的容量，目前普遍采用波分复用技或提高传输速率来增加系统的容量。我们知道，影响光纤通信系统的两个主要问题是光纤的衰减和色散。随着掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化，光纤损耗不再是限制系统性能提高的主要因素。在放大器实现对光纤的衰减补偿之后，色散成为限制密集波分复用（DWDM）和10G.652和G.655单模光纤中存在色散斜率，使得传输同样距离的不同波长信号光具有不同的色散量；这些最终导致通信质量劣化，严重时会使系统无法正常工作。因此需对通信链路实行色散补偿，以使各波长信号的色散量限制在系统容限内。因此人们提出了色散补偿光纤法、啁啾光栅法、预啁啾技术、色散支持传输法和频谱反转法等色散补偿方案。
1、色散 (1)色散的产生
色散是指因为光脉冲中的不同频率或模式在光光纤中的传播速度不同，使得这些频率成分或模式到达光纤终端有先有后，从而产生信号传播过程中的光脉冲的展宽。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。衡量光纤中色散的大小是用色散系数，它的定义是波长相距1nm(频率间隔为124.3GHz)的两个光信号传输1km距离的时延差。而色散系数对波长曲线的斜率成为色散斜率，它反映色散系数随波长变化的情况。不同厂家不同型号的光纤具有不同的色散特性。而色散补偿就是通过各种手段抵消上述信号不同频率或模式成分到达终端的时延差。
（2） 色散对光通信系统的影响
光纤的色散现象对光纤通信极为不利，它使得两个相邻的脉冲发生串扰，产生判决错误。色散对脉冲的这种影响可以从眼图中看出来：从发送端发送出来的初始脉冲比较规整，眼张开度大，经过一定长度有色散的光纤传输后，眼图会呈现出色散的图样，眼张开度变小，脉冲形状变坏，在误码测试仪上表现为误码率变大。
对于当单光纤来说，由光源发射进入光纤的光脉冲包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传输，
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因而在传输的过程中会出现脉冲展宽，这种现象就是群速度色散，或简言之色散。色散的主要来源有材料色散和波导色散。材料色散是纤芯材料的折射率随波长变化引起的，而波导色散是因模式的传播常数?随???（前者为光纤芯径，后者为光波长）变化而产生的，这是单模光纤色散的主要原因。
色散对系统的主要影响是脉冲展宽，引起相邻脉冲的重叠，限制通信容量。
色散对系统性能的影响还表现在和光纤中非线性效应的相互作用。一方面色散加剧自相位调制（SPM）等非线性效应所产生的脉冲形状畸变，使其放大展宽；另一方面色散在波分复用系统中也可以抑制交叉相位调制(XPM)、四波混频（FWM）等非线性效应。关于色散和非线性效应间的相互作用，在系统设计时要予以综合考虑，整体把握，以实现更好的传输性能。1、色散对系统传输距离的限制
L?106??/(B?D???) （1.1）
式中：L---色散受限距离（km）
ε---当光源为多纵模激光器时取 0.115; 单纵模激光器时取 0.306 B---传输速率（Mb/s）
D---光纤色散系数（ps/nm·km） δλ---光源的均方根谱宽（nm）
由此可见，光系统传输距离由光纤本身的色散，系统传输速率以及光源的性能所决定的。在传输系统设计时，不考虑光源的因素，传输距离与传输速率和光纤色散的关系是：
B2[Gb/s]?L[km]?D[ps/nm?km]?105 （1.2）
因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。
经推导，光纤通信系统不受色散限制的临界传输速率Bcr?1/4?(W/?) (?根据光纤的质量在0.5~1.0之间取值)，最大中继距离为Lmax?C/2DB2?2 (这里?为光纤色散的均方根脉冲展宽)。所以，采取适当的色散补偿，减少甚至抵消?、D的影响，就可以使得Bcr、Lmax得以改善。
2、色散对系统比特速率的限制 （1）光源谱宽较宽
在光源谱宽较宽的系统中，V>>1，又考虑系统远离色散波长，因此??项可以不考虑。假如我们进一步忽略频率啁啾（C=0）式1.3表示的色散引起脉冲展宽的系数可进一步简化为
11?L??????1?(2w)2?
?0??0?12?DL??2?2??1?()? (1.3)
?0??2式中的??是用波长单位表示的光源均方根谱宽，D??(2?c/?)?2是光纤的色散系数。输出宽度为
2??(?02??D)2，式中的?D?DL??是色散引入的脉冲展宽。
受限的比特速率应满足4B??1，此时至少95%的高斯脉冲能量在比特时隙内。对于窄脉冲
???D?DL??，此时，色散对比特速率的限制应满足BLD???1/4。
对于工作在零色散波长的光纤系统
11??1?3L???1?()??0?2?0??
2w22?1SL??2?2??1?()? (1.4)
2?0??2这里的?3已用色散斜率S代替。于是输出脉冲展宽为
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1?22?????02?(SL??)?2??1222?(?0??D)2 (1.5 )
12式中?D?SL??/2。当?0???D时，色散对零色散波长光纤系统比特速率的限制是
2BLS???1/8 (1.6)
（2）光源谱宽较窄
在光源谱较窄的系统中V<<1，因为光源谱宽??比1/?0更小，假如我们忽略?3项，并置C=0，此时有
12??L?????02?(2)2?2?0??当?0??D?(?2L/2)1222?(?0??D)2 (1.7) 11时，?最小，其值为??(?2L)2。使用4B??1就可以得到受限的比特率
B?2L?1/4 (1.8)
对于工作在光纤零色散系统，当?2?0，并使用V<<1和C<<1，此时脉冲展宽为
?1?L?????02?(32)2?24?0??当?0?(?3L/4)131222?(?0??D)2 (1.9)
1时，?最小，其值为
12 ??(3/2)(?3L/4)3 (1.10) 使用4B??1就可以得到受限的比特率
1B(?3L)13?0.324 (1.11)
此时色散的影响最小，对于典型值?3?0.1ps3/km,L?100km时，比特速率可达150Gb/s. 因此使光纤工作在接近零色散波长，并使用窄线宽的光源，就可以使系统的性能的到提高。
1.2 光纤色散的种类
（1）模式色散：在多模光纤中存在许多传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接受端所用的时间不同，而产生了模式色散。
(2)材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散称做材料色散。
材料色散主要是有光源的光谱宽度所引起。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的频谱宽度，这样不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比，所以在系统使用时尽可能选择光谱线宽窄的光源。石英光纤材料的零色散系数波长在1270nm附近。
(3)波导色散: 同一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此而引起的色散称为波导色散。 1310nm附近波导色散与材料色散可以相互抵消，使二者总的色散为零。因而，普通石英光纤在这一波段是一个低色散区。
在多模式光纤中以上三种色散均存在。对于多模阶跃光纤，模式色散占主要地位，其次是材料色散，波导色散比较小，可以忽略不计。对于多模渐变光纤，模式色散较小， 波导色散同样可以忽略不计。
对于单模光纤，上述三种色散中只有材料色散和波导色散存在。
(4)偏振模色散:偏振模色散是由于实际的光纤总是存在一定的不完善性，使得沿着不同方向偏振的同一模式的相位常数不同，从而导致这两个模式传输不同步，形成色散。
波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。一般波导色散比材料色散小。普通石英光纤在波长
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偏振模色散通常较小，在速率不高的光纤通信系统中可以忽略不计。对于工作在零色散波长的单模光纤，偏振模色散将成为最后的极限。
光纤色散对通信系统的性能影响主要表现在对传输中继距离和传输速率的限制。 2、光纤的色散补偿技术 2.1 色散补偿原理
在考虑??和??同时起作用的情况下，采用周期等于放大器间隔的周期色散排布，放大器用来补偿每段光纤的损耗，每对放大器之间恰好有两种光纤，这两种光纤的??和??的符号分别相反，这样使平均色散降到很小的值，当
???L1+???L2=0且???L1+???L2=0
色散得到完全补偿。其中???和???分别是长为L1的光纤的GVD和TOD参量。
目前光传输系统中的色散补偿，可行的色散补偿方法可以分为两大类，其一是基于光纤的色散补偿技术，如采用色散补偿光纤(DCF)、反常色散光纤(RDF)等；其二采用色散补偿模块(DCM)对通道色散及色散斜率进行补偿，如基于啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)、镜像相位阵列(VIPA)、平面波导的各类色散补偿器等。对与已敷设的系统，一种简单直接的色散补偿方案是在线路放大器中插入无源的固定色散补偿模块(DCM)，这对于目前的10Gb/s传输是可行的。下面我们具体来介绍几种主要的色散补偿技术。
2.2 色散补偿光纤（DCF）
图2.1 色散补偿光纤的剖面结构图
研究光纤材料、掺杂浓度、芯径人小及结构等与色散的关系，我们得知纯石英材料在1.27?m从波长上不存在色散，并称之为零色散波长。不同掺杂的石英材料可产生不同的材料色散，使其零色散波长向长波长方向移动。改变光纤结构参数，如减小芯径、不同掺杂浓度等可增大其折射率，使零色散波长移至大于1.55?m波长的位置，从而在1.55?m处得到较大的负色散。具有这种特性的光纤称为色散位移光纤。
色散补偿光纤有：基于基模设计的负色散光纤和基于高阶模设计的负色散光纤2种。 （1）基模设计
基模设计是使用光纤的纤芯具有较小的内径和较高的折射率，在基模中实现较大的负色散和色散斜率。用这种方法设计的色散补偿光纤模场直径和有效面积非常小，典型的有效面积为15~20?m*?m。这种结构的特点是简单、易实现、但非线性效应较强。 （2）高阶模设计
高阶模设计是通过在接近截止波长处工作的LP11模的色散进行色散补偿。同基模设计的色散补偿光纤相比，这种光纤可以得到更大的色散系数和更大的有效面积，从而可以降低光纤的损耗和非线性效应。但由于传输光纤中的基模和高阶模之间模场分布不匹配，应用是需要附加模式转换器。因此，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。
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图2.2 色散补偿光纤折射率剖面示意图
可以看出纤芯的折射率较高，两个下陷区的折射率较低，这样才会产生大的负波导色散。两个肩膀层（第四包层）的折射率的高低以及宽窄可以调节色散曲线的形状，使之产生负色散斜率并促使场的更大部分分布于下陷层，达到更大的波导效应。但过低、过窄的肩膀层将使截止波长远离1550nm，而过高的肩膀层又会使光纤成为多模光纤。另外，纤芯的折射率高低和芯径大小对1550nm处的光纤色散值非常敏感，微小的芯径变化会使色散最低点处波长漂移数纳米，从而降低波导效应和减小色散斜率，而下陷层的宽度也应在较大的波导效应和模式截止之间找到一个折中宽度。从光纤损耗角度来讲两个肩膀层的折射率不能太高，同时下陷区也应该做得尽量深，这样就可以使纤芯折射率降低，达到降低损耗的目的。对结构参数如图2.3s所示。可以看出，该色散补偿光纤可以在1550nm处获得不大于—150ps/(nm*km)的负的总色散和负的色散斜率。另外由于在分层上的特殊设计，第二、三层的过渡结构，偏振模色散将大大降低。
图2.3 色散补偿光纤的色散曲线
色散补偿光纤是一种无源器件，它可放在光纤传输网中任何位置，使用灵活、方便、可靠。易于光纤传输网的升级和