光纤通信系统中的色散问题及其补偿研究
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扩容，且具有足够人的带宽。其不足之处在于光纤成本较高，当传输速率和距离进一步提高时，其非线性影响就突出了。
2.3光纤光栅
光纤光栅是通过在光纤或波导上刻上光栅来控制在其中的反射，从而实现光信号的延迟。如果在一个波导上采用不等间距的刻度，则可以控制不同频率的光延时，从而实现较大带宽上的色散补偿。
（1）啁啾光纤光栅
啁啾光纤光栅是指光栅周期沿光纤方向呈周期性线性变化，这样不同波长的光经过啁啾光栅时被反射的位置不同，从而出现了相对的时间差，即具有波长色散的特性。利用该特性可以补偿光纤线路中的色散，所能补偿的色散量及带宽由光栅长度和啁啾量来决定。采用啁啾光纤光栅进行色散补偿的原理图如图2.6所示，是基于反射式的补偿。光栅的光学特性主要由其长度、纤芯折射率调制强度和光栅的啁啾参数决定。对同一长度的光栅来说，啁啾量越大，反射带宽越大，色散值越小。通过均衡考虑光栅的这几个参数，即可得到所学的色散补偿量。
图2.4 啁啾光纤光栅色散补偿原理图
（2）均匀光纤光栅
与啁啾光纤光栅相对应，均匀光栅是指光栅周期沿光纤放向上是均匀的。理论上，均匀光纤光栅存在一定的反射带宽，波长处于这一范围内的光会被强烈放射。对于远离反射带隙附近的信号来说，光纤光栅同普通光纤是一样的，然而，当波长距反射带隙很近时（距离大约和反射带宽具有同样的数量级），光信号虽然会通过光栅，但同时会经历一个极强的色散，利用该色散可对光纤传输线路中积累的色散进行补偿。
对于普通单模 G.652 光纤，在 1550nm 处色散值为正，光脉冲在其中传输时，短波长的光（蓝移分量）较长波长的光（红移分量）传播得快。这样经过一定距离的传输后，脉冲就被展宽。光纤啁啾光栅是能对色散进行有效补偿的器件之一，其原理是，当光脉冲通过线性啁啾光栅后，短波长的光的时延比长波长的光的时延长，正好起到了色散均衡作用，从而实现了色散补偿，色散补偿的原理可以进一步理解为，线性啁啾光纤光栅在光栅的每一点都可视为有一个本地布喇格波长的通带和反射带。若使光栅周期大的一端在前，使长波长分量的光，即群速慢的分量在光栅前部分反射，而短波长分量的光，即群速快的分量在光栅后部分反射，因此短波长的光比长波长的光多走了 2L 距离(L 为光栅长度)， 这样便在长、短波长光之间的时延差为 t = 2 L/Vg，其中 Vg为短波长光速度。这样光脉冲经过光栅以后，滞后的长波长的光便会赶上短波长的光，从而起到色散补偿的作用。光栅的色散补偿量可以写成 D = t / B，式中 B 为反射带宽。
采用无源光纤光栅进行色散补偿，具有体积小、插入损耗低、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以提高色散补偿能力，光纤光栅还便于系统使用和维、其成本低、可升级性好、可靠性高、受非线性效应影响小、级化不敏感，具有很好的实用性。
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2.4激光预啁啾技术
常规单模光纤传输，由于构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同的传输速度，致使脉冲展宽。如果初始脉冲带有啁啾，并且与光纤色散所引起的啁啾反号时，脉冲的净啁啾减小，结果导致脉冲压窄。当二者啁啾相等时，脉冲宽度最窄。激光预啁啾技术，就是在激光器产生的光脉冲信号之前，利用外调制器使光脉冲信号发生有规律的啁啾，然后再发送信号的一种技术。通过外调制器使光脉冲成为被压缩的负啁啾脉冲，该脉冲在光纤传输过程中，受光纤色散的影响，使原来被压缩的光脉冲在接收之前得到还原，从而扩大了系统的色散容限，延长了系统的传输距离。
这种技术的色散补偿量有限，只在脉冲传输的初始阶段起到一定的辅助作用，在长距离传输信号放大后则不起作用。可见此方法的色散补偿能力不高，难于升级，不利于系统扩容发展。特别是对于传输速率超过10Gb/s的系统，预啁啾的色散补偿作用不太明显。
2.5色散支持传输法
色散支持传输法需利用激光器的调频特性，在光纤传输系统中先对激光器进行直接(内)调制，由于不同频率的信号在光纤中的传播速率不同，在接收端产生信号交叠，对于纯粹的移频键控(FSK)来说，光功率在两种频率的光强重合处为最高峰，在两频率的光强错开之处为低谷。控制频率调制的大小使得不同波长的光经过L距离后所产生的时延差
?????DL?1/B (B为传输速率)，于是调频信号就变成了调幅信号，通过低通滤波器进行判决即可;对于有残余幅度调
制的FSK来说，在接收端产生四数值光功率，可在判决电路之后利用低通滤波器或一个两门限判决器，从而得到回复的初始信号。此方法结构简单，技术成熟，且不必使用外调制器，造价低，但是必须使用FM性能较好的激光器，且在接收时必须根据激光器的光纤传递函数，合理地设计滤波器等，以克服由于啁啾和寄生调幅所造成的影响。
2.6频谱反转法
中途谱反转法（MSSI，Mid-span Spectral Inversion）又称为光相位共轭法（OPC），是利用半导体光放大器或光纤中的相位共轭过程实现频谱反转，即在传输链路的中点将信号频谱或波长共轭反转, 从而使第一段光纤中产生的色散积累由波长反转后的第二段光纤中符号相反的色散抵消，实现色散补偿。频谱反转方法的流程如图2.7
图2.5 频谱反转法流程
在单模光纤中继段的中间插入一段色散位移光纤作为非线性器件，当光信号通过时会产生相位共轭波，即频谱倒置信号。此相位共轭波与原信号具有时间反演的性质。原信号因色散作用使波形展宽，而相位共轭波则因色散影响而被压缩，
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从而使失真的信号重新恢复。其中关键的技术是中间频谱反转单元需较准确地设置在总色散值一半的地方，还要控制偏振波动，以免影响相位共轭波的时间反转特性。在非线性介质中，当输入功率为ω1、ω2和ω3光（波矢分别为K1、K2和K3）足够强时，发生三阶非线性极化。当满足相位匹配条件时，就会产生四波混频并输出频率为???i??j??k、波矢为K的光，其中i，j，k=1，2，3，j≠k。在信号光（频率为ωs）传输一段距离后，加入光功率足够强的泵浦光（频率为ωp），且使其满足相位匹配条件，则产生四波混频效应，这样输出光中有频率为??2?p??s的成分，它使得ωs的高频分量转换成为ω的低频分量，而ωs的低频分量转换成为ω的高频分量。在继续传播过程中，原相位超前的光频率相位便逐渐落后，原相位落后的光频率相位便逐渐超前，从而减小直至抵消原来的色散。
图中，圈中所示的是信号的频谱在传输过程中的演变，S为输入信号，P为泵浦信号，υ为频率，C为谱反转之后信号的复制品。
频谱反转色散补偿的方法可实现大容量长距离的色散补偿，且损耗较小。用半导体器件可实现相位匹配四波混频，它与其他光器件集成还可用丁。全光网，但对所用的人功率泵浦光波提出一定要求，这些相关技术有待进一步研究。
2.7虚像相位阵列法
虚像相位阵列法(vPIA，Virtual Imgade Phasde Array)是一种利用光学透镜阵列的方法来实现色散补偿的。它让不同波长光经过的路径长度不同来改变它们的群延时，从而产生所需要的色散。它的光学系统包括准直和会聚透镜、玻璃板和三维反射镜(用于产生束腰的多个虚像)。其原理结构如图所示。虚像的位置依赖于光传播的距离，而距离又随波长的不同而改变，这样就形成了色散。通过改变三维反射镜的形状，可以得到正色散或负色散，而且针对每一波长，合理选择反射镜形状，也可实现斜率补偿。
图2.6 VIPA 色散补偿器的原理结构图
这种方法的优点是可以通过图中3 D反射镜上下位置的移动对色散大小进行调制，实验中的色散调节范围为一800一+8ooPs/nm。但是由于光路调节复杂，且对透镜的制作有特殊要求，而且由于是分立光器件组成的，外界微小的震动都将产生很大的影响，因此离实用化尚存在很大距离。
2.8自相位调制技术
随着“1”、“0”信号的交替，注入光纤的光能量变化较大，这使光纤的折射率也跟随变化，所传光波的相位自然随折射率和传输距离而变化，这种相位上的变化同时带来频率的相对调制。因为在光脉冲的前沿与后沿光能量的时变率最高，而光载频的变化在光脉冲的前后沿处又最明显，前沿处载频降低，后沿处载频升高。光通道的色散使不同的载频传输时延发生差异，造成接收光波形失真，这种影响就是自相位调制（SPM）。这种影响正好使光波形变窄，补偿了光通道色散对光波形展宽的效应。SPM的技术关键是选择合适的输出光功率。
2.9全波滤波器技术
全波滤波器是一类色散补偿器件的统称，这类器件通过滤波器调整光脉冲位相的分布，但是不改变光脉冲强度分布，属于位相响应系统。构成全波滤波器的元件有光环形镜、耦合器或者环行谐振腔等。其色散补偿基本思想是将光脉冲导入
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环行腔系统中，延长不同波长光脉冲在腔内行经时间，从而调整光脉冲的位相分布。
目前，已有的此类色散补偿器件有以下几种：3dB耦合器和相移区混合型；级联环形谐振腔型；复合F-P腔或者G-T腔干涉仪型。这些类型都可以实现动态调谐的功能。JDSU采用全通多腔反射滤波器技术制成的可调色散补偿器在10Gb/s和40Gb/sDWDM传输系统中进行了多信道的色散补偿。在40Gb/s演示中，同时补偿4个信道并传输了45公里。
3、色散补偿技术的比较
表一 色散补偿技术各项指标对比 基模DCF 高次模DCF 光纤布拉格光栅 插入损耗 通带特性 色散倾斜补偿 模转换 多路径干扰 极化模色散 非线性 可协调性 热稳定性 可靠性 批量制造 低 宽带、连续 好 不需要 <—45db~45db 低 中 否 好 好 可 低 宽带、连续 好 需要 <—45db~45db 低 低 否 未知 未知 未知
（1）若采用色散补偿光纤，对于区域网来说，负色散光纤方法效果较好，实施艺业不难。但对于城域网来说情况就有所不同。首先必须使两个节点之间的总色散为零。即使用一段标准单模光纤另外加一段负色散光纤，负色散光纤比标准单模光纤有更人的损耗，而且由于芯径不同，两种光纤在连接处有较大的损耗。由于在全光网络中必须进行功率控制以平衡整个网络的功率，因此，负色散光纤的加入会给功率控制造成困难，对光通信质量带来严重的劣化影响。
（2）预啁啾技术对于局域网来说非常有效，但是对于城域网和广域网来说它的补偿距离不能满足要求。 也可以不必使用色散补偿。如果网络较为复杂使用负色散光纤就不是一种好办法，应当使用其他的色散补偿方法。
相比之下，实现频率反转及预啁啾等技术在目前都具有一定的难度，对光源要求苛刻，实施工艺复杂，不易实现。在实施过程中不仅工程造价高，而且色散补偿效果也不适于灵活多变得全光网络，且引入的噪声降低了系统的传输质量。
（4）啁啾光纤光栅被业内人士认为是目前最为实用的一种色散补偿方式。它具有带宽宽、插入损耗和高补偿率等特点。由于体积小，可以很容易地安装于现有的传输系统中，可以很方便地进行全光通信的一维集成。技术稳定性好，产品可靠性高。由于预啁啾光纤光栅是反射器件，在系统中使用时，需配以环形器方可实施。这种方案会引入附加损耗和增加了工程造价，但目前环形器的制造技术已比较成熟，这种无源器件的性能指标如插入损耗等亦比较理想，引入系统中不会对网络性能产生大的影响。与前儿种方案相比，实施工艺简单，造价亦不高，且可根据传输距离或所需补偿量来设计、选择器
VIPA 低 窄带、离散 差 不需要 无 高 低 可 未知 未知 可 高 窄带、离散 差 不需要 无 低 低 可 未知 未知 未知 （3）对于本地网来说，由于节点之间只有儿千米或更短的距离，如果网络本身不是太复杂，即使传输速率是IOGbit/s，
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件。这种方案灵活方便，补偿效果好，可控制性也好。如果所设计和加工的光纤光栅的周期是均匀的增加或者说是线性很好的啁啾光纤光栅，并仅以频宽2nm的半导体激光器发出的飞100ps的脉冲为标准，那么在理论上可以得出这样的结论：啁啾光纤光栅可以使得系统在全光通信条件下传输距离扩人3个以上数举级。用光纤光栅补偿色散的作用就如同用光放人器补偿损耗。因此啁啾光纤光栅的研制和应用对实现高速率、大容量、长距离的全光通信有重要意义。
展望
高速光纤通信系统及技术的不断发展，要求色散补偿技术向着高补偿效率、结构简单、高可靠性、使用方便、易于升级和扩容、器件小型化、降低成本等方向发展。目前，光纤光栅色散补偿技术已经取得了很大的进步，但是它的理论和实验研究上仍处探索、发展阶段，要求我们对现有补偿方法进行完善的同时，不断寻找更优化、更实用的色散补偿方法和器件。光纤光栅色散补偿技术在未来可能会朝着以下几个方面发展:;
（1）进一步研究光纤光栅色散补偿系统中，光栅之间的相互作用以及光栅特性对系统性能的影响，研制非线性光纤光栅实现光纤色散和色散斜率的同时补偿。
（2）实现光纤光栅色散和色散斜率的精确控制，进一步研究.G652光纤上利用光纤光栅色散补偿技术。
（3）动态可调谐光纤光栅色散补偿器件。速率超过40Gb/s的系统要求对色散进行精确控制，最好是能够进行单信道上的动态可调谐色散补偿。
参考文献：
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film heated.OFC,2000.2:1~4 40Gb/s.ECOC2000,postpaper
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Optical communication system of dispersion problems and compensation research
Luqin
(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 246011)
Abstract:This paper first to dispersion is comprehensive overview of, put forward and analysis the optical fiber parameters on
the influence of the communication system. A short description of the dispersion compensation principle, this paper introduces several kinds of contemporary optical fiber dispersion compensation technology, and a lot of these methods of comparative analysis, looking to the dispersion compensation research prospect.
Key word: communication, dispersion, the dispersion compensation, compare