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色散补偿光纤的三阶色散
三阶色散是指光脉冲在光纤中传输时，由于光波长的高阶变化
而引起的色散效应。
光纤中的三阶色散会导致在光脉冲传输过程中，不同频率的光波受到不同程度的色散影响，使得光脉冲的不同频率
成分到达接收端的时间不一致，从而导致脉冲展宽和失真。
为了补偿光纤中的三阶色散，通常会采用色散补偿模块或者特
殊设计的光纤来减小或抵消色散效应。
常见的方法包括使用色散补
偿光纤、光纤光栅、光子晶体光纤等。
这些方法可以通过控制光波
的传播速度或者相位来补偿光纤中的三阶色散，从而减小色散引起
的脉冲失真效应。
总的来说，光纤中的三阶色散是光脉冲传输过程中不可忽视的
影响因素，对于光纤通信系统的性能和稳定性具有重要影响。
因此，研究和补偿光纤中的三阶色散是光通信领域的重要课题之一。
dcm色散补偿器原理
DCM（色散补偿模块）是一种用于光纤通信系统中的光学器件，
其原理是利用光纤中的色散效应来补偿光信号在传输过程中因为色
散效应而引起的频率失真。
光信号在光纤中传输时，会受到色散效
应的影响，不同频率的光信号会以不同的速度传播，导致信号失真。
DCM的原理就是通过在光信号传输路径中加入特定的光纤，利用该
光纤的色散特性来补偿信号的失真。
具体来说，DCM的工作原理可以分为两个方面来解释。
首先，
光信号在光纤中传输时会受到色散效应的影响，不同频率的光信号
会以不同的速度传播，导致信号失真。
DCM的设计就是利用特定长
度和色散特性的光纤，使得不同频率的光信号在该光纤中传播后，
能够在输出端达到同步，从而补偿光信号因色散效应而引起的频率
失真。
其次，DCM也可以通过引入特定的色散补偿器件，如色散补偿
光纤或色散补偿模块，来实现对光信号的补偿。
这些器件可以根据
光信号的频率特性和传输距离来调节光信号的相位和幅度，从而实
现对色散效应的补偿。
总的来说，DCM的原理是利用特定的光纤或器件来补偿光信号在传输过程中因为色散效应而引起的频率失真，从而保证光信号的质量和稳定性。
这种补偿原理在光纤通信系统中起着至关重要的作用，可以有效提高系统的传输性能和可靠性。
光纤与电缆及其应用技术2006 年第 4 期Optical Fiber & Electric C ab le N o . 4 2006光纤和光缆的偏振模色散系数研究胡先志( 武汉邮电科学院 , 武汉 430074)[ 摘 要 ] 综述了偏振模色散的概念 、偏振模色散对光传输系统的影响 、系统对单模光纤偏振模色散系数的要求 ,以及获得小的偏振模色散光纤和光缆的方法 。
[ 关键词 ] 光纤 ;光缆 ;偏振模色散 [ 文章编号 ] 100621908 (2006) 0420001203[ 中图分类号 ] TN818[ 文献标识码 ] AStudy on the PMD Coeff i c ient of OpticalFibers and Fiber Optic Ca b lesHU Xian 2zhi( Wuhan R esearch I nstitute of Posts and T elecommunications , Wuhan 430074 , China )Abstract : The concept o f PMD , the effect of PMD on o ptical transmission systems , the requ irement for a system to requ est on PMD coefficien t of sing le m o d e fib ers are overview ed. And the methods for ob taining low PMD coefficien t of optical fib ers and fib er optic cab les are presented.K ey w ords : optical fib er ; fib er optic cab le ; polarization m od e d isper sion ( P MD )布非理想圆对称引起两个相互正交的偏振光传输速度彼此离散 ;产生 P MD 的外因是光纤制造过程中应 0 引 言现在 ,在 10 G b Πs 以上核心网的光传输系统中 , 重点研究的问题是提高传输速度 、延长传输距离和扩大传输容量 ;而在接入网光传输中主要研究的问 题是在保证传输质量的前提下 ,尽可能简化设备和 光缆结构 ,加快施工速度 , 以达到降低成本的目的 。
目录色散及其补偿介绍 (2)一、色散的基本概念 (2)1.1 基本概念 (2)1.2 光纤中色散的种类 (2)1.3 光纤色散表示法 (2)1.4 单模光纤的色散系数 (3)1.5 光纤色散造成的系统性能损伤 (3)1.6 减小色散的技术 (4)1.7 偏振模色散（PMD） (6)二、非线性问题 (7)色散及其补偿介绍当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。
EDFA的出现为1.55um波长窗口实现大容量、长距离光通信创造了条件，并使光纤通信中衰耗的问题得到了一定的解决。
然而光纤的色散影响仍然是制约因素之一，加之引入光放大器使光信号功率提高之后，光纤的非线性影响又突显出来。
一、色散的基本概念1.1 基本概念光纤色散是由于光纤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。
所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。
所谓光信号畸变，一般指脉冲展宽。
1.2 光纤中色散的种类光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式色散。
材料色散和波导色散也称为模内色散，模式色散也称为模间色散。
材料色散是由于光纤材料的折射率随光源频率的变化引起的，不同光源频率所所应的群速度不同，引起脉冲展宽。
波导色散是由于模传播常数随波长的变化引起的，与光纤波导结构参数有关，它的大小可以和材料色散相比拟。
材料色散和波导色散在单模光纤和多模光纤中均存在。
模式色散是由于不同传导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度，所引起的脉冲展宽。
模式色散主要存在于多模光纤中。
简而言之，材料色散和波导色散是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的，模式色散是由于光纤传输的信号不是单一模式所引起的。
1.3 光纤色散表示法在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差，时延差越大，表示色散越严重。
因而，常用时延差来表示色散程度。
时延并不表示色散值，时延差用于表示色散值。
若各信号成分的时延相同，则不存在色散，信号在传输过程中不产生畸变。
光纤的色散分类不同的光分量(不同的模式或不同的频率等)通常以不同的速度在光纤中传输，这种现象称为色散。
色散是光纤的一种重要的光学特性，色散引起光脉冲的展宽、严重限制了光纤的传输容量及带宽。
对于多模光纤，起主要作用的色散机理是模式色散或称模间色散(即不同的模以不同的速度传输引起的色散)。
对于单模光纤，起主要作用的色散机理是色度色散或称模内色散(即不同的光频率在不同的速度下传输引起的色散〕。
由于多模光纤受模间色散的限制，传输速率不能超过100Mb/s，单模光纤则比多模光纤更优越，在长途干线实际应用中用的也都是单模光纤，此处也仅考虑单模光纤的色散。
单模光纤的模内色散主要是材料色散和波导色散。
材料色散是指由于频率的变化导致介质折射率变化而造成的传输常数或群速变化的现象;波导色散是指由于频率的变化导致波导参数变化而造成的传输常徽或群速变化的现象。
模内色散主要是实际光源都是复色光源的结果。
另外在单模光纤中，实际上传输着两个相互正交的线性偏振模式，但由于光纤的非圆对称、边应力、光纤扭曲、弯曲等造成轻微的传输速度差，从而形成偏振模色散。
高速光纤通信系统需要色散补偿目前，全世界范围内，已经教设的1.3 µm零色散光纤总长度超过5000万公里，而我们知道现在光纤通信系统的工作波长为1.5µm，这样光纤就存在D≈16ps/km•nm的色散、该色散限制光通信系统的传输速度在2Gb/s以下。
即使是新教设的光纤、为了限制四波混频现象也仍需使用非零色散位移光纤。
故为了克服色散对通信距离及通信速率的限制，必须对光纤进行色散补偿。
另外，随着光纤通信和色散补偿方案的迅速发展，一些高速传输系统的传输速率已达到几十甚至几百Gb/s以上。
这时，偏振模色散的影响亦不可忽视光纤色散补偿方案目前，已有多种群速度色散补偿方案被提出，如后置色散补偿技术、前置色散补偿技术、色散补偿滤波器、高色散补偿光纤(DCF)技术和凋啾光纤光栅色散补偿技术，以及光孤子通信技术等。
光纤色散补偿技术光纤的色散分类不同的光分量不同的模式或不同的频率等通常以不同的速度在光纤中传输，这种现象称为色散。
色散是光纤的一种重要的光学特性，色散引起光脉冲的展宽、严重限制了光纤的传输容量及带宽。
对于多模光纤，起主要作用的色散机理是模式色散或称模间色散即不同的模以不同的速度传输引起的色散。
对于单模光纤，起主要作用的色散机理是色度色散或称模内色散即不同的光频率在不同的速度下传输引起的色散〕。
由于多模光纤受模间色散的限制，传输速率不能超过100Mb/s，单模光纤则比多模光纤更优越，在长途干线实际应用中用的也都是单模光纤，此处也仅考虑单模光纤的色散。
单模光纤的模内色散主要是材料色散和波导色散。
材料色散是指由于频率的变化导致介质折射率变化而造成的传输常数或群速变化的现象;波导色散是指由于频率的变化导致波导参数变化而造成的传输常徽或群速变化的现象。
模内色散主要是实际光源都是复色光源的结果。
另外在单模光纤中，实际上传输着两个相互正交的线性偏振模式，但由于光纤的非圆对称、边应力、光纤扭曲、弯曲等造成轻微的传输速度差，从而形成偏振模色散。
高速光纤通信系统需要色散补偿目前，全世界范围内，已经教设的1.3 µ m零色散光纤总长度超过5000万公里，而我们知道现在光纤通信系统的工作波长为1.5µm，这样光纤就存在D≈16ps/kmnm的色散、该色散限制光通信系统的传输速度在2Gb/s以下。
即使是新教设的光纤、为了限制四波混频现象也仍需使用非零色散位移光纤。
故为了克服色散对通信距离及通信速率的限制，必须对光纤进行色散补偿。
另外，随着光纤通信和色散补偿方案的迅速发展，一些高速传输系统的传输速率已达到几十甚至几百Gb/s以上。
这时，偏振模色散的影响亦不可忽视光纤色散补偿方案目前，已有多种群速度色散补偿方案被提出，如后置色散补偿技术、前置色散补偿技术、色散补偿滤波器、高色散补偿光纤DCF技术和凋啾光纤光栅色散补偿技术，以及光孤子通信技术等。
光纤偏振模色散光纤偏振模色散光纤偏振模色散是光纤通信中一个重要的现象，它对光信号的传输和解调产生了一定的影响。
本文将介绍光纤偏振模色散的原理、影响因素以及相关的解决方法。
一、光纤偏振模色散的原理光纤偏振模色散是由于光在光纤中的传播速度与偏振态有关而引起的。
光纤中的偏振模色散主要是由于光纤的几何结构不完美以及材料的非线性特性所导致的。
当光信号在光纤中传输时，不同偏振态的光信号会以不同的速度传播，从而导致光信号的扩散和失真。
二、影响因素1. 光纤的几何结构：光纤的直径、圆度以及纤芯和包层的折射率差异都会对光纤偏振模色散产生影响。
几何结构不完美会导致光信号在传输过程中发生散射，从而引起偏振模色散。
2. 光纤材料的非线性特性：光纤材料的非线性特性会导致光信号在传输过程中发生相位变化，从而引起偏振模色散。
非线性特性主要包括光纤的色散特性、非线性折射率以及非线性吸收等。
三、解决方法为了减小光纤偏振模色散对光信号传输的影响，可以采取以下方法：1. 优化光纤的几何结构：通过改进光纤的制造工艺，提高光纤的圆度和直径精度，减小纤芯和包层的折射率差异，可以有效降低光纤偏振模色散的程度。
2. 使用光纤色散补偿器：光纤色散补偿器可以根据光信号的频率特性来调整光信号的相位，从而抵消光纤偏振模色散引起的相位变化，达到补偿的效果。
3. 采用光纤光栅：光纤光栅可以通过调制光纤的折射率分布来改变光信号的传播速度，从而减小光纤偏振模色散的影响。
四、总结光纤偏振模色散是光纤通信中不可忽视的一个问题，它会对光信号的传输质量产生一定的影响。
为了减小光纤偏振模色散的影响，可以通过优化光纤的几何结构、使用光纤色散补偿器以及采用光纤光栅等方法来进行补偿和调节。
只有充分理解和掌握光纤偏振模色散的原理和解决方法，才能更好地应对光纤通信中的挑战，提高光信号的传输质量和可靠性。
光纤通信系统中偏振模色散效应的补偿设计一、引言随着社会的信息化,用户对通信容量的需求日益增加,未来全业务服务中每一用户的容量需求可能超过100 Mb/s。
在这种需求的推动下,作为现代长途干线通信主体的光纤通信一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。
在单信道速率不断提升(现已发展到10 Gb/s,正向40 Gb/s甚至160Gb/s发展)的同时,密集波分复用技术(DWDM)也已日趋成熟并商用化。
从技术的角度来看,限制高速率信号长距离传输的因素主要包括光纤衰减、非线性和色散。
掺铒光纤放大器(EDFA)的研制成功,使光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用。
而非线性效应和色散对系统传输的影响随着非零色散位移光纤(NZDSF)的引入也逐渐减小和消除。
随着单信道传输速率的提高和模拟信号传输带宽的增加,原来在光纤通信系统中不太被关注的偏振模色散(PMD)问题近来变得十分突出。
与光纤非线性和色散一样,PMD能损害系统的传输性能,限制系统的传输速率和距离,并被认为是限制高速光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。
正是由于PMD对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响,所以自20世纪90年代以来,已引起业界的广泛关注,并正成为目前国际上光纤通信领域研究的热点。
二、光纤中偏振模色散的定义单模光纤中,基模是由两个相互垂直的偏振模组成的。
两偏振模的群速度由于受到外界一些不稳定因素的影响而产生差异,在传播中两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽,从而形成偏振模色散。
PMD是由以下几个方面的因素造成的:光纤所固有的双折射,即光纤在生产过程中产生的几何尺寸不规则和在光纤中残留应力导致折射率分布的各向异性;光缆在铺设使用过程中,由于受到外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化的影响而产生偏振模耦合效应,从而改变两偏振模各自的传播常数和幅度,导致PMD;另外当光信号通过一些光通信器件如隔离器、耦合器、滤波器时,由于器件结构和材料本身的不完整性,也能导致双折射,产生PMD。
单模光纤中的偏振模耦合和双折射效应在数学上可以用琼斯矩阵(Jones matrix)、Stokes 参量和邦加球(Poincare sphere)来描述,并成为分析PMD的有力数学工具。
自从1986年Poole 提出了单模光纤中基本偏振态(Principal states of polarization)的概念后,对理解实际光纤中的双折射和偏振模耦合等概念带来了很大的方便。
在理想的双折射光纤中存在两个相互正交、与光波频率和传输距离无关的本征偏振态(Polarized eigenstates)。
但在实际长距离的光纤中一般并不存在这种完全与频率和传输距离无关的本征态,而是存在由输入光脉冲分解成的沿两正交方向偏振、并与输出偏振态有最小频率相关性的光脉冲,这两个偏振的光脉冲即为基本偏振态(PSP)。
在输出端,两个脉冲的到达时间是不同的,其时间差就称之为偏振模色散的群时延差(DGD)。
在一阶近似下,PSP与频率无关;而在二阶近似下,PSP与DGD的值都与频率相关。
一般采用两偏振模的群时延差Δτ来表示PMD的大小,由于两偏振模之间的模式耦合是随波长和时间随机变化的,所以PMD是一个统计量,并随时间而变化。
因此实际测量光纤中由偏振模色散引起的DGD时必须考虑其统计特性并采取相应的措施。
通常采用以下几种定义来表征PMD的数值:群时延差的平均值、群时延差平均值系数和传输时间的均方差(RMS DGD)。
某一次实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多。
PMD是一统计量,随时间和温度而变化,并与测量的状态密切相关。
对同一光纤在不同时间进行测量,无论应用什么测试仪器或采用何种测量方法,测试结果都可能相差10%或更多。
经过多年讨论,目前,国际上一些标准组织(IEC/TIA/ITU)推荐了四种测量PMD的方法。
在这四种方法中,干涉仪法(IF)和波长扫描傅立叶变换法(WSFFT)是测试PMD的传输时间均方差,而Jones矩阵本征值测量法(JME)和波长扫描极值数计算法(WSEC)则是用来测试PMD群时延差的平均值。
干涉仪法是在时域内进行测量并根据测试光纤输出端电场的自相关函数来计算PMD的传输时间均方差。
其中光源为宽带的LED。
在测试光纤的输出端,干涉仪进行扫描,使信号在时域范围内相关,则PMD值即为输出光信号自相关函数的二阶矩均方值。
干涉仪一般用Michelson干涉仪。
该法的主要优点是测量的速度快、不易受外界干扰并且测试成本低,适合于野外现场测试;缺点是最小可测的PMD值较大并且不能提供测试光纤与波长相关的信息。
Jones矩阵本征值测量法是在频域范围内根据测试光纤的偏振传输函数来进行测量,其测量装置结构如图1所示。
图1Jones矩阵本征值法的测量装置图Jones矩阵是一个2×2的复矩阵,它从数学上描述了测试光纤在某一波长处的偏振传输函数。
对于任何线性、时不变光学系统的偏振模色散特性,Jones矩阵法都能用一系列分立波长的测试来给于精确和完整的描述。
测试时首先用可调谐激光器和偏振分析仪测量光纤在一波长范围内相等波长间隔的Jones矩阵,然后通过计算相邻波长的Jones矩阵,解出本征值和本征矢量,这样就能导出某一特定波长间隔内的DGD和PSP。
这一过程继续下去,直到计算出整个波长范围内的DGD,其平均值即为PMD值。
这种方法的主要优点在于能对PMD进行完全的测量,且最小可测量的PMD值可达飞秒量级。
其缺点是测量速度慢,易受外界干扰且测试成本高。
一般它适合于实验室应用和科学研究。
由于不同的测试方法之间有不同的PMD定义和不同的数学处理方法,对于JME法和WSEC法,PMD是定义为DGD的平均值,而IF法和WSFFT法则是高斯近似的二阶矩,在二阶矩和平均值之间相差1.085的系数。
这一点已为实验测试结果所证实,即JME法和WSEC法的测量结果基本一致,而IF法和WSFFT法测量的结果比JME法的大约高8%~10%。
除了以上介绍的几种测试方法外,目前还有在时域范围内进行测量的光脉冲PMD测试法、在频域范围内用Stokes分析仪进行测量的邦加球PMD测试法和偏振态(SOP)PMD测试法。
据最新文献报道,最近又发明了一种利用连续波后向散射技术来测量PMD的方法,这种方法的优点在于只使用光纤的一个端面就可以测量PMD的DGD以及双折射光纤的拍长和自相关长度。
利用上述方法对全球已铺设光缆的PMD值测试结果表明,20世纪80年代中期以前生产和铺设的光纤光缆的PMD值大,对系统的影响也较大。
其典型PMD值大约为2 ps/km1/2。
在10 Gb/s的系统中,接收灵敏度功率代价大于4 dB。
20世纪80年代中期以后生产和铺设的光缆,偏振模色散的影响较小,其典型PMD值大约为0.1 ps/km1/2,对于625 km光纤,其平均DGD值为2.5 ps。
按照国际标准技术规范小组的观点,当时延差达到一比特周期的0.3倍时,将引起1 dB的功率损失。
而偏振模色散的瞬时值有可能达到平均值的三倍,这样为了保证功率损失小于1 dB,PMD的平均值必须要小于一比特周期的十分之一。
根据现有各种单模光纤的制造技术水平并考虑到10 Gb/s系统传输距离的可用性,ITU-T规定单模光纤的PMD系数必须小于0.5 ps/km1/2,并且这一规定已成为行业标准。
这样对于10 Gb/s的传输系统,在保证PMD值小于10 ps/km1/2的前提下,最长可以传输400 km。
4、偏振模色散的补偿技术上述的测试结果表明,在10 Gb/s(STM-64/OC-192)及以上速率的高速光纤通信系统的长距离传输中,PMD将产生严重的功率损失,限制系统传输距离的进一步增加。
所以对高速光纤通信系统中的PMD进行补偿成为必须要考虑的因素。
20世纪90年代以来,世界上许多大公司和科研机构都对偏振模色散的补偿方法进行了研究,并取得了较好的补偿效果。
研究结果表明,一阶PMD效应(即PSP与频率无关)是导致系统传输损伤的主要原因,而高阶PMD效应只是进一步使传输质量恶化。
所以目前国际上大多数补偿方案的研究都主要是针对一阶PMD效应。
这些补偿方案归纳起来主要是以两种方式对PMD进行补偿,即在传输的光路上直接对光信号进行补偿或在光接收机内对电信号进行补偿。
两者的实质都是利用某种光的或电的延迟线对PMD造成的两偏振模之间的时延差进行补偿。
其基本原理为:首先在光或电上将两偏振模信号分开,然后用延迟线分别对其进行延时补偿,在反馈回路的控制下,使两偏振模之间的时延差为零。
最后将补偿后的两偏振模信号混合输出。
下面就这两种方式分别举例简单说明。
4.1光补偿方案之一该补偿方案的装置原理如图2,图中光延迟线为保偏光纤(PMF),对两偏振模之间的时延差进行33 ps(随保偏光纤的长度而定)的补偿。
偏振控制器的作用是调整输入光的偏振态,使之与保偏光纤的输入相匹配。
当然偏振控制器的响应速度应大于光纤中偏振模的随机变化速度。
控制偏振控制器的信号来自于被平方律检波器检波的保偏光纤输出光信号。
该方案能实现长距离(10 000 km,PMD:0~66 ps)高速率(10 Gb/s以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿。
实验表明,它能将由偏振模色散造成的功率损失从7 dB降到1 dB。
图2保偏光纤补偿装置原理图4.2光补偿方案之二该补偿方案的原理如图3,色散补偿器件为非线性啁啾布拉格光纤光栅(NC-FBG)。
图3PMD的光纤光栅补偿原理结构图在光栅带宽范围内,对于具有确定信号波长和不同偏振方向的偏振模,它们在光栅中的反射位置是不同的,这种反射位置的不同将造成两偏振模之间的传输时延差,从而起到色散补偿的作用。
非线性啁啾确保了在光栅带宽范围内可补偿的时延差随输入光信号波长的不同而变化。
该器件具有补偿范围可调(175ps)、结构简单并与光纤兼容等优点。
4.3电补偿方案之一该方案原理如图4所示,电子均衡补偿器是用抽头式延迟线来实现的。
延迟线上的功分信号幅度可以通过可调衰减器来加以调节,其中第二路的幅度调节权重为负值。
图4抽头式延迟线的电补偿装置原理图4.4电补偿方案之二该方案原理如图5,它实际上是一种光、电结合处理,并在电信号上进行补偿的联合方案。
首先色散的光信号被分解为两个基本偏振模PSP1和PSP2,分别被两个光接收机所接收;转化为电信号后,进行时延补偿;最后两路信号混合输出。
图5光电结合的PMD补偿装置原理结构图从以上各种补偿方式可以看出,电的补偿方式易于实现与光接收机的集成,但需要对高速电信号进行处理或需要两套光接收设备;补偿只能在接收端进行并且补偿的量有限。
从文献报道的数量来看,目前基于电反馈控制回路的光补偿方式较多,大多是利用偏振控制器和双折射光纤的组合来进行补偿,但是该方式的光路结构庞大,不易于集成并且补偿的量也不可调。
