光纤光栅及其色散补偿的理论简介

光纤通信系统中的色散赔偿问题综述1.Introduction光纤通信含有高速率、大容量、长距离以及抗干扰性强等特点。

但损耗和色散是长久妨碍光纤通信向前发展的重要因素。

随着着损耗问题的解决，色散成为决定光纤通信系统性能优劣的重要因素。

如何控制色散方便提高光纤通信系统的性能，成为光纤通信研究的热门课题之一。

现在对于光纤的色散已经提出了诸多赔偿办法，重要有色散赔偿光纤（DCF），啁啾光纤光栅，均匀光纤光栅，相位共轭（中点谱反转），全通滤波器、预啁啾等。

随着以上各办法缺点的暴露，学者们提出了光孤子色散赔偿技术，又相继提出了色散管理孤子，密集色散管理孤子等技术。

色散管理成为近年来光纤通信前沿研究的重要热点。

2.Concept of Dispersion由于信号在光纤中是由不同的波长成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的波长成分和模式成分有不同的传输速率，从而引发色散。

也能够从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是说光脉冲在通过光纤传输期间，其波形随时间发生展宽，这种现象称为光纤的色散。

3.Dispersion Causes普通把光纤中的色散分为三种类型：模式色散、模内色散和偏振色散。

a)模式色散模式色散是多模光纤才有的。

多模光纤中，即使是同一波长，模式不同传输速度也不同，它所引发的色散称为模式色散。

不同模式的光在光纤中传输时的传输常数不同，从而使传输同样长的距离后，不同模式的光波之间产生了群时延差，假设光纤能够传输多个模式，其中高次模达成输出端所需的时间较长，成果使入射到光纤的脉冲，由于不同模式达成的时间不同，或者说群时延不同，在输出端发生了脉冲展宽。

b)模内色散模内色散亦称颜色色散或多色色散。

重要是由于光源有一定带宽，信号在光纤中会有不同的波长成分，信号的不同波长分量含有不同的群速度，成果造成光脉冲的展宽。

模内色散涉及材料色散和波导色散。

c)偏振色散普通的轴对称单模光纤是违反“单模”名称的。

事实上有可能传输着两个模，即在光纤横截面上的两个正交方向(设为x 方向与y 方向)上偏振的(即在这些方向上含有场分量的)偏振模，同时由于实际的光纤中必然存在着某些轴不对称，那么，光纤会存在双折射，模传输常数β对于x，y 方向偏振模稍有不同，就会使这两个模式的传输速度不同，由此引发的色散叫偏振色散。

色散补偿的原理色散补偿（dispersion compensation）是一种常见的光纤通信技术，它是为了弥补光在光纤内因色散而引起的信号失真而发展出来的一种技术。

色散是光在介质中传输时，由于不同频率的光波速度不同而引起的现象，它会导致光信号在光纤中传输时出现信号失真、色散扩展等问题。

因此，为了保持信号品质、提高光纤通信效率，需要对光信号进行色散补偿。

色散补偿的原理是在光纤通信系统中增加一个补偿器件，使补偿器件能够补偿因色散而引起的信号失真。

如图1所示，信号在传输过程中会因为时间延迟而出现失真。

色散补偿就是在发送端（transmitter）或者接收端（receiver）添加一些器件，减少这种时间延迟的影响，保证信号能够按照原先的信号速率传输，并且在传输距离较远的时候能够保持高质量的传输。

图1：光信号因色散引起的失真为了实现色散补偿，技术人员可以采用一些具体的策略。

比如，在传输端，可以使用预失真技术（pre-emphasis）来强化信号的宽带，从而降低信号的失真和色散；或者可以采用限制带宽的技术，减少信号受到色散的影响；或者选择合适的光纤材质，使纤芯的折射率变化能够与色散的变化呈反向变化，从而实现一定程度的补偿。

在接收端，可以采用时间反激励技术（time-reversal），将补偿器件与光接收器组合在一起，保证信号的补偿效果。

时间反激励技术利用了一个非线性反馈回路，来将通过光传输通道的信号进行恢复，并调整信号的相位、幅度等特征，来改善信号传输的质量。

除此之外，还可以采用其他的补偿技术，比如项链状补偿和光子晶体补偿等，来实现对光信号的补偿。

这些技术都是基于对光信号相位、幅度等特征进行有效调整，能够降低信号失真、提高光纤通信的效率。

综上所述，色散补偿是一种关键的光纤通信技术，它的实现需要引入一定的器件和技术，以解决光信号在传输过程中由于色散而引起的失真问题。

通过合理的方案设计，可以为光纤通信系统提供高性能、高效率的信号传输。

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。

色散补偿原理色散补偿原理是指在光通信系统中，由于光纤对不同波长的光信号传输速度不同而产生的色散效应，通过一定的方法或器件来抵消或补偿这种色散效应，以保证光信号的传输质量和稳定性。

色散补偿技术是光通信系统中非常重要的一部分，对于提高光信号的传输速率、扩大传输距离、提高系统性能都起着至关重要的作用。

光纤通信系统中的色散效应是由于光在光纤中传输时不同波长的光信号由于色散导致传输速度不同而产生的。

一般来说，光纤通信系统中的色散效应主要包括色散的模式，即色散的波长和色散的位相。

在光通信系统中，色散效应会导致光信号的波形失真、频率偏移、相位畸变等问题，从而影响光信号的传输质量和稳定性。

为了解决光纤通信系统中的色散效应，人们提出了多种色散补偿原理和技术。

常见的色散补偿原理包括预补偿原理、后补偿原理、混合补偿原理等。

预补偿原理是指在光信号传输前通过一定的方法对光信号进行预处理，使得光信号在光纤中传输时能够抵消或减小色散效应。

后补偿原理是指在光信号传输后通过一定的方法对光信号进行处理，以抵消或减小色散效应。

混合补偿原理则是指在光信号传输前后均进行补偿处理，以最大程度地减小色散效应。

色散补偿技术主要包括电子补偿技术、光子补偿技术和光纤设计优化等。

电子补偿技术是指通过在光信号传输前后加入特定的电子器件或电路来对光信号进行处理，以抵消或减小色散效应。

光子补偿技术是指通过光学器件或光学方法对光信号进行处理，以减小色散效应。

光纤设计优化则是指通过改变光纤的结构或材料，以减小色散效应。

总的来说，色散补偿原理是光通信系统中非常重要的一部分，对于提高光信号的传输质量和稳定性具有至关重要的作用。

随着光通信技术的不断发展，人们对色散补偿原理和技术也在不断进行研究和改进，以满足日益增长的光通信需求。

希望通过不断的努力和创新，能够更好地解决光纤通信系统中的色散效应，提高光信号的传输速率和质量。

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。

单模光纤中的色散及色散补偿技术This manuscript was revised on November 28, 2020光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点)姓名:__彭坚大_ 学号:_ 专业班级:_电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。

Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.关键词：色散效应，色散补偿1.引言色散是由于光纤中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。

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,自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。

所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。

光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。

但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。

解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。

2.色散补偿原理光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。

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。

光纤光栅131978年，加拿大Hill 等人使用如左图所示的实验装置将488nm（后来他人用514.5nm）的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉格光栅（FBG ）。

FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的模式与后向传输的模式之间发生耦合，而使前向传输的模式的能量传递给后向传输的模式，形成对入射光波的反射。

其反射波长即布拉格波长为λB=2n effΛ，其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。

输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动I I I4二、光纤光栅的写入方法用掺杂光纤制作光栅的方法主要有内写入法和外写入法。

内写入技术是一个全息制作过程，它利用光在纤芯内传播时形成驻波所产生的双光子吸收的原理。

外写入技术则主要有相位掩模法、逐点写入法、干涉法、成栅技术等。

内写入法利用菲涅尔反射，使得反射光与入射光在适当条件下干涉，在纤芯内部形成驻波。

由于光致折射效应，在沿光纤长度的方向通过曝光可以诱导出周期性的折射率变化形成光栅。

这样制作的光栅，曝光时对装置的稳定性要求很高，得到的折射率的变化较小，仅为10-6，而且Bragg波长不易改变。

由于该技术的写入效率低，写入的Bragg波长受激光写入波长限制等原因，制作的光栅性能太差，所以该方法已较少使用。

89四、应变和温度的同时测量1、温度减敏和补偿封装①由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅（只感受温度变化），用于消除温度变化的影响。

这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。

②采用热膨胀系数极小，且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装，将很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。

③采用具有负温度系数的材料进行封装或设计反馈机构，可以对光纤光栅施加一定的（反向）应力，以补偿温度导致的布喇格波长的漂移，使ΔλT/λ的值趋近于0。

光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点) 姓名:__彭坚大_ 学号:_11216020418 专业班级:_电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。

Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.关键词：色散效应，色散补偿1.引言色散是由于光纤中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。

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,自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。

所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。

光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。

但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。

解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。

2.色散补偿原理2.1 光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。

光纤光栅光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

简介1978年，加拿大光纤光栅工作原理通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。

Hill 的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注光纤光栅入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。

后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。

1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。

1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。

1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。

这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。

这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-20这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。

定义光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（光纤光栅利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。

研制成功1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。

Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。