２０１４年０３期 科技置向导 ◇科技论坛◇ ＷＤＭ光传输系统中色散补偿技术 张汶东 （中国电信集团公司沧州市分公司 河北沧州０６１００１） 【摘要】本文叙述了光通信系统中一个重要的参数一一色散，以及Ｇ６５２光纤通信系统的色散补偿技术。文章还详细分析说明了各种补偿 技术原理，并比较其优缺点。最后强调说明色散补偿就是用来补偿光纤线路色散和非线性失真的技术。 【关键词】光通信系统；色散；色散补偿技术 ０．绪论 当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。ＥＤＦＡ（Ｉ￣Ｉ］掺 铒光纤放大器．是一种对信号光放大的一种有源光器件）的诞生是光 纤通信领域革命性的突破，它使长距离、大容量、高速率的光纤通信成 为可能．是ＤＷＤＭ系统ｆ密集型光波复用１及未来高速系统、全光网络 不可缺少的重要器件 ＿１其研发和应用．对光纤通信的发展有着重要的 意义 今天光缆网络已经遍布世界各地．光纤通信成为“信息高速公 路”的重要支柱。但是由于光纤本身具有传输损耗，使得光信号只能传 输不太远的距离就会衰减到接受机无法辨别的程度 从前光中继采用 “光一电一光”的方式进行光放大 ＥＤＦＡ的问世引起了光通信技术的一 场革命．在以光纤为传输媒体的邮电通信、有线电视以及计算机网络 的系统发挥着重要的作用。它的出现为１．５５ｕＩＴＩ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，随着光传输系统中的传输速率的提高和信号传输带宽的增 加．色散问题日益显著 已经铺设的常规光纤规Ｇ．６５２线路的零色散 点位于ｌ－３１ｕｍ，在１．５５ｕＩｎ处时则具有较大的色散系数（１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ１， 光脉冲信号经过长途传输后，由于光纤色散值的积累引起脉冲展宽， 导致严重的码间串扰．使得接收端产生误码现象．从而使传输特性变 坏 １２１光纤色散补偿技术的研究．对提高目前已经铺设的常规光纤通信 系统的容量具有尤其重要的意义 目前，全世界范围内，已经教设的１．３ 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１．５１ｘｍ．这 样光纤就存在Ｄ一１６ｐｓ／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。［３１ １．光纤色散的基本介绍 光纤通信的发展方向是高速率、大容量。它从ＰＤＨ ８ Ｍｂ／ｓ，３４Ｍｂ／ ｓ．１４０Ｍｂ／ｓ，５６５Ｍｂ／ｓ发展到ＳＤＨ １５５Ｍｂ／ｓ．６２２Ｍｂ／ｓ，２．５Ｇｂ／ｓ，１０Ｇｂ／ｓ。现 在又进展为波分复用ＷＤＭ、密集型波分复用ＤＷＤＭ。同时，光纤的结 构从Ｇ６５２、Ｇ６５３、Ｇ６５４，发展到Ｇ６５５，以及Ｇ６５２Ｃ类。 光纤的技术指 标很多．其中色散是其主要的技术指标之一。 １．１光纤色散的基本概念 光纤色散是指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。 色散是光纤的一种重要的光学特性．色散会引起光脉冲的展宽、 严重限制了光纤的传输容量及带宽 ｌ＿２光纤色散的种类 由于光纤有不同的种类．产生色散的机理也不尽相同。光纤的色 散主要归结为三类，即材料色散、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 同光源频率所对应的群速度不同．从而引起脉冲展宽。 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 ［５１ ２５２ 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，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。时延差可由 信号各频率成分的传输速度不同所引起，也可由信号各模式的传输速 度不同所引起 ｉ．４光纤色散与传输速率的关系 色散系数就是两个波长间隔为ｌｎｍ的两个光波传输ｉ ｋｍ长度 光纤到达时间之差．单位为ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ。 群速色散对比特率的影响可利用不产生相邻脉冲重叠的准则来 表示．如下式所示： ＢＡＴ＜Ｉ （式１．４．１） 其中Ｂ为比特率．ＡＴ为群速色散造成的脉冲展宽。 ＡＴ＝ＤＬＢ （式１．４．２） Ｌ为传输距离．Ｄ为色散系数，６ 为光源的均方根谱宽，一２０ｄＢ谱 宽表示为８ ．８＾＝８ ／６．ｏ７。所以传输速率越高，为保证信号正确传输， 则色散的影响必须越小。 １．５光纤色散导致光脉冲展宽分析 光信号在光纤中传输时．由于光纤色散导致光脉冲展宽的理论分 析如下： 已知入射光场的归一化振幅为高斯函数分布，即： 十 ］ 则人射光脉冲的形状如图１ 所示．其中： Ｉｖ（ｏ 第一步：求入射光脉冲的宽 度．便于与展宽后的脉冲作比较。 １．５．１半极大值处的半宽度 Ｉｕ（０＇０） ｅｘｐｌ一 ｌ，其中ｌｕ（ ０）１ ２＝－１ ｑ ２ 两边取对数： １＝ｌｎ２，即 ＝、／了 Ｔ０ 所以半极大值的全宽度为Ｔｒ＝２ＴＩ＝２、／ ｒｏ＝１．６６５Ｔｏ １．５．２入射光脉冲高斯ｉ￥ｉ数曲线下降到 处的半宽度 Ｉｕ（ｏ，ｏ）１ Ｚ＝ｅｘｐ（一 ）： １，即 ：１ 。ｌ’０ ｌ 所以Ｔｚ＝Ｔｏ．所以全宽度为２Ｔｏ 第二步：求光脉冲通过光纤的线性色散后的展宽情况。 利用光波在色散介质中传播的麦克斯韦方程，以及傅里叶函数把 时域变换为频域，求出高斯光脉冲展宽后的宽度为 ＝ 、／ ＋ ， 由公式可知， 即为入射光脉冲的半宽度，上式方程表明，群速度色散 展宽了脉冲．其展宽程度取决于色散长度Ｌｏ对于给定长度的光纤，由
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1页 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/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。后置色散补偿技术是通过电子技术在光信号接收端补偿光纤色散引起的脉冲展宽，多用于相干光纤通信系统，适应于低码速的通信系统，传输距离仅有几个色散长
光学相干层析成像随深度变化的色散补偿方法
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)是一种非侵入式的高分辨率成像技术，在医学、生物学、材料科学等领域有广泛的应用。然而，OCT成像中的色散效应会导致深度分辨率降低，影响成像质量。因此，对于OCT成像中的色散补偿技术研究具有重要意义。
本文简要介绍几种OCT色散补偿方法，特别是基于正交多项式的色散补偿方法，重点阐述其随深度变化的色散补偿方法。
OCT成像中色散效应的原因是由于光在不同材料介质中传播速度不同而引起的，这会导致深度分辨率降低。因此，为了提高OCT成像的深度分辨率，必须对色散效应进行补偿。
传统的色散补偿方法主要包括物理方法和数值方法。物理方法包括改变光学系统的结构以减小色散效应、使用光学元件进行色散补偿等。虽然这些方法可以有效减小色散效应，但是它们需要改变光学系统的结构，增加了系统的复杂度和成本。
数值方法则是基于数字信号处理技术进行色散补偿，其中包括后处理法和前处理法。前处理法主要是通过加入折射率线性变化的模型来消除色散效应。后处理法则是在成像过程中进行数据处理，利用信号的自相关性去除色散引起的谐波产生的影响。但是，这些方法的精度和稳定性都受到限制。
近年来，一种基于正交多项式的新型色散补偿方法逐渐引起人们的关注。这种方法可以快速准确地进行色散补偿，同时也可以随着成像深度的变化自适应地进行调整。
基于正交多项式的方法是一种数值方法，它基于光学相干检测信号的谐波公式，将光路径差与光的传输速度之间的关系表示为一个正交多项式展开式。正交多项式与傅里叶变换类似，可以将时域信号转化为频域信号，从而实现色散补偿。
在这种方法中，光学相干检测信号首先进行二次谐波波形重建，其中第一个谐波代表检测光的中心波长，第二个谐波则代表了色散效应。然后，使用正交多项式展开式对第二个谐波进行展开，得到每个深度处的色散系数和对应的光程延迟，利用这些参数对光路进行补偿。
色散补偿发展现状
色散补偿是光纤通信中非常重要的技术之一，它可以解决信号传输中因色散而引起的色散模糊问题。随着光纤通信的迅猛发展，色散补偿技术也得到了迅速的发展。
色散补偿技术最早是在20世纪70年代提出的，最初的方法是利用电子设备对信号进行补偿，但是效果不是很理想，因为电子设备的带宽受限，无法实现大范围的色散补偿。随后，人们开始尝试利用光学器件对信号进行补偿，取得了一定的进展。但是，由于光学器件复杂、成本高，应用范围受限，因此还需要进一步改进。
近年来，随着光学器件技术的不断进步，色散补偿技术得到了较大的突破。首先，光纤光子学技术的出现极大地改变了色散补偿技术的发展格局。光纤光子学技术以光纤为基础，利用光学器件对光信号进行处理，具有调制速度快、损耗小的优点。其次，光纤光子学器件的研究也得到了突破性的进展，如应用在色散补偿中的光学相位共轭技术、光纤非线性效应等。
除了光学器件的改进，对于色散补偿技术的研究还包括了一些新的理论模型的提出。比如，现在普遍使用的色散补偿模型是基于时频域转换的模型，可以更加准确地描述光信号的色散特性。此外，还有基于矢量模型的补偿方法、基于自适应光子学方法的补偿方法等。这些理论模型的出现，为色散补偿技术的研究和应用提供了更多的可能性。
目前，色散补偿技术已经广泛应用于光纤通信系统中。在长距离传输中，通过采用相应的补偿方法，可以消除或减小信号传输中的色散模糊，提高信号传输质量和传输距离。在高速通信中，色散补偿技术可以实现高速光信号的准确传输，保证通信系统的稳定性和可靠性。
总之，色散补偿技术随着光纤通信的发展得到了迅速的进步，光学器件的改进和新的理论模型的提出为色散补偿技术的研究和应用提供了更多的机会和挑战。相信在未来，随着光纤通信需求的增长和新技术的不断涌现，色散补偿技术会取得更加广泛和深入的应用。
