高速光通信系统色散补偿技术研究

了 ．但 是 由 于 色散 补 偿 光 纤 的 加 入 将 增 加 本 不 宽 余 的 传 输 损 耗． 因此 直 到 １ ９ ９ ０年 掺 饵 光 纤 放 大 器 出现 后 ， 色散 补 偿 光 纤 才 真 正 开始 实 际应 用 。 使 用这 种 原 理 的 色散 补 偿 光 纤 叫 色散 管 理 光 纤 Ｄ Ｃ Ｆ ， 主
１ 当前主要 的色 散补偿 技术
１ ． １ 采 用色 散补 偿 光纤 优化 色 散特性
色散 补 偿 光 纤 的基 本 原 理 是 让 光信 号 先 通 过 一 段 不 同 的
仔 细设 计 整 套 的 干 涉仪 写入 系统 ．否 则 严 重 的 稳 定 性 将 致 使 其 无 法大 批 量 生产
严 重 。 为 了进 免 该 缺 点 ， 又提 出 了一 种 新 型 、 双 模 色散 补 偿 光
１ ． ３ Ｇ Ｔ标准 具 技术
采用 Ｇ Ｔ标 准 具 技 术 的 色散 补 偿 模 块 由两 个 平 行 反 射 镜
偿技术 的研 究和发展 ， 对提高 目前 已经铺 设的常规 光纤通信 系统容量提升具有尤其重要的意义。
【 关键词 】 超高速 ， 光纤通信 ； 色散补偿 技术 【 中图分 类号 】 Ｔ Ｎ ９ ２ ９ ． １ １ 【 文献标 识码 】 Ｂ 【 文章编号 】 １ ０ ０ ６ － ４ ２ ２ ２ （ ２ ０ １ ３ ） １ ４ — ０ ０ ０ ３ — ０ ３ 反射 波长 ｈ ＝ ２ Ｎ ｅ ｆＡ＝ ２ ｓ ｉ ｎ （ ０ ， ２ ） ， 因此 ， 可 以 通过 改 变 两 光 束 夹
对 紫 外激 光 相 干长 度 无 特 殊 要 求 ， 写入速度快 ， 写 入 过 程 受外
部环境的影响小， 因此 是 最 受 欢 迎 的 光 纤 光栅 制 作 方 法 。 色散 补 偿 调 啾 光 纤 光栅 的优 点是 结 构 小 巧 ，很 容 易接 入 光 纤 通 信 系统 ． 然 而也 存 在 一 些 急 需 克 服 的 缺 陷 ， 如 带宽过 窄、 群 时延

编号：审定成绩：×××××××××××××××届毕业设计（论文）色散对光纤通信系统的影响与补偿设计（论文）题目：——基于Optisystem运用学院名称：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：日期：××××年××月中文摘要色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤的传输容量。

对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散，在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。

随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽，劣化的程度随数据速率的平方增大，因而对色散补偿的研究是一项极有意义的课题。

色散是影响光纤通信质量的一个主要因素，啁啾光纤光栅色散补偿技术是一种实用的色散补偿方式，因而成为目前光纤通信领域的一个研究热点。

本论文以光纤传输通信系统为研究对象，对系统的模型，仿真方法和系统的性能进行了深入的研究和探索，通过对仿真结果的研究验证系统的性能，得到最佳系统参数，采取了较佳的方案。

论文主要工作如下：1）介绍、分析布拉格光纤光栅的基本原理及其相关基础知识；2）分析研究色散对光纤的短程及远程传输信号的影响；3）利用OptiSystem仿真软件对色散对光纤传输的影响进行适当的仿真分析。

4）利用OptiSystem仿真软件实现布拉格光纤光栅对光纤脉冲信号传输中色散的补偿作用。

关键词：光纤光栅，色散补偿，时延，带宽，补偿距离，光通信系统，OptiSystem，仿真ABSTRACT IN CHINESEDispersion is an important optical properties of the fiber, which causes optical pulse broadening, and severely limits the transmission capacity of optical fiber. Play a major role for actual use on a long haul single-mode fiber, chromatic dispersion, polarization mode dispersion in high-speed transmission, can’t be ignored. Pulses in optical fibers, the pulse width broadening the extent of degradation increases with the square of the data rate, and thus the study of the dispersion compensation is a very significant issue.So dispersion is an important factor that impact the optical communication. Chirped fiber grating is considered to be one of the most useful technology for high-bit-rate optical communication. Therefore, it has been a hot topic in recent years. The communication optical fiber transmission system, the system model, simulation method and system performance conducted in-depth study and exploration of the performance of the verification system through the simulation results, the optimal system parameters, adopted a more excellent program.The research works in the dissertation are summarized as follows:1) Introduction and analysis of the basic principles and basic knowledge of fiber Bragg gratings;2) Analyze the impact of dispersion on the short-and long-range transmission signal of the fiber;3) The use of appropriate simulation analysis the simulation OptiSystem software dispersive optical fiber transmission.4) Fiber Bragg gratings for dispersion compensation in optical pulse signal transmission of OptiSystem simulation software.Key words：Optical fiber grating, the dispersion compensation and time delay, bandwidth, compensation distance, optical communication system, OptiSystem, simulation目录中文摘要 (1)ABSTRACT IN CHINESE (2)第一章绪论 (4)1.1 光纤通信的发展历程 (4)1.2 光纤通信研究的目的和意义 (5)1.3 光纤通信系统的概述 (6)第二章光纤色散与布拉格光纤光栅的补偿 (8)2.1 光色散与光时延 (8)2.1.1 光的色散、相速、群速和时延 (8)2.1.2 色散和时延 (10)2.2 光纤光栅的色散 (11)2.3 光纤光栅的色散特性及其应用 (13)第三章 OptiSystem系统仿真设计 (16)3.1 OptiSystem系统简介 (16)3.2 OptiSystem系统运用及仿真 (18)3.2.1 系统一：光纤通信光信号传输中时域与频域的变化 (18)3.2.2 系统二：光纤光栅对光信号传输中的色散补偿分析 (21)3.2.3 系统三：光纤光栅色散补偿系统改进及数据分析 (25)结论 (27)附录 (28)参考文献 (29)致谢........................................................ 错误!未定义书签。

高速光纤通信的色散补偿技术2015学年第1学期考试科目光纤通信原理姓名年级2014级专业电子科学与技术2015年1月15日高速光纤通信系统的色散补偿问题###（重庆邮电大学光电工程学院重庆400065）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：光纤通信；色散补偿；脉冲展宽；比较；Optical communication system of dispersion problems andcompensation research####(The Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China) 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:Optical Fiber Communication;Dispersion Compensation;Pulse Broadening;Compare;0 前言近年来，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。

０ ． 绪 论
十 ］
则人 射光 脉 冲的形状 如 图 １ 所示 ． 其 中：
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 Ｐ Ｄ Ｈ ８ Ｍ ｂ ／ ｓ ， ３ ４ Ｍ ｂ ／ Ｉ ｖ （ ｏ ｓ ． １ ４ ０ Ｍｂ ／ ｓ ， ５ ６ ５ Ｍ ｂ ／ ｓ 发展到 Ｓ Ｄ Ｈ １ ５ ５ Ｍ ｂ ／ ｓ ． ６ ２ ２ Ｍｂ ／ ｓ ， ２ ． ５ Ｇ ｂ ／ ｓ ， １ ０ Ｇ ｂ ／ ｓ 。 现 第一 步 ：求入 射光脉 冲 的宽 在 又进展 为波分复用 ＷＤ Ｍ、 密集型波分 复用 Ｄ ＷＤ Ｍ。同时 ， 光纤 的结 便于 与展宽后 的脉 冲作 比较 。 构从 Ｇ ６ ５ ２ 、 Ｇ ６ ５ ３ 、 Ｇ ６ ５ ４ ， 发展到 Ｇ ６ ５ ５ ， 以及 Ｇ ６ ５ ２ Ｃ类 。 光纤 的技术指 度 ． １ ． ５ ． １ 半极大值处 的半宽度 标很 多 ． 其中色散是其 主要 的技术指标之一 。
２ ０ １ ４ 年０ ３ 期
科技 置向导
◇ 科技论坛◇
ＷＤ Ｍ 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 １ ）
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 Ｇ ６ ５ ２ 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
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 ２ 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。 两边取对数 ： １＝ ｌ ｎ ２ 即 ＝ 、 ／ 了 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 、 Ｔ ０ 严重限制了光纤的传输容量及 带宽 所以半极大值 的全 宽度为 Ｔ ｒ ＝ ２ Ｔ Ｉ ＝ ２ 、 ／ ｒ ｏ ＝ １ ． ６ ６ ５ Ｔ ｏ ｌ ＿ ２光纤色散的种类 １ ． ５ ． ２ 入射光脉冲高斯 ｉ ￥ ｉ 数 曲线下 降到 处 的半宽度 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。 Ｉ ｕ （ ｏ ， ｏ ） １ Ｚ ＝ ｅ ｘ ｐ （ 一 ） ： １， 即 ： １ 。 ｌ ’ ０ ｌ 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。 所以Ｔ ｚ ＝ Ｔ ｏ ． 所以全宽度为 ２ Ｔ ｏ 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 第二步 ： 求光脉冲通过光纤的线性色散后的展宽情况。 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 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 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。 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 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 展宽了脉冲 ． 其展宽程度 取决于色散长度 Ｌ ｏ 对于给定长度 的光纤 ， 由

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。

色散补偿技术介绍光通信使用的G.652标准光纤在1550 nm波长窗口的色散值为17ps/nm.km。

1550nm外调制传输系统光纤链路色散的容差比SDH等数字通信1550nm光链路要小得多，仅为1100 ps 左右，因此，对于1550nm外调制光纤干线/超干线而言，必须尽力解决好色散补偿问题。

目前，光通信系统使用的光纤色散补偿技术大多是针对非载波调制数字光纤系统的，因此，对于HFC有线电视宽带网络1550nm光纤干线/超干线而言，实际可供选用的色散补偿手段较少，限制条件较多，在实际1550nm外调制光纤传输链路中如何用好有关色散补偿技术还存在不少问题。

目前业内几种色散补偿技术介绍：1、色散补偿光纤（DCF）色散补偿光纤（DCF）开发于20世纪90年代中期，它在实现色散补偿任务中扮演了十分重要的角色。

目前，国内99% 以上1550nm外调制光纤干线/超干线仍然使用G.652标准光纤，因此在每个（或几个）光纤段的输入或输出端可以通过放置DCF色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路上累积的色散接近零，使单信道1550nm外调制光纤干线/超干线传输光纤的色散得到较好的补偿。

但是，一般的1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统中所使用光发射机的光波长范围较大，可达20nm。

此外，随着在1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统中CWDM或DWDM技术的引入，必须考虑光纤对不同波长信道的色散斜度问题。

以G.652光纤1550 nm窗口为例，光纤的色散明显地随波长而变化，在1530nm处色散系数约为15.5ps/nm.km，在1565nm处约为17.6ps/nm.km，色散斜率（定义为色散系数对波长的微分）约为0.06ps/nm.km。

假设宽带色散补偿器件对所有C－band信号的色散补偿量是一样的，则经多个光纤段传输后，红端信号光（1565nm）所积累的色散将明显大于比蓝端（1530nm），因此，无论对于一般的1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统或CWDM/DWDM1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统，都必需考虑采用斜率补偿型色散补偿光纤组件，用于补偿光纤的色散斜率，将总色散控制在色散容限窗口内，使1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统中色散斜率问题得到较好的解决。

高速光纤通信中的偏振模色散及其补偿技术作者：孟令飞刘世龙祖学锋来源：《中国新通信》 2018年第14期【摘要】在高速光纤通信的传播过程中，存在着诸多的干扰因素，其中起到重要约束作用的便是最容易被忽略的偏振膜色散。

为了进一步发展这种快速的光纤通信系统，本文对偏振膜色散进行了探讨，明确偏振膜色散在通信设备中的地位，探讨了光纤中偏振膜色散的补偿技术，并提出了其发展前景。

【关键词】光纤偏振膜色散前景引言：随着时代的进步，通信技术逐渐的融入了人们的生活中，成为我们生活中必不可少的联系方式。

人们对于通信系统的要求也就越来越高，从原来的2G 网络到现在的4G网络，大大加快了速度。

将来人们对于网络的要求可能会更高，所以广大通信工作者们一直在努力完善，力求满足人们的进一步需求。

研究发现，看似不起眼的偏振膜色散，尽管一直以来都是容易被忽略的，但其实它在通信技术中走着非常重要的决定性作用。

一、光纤中的偏振膜色散分析偏振膜色散显然是通过偏振膜来达到人们想要的效果的。

光纤分为单模光纤和多模光纤，我们主要说的是单模光纤。

在单模光纤中，是由两个偏振膜来控制，这两个偏振膜一个横着一个竖着形成直角，当受到一些敏感因素的影响时，通过展宽信号传递通道的方式形成偏振膜色散。

偏振膜色散的出现也有很多方面的干扰因素，从光纤的质地来看，由于人为因素的存在，光纤的形状是不规则的，什么样式的都有，这当然会对偏振膜的色散产生影响。

光纤的使用离不开光缆的存在，工人们在铺设光缆的时候，由于各种各样的因素会对光缆产生影响，从而影响到偏振膜色散。

如何测量光纤中偏振膜色散也是一个重要的问题。

由于测量方法有很多，各种各样的测量方法中的误差也是多种多样。

不同仪器的影响因素也是不同的，所以在测量中寻找合适的方法也是一个重要的组成部分。

通过对不同的数据作比较，寻找准确的测量方式，以达到更好的效果。

二、光纤中偏振膜色散的补偿技术通过近年的不断研究，人们对偏振膜色散已经有了很好的认识。

光学系统中的色散补偿技术研究光学系统中，色散是一种常见的现象，它指不同频率的光在传播过程中，由于介质折射率引起的相位差异，导致波的形态变化。

色散会导致光束的扩散和色散，严重影响传输质量和信号传输距离。

因此，色散补偿技术成为了光学系统研究领域中一个热门话题。

一、色散问题的发生原理光的波长范围较为广泛，因而一串光波分为几个频率组。

在光线穿过介质时，不同频率的组成成分其在材料中传播的光程可不同，进而部分波会在穿过材料时受到更多或更少的相位移。

这样就会导致光的波形变形而出现色散现象。

而在光学系统中，光线的路径在不同环节中会经过许多介质，色散现象的累积作杂化解更为困难。

二、色散补偿技术的发展历程在过去的几十年中，光学系统依赖于发光二极管不同频率的发光器件中的发射点来解决这一问题，但其复杂性以及成本高昂等问题导致这种方法并不能得到广泛应用。

随着新光技术的出现，如电子学、通讯技术和光学材料的不断进展，色散补偿技术也得到了发展。

目前，色散补偿技术的研究重点是解决在光学系统中色散效应的问题。

色散补偿技术主要有以下几个：1. 光纤同轴干涉法在解决色散问题时，需要一种可靠的方法，来测量出不同波长下两个光波差异距离。

光纤同轴干涉法就是这种方法之一。

其原理是光信号通过一个长度为几毫米的光纤将信号发送到比较设备，利用不同波长下光线的色散特性测量出差异距离。

该技术无需外部控制元件和整个系统的智能控制单元，安装简便、使用方便、精度高、成本低。

2. 光纤单模脉冲压缩光纤单模脉冲压缩是一种实现色散补偿的技术，它利用光纤的色散效应压缩脉冲宽度，从而实现色散抑制。

该技术适用于无线电通信、雷达、太阳系探测、光学中继和微波光电子、激光制造等领域。

其优点是可以在光纤传输系统和光学通讯中使用，具有简单可行的可靠性高的特点。

同时，光纤单模脉冲压缩技术性能稳定，可以在实际应用中进行量化测试。

3. 非线性自相位调控技术非线性自相位调控技术是一种有效的色散补偿技术，它通过非线性波段之间的相交作用，在功率调节下实现对光信号的色散补偿。

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。

色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤的传输容量。

对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散，在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。

随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽，劣化的程度随数据速率的平方增大，决定了电中继器之间的距离。

色散补偿是单纯地采用各种手段减小系统最终的残余色散，而色散管理除了考虑色散补偿外，同时还要考虑光纤非线性的影响，即使系统具有较大的本地色散和较小的残余色散。

这是因为光纤非线性的抑制和完全色散补偿是存在矛盾的，例如当光纤具有很低的色散时，则互相位调制和四波混频等非线性的危害就比较严重。

简单的色散补偿只考虑一阶色散补偿，但一阶色散补偿只能补偿零色散波长处附近的几个波长的色散，而对于长距离传输和高速率传输系统则需要考虑高阶色散补偿，即对色散斜率的补偿。

常用的色散补偿器件包括单模和光纤布拉格光栅。

单模色散补偿光纤DCF 是当前使用最广泛、技术最成熟的器件。

它具有特殊设计的折射率分布，因此具有较大的波导色散（表现为负色散），能和具有正色散的G .652、G .655光纤适配，完成色散补偿的功能。

但是DCF 的色散斜率偏小，不能完全补偿单模传输光纤的色散斜率，必要时需要对部分信道进行单独的色散补偿，另外，DCF 的有效面积小，非线性阈值功率低、光纤损耗大，所以在色散管理中需要综合考虑。

为了克服单模色散补偿光纤的缺点，高阶模色散补偿光纤（HOM-DCF ）被开发出来，它的优点是具有较大的负色散，较大的有效面积较大的相对色散斜率，从而能匹配各种NZDSF 。

其缺点是需要分立的模式转换器，既增加了成本又增加了插损，还会引入不同模式之间的多径干涉噪声（应该限制在-40dB 以下）。

高阶模色散补偿光纤的可靠性和实用性还有待进一步的研究，和单模DCF 一样，HOM-DCF 的色散补偿量不可以调节，限制了使用的灵活性。

光纤布拉格光栅的工作原理是利用啁啾光栅对不同波长信号的反射点不同，改变了信号的差分群时延，从而完成色散补偿的功能。

文章编号:1005-8788(2001)06-0022-04超高速光传输系统使用的色散补偿技术钮海明1,李先源2(1.华中科技大学电子与信息工程系,湖北武汉　430074;2.武汉邮电科学研究院,湖北武汉　430074)摘要:阐述超高速单信道、多信道传输系统克服光纤波长色散、偏振模色散(PM D )以及色散斜率影响的技术措施.关键词:高速光传输;色散补偿;波长色散;PM D ;色散斜率中图分类号:TN 915 文献标识码:AD ispersion com pen sation technology i n ultra h igh -speed optical tran s m ission systemN IU Ha i -m i ng 1,L I X i an -yuan2(1.D ep t .of E lectron ics &Info rm ati on Eng .,HU ST .W uhan 430074,Ch ina ;2.W uhan R esearch In stitu te of Po sts and T elecomm un icati on s ,W uhan 430074,Ch ina )Abstract :T h is p ap er dem on strates techno logical so lu ti on s fo r u ltra h igh 2sp eed single m u lti p le w avelength tran s m issi on system to overcom e the affecti on of fiber w avelength disp ersi on ,PM D and disp ersi on slop e .Key words :h igh 2sp eed op tical tran s m issi on ;disp ersi oncom p en sati on ;w avelengthdisp ersi on ;PM D ;disp ersi on slop e 光传输系统的色散容限与系统速率的平方成反比,40Gb it s 系统的色散容限只有10Gb it s 系统的1 16,十分严格.因此,要实现40Gb it s 及以上速率的传输,克服光纤色散限制比10Gb it s 系统更加重要.传统的缩短中继距离之类的措施,既增加成本又给系统设计带来很大的制约.对于40Gb it s 速率的单波长系统,尤其是含有线路光放大器的系统,不管选用哪种调制方式,都必须认真解决光纤波长色散、偏振模色散(PM D )问题,多波长系统和100Gb it s 等更高速率的单波长系统还要把色散斜率问题纳入解决范畴.1　波长色散补偿技术大多数已敷设的光纤都是常规单模光纤.在掺铒光纤放大器(ED FA )发挥作用的第三窗口处,高色散导致了严重的码间干扰,使40Gb it s 的传输距离限制在4km 以下.新近敷设的G .655光纤,其色散值尽管只有普通单模光纤的几分之一,但仍然是最重要的限制因素.提高受色散限制的传输长度的在线色散补偿技术有色散补偿光纤(DCF )、线性啁啾光纤布拉格光栅、高阶模色散管理器、自动色散收稿日期:2001210224作者简介:钮海明(1964-),男,江苏吴江人,现任浙江舟山电信分公司总经理,目前在华中科技大学电子与信息工程系攻读在职研究生.222001年　第6期(总第108期)光通信研究STUD Y ON O PT I CAL COMM UN I CA T I ON S2001(Sum.N o.108)均衡器和M SS I(M id2Sp an Sp ectral Inversi on)等.1.1　色散补偿光纤(DCF)DCF以两种形式应用,一是制作成补偿模块单纯用于色散补偿;另一种是跟普通光纤一样成缆,布设在需要补偿的地段作为传输线路的一部分,既起补偿作用又充当传输线路.对于原有光缆线路,只好选用模块形式DCF.现有的DCF分为浅凹陷包层、深凹陷包层和反色散型等数种类型.商品补偿光纤的色散系数通常为-80～-100p s (nm・km),能够完全补偿色散系数为20p s (nm・km)、长度大约5km的G.652光纤线路.高水平补偿光纤的衰减系数可低达0.5dB km,FOM(品质因数)大约为200p s (nm・dB).FOM达到300p s (nm・dB)的DCF也有,但是制作成品率低.将DCF盘绕制作成的模块,商品水平的色散补偿量高的能够达到1350～2040p s nm,且PM D性能优越,不过,高性能产品售价高昂.一般DCF模块的主要参数列举于表1中.表1　DCF模块的性能举例模块类型浅凹陷包层深凹陷包层细径型使用波长范围 nm1530～16101530～15701530～1570总色散量p s nm-340～-1360-340～-1360-340～-1360插入损耗 dB2.3～7.4≥3.02.3～7.4色散斜率p s nm2--1.0～-3.8-偏振模色散 p s0.5～1.00.5～1.20.5～1.0融接损耗 dB≤0.6(两处)≤0.8(两处)≤0.6(两处)体积mm3230×250×40230×250×40230×220×20DCF在缓和色散限制的同时也产生副作用,其衰减系数比普通单模光纤的大.补偿的色散量越大,补偿光纤越长,对线路增加的附加衰减越大,对光纤放大器补偿能力的要求也越高.放大器的增益越高,可能引入的问题越多,对光通道信噪比、信号波形恶化程度的影响越严重.此外,一般DCF芯径小(大约4～5Λm),容易产生非线性效应,通道间隔越窄,复用波长数量越多,非线性效应会越严重.为了抑制补偿光纤自身的非线性效应,补偿光纤的补偿能力就要受到限制.不过,应用时合理地安排光纤补偿器的位置,例如将光纤补偿器安插在光纤放大器之前,可以减轻非线性效应的影响.尽管DCF存在着一些缺点,但是它能够使光纤的总色散接近于零,因此在现阶段不失为一种理想的补偿器.但是,对于40Gb it s及其更高速率的系统,DCF模块的应用存在着局限性.因为高速系统色散容限小,即使几个中继段长度只相差数km,也可能出现标准系列的DCF模块不适用的情况.1.2　光纤光栅补偿模块跟DCF不一样,光纤光栅(FG)补偿模块体积小、损耗低、不易受非线性效应影响、无偏振相关性.尤其是啁啾光纤光栅(CFG,Ch irp ed F iber Grating)色散补偿器件受到高度重视.通常认为FG只适合于窄带补偿,工作带宽难以达到DW DM系统补偿要求.从研制水平而言,一年前光纤布拉格光栅(FB G)的补偿带宽达到了2.25nm,色散补偿量为80p s nm;CFG补偿带宽超过18nm,并成功地用于40Gb it s×4、75km和10Gb it s×32、375km 的实验传输系统.实用的FG补偿器以窄带的居多,对于占用频带特别宽的多波长系统,只好进行通道分组补偿.1.3　高阶模色散管理器高阶模色散管理器(DM D,H i2M ode D isp ersi on M anagem en t D evice)是利用模式变换的一种光纤色散补偿模块.技术关键是光纤中的能量转换,将输入的基模转换成高阶模L P02,模块输出时又将高阶模变换成基模.DM D是低成本的无源光器件,除用于补偿光纤波长色散外,能够提供宽频谱范围的色散斜率补偿.这种色散补偿方式已由A T&T实验证实可行,实验对1530～1560nm波长进行无缝补偿,成功地在非零色散位移光纤(N Z D SF)上将40Gb it s信号传输了240km.使用DCF、反色散光纤可以补偿S M F的色散和色散斜率,甚至能够实现精密补偿.但是对32钮海明等:　超高速光传输系统使用的色散补偿技术N Z D SF,要同时补偿色散和色散斜率会更加困难,使用商用色散补偿光纤难以实现同时补偿,已证实使用啁秋光纤布拉格光栅模块也只能对基于20Gb it s的W DM信号同时进行补偿.在使用N Z D SF、基于40Gb it s的W DM传输实验中,补偿方案多是逐个通道进行的.利用高阶模光纤(HOM)的色散补偿器具有在连续宽带光谱内补偿色散和色散斜率两个方面的能力,在设计上增加了基于L P01模的色散补偿光纤(常规的DCF)不可能有的自由度.此外,由于高阶模要通过相应的大有效面积呈现出来,因此HOM光纤的有效面积比常规的DCF的大,较大有效面积将增大产生非线性效应影响的阈值.HOM光纤还能提供很大的负色散,意味着可以用较短的光纤补偿给定的总色散.色散补偿光纤短,则插入损耗低,利于改善整个光路的光功率预算. HOM光纤的这些特性就是HOM光纤色散补偿器发展的动力.DM D模块由两个模式变换器和一段HOM光纤组成.HOM光纤长度大约750m,它支持L P02模式,且位于两个模式变换器之间.第一个模式变换器将输入光纤支持的L P01转换成HOM光纤支持的L P02,第二个变换器将该L P02变换成输出光纤支持的L P01.每一个变换器的模式变换损耗低于1dB,整个模块的插入损耗在5.5～6.0dB范围内.DM D 的补偿能力可以按需设计,例如设计成用来补偿80km左右N Z D SF的色散和色散斜率.此外,它对系统完全透明,便于集成到网络基础设施中;适应于不同类型光纤(S M F、N Z D SF)传输,且能够满足不同补偿距离的要求;既适合于超高速单波长系统又适合于多波长系统使用;能够提供连续宽带色散补偿,不存在逐一波长通道补偿带来的复杂、代价高昂之类的问题;能适用于同时利用C 和L波段、复用100个波长的系统;DM D本身不会引入额外的非线性效应.DM D和DCF补偿效果比较如图1所示.1.4　色散自动均衡技术预置型自动色散均衡方式对光纤波长色散能够起到自动均衡作用,例如采用可调谐激光源的自动图1　DM D和DCF补偿效果色散均衡技术、采用交替啁秋信号的自动色散均衡技术、监测时钟功率电平的自动色散均衡技术等.下面介绍一种监测时钟电平的自动色散均衡器,这种均衡器的构成如图2所示,它由时钟信号电平测量部分和可变色散均衡部分组成.图2　时钟电平监测型自动色散均衡器光信号经光纤传输之后,在信号脉冲因色散作用而展宽的情况下,时钟信号电平随光脉冲峰值降低而下降.因此,只要在线监测时钟脉冲电平,反馈控制色散均衡量,让均衡波形中的时钟成分达到最大,就能够获得最佳色散均衡量.这种均衡方式直接检测原始传输信号,比较简便.在传输信号本身存在啁秋或者存在光纤非线性效应影响的情况下该自动均衡技术仍然有效.2　克服光纤色散斜率的影响降低色散斜率是N Z D SF的发展方向之一.光纤色散斜率大,不论对DW DM技术的应用还是对超高速的单波长系统都有影响.色散斜率差异使得多波长系统每一个波长累积出不同的色散量,两侧的边缘通道波长之间的差别更大;即使是单波长系42光通信研究2001年　第6期　总第108期统,色散斜率对同一光脉冲不同频率成分的影响也不能忽视.当系统速率达到一定程度之后,由于信号频谱扩展,即使信号中心波长与零色散波长一致,也会因为光纤色散斜率的作用,使脉冲波形产生恶化,而且恶化程度与信号带宽的三次方成正比.克服色散斜率的限制也就成了应用超高速单波长和多波长系统的一项重要内容.部分色散补偿产品在补偿光纤波长色散的同时,也对色散斜率有补偿作用,这对于复用波长数有限、应用波长范围较窄、通道速率不特别高的DW DM应用具有适用性.对于那些要求色散斜率十分低的应用,如果不是特意设计的色散斜率补偿产品,补偿效果不容易达到预期要求.利用CFG、平面PL C技术的色散斜率均衡器已在开发之中.新近开发的色散平坦N Z D SF是最佳传输介质,其色散斜率低,对于超高速率或W DM应用有利,其色散绝对值最小的不为零,且足以阻止四波混频的发生;最大的也足够小,能够满足一般DW DM 应用要求.对于要求特别高的应用,能够降低补偿难度,可以将色散调节花费控制在较低限度.使用色散补偿光纤时,用一种DCF可以完全补偿特定波长上的色散,但难以在宽波长范围内完全补偿色散斜率;为了对色散斜率也实现精确的补偿,有人同时使用几种不同特性的DCF,但是每一种DCF、每一段传输光纤的特性都不可能完全一致,只有每种光纤的长度选择得当,组合起来的综合效果才会最佳,调整组合长度是这种应用的关键,预计实用难度较大.FG均衡器跟DCF相类似,也难以兼顾波长色散与色散斜率同时精确补偿,专用的FG色散斜率补偿器和应用PL C技术的色散斜率均衡器还在开发之中,而且具备相反色散斜率特性的FG均衡器不容易制作.3　PM D容限与自动监测补偿3.1　PM D与PM D容限PM D与波长色散发生的机制不同,但是对系统性能具有同样的影响.也有人将PM D称作单模光纤中的“多模色散”,其值大小随光纤而异.10多年前敷设的光缆,受当时光纤工艺的限制,PM D通常为2p s km左右,最高的达到6～7p s km;后来敷设的光缆,不大于0.5p s km;近年来敷设的光缆,多为0.2p s km甚至更小.最好的光纤, PM D已经控制到0.001p s km.当PM D= 0.5p s km时,STM264系统受PM D限制的传输距离(1dB代价)大约为400km,对于40Gb it s系统,却只有25km.如果容许两个正交偏振模之间的时延差达到一个脉冲时隙的1 3,40Gb it s传输的PM D容限约8.3p s;若考虑到PM D的随机统计特性,为保证系统功率代价不超过1dB,限定时延差不超过一个脉冲时隙的1 10,则PM D容限只有2.5p s.要实现600km左右的长途传输,PM D就不能高于0.1p s km.因此认为PM D也属于重要的限制因素,对较高的PM D必须采取补偿措施.下面介绍一些解决问题的思路与实验.3.2　PM D监测与补偿PM D随温度、应力等路由环境变化,通信系统实际应用过程中时时监测PM D的状态、根据监测结果进行适时自动补偿是解决PM D问题的重要方案之一.PM D的自动补偿分电域的自动补偿和光域的自动补偿等不同的补偿方式.光域处理信号速度快,补偿设备构成相对简单.电域补偿设备比较复杂,而且补偿受到限制.PM D补偿方案大体有如下三种:光路上对光信号进行补偿;光接收机内对电信号进行补偿;光电结合补偿.下面具体介绍一例40Gb it s系统光路上的补偿方案.如图3所示,自动监测补偿实验系统由发送设备、偏振控制器、光纤与光放大器组成的光线路(或由PM D仿真器取代)、PM D监测器、PM D补偿器、40Gb it s解复用器等几部分组成.发送设备中使用L i N bO3光调制器生成40Gb it s N R Z光信号.PM D仿真器模拟传输线路在正交的两个偏振模之间产生的时延差ΣT,偏振控制器用于控制两个偏(下转第37页) 52钮海明等:　超高速光传输系统使用的色散补偿技术系统发“0”码而误判为“1”码的概率P e (1 0).也就是说在判断误码原因时,这也是一种依据,当P e (0 1)µP e (1 0)时,说明误码主要是由接插件的负阻现象所造成的.以上的论述仅是理论上的初步分析,在实际电接触过程中,还要考虑接触电容、电感、磨损、收缩电阻、趋肤效应、腐蚀物和尘土等的影响.参考文献:[1]　吴宗汉.表面等离极化激元对电接触过程中负阻现象影响的分析[J ].应用科学学报,1999,17(4):3892394.[2]　孙百生,章继高.光通信系统中数字配线架电接触不良的影响[J ].北京邮电大学学报,1999,22(3):73277.(上接第25页)振模的光强度比Χ.PM D 监测器由光电变换、窄带滤波器、功率计、微机组成.偏振补偿器由1 4波片(QW P )和1 2波片(HW P )、保偏光纤组成.PM D监测器将分路出来的光信号转换为电信号,再以窄带滤波器提取基带频谱中的20GH z 成分并测量其强度.20GH z 频率成分的强度信息经过A D 变换送入微机,PC 处理之后反馈控制QW P 和HW P ,使得20GH z 频率成分的强度达到最大值.图3　PM D 自动补偿实验系统 当∃ΣT =0时,20GH z 频率成分的强度为最大,随着∃ΣT 增大,其强度单调下降;当Χ=0.5,20GH z 成分的强度最小,PM D 引起的波形恶化最为严重,Χ偏离0.5,其强度又上升.只要测量出20GH z 成分的强度变化,就能够判断PM D 影响的强弱,监测20GH z 的强度就可实现对PM D 的监测,控制QW P 和HW P 使20GH z 成分保持在最大强度,也就实现了对PM D 的自动补偿.这种PM D 自动补偿技术对40Gb it s 长途传输将起到重要作用.4　结束语光纤波长色散、色散斜率、PM D 是限制超高速率、超大容量、超长距离光传输系统应用的主要因素,研究这些因素的影响程度及其补偿技术,对超高速率光传输系统的应用具有重要实用价值和理论意义.73孙　健等:　接插件影响数字信号传输的微观分析。

高速光纤通信系统的信号损伤补偿技术论文随着信息化时代的到来，通信成为人们日常生活不可别离的一局部，通信容量呈现出不断上升的趋势。

科学家预测未来每名通信用户的通信容量高达1000Mb/s，可见未来人们对通讯需求之大，因此，高速光纤通信系统的未来开展会逐渐向高速率和大容量开展。

高速光纤通信系统在传播过程中常常会发生信号损伤的问题，色散和光纤耗损是导致高速光纤通信系统中信号损伤的主要原因。

传统光纤系统中，多模光纤较为常见，在不同模式下光纤的信号传播速度不同，证明了信号传播过程中存在模间色散。

随着科技的开展，单模光纤在光纤通信系统中使用广泛，在一定程度上减少了色散，也就缓解了模间色散的问题。

但是，随着通信容量的不断扩大，信号传输距离也越来越远，新的问题也随之出现，长距离运输过程中的光纤虚耗成为制约信号传播的关键。

单模光纤能够解决模间色散问题，但是会受到材料和波导色散的干扰，导致色度色散问题的存在，在传播过程中损伤通信信号。

因此，人们开始采用色散补偿光纤来补偿色散问题，促进单载波速率的提高，进而解决信号损伤的问题。

大量实践经验也说明，采取措施缓解和补偿高速光纤系统中的信号损伤能够大大提高通信的速率。

近年来，我国科学技术不断开展，偏振模色散使用广泛，相干接收和高级码型调制格式也获得了广泛的应用，导致偏振模色散和偏振串扰成为损伤通信系统的主要因素，加上光纤非线性和激光器的相位噪声的制约，信号损伤问题仍然是通信系统研究的主要问题。

单模光纤中，一个基模由两个相互之间垂直的偏振模组合而成，但是，单模光纤在实际运行过程中，会受到多种因素的制约，导致两个偏振模间的无法保持运行速度一致，导致脉冲展宽，进而导致偏振模色散的产生，偏振模色散产生的主要原因是：首先，光纤自身具有双折射，光纤在运行过程中会有一些不规那么的应力的产生，导致光纤信号发生折射；其次，在铺设光缆时，光缆会受到不同程度的挤压，进而有些部位会发生弯曲和变形，加上在环境的制约下，信号在传播过程中出现偏振模的祸合效应，影响偏振模传播速度，导致偏振模色散的产生。

光纤通信系统中色散补偿技术————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2光纤通信系统中色散补偿技术蒋玉兰(浙江华达集团富阳，31 1400)【摘要】本文叙述了光通信系统中一个重要的参数—色散，以及G65光纤通信系统的色散补偿技术。

文章还详细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。

1概述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。

色散就是指不同颜色(不同频率)的光在光纤中传输时，由于具有不同的传播速度而相互分离。

单模光纤主要色散是群时延色散，即波导色散和材料色散。

这些色散都会导致光脉冲展宽，导致信号传输时的畸变和接收误码率的增大。

对于新建工程新敷设高速率或WDM光缆线路，可以采用非零色散位移光纤（NZ-DCF），ITU一T将这种光纤定名为G655。

G655光纤在1 550 nm处有非零色散，但数值很小（0.1~10.0pb/nm·km）。

其色散值可以是正，也可以是负。

若采用色散管理技术，可以在很长距离上消除色散的积累。

同时，对WDM系统的四波混频现象也可压得很低，有利于抑制非线性效应的影响。

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。

高速光纤通信中的偏振模色散补偿技术王敬华1,2，张国平2，李刚2，陈柳2（1.江汉大学物理与信息工程学院，湖北武汉430056；2.华中师范大学物理科学与技术学院，湖北武汉430079）摘要：介绍了偏振模色散的概念和产生机制，讨论了它对光纤传输系统的影响和测量偏振模色散的方法，对目前高速光纤通信中常用的几种典型补偿技术进行了比较与分析．关键词：光纤通信；偏振模色散；双折射；补偿中图分类号：TN929.11文献标识码：A文章编号：1009-1777-(2003)04-0029-041引言人类社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代，对通信带宽和容量的需求与日俱增．光纤通信技术以其超高速、大容量、长距离，高抗电磁干扰性和低成本等无可比拟的优点而成为解决网络容量压力的最佳途径．自20世纪70年代以来，光纤通信得到突飞猛进的发展．目前，2.5 Gbit/s的系统已经投入商用，10Gbit/s的SDH传输系统已大规模投入使用．单波长传输速率正向40Gbit/s甚至160Gbit/s迈进．另一方面，由于掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功和非零色散位移光纤（NZDSF）的采用及预啁啾(Prechirp)等色散补偿技术的不断提高，光纤损耗，波长色散和非线性效应等已经不再是主要制约因素．随着高速率长距离通信系统的发展，原来在单模光纤通信系统中被认为可不予考虑的偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,PMD）问题越来越突出．Corvis,Ciena,Nortel,Solinet,Photon Ex 等公司均认为偏振模色散是40Gbit/s系统的主要限制因素．如何补偿偏振模色散成为发展下一代高速光纤通信系统面临的重大技术挑战．2偏振模色散原理2.1偏振模色散的概念在理想圆对称纤芯的单模光纤中,两个正交偏振模HE11x和HE11y是完全简并的,两者的传播常数相等,故不存在偏振模色散．但在实际的光纤中，HE11x和HE11y并不完全简并，两偏振模的传播常数y有差异,这种现象称为单模光纤的模式双折射（Birefringence）．传播常数不同，即两偏振模式的群速度不同，造成模式之间的差分群时延(Differential Group Delay,DGD)，即偏振模色散，如图1所示．产生单模光纤双折射的原因主要有以下几方面：由光纤结构本身的不规则导致的本征双折射；由敷设时光纤的弯曲、扭转，外界的挤压和环境温度的变化等引起随机的偏振模耦合；一些光通信器件如隔离器、滤波器和耦合器等结构和材料本身的不完整性导致的双折射等．一般采用两偏振模的群时延差来表示偏振模色散的大小，它受工程安装和链路环境等因素综合影响，具有不确定性．所以，偏振模色散是一个随机统计量，满足Maxwellian分布，其第31卷第4期2003年12月江汉大学学报(自然科学版)Journal of Jianghan University(Natural Sciences)Vol.31No.4Dec.,2003收稿日期：2002－09－03作者简介：王敬华(197730江汉大学学报（自然科学版）总第31卷值的变化与光纤长度的平方根成正比．2.2偏振模色散对系统的影响和测量方法偏振模色散和波长色散对系统性能具有相同的影响：在数字系统中会造成脉冲展宽失真变形，使误码率增高，限制传输带宽；在模拟通信系统中产生高阶畸变效应和偏振依赖损耗，导致非线性效应，总之都造成系统传输特性的恶化．ITU（国际电信联盟）建议：要满足光通道代价不大于1dB的要求，所容许的偏振模色散值必须小于100/B（B为以Gbit/s表示的比特率）．据此，ITU-T(国际电信联盟—电信标准部)规定单模光纤的偏振模色散系数应小于0.5ps/km.当不满足此要求时，必须对偏振模色散进行补偿．因为偏振模色散统计量的不确定性，要解决偏振模色散问题，首先要能对它进行实时有效的测量．国际上一些标准组织(如ITU等)推荐了4种测量单模光纤PMD方法，它们是：Jones矩阵特征分析法(JME)，干涉仪法(IF)，波长扫描周期计数法(WSCC)和傅里叶变换的波长扫描法(WSFFT)．干涉仪法直接测量PMD，属于时域测量方法，其它属于频域测量方法．ITU建议以Jones矩阵特征分析法和干涉仪法作为基准测量方法．Jones矩阵特征分析法测量精度较高，最小可测量值可达飞秒量级，比较适合于实验室应用和科学研究．此外，还有其他一些测量偏振模色散的方法，如偏振态法，光脉冲法等，应用时可根据精度要求、测量效率和设备成本来选择适当的方法．3偏振模色散的补偿由于偏振模色散的随机性质，使得对偏振模色散的抑制比波长色散更困难．使用PMD较低的光纤及光器件（如旋转或扭曲光纤）或采用性能稳定的调制码型（如光孤子通信，啁啾归零码光脉冲调制）都可以在不增加补偿器件的情况下达到目的，但有一定的局限性．我们重点讨论如何利用补偿器件对偏振模色散进行补偿．研究表明，一届偏振模色散效应是导致系统传输特性恶化的主要原因，所以目前的多数补偿方案主要是一阶补偿．补偿可以在电端接收机内对电信号进行或在光路上直接对光信号进行．据此，将偏振模色散补偿方法大致分为：电域补偿和光域补偿．3.1电域补偿电域补偿是最先出现的偏振模色散补偿方案，其原理主要基于在接收机前均衡整形电信号，后来出现了不同的补偿方案．电域补偿器结构紧凑，性能稳定，技术相对比较成熟，可能最先实现实用化，但其补偿能力受到电子瓶颈的限制，响应速率不会超过几十个Gbit/s，对40Gbit/s 及以上传输系统不适用．电域补偿典型方案如图2所示．色散了的光信号通过偏振分光器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，对快信号进行延时补偿，最后将两路信号混合输出．这实际上是一种光、电处理结合，并在电信号上进行补偿的联合方案．德国Alcatel Alsthom Corporate Research Center利用该方案成功补偿了10Gbit/s，100km 单模光纤系统中的偏振模色散．3.2光域补偿目前光域补偿领域研究比较活跃，也是最有希望解决40Gbit/s以上系统的偏振模色散并能实用化的方案．一个完整的光域补偿器应包括三个部分：补偿单元、反馈信号和控制单元．光域补偿技术存在很多分类方式：根据补偿先后可以分为预补偿、后补偿；根据反馈信号可以分为眼图法、DOP法、RF信号谱法等．2003年第4期王敬华，等：高速光纤通信中的偏振模色散补偿技术313.2.1光域补偿方案一根据C.D.Poole的偏振主态（PSP）模型，其一阶导数与频率无关，即在偏振主态方向上注入的光基本上不展宽，由此利用反馈信号在输入端通过控制偏振控制器（PC）寻找偏振主态，可以有效补偿一阶偏振模色散．这种方法称为主偏振态传输法，其补偿原理如图3所示．但这种方法必须是反馈信号连接到发射端，并且光纤距离增大后偏振主态的寻找也变得困难，导致响应时间变慢，且对波分复用（WDM）系统很难应用，因每一路波长的偏振态都不同．3.2.2光域补偿方案二该补偿方案的原理如图4所示，其中光延迟线为保偏光纤(PMF)，对两偏振模间的时延差进行33ps的补偿．偏振控制器可调整输入光的偏振态，使之与保偏光纤的输入相匹配．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．T.Takahashi等人利用该方案实现了长距离(10000km,PMD:0~66ps)高速率(10Gbit/s以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿．它将由偏振模色散造成的功率损失从7dB降到了1dB．3.2.3光域补偿方案三该补偿方案的原理如图5所示，其中的色散补偿器件为高双折射非线性啁啾布拉格光纤光栅（Hi-BiNC-FBG）．在光栅带宽范围内，波长相同而偏振态不同的两偏振模在光栅中反射位置不同．这种反射位置的不同造成偏振模之间的传输时延差，从而起到补偿作用．光栅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．S.Lee等人利用该方法在10Gbit/s系统中实现了在175ps范围内可调的补偿效果．该方法的突出优点是补偿范围可调、结构简单及与光纤兼容．这对实现全光纤化的补偿器件是一个突破．4结束语当光通信系统的传输速率越来越高时，偏振模色散必须得到适当的补偿．从20世纪80年代末起，研究人员在偏振模色散补偿方面进行了大量的理论和实验探索．目前没有公认的十分成熟的补偿方案．现有的补偿方案有待进一步试验和完善．目前，高阶偏振模色散的补偿，波分复用系统中多通道、宽带补偿以及降低补偿成本等又成为人们关注的问题．作者认为利用双折射光纤光栅和晶体波导进行偏振模色散的补偿具有较高可行性，若结合阵列光栅波导(AWG)作复用/解复用器，可实现波分复用系统中的偏振模色散补偿．参考文献：[1]Poole CD,Wagner RE.Phenomenological approach topolarization dispersion in long single-mode fibers[J].Electronics Letter,1986,22(19):1029-1030.[2]马声全.高速光纤通信ITU-T规范与系统设计[M].北京：北京邮电大学出版社,2002.[3]杨日胜,Schank F,Renken W.偏振模色散(PMD)32江汉大学学报（自然科学版）总第31卷论述[J].光纤与电缆及其应用技术,1996,3:18-23.[4]Takahashi T,Imai T,Aiki M.Automatic compensationtechnique for time wise fluctuating polarization mode dispersion in in-line amplifier systems[J].Electronics Letter,1994,30(4):348-349.[5]Lee S,Khosravani R,Peng J,et al.High-birefringencenonlinearly-chirped fiber bragg grating for tunable com-pensation of polarization mode dispersion[A].OFC'99[C].San Jose:OSA,1999.272-274.PMD in High Bit-rate Optical Fiber Communication andIts Compensation TechnologyWANG Jing-hua1,2,ZHANG Guo-ping2,LI Gang2,CHEN Liu2(1.School of Physics&Information Engineering,Jianghan University,Wuhan430056,China;2.College of Physical Science and Technology,Central China Normal University,Wuhan430079,China)Abstract：With the development of high bit-rate optical transmission systems，polarization mode dispersion(PMD)has become a major limiting factor．Introduces the concept and measurement of PMD and discusses several methods of compensation of PMD.Key words：optical fiber communication；polarization mode dispersion；birefringence；com-pensation。

高速光纤通信系统中偏振膜色散效应及其补偿问题摘要:光纤通信作为现代通信网的重要组成部分,正迅速地向高速率、大容量和长距离的方向发展。

PMD明显损害系统的传输性能、限制系统的传输速率和距离,因此,PMD成为目前光纤通信领域的一个研究热点。

关键词:光纤通信;偏振膜色散;电域补偿;光域补偿1偏振模色散的概念在单模光纤中,基模是由两个相互正交的偏振模HE11x和HE11y(LPx01或Lpy01)组成的,理想光纤的几何尺寸是均匀的,且没有应力,因而两个偏振模是完全简并的,两偏振模具有相同的传输速度,不存在时延差的现象。

然而,在实际的光纤中,光纤的圆对称性通常在生产、成缆、铺设等过程中会被各种因素所破坏,如光纤的几何不对称,光纤中的残留应力,外加应力等。

这些因素将造成光纤沿不同的方向有不同的有效折射率,即导致光纤的双折射(Birefringence),造成两个正交偏振模传播常数的差异,即βx≠βy,形成了两个偏振模之间的时延差,这便是差分群时延(Differential Group Delay,简称DGD),通常表示为Δτ,它用来衡量PMD的大小。

当光纤长度较短时,两个模式未发生耦合,DGD是一个确定量。

但当光纤长度较长时,两个模式间发生了强烈的耦合。

由于耦合的随机性,DGD也是一个随机变量,并且影响的因素有很多,如双折射、温度、光纤的机械扰动等。

因此PMD也具有不确定性,是一个随机变量。

因此,表征光纤中PMD比较有效的办法之一是取其均值<Δτ>,即数学期望。

一般将DGD对时间或对波长的平均值称为偏振模色散,即PMD。

图1表示了单模光纤中PMD的产生过程。

1.1差分群时延(DGD)如果以τx和τy表示这两个偏振轴方向上传输的时间,则两个偏振方向的DGD为Δτ,即Δτ=τx-τy。

DGD可由传播常数对频率的导数得到:2 偏振模色散的形成原因单模光纤PMD产生的原因归纳起来主要有两个方面:一是双折射,二是随机模式耦合2.1 双折射双折射是产生偏振模色散的根本原因,光纤中的双折射可以分为两类:本征双折射(Intrinsic Birefringence)和非本征双折射。

对于10Gb/s及其以上的系统，系统商开始选择啁啾光纤光栅进行色散补偿。其优点是插入损耗很小，且损耗与补偿距离无关，几乎不受光纤非线性影响，对光信号的延迟非常低，模块体积小且成本低。然而也存在一些急需克服的缺陷，如带宽过窄、群时延非线性、额外的介入损耗及需要解决制作过程的实用化，如制作过程的可重复性、封装、温度补偿等。【8】
《能力拓展训练》报告
题目：光通信中的色散管理与补偿技术
专业班级：电子0901班
学生姓名：
指导教师：刘 金 根
武汉理工大学信息工程学院
2012年07月13日
能力拓展训练任务书
学生姓名：专业班级：电子0901
指导教师：刘金根工作单位：信息工程学院
题 目：光通信中的色散管理与补偿技术
初始条件：
具有扎实的电子科学与技术专业基本理论和系统的专业知识；具备初步的文献查阅和专题调研技能；一定的中英文文献阅读与综合能力。
2.5
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
则人射光脉冲的形状如图1所示，其中
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）半极大值处的半宽度
，其中
两边取对数：，即
所以半极大值的全宽度为
（2）入射光脉冲高斯函数曲线下降到处的半宽度
3.2
啁啾通常是指一种频率变化的现象。如果光纤光栅的周期沿长度方向发生一定变化，则其频率沿长度方向也会发生一定变化，即发生了啁啾，称这种光栅为啁啾光纤光栅。啁啾可以是线性的，也可以是非线性的。
当光脉冲信号通过图3.2.1总长度为L的啁啾光栅(周期由大到小)时，信号的长、短波长分量分别在光纤的头、尾部反射，则短波分量比长波分量多走了2L的路程，从而补偿了由群速度不同而导致的色散，起到压缩由于光纤传输所导致的光脉冲展宽的作用。