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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标题: ( 10 )超高速光纤通信中的色散补偿技术
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 10 13:55:03 2003) , 转信

超高速光纤通信中的色散补偿技术
余重秀　贾信东　
　　提要：本文研究了光纤通信网中的色散及其补偿方法。对主要的几种色散补偿
技术的机制、特点及其实现方法进行了分析、比较，并讨论了光纤的色散补偿实用技
术。
　　关键词：色散，色散补偿，负色散光纤，啁啾光纤光栅
The technology of dispersion compensation in ultrahigh-speed fiber commun
ications
Yu Chongxiu　Jia Xingdong　Yu Guoxian
(Instituti of Optical Communication and Opto-electronic Information Proce
ssing,Beijing Univ.of Posts and Telecommunications　100876)
Abstract:The dispersion influence in networks of ultrahigh-speed optical
fiber communication is researched in this paper.The mechanism,features and
realizing methods etc for some main technologies of dispersion compensati
on are analysed and compared.And
the practical technologies of dispersion compensation is discussed.
　　Key words:dispersion,dispersion compensation,fiber of negative disper
sion,chirped fiber grating
1　引言
　　随着全球信息化的步伐不断加快，各种通信技术如B-ISDN、ATM传输、压缩编码
高清晰度电视等要求现有的光纤通信网提高传输速率，增加中继距离和容量。众所周
知，限制扩容的主要因素是光纤的损耗和色散，掺铒光纤放大器(EDFA)的出现使其损
耗的影响变得次要，色散便上升为首要限制，因此色散补偿研究已成为光纤通信实现
超长距离、超高速传输的关键问题之一。
　　近年来，世界各国对常规光纤网的色散补偿研究形成了热潮，提出了多种色散
补偿方案，如负色散光纤法、啁啾光纤光栅法等。各种色散补偿方案的机制、技术及
其实现方法各不相同，各有利弊，需要人们深入研究，寻求一种或几种便于光纤通信
网升级、经济实用、易于实现和推广的
色散补偿技术。
2　光纤色散及其主要的色散补偿技术
　　光信号在光纤中传输因其不同频率或不同模式成分的群速度不同而引起色散，
它使得光信号脉冲展宽、强度下降，从而增加误码率，影响通信质量。从机理上分析
，光纤的色散包括材料色散、波导色散、模式色散及偏振色散。材料色散、波导色散
与光源相对带宽Δλ(或频宽Δf)有关，减小Δλ或(Δf)有利于减小色散；模式色散
仅在多模光纤中占主导地位，它主要取决于光纤的折射率分布；偏振色散与光纤的双
折射率Δneo有关。
　　光纤色散对通信系统的性能影响主要表现在对传输中继距离和传输速率的限制
。当色散引起光信号脉冲的展宽大于0.3倍的输入脉宽时，便使得光接收灵敏度急剧下
降、均衡困难、误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不得不付
出降低码速率、减少通信容量的代价。另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，
也必须减小中继距离以保证通信质量。经推导：光纤通信系统不受色散限制的临界传
输速率Bcr=1/4σ(W/α)(α据光纤的质量在0.5～1.0之间取值)，最大中继距离为
Lmax=C/2DB2λ2(这里σ为光纤色散的均方根脉冲展宽)。所以，采取适当的色
散补偿，减少甚至抵销σ、D的影响，可使Bcr、Lmax得以改善。
　　光纤的色散补偿得以广泛地研究和试验，已形成负色散光纤、啁啾光纤光栅法
、光孤子传输、预啁啾技术、色散支持法、频谱反转法、多电平编码、相干光检测(电
均衡法)以及集成Mach－Zehnder干涉法、时延线光均衡器等色散补偿方案。下面，我
们研究、分析其中几种主要的色散补
方案：
2.1　负色散光纤
　　研究光纤材料、掺杂浓度、芯径大小及结构等与色散的关系，我们得知纯石英
材料在1.27μm波长上不存在色散，并称之为零色散波长。不同掺杂的石英材料可产生
不同的材料色散，使其零色散波长向长波长方向移动。改变光纤结构参数，如减小芯
径、不同掺杂浓度等可增大其折射率，使零色散波长移至大于1.55μm波长的位置，从
而在1.55μm处得到较大的负色散。具有这种特性的光纤称为色散位移光纤。
　　研究光栅折射率剖面结构与色散补偿能力的关系，得到三包层光纤比阶跃型光
纤、W型光纤具有更大的负色散。通常考虑光纤损耗影响，用品质因数(色散与损耗之
比)衡量负色散光纤的补偿能力。用于基模(φ0模)的负色散补偿光纤的目前研制水平
已达到500ps/km*nm；而用于高次模(LP
11模)的负色散光纤因采用近三角形剖面结构，其负色散值达到～600ps/km*nm的水
平，但其品质因数则因LP01模转换到LP11模及双模光纤中的损耗影响而只能达到100ps
/km*dB的水平。
　　美国AT&T贝尔实验室、康宁公司、日本NTT公司、富士通研究所等利用负色散光
纤，分别成功地进行了几十Gb/s，上百公里的传输实验。研究与实验结果表明：负色
散光纤是一种无源器件，它可放在光纤传输网中任何位置，使用灵活、方便、可靠。
易于光纤传输网的升级和扩容，且具有足够大的带宽。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。
2.2　啁啾光栅法
　　在光纤上制成折射率非周期性变化的啁啾光栅，就形成一个宽带滤波器，它的
不同位置对应于不同的Bragg反射波长。当光脉冲信号通过这种啁啾光栅(周期从大到
小，长度为Lg)时，其长、短波长分量分别在光栅的头、尾部反射，这样短波长分量比
长波长分量多走2Lg距离，两波长分量
之间产生时延差Δτ=2Lg/Vg。从而补偿了由于群速度不同导致的色散，起到压缩光
脉冲的作用。
　　利用严格的耦合波理论分析啁啾光栅色散补偿机制，求出其Bragg波长、带宽、
时延率等，并利用Runge-Kutta数值方法求解啁啾光栅的反射谱特性。啁啾光栅的长
度、啁啾量、Bragg带宽、反射谱特性等参量决定了它的色散补偿能力。设计、研制高
质量的啁啾光栅是实现这种色散补偿技术的关键。
　　英国、美国、加拿大等国家对啁啾光栅色散补偿开展了广泛的研究，利用单个
或多个啁啾光栅进行色散补偿，已在10Gb/s常规光纤通信网上传输数百公里。我们也
研制了10cm长的啁啾光纤光栅，在国内首次完成了10Gb/s光信号在G.652光纤上传输10
4公里的色散补偿实验。理论、实验研
究结果表明：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提高补偿能力
，光纤光栅法还便于系统使用和维护、其成本低、可升级性好、可靠性高、受非线性
效应影响小、极化不敏感、具有很好的
实用性。
2.3　预啁啾技术
　　在光纤传输系统中，光脉冲信号受到群速度的色散影响，其高频成分将逐渐集
中到脉冲的前沿，低频成分将逐渐集中于脉冲的后沿，两者之间的时差逐渐增大，脉
冲也就被展宽。预啁啾技术是在强度调制直接探测系统中对光源加一个正弦调制，使
得光脉冲前、后沿频率交换，再经过一
段距离的传输后，脉冲的频率分布基本恢复到初始状况，这就在一定程度上补偿了
色散的影响。对两个独立的预啁啾归零信号再实施偏振复用技术，还产生了改进型预
啁啾技术。
　　日本NEC对预啁啾技术的色散补偿能力进行数值模拟分析和实验验证，他们研究
了预啁啾和改进型预啁啾，其传输距离在相同功率下分别是无色散补偿时的2倍和4倍
；光信号在5Gb/s速率上传输150km后只有0.6dB的恶化，200km后的恶化为1.8dB，而
在10Gb/s速率上传输100km后仅有小于1dB的恶化。当前的研究水平已达到付出1dB的
代价能在单模光纤上传输100km(无补偿时只能传输3.6km)。预啁啾技术补偿色散的特
点是无需对传输和接收的设备及线路作改动，只需在发送激光器上加一个额外的正弦
调制即可。但是它要求激光器的调频特性较好，即Δν/ΔI较大。预啁啾技术已较成
熟，具有一定的可升级性。
2.4　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之处为最高峰，在
两频率的光强错开之处为低谷。控制频率调制的大小使不同波长的光经过L距离后所产
生的时延差Δτ=ΔλDL=l/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或一个两门限判决器，从而得到恢
吹某跏际 信号。
　　阿尔卡特在法国SEL
AG研究中心用色散支持传输法成功地进行了10Gb/s信号无中继传输253km的实验。此
方法结构简单，技术成熟，且不必使用外调制器，造价较低，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和光纤传递函数，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。
2.5　频谱反转法
　　在非线性介质中，当输入频率为ω1、ω2、ω3的光(波矢分别为1、2、3)足够
强时，发生三阶非线性极化。当满足相位匹配条件Δ＝i+j+k+=0时，就会产生四波混
频并输出频率为ω＝ωi+ωj+ωk、波矢为K的光，其中i,j,k=1,2,3,j≠k。
　　在信号光(频率为ωs)传输一段距离之后，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，产生四波混频效应，这样输出光中有频率为ω＝2ω
p-ωs的成分，它使得ωs的高频分量转换为ω的低频分量，而ωs的低频分量转换为
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
小直至抵消原有的色散。
　　意大利、丹麦等国家研究高增益半导体光放大器、垂直腔表面辐射激光器的简
并与非简并四波混顿，通过位相共轭或波长转换等来实现色散补偿。研究表明：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，它与其它光器
件集成还可用于全光网，但对所用的大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。
2.6　光孤子传输
　　光孤子传输法是利用光的三阶非线性效应来补偿色散。当光纤中的光能量足够
大时，将产生自相位调制，其作用与色散作用恰恰相反，这就使得光脉冲的宽度在传
输过程中保持不变，形成光孤子传输。通常利用非线性Schrodinger方程来求解光孤子
传输的色散补偿。
　　日本、法国、德国、俄罗斯、中国等纷纷开展了孤子传输色散补偿技术的研究
，成功地实现了在几十到上百Gb/s的速率上、光孤子传输数十万公里，光脉冲得以压
缩。光孤子传输系统通常采用色散位移光纤，并在链路中加入大量的掺铒光纤放大器
补充足够的能量以维持其非线性效应，
因此系统的造价昂贵。另外，组成系统的各模块技术尚不成熟，这都影响着光孤子
传输色散补偿的广泛应用。1992年提出了色散配置孤子技术，即以多种色散补偿方案
进行组合对现有的光孤子通信系统进行升级，并得到有效的色散补偿效果。光孤子传
输色散补偿法特别适用于超长距离、超
高速的光纤传输网和全光网，它无疑是未来光通信系统的一个重要发展方向。
3　结论
　　我们除了研究以上六种主要的色散补偿方法及其机制、特点外，还从系统性能
的角度分析、比较它们的优缺点，即：啁啾光纤光栅法补偿距离长，成本低；负色散
光纤法易于升级但成本高；频谱反转法补偿距离长，而技术成熟性差；色散支持传输
法成本低，但升级能力差。以上五种色
散补偿技术均可直接用于常规光纤传输网，只须对现有的设备和线路进行很小的改
造。而光孤子传输法比较特殊，需要用新的系统结构来控制色散，对现有系统要作较
大的改动，因此这种方法适于系统更新换代时采用。
　　总之，现阶段的研究结果表明：啁啾光栅法、负色散光纤法采用的是无源器件
，它们应用方便，便于维护，更具有吸引力。从非线性考虑，负色散光纤法受影响大
，而啁纤光栅法可忽略其影响，因此啁啾光栅法最具有优势，它的实现方法简单可靠
，易与光纤兼容，补偿距离长，对极化
不敏感，非线性效应影响小，其制作技术成熟，成本低，便于系统全光化、集成化
，易于推广应用；另外，光孤子传输法对于超长距离的光纤色散补偿具有很好的发展
前景。这些方法经过进一步地实用化研究之后，可望在不久的将来在色散补偿技术发
展中显示出它们的优势。
　　光纤通信系统及技术的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。目前色散
补偿技术的理论、实验研究上仍处于探索、发展阶段，我们将继续为寻找更优化、更
实用的色散补偿方法和器件而努力。
国家“863”计划资助项目
作者单位:北京邮电大学光通信与光电信息处理研究所，北京　100876
参考文献
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