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          高速光通信系统色散补偿技术研究

          发布时间:2019-05-30 09:09

            为了满足人们对信息日益增长的需求,干线光通信系统正在朝长距离、高速率密集波分复用(DWDM)系统演进。此时,光纤的色散及非线性对系统的影响日益突出。光纤色散使光脉冲在传输中时域展宽,导致通信系统的误码增加,限制了系统的无中继传输距离。因此,如何经济有效的对色散进行补偿,成为人们研究的重点之一。随着光通信系统的进一步发展,当传输速率发展到10Gb/s,40Gb/s甚至更高时,就遇到了偏振模色散(PMD)的困扰。在普通的一阶色散和高阶色散均被补偿以后,如果不消除光纤及CFBG色散补偿器件的PMD,传输皮秒量级的光脉冲将很困难。CFBG的PMD情况已引起人们的重视。要想真正实现CFBG色散补偿的普通单模光纤高速、长距离传输系统走向实用化,色散补偿传输系统的PMD是一个重要问题。


            早在1978年,S.C.Rashleigh和R.Ulrich就发现光纤中的随机双折射会造成脉冲展宽,这种现象被称为偏振模色散(PMD:polarizationmodedispersion)。在以前的低速率光纤通信系统中,PMD的影响不是很明显,因为普通色散效应对系统的限制作用远远超过PMD的影响。但是随着色散补偿技术的出现与应用,在利用色散补偿光纤解决色散问题的光纤链路中,由于色散补偿光纤具有较小的面积,因此对纤芯的椭圆度比较敏感,通常具有较大的PMD系数。另外已经铺设的光缆大多数也具有比较大的PMD系数,此外光纤通信系统中的许多器件也都具有一定的PMD效应,随着系统速率的提高,PMD的限制性作用将会变得越来越明显。因此,要在现有的光纤上传输高速光信号,将系统升级到10Gbit/s甚至40Gbit/s以上,就必须考虑PMD的影响。


            至今为止,已经提出两种分析偏振模色散的方法:一种是基于由本地双折射分解非偏振光短脉冲模型(时域分析),利用干涉技术,直接测量在光纤输出端的输出脉冲的RMS宽度δτ或测量干涉位置而得出PMD;另一种是基于对高度相干的传输光的偏振主态模型(频域分析),通过分析测量的PSP之间的群时延差△τ。这两种模型导致不同的偏振模色散的定义,但它们的结果是一致的。


            色散补偿技术实用化程度最高的要数色散补偿光纤(DCF)和啁啾光纤光栅(CFBG)色散补偿色散补偿光纤。


            色散补偿光纤:


            通过改变光纤的剖面结构,可以设计出具有负波导色散值的光纤――色散补偿光纤,可采用两种设计方式:基模设计和高阶模设计。


            1)基模设计


            基模设计是使光纤的纤芯具有较小的内径和较高的折射率,在基模中实现大负色散和色散斜率。因此光纤的模场直径和有效面积非常小,典型的有效面积为15~20um2。。这种结构的特点是简单、易实现,但成本较高。


            2)高阶模设计


            高阶模设计是通过在接近截止波长处工作的LP11模的负色散进行色散补偿。同基模设计的色散补偿光纤相比,这种光纤的有效面积较大,从而可以降低光纤的非线性。但由于传输光纤中的基模和此光纤的高阶模之间模场分布不匹配,应用时需附加模式转换器。因此,虽然这种结构光纤的补偿效率高,但实现起来比较复杂,损耗也大。


            3)色散补偿光纤的新发展


            色散补偿光纤的研究重点就是设计光纤剖面结构,以获得负波导色散及色散斜率,不同结构可对不同的传输光纤进行色散补偿,色散补偿光纤的结构大致可分为三种类型,如图5所示。


            结构(a)是早期出现的单包层单纤芯结构,尽管这种设计能够在1550nm附近获得大负色散,却不能获得负的色散斜率(因为WDM多信道系统中各信道的色散略有不同,色散斜率补偿对于它来说是非常重要的)。因此,人们又开发出了结构(b)和(c),以期同时获得负的色散和色散斜率。结构(b)是简单的W型纤芯设计,这种结构的特点是能够获得大的负色散和色散斜率,缺点是由于其截止波长过低,光纤的弯曲性能恶化。为了改进这种设计,人们又在其外部增加了一层,以提高光纤的截止波长,改善光纤的弯曲性能,同时这种结构也更利于灵活地控制色散和色散斜率。


            啁啾光纤光栅进行色散补偿:


            啁啾光纤光栅的光栅周期沿光纤方向呈周期性线性变化,因此不同波长的光经过啁啾光栅时被反射的位置不同,这就出现了相对的时间差,使得这种光栅具有波长色散的特性。利用这一特性可以补偿光纤线路中的色散,所能补偿的色散量及带宽由光栅长度和啁啾量来决定。啁啾光纤光栅的光学特性主要由光栅的长度、纤芯区折射率调制强度和光栅的啁啾参数决定,光栅的反射带宽和色散特性主要由啁啾参数来决定。对同一长度的光栅来说,啁啾量越大,反射带宽越大,色散值越小。所以,通过均衡考虑这几个参数,我们可以得到所需的色散补偿量,这使得啁啾光纤光栅非常适合对DWDM系统的各信道分别进行补偿。


            中点谱反转法:


            中点谱反转法(MSSI,Mid-spanSpectralInversion)是利用半导体光放大器或光纤中的四波混频(FWM)过程实现频谱反转后,进行二次传输(在传输链路的中点将信号频谱共轭反转),从而使第一段光纤中产生的色散与第二段光纤中的色散抵消,实现色散补偿。此方法能部分补偿光纤的非线性效应,消除光纤中的自相位调制引起的失真,其成本虽与跨距无关,但过高。


            各种补偿方案的比较:


            啁啾光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、损耗低、对偏振不敏感;随着通信系统传输速率的提高以及DWDM技术的应用,啁啾光纤光栅更显示了色散量大、反射率高及反射带宽宽的特点,特别适合对DWDM系统各信道进行特定的补偿;而且光栅的体积小,可以很容易地安装于现有传输系统中,方便地进行全光通信的一维集成;同时它的工艺简单,造价又不高,可以根据传输距离灵活设计补偿量。所以,啁啾光纤光栅色散补偿是目前最有前途的一种色散补偿方案。显然,均匀光纤光栅色散补偿法也具有啁啾光纤光栅补偿法所具有的体积小、损耗低等优点,但由于这种方案是利用反射带隙附近很窄的波长范围进行补偿,性能很不稳定,这是它亟待克服的缺点。色散补偿光纤具有宽带的补偿能力,且性能稳定,但在器件小型化和加大传输距离方面有明显不足,损耗大、非线性强;为实现对不同信道的补偿,必须采用复杂剖面结构的色散和斜率同时补偿光纤,增大了工艺难度和成本。同上述两种方案相比,其他方案技术成熟程度较低,实用化的进程很缓慢,如虚像相位阵列法通带窄,对时延纹波过于敏感等,中点谱反转法系统结构过于复杂,有待于进一步改进。本文来自《光通信研究》杂志 

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