单模光纤的色度色散及其测量和补偿技术_精品文档.pdf
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?
收稿日期:
2003-12-28?
作者简介:
刘桂香(1976-),女,湖南邵阳人,硕士研究生,研究方向为光电技术及其应用.第17卷第2期2004年6月海南师范学院学报(自然科学版)JOURNALOFHAINANNORMALUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vol.17?
No.2Jun.2004文章编号:
1671-8747(2004)02-0137-07单模光纤的色度色散及其测量和补偿技术刘桂香,熊建文(华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510631)摘?
要:
光纤色度色散是限制光信号传输速率和传输距离的主要因素之一,也是目前高速光通信系统中迫切需要解决的问题.介绍了单模光纤的色散组成,详细推导了描述色度色散的脉冲展宽的计算公式,分析了调相位法测量色度色散的过程,解析了进行色度色散补偿的必要性,给出了啁啾光纤光栅进行色度色散补偿的原理,并对单模光纤的发展动态做了阐述.关键词:
色度色散;群时延;脉冲展宽;啁啾光纤光栅中图分类号:
TN929?
文献标识码:
A1?
单模光纤的发展回顾通信用单模光纤的进步从降低损耗和降低色散开始,不断减少线性效非线性效应对传输信号的影响,提升和改进产品质量.20世纪70年代末到80年代初,普通单模光纤(ITU?
TG.652)研制成功。
从衰减尽可能小的方面看,10Gbit/s及其以上速率的系统应工作在1550nm窗口,但G.652光纤在该窗口的色散太大,达到1720ps/nm?
km,无中继传输距离被限制在7080km左右.1983年,普通单模光纤商用化,色散位移单模光纤(ITU?
TG.653)研制出来,它的零色散位于1550nm.1985年以后,色散位移单模光纤商用化,大量用于长距离、大容量的通信干线系统.为使光纤在1550nm窗口的衰减及色散均较小,以适应新一代使用掺耳光纤放大器(EDFA)和密集波分复用(DWDM)通信系统的需要,1993年以后,先后研究出了色散补偿光纤和非零色散位移单模光纤(ITU?
TG.655),在1550nm波长上有一定范围的小色散,色散的下限保证足以抑制四波混频,色散的上限保证允许10Gb/s的单通道能传输250km以上,而无需色散补偿1.1995年前后,通过对长波长宏弯损耗的改善,开拓了15651625nm的第4窗口.1998年,朗讯公司通过采用新的制棒技术消除了1385nm附近的OH?
引起的衰减峰,打开了13601460nm的第5窗口.1999年以后,又陆续推出了许多新型单模光纤品种,它们的共同特点是衰减、色散均较小,虽然如此,色散仍然是限制长距离、大容量系统的重要因素.2?
单模光纤的色散组成从单模光纤的发展可以看出,色散是单模光纤优化设计时必须考虑的一个关键因素.由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度,因此,色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽.光纤的色散现象对光纤通信极为不利.光纤数字通信传输的是一系列脉冲码,光纤在传输中的脉冲展宽,导致了脉冲与脉冲相重叠现象,即产生了码间干扰,从而形成传输码的失误,造成差错.为避免误码出现,就要加大脉冲间距,导致传输速率降低,从而减少了通信容量.另一方面,光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重.因此,为了避免误码,光纤的传输距离也只能缩短.单模光纤的色散可分为3种2:
1)材料色散:
含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时,不同波长的电磁波会导致传输介质的折射率不相同,传输速度不同就会引起脉冲展宽,导致色散.2)波导色散(又称结构色散):
是由光纤的几何结构决定的色散,其中光纤的横截面积尺寸起主要作用.光在光纤中通过芯与包层界面时,受全反射作用,被限制在纤芯中传播.但是,如果横向尺寸沿光纤轴发生波动,除导致模式间的模式变换外,还有可能引起一小部分高频率的光线进入包层,在包层中传输,而包层的折射率低、传播速度大,这就会引起光脉冲展宽,从而导致色散.3)偏振模色散(PMD)(又称光的双折射):
单模光纤只能传输一种基模的光.基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成.若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等,HE11x和HE11y存在相位差,则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振,就会产生双折射现象,即x和y方向的折射率不同.因传播速度不等,模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化,从而会在光纤的输出端产生偏振色散3.PCVD(管内法)工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散(PMD),且具有瞬时性,其值随光纤所处的环境变化而发生波动.在DWDM传输系统中,影响长度干线上单模光纤传输特性的色散主要有两种:
材料色散和波导色散,统称为色度色散.3?
色度色散的描述?
脉冲展宽色度色散除了与光纤的类型、性能、长度有关外,还与光源的谱宽有关,色散大小可由色散引起的脉冲展宽来描述,脉冲展宽可由色散引起的群时延对波长的微分再乘以光谱展宽而得到.3.1?
材料色散的脉冲展宽材料色散的产生是因为折射率n(?
)是光波长?
的函数,而模式的群速度vg是折射率的函数,所以模式中不同频谱分量的传播速度也是波长的函数.设有一个平面在无限延伸的电介质中传播,介质的折射率与纤芯的折射率相同,则其传播常数为?
=2?
n(?
)?
.
(1)将
(1)微分可得d?
d?
=2?
2dn(?
)d?
-n(?
).
(2)设传播距离为L,而k=2?
则dk=-2?
2d?
那么一个频谱在传播方向单位距离上所经历的群时延表达式为?
g=1vg=1cd?
dk=-?
22?
cd?
d?
.(3)把
(2)代入(3)得材料色散引起的群时延138海南师范学院学报(自然科学版)?
2004年?
mat=1cn(?
)-?
dn(?
)d?
.(4)在光谱展宽为?
时,因材料色散而引起的脉冲展宽?
mat可由材料色散引起的群时延对波长的微分再乘以?
而得到?
mat=d?
matd?
=?
c?
d2n(?
)d?
2.(5)显然材料色散引起的脉冲展宽与波长的函数,它与波长以及折射率对波长的二阶导数成正比,在整个波长范围内可能是正值,也可能是负值.在高纯石英材料制成的光纤中,当传输光波长?
=1.3?
m时,材料色散为零;而当?
1.3?
m时材料色散为正值4.要减小材料色散,应尽量选用光谱带宽很窄的光源.LED、LD以及动态单频激光器(DFB、DBR等)的谱宽依次变窄,而色散明显地减小.如果使用光谱宽度小(大约1nm)的激光二极管,光纤就可维持高的带宽,而使用LED(谱宽约40nm)将大大降低系统带宽,从而影响传输容量.3.2?
波导色散的脉冲展宽为分析波导色散对脉冲展宽的影响,可以近似认为光纤的折射率与波长无关.设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,为使计算具有一般性,引入归一化常数b=(?
/k)2-n22n21-n22.(6)由于n1?
n2,则相对折射率差?
=n12-222n21?
(n1-n2)/n1?
(n1-n2)/n2,且非常小,因而由(6)有?
n2k2?
b+1?
n2k(?
b+1),(7)d?
dk=n2+n2?
d(kb)dk.(8)把(8)代入(3)可得波导色散的群时延?
wg=1cn2+n2?
d(kb)dk.(9)当纤芯直径为a时,由于归一化频率为V=ka(n21-n22)12,(10)则由(6)和(10)联立可得d(kb)dk=d(Vb)dV.(11)将(11)代入(9)有?
wg=1cn2+n2?
d(Vb)dV.(12)在光谱展宽为?
时,因波导色散而引起的脉冲展宽?
wg可由材料色散引起的群时延?
wg对波长的微分再乘以?
而得?
wg=n2?
Vc?
d2(Vb)dV2.(13)由(13)可得波导色散引起的脉冲展宽是归一化频率的函数,它与归一化频率成正比,与归139第2期?
刘桂香等:
单模光纤的色度色散及其测量和补偿技术一化常数和归一化频率的乘积对归一化频率的二阶导数成正比.对于常规的单模光纤,其波导色散一般是负值.若不考虑材料色散和波导色散之间的相互作用,结合(5)和(13),可得光谱展宽为?
时,在L的传播路径后由于色度色散而引起的脉冲展宽?
为材料色散而引起的脉冲展宽?
mat和波导色散而引起的脉冲展宽?
wg之和:
?
=d?
d?
=?
Lc?
d2n(?
)d?
2+n2V?
d2(Vb)dV2,(14)其中:
定义?
d2n(?
)d?
2+n2V?
d2(Vb)dV2=D(?
)为色度色散系数,单位为ps/nm?
km.总线路的色散值为D(?
)、光纤总长度L(km)、光源谱宽三者的乘积.当?
1.3?
m时材料色散为正值,而波导色散为负值,所以在波长附近,就有可能使材料色散和波导色散在数量上达到平衡,从而消除色度色散.已得知纯二氧化硅光纤在1310nm处色散近似为零.4?
色度色散的测量?
调制相位法测色度色散为衡量单模光纤的传输质量,需要知道其色散值,但用(14)去计算色度色散值不是实际可操作的事情,因此,本文提出一种调制相位法测色度色散的方法,其原理框图如图1所示.电信号发生器通过外置调制器对窄带可调光源进行强度调制,光电二极管检测出可调信号以后,再使用矢量电压表测量接收信号相对调制电信号源的调制相位,在所传输信号的频谱范围内,波长每隔?
测量相位一次,使用这种测量方法可在任意相邻波长上进行测量,从而得到相邻间隔之间的群时延差?
=?
+?
2-?
-?
22?
fm?
106(ps).(15)图1?
调制相位法测色度色散的原理框图140海南师范学院学报(自然科学版)?
2004年式中?
是波长间隔内的中心波长;fm是调制频率,单位为MHz;?
是待测波长的调制相位,单位是度.标出数据点可得群时延随波长变化的曲线图关系图?
再由曲线坐标通过线性拟合可得?
与?
的函数关系式?
=f(?
),把d?
=d(?
)=df(?
)代入(14)中可得脉冲展宽?
=df(?
)d?
(16)再由(16),便可得到色度色散的脉冲展宽.5?
单模光纤的色度色散补偿?
啁啾光纤光栅补偿技术对于最常用的G.652光纤,在1550nm传输波长附近的色散系数约为17ps/nm?
km.所以640km光纤所累积色散量约为11000ps/nm,这基本上达到了2.5Gbps传输速率的色散容限(当单信道速率提升至10Gbps,外调制10Gbps光信号的色散容限典型值约为1000ps/nm).因此对于无色散补偿的G.652光纤,色散受限距离是60km,这远小于20dB容限所允许的640km的传输距离,表明此时传输是色散受限的.为了提高系统的整体性能,尽可能地减小光纤色散对传输指标的影响,色散补偿技术尤为必要.色散补偿的基本原理是使用一个或多个大的负色散器件对光纤的正色散实施抵消,从而使系统的总色散量减小.目前实用的色散补偿技术主要有色散补偿光纤(DCF-DispersionCompensatingFiber)、光纤光栅(FiberBraggGrating)和F-P腔或G-T腔宽带色散补偿器(Dis?
persionCompensatingModule)7.常用的方案是采用色散补偿光纤,但色散补偿光纤价格更高,而且每km色散补偿值仅约为100ps/nm,因而需要较长的色散补偿光纤才能抵消光纤在1.55?
m波长处的色散.这样一来无疑会使线路的损耗增加,同时存在体积大、引入大的额外衰减、易产生非线性效应等严重问题,因此又需要掺铒光纤放大器来进行损耗补偿.可见,采用这种补偿方案的代价较大,并且色散补偿光纤不能完全消除高阶色散.目前色散补偿基本上选用后两者,其中光纤光栅色散补偿器是高速大容量通信系统色散补偿的关键器件6.根据Elec?
troniCast的统计与预测,全世界现有色散补偿器中DCF占89%,光栅、VIPA等模块占11%,到2009年DCF占26%,光栅、VIPA等模块占74%.在色散补偿模块的不同技术方案中,啁啾光纤光栅技术较为成熟.利用啁啾光纤光栅对光纤的色
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- 单模 光纤 色度 色散 及其 测量 补偿 技术 精品 文档