光纤通信中的色散补偿实验仿真.docx

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光纤通信中的色散补偿实验仿真

光纤通信中的色散补偿实验仿真

摘要：

本文介绍了,光纤通信中色散补偿的概念、分类、影响及补偿方法,同时利用Optisystem软件仿真模拟了色散补偿光纤、FBG补偿、矚啾光纤光栅等色散补偿方案。

关键词：

光纤通信色散补偿Optisystem仿真

TheDispersionCompensationInOpticalFiber

Communication

YanlongYuan

（BeijingInstituteofTechnology,SchoolofOpto-electronics,

ElectronicScienceandTechnology）

Abstract:

Thispaperintroduces,theconceptzclassificationandtheinfluenceandthecompensationmethodsopticalofdispersioncompensationinfibercommunication,anduseOptisystemsoftwaresimulationthedispersioncompensationfiber.FBGcompensation,chirpopticalfibergrating,thedispersioncompensationscheme・

Keywords:

opticalfibercommunicationdispersioncompensation

Optisystemsimulation

目前”光纤线性通信已不能满足现在信息处理传输的要求,因为它存在看三个主要的缺陷：

其一是光纤的色散，其二是光纤损耗，其三是非线性。

低损耗光纤和掺钳光纤放大器的广泛应用解决了高速光纤通信系统的传输损耗问题。

光纤的色散又能有效抑制四波混频等非线性效应，因此，色散问题已成为光纤通信系统进行升级扩容的主要障碍。

受色散的影响，传输速率为10Gbit/s、光脉冲宽度为50ps的系统只能传输40km。

传输速率为80Gbit/s时，传输距离不足2km。

为了兼顾色散和非线性两种要素，人们提出了一种折衷方案，即将光纤的零色散点偏离1•55um窗口使之在1.55um波长处的色散不为零,约有2~6ps/km.nm的色散，这就是G.655光纤。

当光纤传输的速率较低、距离较短时，采用G、655光纤进行传输的办法是可行的。

但是，G.655光纤并没有解决色散问题,高速、长距离传输中仍然需要色散补偿。

并且由于其低色散,光纤的非线性效应使通道间距为50GHz的波分复用（WDM）系统很难实现。

而G.652光纤在1.55um窗口处的大色散可以有效的抑制非线性，通过色散补偿,实现通道间距为50GHz的WDM系统的传输毫无问题。

迄今为止，全世界铺设的光纤干线长达2亿公里以上,其中的80%为G.652光纤。

我国的八纵八横主要干线铺设的基本也都是G.652光纤。

随看全球信息业务量的迅猛增加,通信网络必然要进一步向高速大容量方向发展，开发已有光通信系统的潜力，在G.652光纤上开通高速系统，关键问题是色散补偿。

近年来，光纤通信正以日新月异的速度发展,高速率，WDM系统及EDFA已经商用，实验室中的WDM光纤通信速率已经达到了1000Gbit/s。

在采用级连EDFA的高速率和WDM系统中由于EDFA的出现,基本上解决了光纤损耗的问题,光纤的色散成为系统的重要限制因素。

2•色散及其分类2.1色散及其表示

由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中,因群速度不同互相散开,引起传输信号波形失真,脉冲展宽的物理现象称为色散。

光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变,从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。

色散简而言之就是不同频率的光在传输媒质中具有不同的群速度。

从机理上说,光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。

前两种色散由于信号不是单一频率所引起,后一种色散由于信号不是单一模式所引起。

（1）模间色散：

多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。

在发送机多个导模同时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。

（2）波导色散:

这是某个导模在不同波长（光源有一定的谱宽）下的群速度不同引起的色散,它与光纤结构的波导效应有关,又称为结构色散。

（3）材料色散：

这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化，而光源有—定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度。

（4）偏振模鱼散：

普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式,实际在单模光纤存在各种少量随机的不确定性，不对称性，造成了两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。

束电磁波与电介质的束缚电子相互作用的时候，介质的响应通常与光波

的频率3有关，这种特性称为色散，它表明折射率77（3）对频率的依附关系。

光纤的色散效应可以用波矢k或传播常数p与频率的关系来表示，即0（3）。

在中心频率30处将区3）展开得到：

（：

）1?

1O

0（0）=并（0）—=00+0l（e—©））+；02（e一5）+；03（"一“0）+…c26

式中/o=喷表示介质在中心频率30处的传播常数；0】=+唸），等于

群速度的倒数:

旳=7卩花+G荷丿表示群速度色散，和脉冲的展宽有关;B3为三阶色散参量。

2.2由二阶色散效应引起的脉冲展竞

当不考虑高阶色散效应时,光脉冲在单模光纤传输的NLS方程可表示为:

式中zA为脉冲包络的慢变振幅，T是随脉冲以群速度gv移动的参考系中的

时间度量。

T

T=—

引入一个对初始脉宽70归一化的时间量\同样,引入归一化振幅"，

A（z,t）=JPoU（z,t）。

当L<

利用分步傅里叶方法,当输入为高斯

脉冲时，可以得到图1:

TATo

图1光纤由色散所致的高斯脉冲展宽

点线表示z二0时，U（乙T）2的图形,实线表示z二2Ld时，U（乙T）2的图形，点划线表示z二4Ld时，U（乙卩的图形。

从上图可以看出，随看z的增加，高斯脉冲在逐渐展宽，其振幅在逐渐减小。

另外，脉冲的形状保持不变。

3•色散补偿技术

对于新敷设的高速和WDM光纤线路，可以采用非零色散位移光纤。

这种光纤在1.55微米处有非零，但很小的色散，既可以是正色散，也可以是负色散,若采用色散管理技术，可以在很长的距离上消除色散的积累，同时，对WDM系统的四波混频效率较低,有利于抑制非线性效应的影响。

具体的色散补偿方法有以下几种：

3.1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99%以上1550nm夕卜调制光纤干线/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夕卜调制光纤干线/超干线传输光纤的色散得到较好的补偿。

但是，一般的1550nm夕卜调制光纤干线/超干线长距离传输系统中所使用光发射机的光波长围较大，可达20nmo此夕卜,随菴在1550nm夕卜调制光纤干线/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。

其基本原理是通过对光纤的芯径及折射率分布的设计利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于1.55微米,即在1.55微米波长处产生较大的负色散，这样当常规光纤和色散补偿光纤级联使用时,两者将会互相抵消。

若用Ds和De分别表示常规光纤和色散补偿光纤在入1处的色散系数丄s和Lc分别表示常规光纤和色散补偿光纤的传输距离,则当满足

些+怀£=0

时,群时延色散被补偿，当满足

2厶（4幻+型厶以―4）=0

时，二阶色散被补偿。

式中D2和DJ是Ds和De的微商。

以G.652光纤1550nm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.kmo假设宽带色散补偿器件对所有C-band信号的色散补偿量是—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夕卜调制光纤干线/超干线长距离传输系统或CWDM/DWDM1550nm夕卜调制光纤干线/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，使1550nm夕卜调制光纤干线/超干线长距离传输系统中色散斜率问题得到较好的解决。

斜率补偿型DCF的优点是带宽不受限制，产品供应商多，稳定性高。

目前,斜率补偿DCF模块已获广泛应用，在全球围，它是1550nm夕卜调制光纤干线/超干线长距离传输系统实现色散补偿的首选方案。

它的缺点是非线性效应较明显，输入光功率不能过高，插入损耗较大。

此夕卜,

DCF制成的DCM色散量不可调,而且不同类型的光纤需要不同类型的DCF。

图2用负色散的色散补偿光纤对正色散标准单模光纤的色散进行补偿

3.2碉瞅光纤光栅（CFBG）色散补偿

采用适当的光源和光纤增敏技术，几乎可以在各种光纤上不同程度地写入光栅。

光纤光栅就是光敏光纤在选定波长光照射后形成的折射率呈固定周期性分布的一种无源光器件。

光纤光栅进行色散补偿的示意图如图5所示。

光波经过光栅后起到色散均衡的作用,从而实现色散补偿。

其基本原理是:

碉啾光纤光栅中，谐振波是位置的函数,因此不同波长的入射光在碉啾光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延,短波长分量经受的时延长，长波长分量经受的时延短，光栅所引入的时延与光纤中传输时造成的时延正好相反，二者引入的时延差相互抵消,使脉冲宽度得以恢复。

图6为光纤光栅的反射谱和时延曲线。

可以看到带宽围的时延曲线基本为一条直线,其斜率就是该光纤光栅所能补偿的色散量。

hr

图3碉啾光纤光栅色散补偿原理

图4用光环形器将碉啾光栅的反射信号分离出来

碉啾光纤光栅与现有光纤系统兼容性好,具有较低的传输损耗和插入损耗,色散补偿量大，能够实现光纤色散和色散斜率的同时补偿，折射率调制可以根据需要来通过不同的曝光过程加以控制,且价格低廉,易于大批量生产。

因此,碉啾光纤光栅色散补偿器已被公认为具有很好应用前景的色散解决方案。

目前，光栅的温度漂移、时延纹波、光功率波动和包层模附加损耗大等，是实现光纤光栅色散补偿实用化系统必须解决的几个主要问题。

OFC'2003上,有多篇文章谈到了光纤光栅色散补偿补偿器的研究，对以上几个问题都已经提出了多种行之有效的解决方法。

33色散支持传输法

这是一种新的传输方式，它也利用激光器的调频特性,采用频移键控的调制方式，先对激光器进行频率调制，当注入电流按二进制NRZ码变化时,电流的变化引起光功率光频率的变化。

不同频率的信号在光纤中的传播速率不同，在接收端信号产生重尋，控制频率调制深度使At二1/B,At是延迟的时间，B是传输的速率,于是,调频信号变成了调幅信号,在接收端采用积分器或低通滤波器和一个判决电路，即可恢复出原始信号。

3.4频谱反转法

频谱反转法也称相位共扼法，它利用光纤中的非线性效应实现频谱反转之后进行二次传输，从而和第一段光纤的色散相抵消，利用此法不仅可以抵消色散，还可以补偿造成的脉冲形状失真的其他因素，如自相位调制等。

此法的优点是可以实现大容量长距离的色散补偿,且损耗较小;缺点是设备比较复杂,且对激光器频率的单一性要求比较高。

4•实验仿真4.1.Compensationofdispersionidealdispersioncompensation（理想色散补偿元件的色散补偿）

如图5所示利用OptiSystem设计这样的布局对其色散补偿进行仿真和分析。

对初始时的脉冲波形，以及经过10km非线性色散光纤或的脉冲波形,以及最后经过FBG色散补偿器后的脉冲波形进行检测和分析，从而设计和改善系统中的色散补偿性能。

OpticalTimeConanYtsuaee2

OptcaiGoejtrjfrAnalyzer1

图5理想色散补偿元件的色散补偿布局图

而该布局中的关键元件:

FBG色散补偿器的属性设定可参见下图6:

IdealDispersionCompensationF3GProperties

图6FBG色散补偿器的属性设定图

各元件的参数设定好后,运行模拟，然后我们可得到以下一系列结果。

在40Gb/s码率?

口0.5TimeBitSlot的系统中，由OpticalGaussianPulse

Generator产生的初始脉冲宽度约为35ps。

（见图7）

产生的光信号入纤传输，经过了10km的单模光纤后其脉冲宽度由于色散

展宽约为160ps。

（见图8）其脉宽将近增宽了4倍于初始的宽度。

为了对这个色散导致的脉冲失真进行复原和补偿,这里使用了一个FBG色散补偿元件来对脉冲波形进行复原。

其中色散补偿值可以调节,这里设为-160ps/nm。

经过模拟后,我们可在OpticalTimeDomainVisualizer中观察经补偿元件后的脉冲波形（图9）可以看到经过补偿后的脉冲宽度复原到初始状态。

11OpticalTimeDomainVisualizer1

DblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag

图7入纤前光脉冲的波形图

曹OpticalTimeDomainVisualizer2

DblClickOrObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag

图8经过10km后的脉冲波形图

鱼OpticalTimeDomainVisualizer3

DblClioKonObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag

图9经过色散补偿器的光脉冲波形

可见，模拟出的结果和我们经计算预期的结果相当一致，这也为我们对提供的色散补偿元件的性能做了很好的性能测试和模拟。

4.2CompensationofdispersionOptiGrating（光栅色散补偿）

脉冲在单模光纟千中传输时，由于光纤反常色散的影响，脉冲的前沿频率蓝移,厚颜频率红移。

在碉啾光纤光栅中,红移分星在光栅近端被反射,而蓝移分呈在远端反射,因此利用碉啾光纟千光栅可以进行色散补偿。

如图10所示,用碉啾光纤光栅色散补偿设计这样的布局对其色散补偿进行仿真和分析。

对初始时的脉冲波形，以及经过10km非线性色散光纤或的脉冲波形，以及最后经过FBG色散补偿器后的脉冲波形进行检测和分析,从而设计和改善系统中的色散补偿性能。

图10理想色散补偿元件的色散补偿布局图

和上一例区别为将理想色散FBG改为矚啾光栅。

Time（s）

图11入纤前光脉冲的波形图

图12经过10km后的脉冲波形图

Label:

[FiberBraggGrating

Cost$:

I0.00

IvliainApodization

Simulation

Noise|

Disp

Name

Value

Units

F.lade

r

Numberofsegments

101

Normal

r

胡3x・numberofspectralp

1000

Normal

Chirp[Calculation

I-•:

;

MainApodizationChirp

*••••••••••••••••••••••

1CalculationSimulation

Noise

Disp

Name

Value

Units

Mode

一

Chirpfunction

None

Normel

r

Linearparameter

0.0001

um

Normal

r

Quadraticparameter

0.0001

um

Normal

r

Squarerootparameter

Q.QQQ1

um

Normal

r

Cubicrootparameter

0.0001

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Normal

r

Chirpfilename

ChirpPeriod.dat竺］

Normal

Cost$:

0.00

Label:

|FiberBraggGrating

Label:

|FiberBraggGratingCo$t$:

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\Main^ApodizationChirp

CalculationSimulationNoise

Disp

Name

Value

Units

Mode

Frequency

193.1

THz

Mormal

r

Effectiveindex

7.45

Mor/nal

r

Length

6

fnm

Mor/nal

图13参数设置

Time（§）

图14经过色散补偿器的光脉冲波形

产生的光信号入纤传输,传输前脉冲波形见图11,经过了10km的单模光纤后其脉冲宽度由于色散展宽（见图8'其脉宽将近增宽了4倍于初始的宽度。

为了对这个色散导致的脉冲失真进行复原和补偿经过模拟后我们可在Optical

TimeDomainVisualizer中观察经补偿元件后的脉冲波形（图14）可以看到经

过补偿后的脉冲宽度大致复原到初始状态。

43Dispersioncompensationprepostsymmetrical（利用

DCF进行色散补偿）

图15利用DCF均匀色散补偿布局图

发送端,发出10Gbit/s的强度调制信号f经的EDFA放大后经过的单模光纤传播,单模光纤的色散系数为17ps/（nm*km）。

BEyeDiaaramAnalyzer_1

DMCbekOn0beetstoooendcoxwMoveObjectswmWouieDao

图16丰M尝前的眼图

图17经过DCF补偿后的眼图

由补偿前补偿后的眼图可以比较得出，经过DCF补偿后的眼图效果明显变好，色散补偿效果显著。

参考文献：

[1]王铁军，黄德修•色散补偿技术的最新逬展•中国科技核心期刊.2003.9

[2]原荣•色散补偿技术及其进展•光通信技术.2002.4

[3]林晓静•色散补偿技术原理及现有解决方案分析.中国科技论文在线.2005.

[4]翟莉•色散补偿技术研究