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色散补偿技术研究

作者:未知

  摘要色散已经严重制约了光纤通信系统向高速率、大容量、长中继距离的方向发展,因此各种色散补偿技术便应运而生。文章在分析色散及色散补偿基本原理的基础上,介绍了几种主流的色散补偿技术,包括色散补偿光纤、光子晶体光纤和电子色散补偿。
  关键词色散色散补偿色散补偿光纤
  
  一、引言
  随着Internet的迅速普及以及宽带综合业务数字网(B-ISDN)的快速发展,人们对信息的需求呈现出爆炸性的增长,这就使通信道路越来越拥挤,光通信是唯一的出路。但迄今为止,商用光纤通信系统的传输速率仍被限制在几十Gbit/s以下,从根本上阻碍了光纤通信的发展。限制光纤性能的两个重要因素是损耗和色散。光纤放大器的实用化解决了损耗问题,却同时加重了色散问题。随着比特速率的增加,色散已成为标准单模光纤传输距离超过100Km时的主要限制。因此如何利用色散补偿技术有效地控制色散成为国内外研究的热点。
  二、色散定义及其种类
  在光纤中信号是由很多不同的成分(如不同模式、不同频率)载荷的,而当信号到达终端时,不同成分之间出现时延差,从而引起信号畸变,这种现象统称为色散。对于数字信号,经光纤传输一段距离后,色散会引起光脉冲展宽,严重时前后脉冲将互相重叠,形成码间串扰。因此,色散决定了光纤的传输带宽,限制了系统的传输速率和中继距离。
  单模光纤中的色散主要是材料色散和波导色散。这两种色散的综合效应称为色度色散。
  三、色散补偿的工作机理
  色散补偿技术的概念可用脉冲传输方程来理解:
  
  式中,A是输出脉冲包络的慢变化幅度,z是传输距离, 是群速度色散(GVD)系数, 为三阶色散系数。当 时, 项可以忽略不计,求解方程可得输出脉冲包络的幅度:
  
  色散使光脉冲展宽是由相位系数 引起的,它使光脉冲经光纤传输时产生了新的频谱成分,各种色散补偿技术都试图取消该相位系数,以使恢复原来的输入信号。
  四、色散补偿技术方案
  目前,主流的色散补偿技术主要有:传统负色散光纤(DCF)补偿、光子晶体光纤(PCF)补偿、电子色散补偿等。本文将简述这三种色散补偿技术方案。
  (一)传统负色散光纤(DCF)补偿。
  色散补偿光纤(DCF)是具有大的负色散光纤,它是针对现已敷设的 标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。为了使已敷设的 光纤系统采用WDM/EDFA技术,就必须将光纤的工作波长从 转为 ,而标准光纤在 波长的色散不是零,而是正的(17―20)ps/(nm•km),并具有正的色散斜率,所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤进行色散补偿,以保证整条光纤线路的总色散近似为零,从而实现高速度、大容量、长距离的通信。
  DCF进行色散补偿是已铺设光纤线路升级时最常用的方法。它具有许多优点,DCF是无源器件,性能稳定,安装容易,有较宽的带宽,使用DCF可以很方便地对现在的系统进行升级等。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。
  (二)光子晶体光纤(PCF)补偿。
  光子晶体是八十年代末提出的一种利用光子带隙效应来导光的新材料,它是由不同介电常数的材料在空间上按照一定的周期性排列而形成的人工微结构材料。而光子晶体光纤是把光子晶体的概念引入到光纤中制成的新型光纤,是一种带有缺陷的二维光子晶体,通常由单一介质构成。
  PCF本身是一种良好的色散补偿光纤,通过灵活设计PCF的3个特征参数:纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔间距就可以获得很大的正色散或很大的负色散,或极宽波段的平坦色散PCF。
  PCF补偿有三个突出的优点:第1、可以在很大的频率范围内支持光的单模传输;第2、允许随意改变纤芯面积和模场直径,以消弱或加强光纤的非线性效应;第3、可灵活地设计色散和色散斜率,提供宽带色散补偿。
  (三)电子色散补偿。
  电子色散补偿(EDC)是一种近来受到重视的光纤色散补偿技术,其目的是扩展光纤线路无补偿传输的距离。EDC技术由于其小型化、低功耗和低成本的优点而逐渐受到更多的关注。EDC是基于电子滤波(均衡)技术进行光纤色散补偿的,它通过对接收光信号在电域进行抽样、软件优化和信号复原,有效地调整接收信号的波形,恢复由于色度色散、偏振模色散和非线性引起的光信号展宽和失真,从而达到色散补偿的效果。
  目前,已有实用的EDC模块,如Broadcom公司推出了一款BCM8105芯片,这一低功耗、高性能的EDC器件通过保持信号的完整性和高质量,延长了传输距离,提升了网络效率,因而可实现对现有企业和城域服务传输网进行无缝且高性价比的升级。
  随着高速宽带光传输系统的发展,色散及色散斜率的管理越来越重要,成熟的色散补偿技术还将推出新的功能,新的色散补偿技术也将不断涌现。
  
  参考文献:
  [1] Mynbaev Djafar K,Scheiner Lowell L,Fiber-Optic Communications Technology [M]. Beijing; Science publishing company,2002.
  [2]原荣.“光纤通信”,电子工业出版社,2010.p355
  [3]原荣.“光纤通信”,电子工业出版社,2010.p356
  

论文来源:《教育纵横》 2010年12期
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