维普资讯 http://www.cqvip.com 世界电伯 ｜ｌ ＃ 薯强冬掌茸￡ 鹭 藩 雾｝ 霉 雾擎零 尊； ｉ霉篱爹雾霉鬟 霉纂誊琴簿 ｔ謦 雾甓？ｉ手罄ｊ零肇蹩 謦零 ２００２年第７期 光通信 舰 ＝嘧［ 缸 衄 删 蕊础锄 掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）、波分复用和光纤色散补偿技 术是建立ＤＷＤＭ全光传输网的核心技术，目前ＥＤＦＡ和波 潘小龙 张劲松 分复用器件的技术都已经发展的比较完善，光信号放大和 不同波长光信号的分离已经变得次要。随着光通信系统的 进一步发展，光纤色散已经成为光信号传输速率和传 输距离的关键因素之一，是目前高速光通信系统中迫切需 要解决的问题，近年来人们不断尝试新的色散补偿技术，以 解决光纤色散带来的负面影响。 摘要：光纤色散是光信号传输速率和传 输距离的关键因素之一，是目前高速光通信 系统中迫切需要解决的问题。本文介绍了色 散补偿光纤、啁啾光栅、高阶模色散补偿器 以及ＶＩＰＡ等四种色散补偿技术的原理、技 光纤色散 光脉冲在光纤中传输，不同模式和不同频率的光的传输 速率不一样，这个现象就称为色散。多模光纤的色散主要表 现为不同模式之间的传输速率不一样，称为模式色散。在单 模光纤中只存在单模，因此不存在模式色散，由于激光光源 发出的光存在一定的带宽，不同频率的光也会以不同的速 术特点以及国内外研究情况，现在不同的色 散补偿技术正逐步成熟并走向应用，基于系 统的需要，色散补偿器件在向宽带、可调谐 方向发展。 主题词：光纤色散 色散补偿 色散位移光纤 Ａｔｔｒａｃｔ：Ｆｉｂｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｌｉｍｈ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａ１．１１１ｅ 率传输。单模光纤的色散主要有两种：一是二氧化硅的介电 常数和折射率随着光频率变化，称为材料色散；二是即使折 射率与光频率无关，传播常数也会随着光频率变化，称为波 导色散。另外由于单模光纤不是规则的圆柱形或横向折射 率分布不完全对称，光纤中存在的两个主偏振态的传播速 ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａ・ ｔｕｓ ｎａｔｉｖｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ：ｉｎｇ，ＤＳＦ，ｃｈｉｒｐ ｇｒａｔ－ ＨＯＭ ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ａｎｄ 率出现随机性的变化，引起偏振模色散（ＰＭＤ），不过新一代 光纤通过工艺的改进，可以有效的抑制ＰＭＤ。 ＶＩＰＡ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｎｏｗ。 ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ 目前光传输系统用到的光纤主要有常规单模光纤 Ｇ．６５２、色散位移光纤（ＤＳＦ）Ｇ．６５３以及非零色散位移光纤 （ＮＺ—ＤＳＦ）Ｇ．６５５，其中Ｇ．６５３光纤的零色散位置在１．５５ｕｒｎ 附近，不适合用来传输Ｃ波段ＤＷＤＭ信号。早期的ＮＺ—ＤＳＦ 色散值比较小，承载ＤＷＤＭ信号时非线性现象比较严重，于 是康宁和朗讯分别研制出了新一代的大有效面积ＬＥＡＦ光 纤和低色散斜率的Ｔｒｕｅｗａｖｅ ＲＳ光纤，适用于高速或超长 ＤＷＤＭ光传输系统，色散略高于早期的ＮＺ—ＳＭＦ，有效面积 ．—ａｒｅ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｌｌｍｌｔｔｎ＇ｅ ａｎｄ ｂｅｉｎｇ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． ｍｅｎｔｓ，Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅ— ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｅｏｍｐｅｎｓａｄｏｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｏｗａｒｄｓ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｎｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｅｒｍｓ：Ｆｉｂｒｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ＤＳＦ ４１．— 嚣善 黟 簿 攀誊霉鬻一一！墨 ‘努謦 墓 一 ，誓 维普资讯 http://www.cqvip.com —２００２—．Ｎｏ．７ 圈 表１ 光纤的色散容限（单位：ｐｓ／ｎｍ） 传输速率 ２．５Ｇ １０Ｇ ４０Ｇ 损耗的比值）来衡量色散补偿光 色散容限 １２ ０００—１６ ０００ ８ｏｏ一１ ５ｏｏ ５０￣ｌ００ 几种色散补偿技术 目前人们提出了许多 色散补偿技术，如色散补 偿光纤、色散补偿光纤光 纤的补偿能力，ＤＣＦ品质因素越 大越好，目前商用水平可以达到 １０５ ｐｓ／ｎｍ／ｄＢ。 对于１０Ｇ及以下速率的光 传输系统，ＤＣＦ主要用来补偿常 规单模光纤的正色散，近来随着 １０Ｇ超长系统以及４０Ｇ系统的 注：实际色散容限还取决于激光器的光谱带宽 以及接收机的灵敏度 栅，高阶模色散补偿器以 及ＶＩＰＡ（Ｖｉｓｕａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｈａｓｅ Ａｒｒａｙ）器件等，用来补偿常 发展，国外不少公司正致力于研 扩大到常规光纤的１．５～２倍，可 规ＤＳＦ和ＮＺ—ＤＳＦ的色散 以有效抑制光纤的非线性效应。 和色散倾斜。目前应用最为广泛 表１列出了不同速率光传输 的是色散补偿光纤（也称作负色 系统的色散容限，可以看到随着 散光纤），但其他几种技术，都有 传输速率由２．５Ｇ向４０Ｇ不断提 各自的技术特点和优势，前景非 高，系统的色散容限急剧下降。 常看好。 在常规ＤＳＦ上传输１０Ｇ光 １．色散补偿光纤（ＤＣＦ） 信号，每７０～９０公里左右就要进 对于常规单模光纤，当入射 行色散补偿，如果在ＮＺ—ＤＳＦ上 波长（大于１．３ｕｍ时，材料色散是 传输，几百公里才需要，因而对 正的，而波导色散是负的，于是 于短距离的１０Ｇ系统，在常规 在某个波长两种色散相互抵消， ＤＳＦ传输就可以了，对于超长 这个在１．３ｕｍ附近的波长即对 １０Ｇ ＤＷＤＭ在新一代ＮＺ—ＤＳＦ 应于零色散波长。色散补偿光纤 上传输比较合适。如果采用常规 是通过控制石英搀杂量以及光 单模光纤来传输４０Ｇ光信号，传 纤结构设计，使光纤的材料色散 输３～６公里后就要进行色散补 和波导色散相加后零色散波长 偿，这很不现实，因而传输４０Ｇ 移到大于１．５５ｕｍ的位置，从而 光信号一般需要采用ＮＺ—ＤＳＦ。 在１．５５ｕｍ附近有较大的负色 由于４０Ｇ系统色散容限很小，即 散。ＤＣＦ按结构分有阶跌型、Ｗ 使采用ＬＥＡＦ光纤和ＴＲＵＥ— 型、三包层型和多包层型，其中 ＷＡＶＥ ＲＳ光纤来传输４０Ｇ信 三包层型色散补偿光纤性能最 号，这两种光纤的色散倾斜也需 优。 要进行补偿；在４０Ｇ的系统中， ＤＣＦ的损耗较大，约１ｄＢ／ 环境因素的变化也会造成色散 ｋｍ，通常与ＥＤＦＡ一起使用，ＤＣＦ 量大小的随机波动，因而还要求 典型色散值为一９０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ，原 色散补偿模块是可调谐的。另外 则上ＤＣＦ可以放在中继的任何 在４０Ｇ系统中偏振模色散 位置，不过一般放在ＥＤＦＡ的前 （ＰＭＤ）也是一个比较棘手的问 面，因为ＤＣＦ的芯径比常规单模 题。因此对于４０Ｇ光传输系统， 光纤小，经ＥＤＦＡ放大的光脉冲 随着色散补偿模块用量的增多 能量很强，在ＤＣＦ中容易产生非 和色散补偿难度增大，如何管理 线性效应，不仅减弱了ＤＣＦ的补 色散是４０Ｇ光传输系统一个非 偿作用，还会恶化系统性能。在 常关键的技术问题。 应用中通常用品质因素（色散与 一４２一 究新的ＤＣＦ来补偿ＮＺ—ＳＭＦ的 色散和色散倾斜，以及开发新型 的色散补偿光纤。 朗讯、康宁这些光纤生产厂 家正对他们的ＮＺ—ＤＳＦ光纤研制 新一代的色散补偿光纤，朗讯目 前研制的ＤＣＦ在Ｃ波段色散与 色散倾斜的比值可以达到１５０～ ｌＯＯｎｍ，以补偿ＴｕｒｅＷａｖｅ光纤色 散倾斜达到６０％～１００％的要求； 康宁研制的ＤＣＦ的色散与色散 倾斜的比值也可以控制在９０～ ５０ｎｍ，对ＬＥＡＦ光纤色散倾斜在 ６０％～１００％的范围进行补偿。 最近，由法国利摩日ＩＲＣ０Ｍ 公司、尼斯ＬＰＭＣ公司以及印度 新德里ＩＩＴ研究所合作的一个研 究小组宣布，他们已研制成一种 在１．５５ ｍ波长处色度色散达一 １８００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ的光纤，据说这 是迄今报道的最大负色散值。这 种光纤类似于三包层色散补偿 光纤，不过它的芯层有两层，中 央的纤芯高度掺杂，而且很细， 而外部纤芯比较粗，且轻度掺 杂。ＩＲＣＯＭ研究小组的成员说， 只要几十米的这种光纤就能补 偿几十公里标准单模光纤的正 色散，主要优点是它对温度或振 动不敏感，传输损耗与常规单模 光纤接近，只是与单模光纤连接 时有比较大的连接损耗。目前他 们正在研究与这种光纤相关的 簟ｉ霉一善０簟 维普资讯 http://www.cqvip.com ｉ≯ 世界电伯—２００２￣—７ 推出了啁啾光纤光栅产品，如加 拿大的ＪＤＳＵ，英国的南安普敦 光通信 传输损耗、弯曲损耗和连接损耗 问题，并设法将连接损耗降到１～ ２ｄＢ以下。一旦这种新型的色散 ４．ＶＩＰＡ器件 这项技术是利用微光学器件 来达到色散补偿目的，它让不同 等，他们推出的产品可调谐，可 以用在１０Ｇ甚至４０Ｇ系统中对 补偿光纤实用化，可以大大降低 色散补偿模块的成本。 ２．线性啁瞅光纤光栅 波长的光传输的路径长度不一 样，从而达到符合要求的群时 延。 单个信道进行色散补偿。 ３．高阶模色散补偿器 线性啁啾光纤光栅是一种非 常有效的色散补偿器件，它的体 积小，与光纤连接方便，通过设 计可以使色散为负也可以为正， 比较容易实现可调谐，因此利用 啁啾光纤光栅进行色散补偿非 常灵活，并一直被人们看好。不 高阶模（ＨＯＭ）色散补偿器 是２０世纪９０年代初提出来的， 它将常规单摸光纤中的ＬＰＯ１模 通过模式转换器变为ＬＰｌｌ模， 由于１２ｌｌ模在光纤中的功率大 小依赖波长，当波长逐渐增大， 该技术通过控制三维反射镜 镜面不同位置的凸、凹，使不同 波长的光在不同的位置得到反 射，得到负的或正的色散，这与 光纤光栅原理很相似。ＶＩＰＡ技术 可以进行宽带补偿以及色散倾 斜补偿，还可以实现对单个信道 的调谐，ＶＩＰＡ的关键是三维反射 镜的制作及封装技术。 美国Ａｖａｎｅｘ和日本的富士 通公司早在１９９８年就进行 了ＶＩＰＡ的研究，在众多色散补 偿技术中只有该项技术可以实 现宽带补偿并且可调谐，这也是 ＶＩＰＡ技术被看好的原因之一。目 接近ＬＰｌｌ模截止时，纤芯中的 ＬＰｌｌ模功率逐渐变小，大部分的 功率进入包层，又由于光纤包层 过单个光纤光栅只能同时补偿 单个或几个信道的色散，假如要 实现宽带补偿，则要求研制出性 能可靠的长度超过１０米的光 栅。尽管也有过补偿范围达到 ２０ｎｍ啁啾光栅的报导，却并没 有提到它的性能稳定性，要解决 的折射率低于纤芯的折射率，光 波在包层中的群速率大于在纤 芯中的群速率，即光波在光纤中 的传输群速度就随波长的增加 而增加，即群时延随波长的增加 而减少，因此ＬＰｌｌ模在接近截 止时具有较大负色散。 在使用ＨＯＭ进行色散补偿 时，在单模和高阶模的连接处采 用了模式转换器，这会引入１～ １０ｍ长光栅的稳定性是一件非 常困难的事情。因此对于啁啾光 前这两家公司就ＶＩＰＡ器件的标 准进行了探讨，如器件的尺寸、 固定色散值大小、可调谐范围 等。目前他们已经推出了用于 １０Ｇ系统的ＶＩＰＡ器件，用于４０Ｇ 栅来说，比较有前景的用途是对 单个信道的可调谐补偿，相对于 ＤＣＦ，在低通道数ＤＷＤＭ应用中 有显著的优势。 光纤光栅在国内的研究非常 ２ｄＢ的转换损耗。ＨＯＭ的色散值 在１５５０ｎｍ处可以达到一６００ｐｓ／ 系统的ＶＩＰＡ器件不久也将要面 广泛，不少高校、研究所以及公 司在１９９５～１９９６年就开始了光纤 ｎｍ・ｋｍ，大于ＤＣＦ的色散值，色 散倾斜可以通过设计控制在一 定的范围，以达到与光纤色散完 全匹配。相对于ＤＣＦ，ＨＯＭ芯层 市。囹 潘小龙 张劲松 深圳市中兴通 讯技术中心研究部 Ｐａｎ Ｘｉａｏｌｏｎｇ Ｚｈａｎｇ Ｊｉｎｓｏｎｇ Ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ＺＴＥ Ｔｅｃｈ．Ｃｅｎｔｅｒ 光栅的研究，在实验室采用啁啾 光栅进行色散补偿可以实现１０Ｇ 信号ｌ００公里传输，然而在光纤 光栅的产业化上却进展很慢，原 因之一是还没有解决光栅的封 装技术。目前国内光纤光栅的封 装技术可以使光栅的温度特性 达到０．ｏ０１ｎｍ／℃，低于国外一个 数量级，不过在所有的色散补偿 技术当中，这应该是国内目前与 国外技术水平相差最小的一种。 的半径比较粗，可以减小传输损 耗，并有效地抑制强光脉冲的非 线性效应。 目前该项技术在国内研究的 不多，只有北方交通大学光波技 术研究所有这方面的报导，国外 有美国的ＬａｓｅｒＣｏｍｍ公司推出了 相关产品Ｈｉ—Ｍｏｄｅ ＤＭＤ色散补 偿模块，可以用在Ｃ波段和Ｌ波 段，色散倾斜范围在一２．５ｐｓ／ ｎｍ２～一４０ｐｓ／ｎｍ２。 ４３—— 国外的光纤光栅制作及封装 技术已经基本成熟，有不少公司 ．．
