光纤通信中的色散补偿实验仿真.docx

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1、光纤通信中的色散补偿试验仿真摘要：本文介绍了，光纤通信中色散补偿的概念、分类、影响与补偿方法，同时利用OPIiSySIem软件仿真模拟了色散补偿光纤、I；BG补偿、明啾光纤光栅等色散补偿方案。关键词：光纤通信色散补偿OPIiSyS1.em仿真TheDispersionCompensationInOptica1.FiberCo1.mUniCati(mYan1.ongYuan(BeijingInstituteofTechno1.ogy,Schoo1.ofOpto-eIectronics,E1.ectronicScienceandTechno1.ogy)Abstract:Thispaperintro

2、duces,theconcept,c1.assificationandtheinf1.uenceandtheconpensationmethodsop1.ica1.ofdispersioncompensationinfibercommunication,anduseOptisystemsoftwaresinu1.ationthedispersioncompensationfiber,FBGcompensation,chirpoptica1.fibergrating,thedispersioncompensationscheme.Keywords:optica1.fibercoranunicat

3、iondispersioncompensationOptisystemsimu1.ation1.献目前，光纤线性通信已不能满意现在信息处理传输的要求，因为它存在着三个主要的缺陷：其一是光纤的色散，其二是光纤损耗,其三是非线性。低损耗光纤和掺锂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须等非线性效应，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IoGbi1./s、光脉冲宽度为50ps的系统只能传输40kmO传输速率为80Gbit/s时，传输距离不足2km0为了兼顾色散和非线性两种要素，人们提出一种折变方案，即将光纤的

4、零色散点偏离1.55um窗口使之在1.55Um波特长的色散不为零，约有26ps/km.血的色散，这就是G.655光纤。当光纤传输的速率较低、距离较短时,采纳G、655光纤进行传输的方法是可行的。但是，G.655光纤并没有解决色散问题，高速、长距离传输中仍旧须要色散补偿.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WmI系统的传输亮无问题。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

5、本也都是G.652光纤。随着全球信息业务量:的迅猛增加，通信网络必定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NDM系统与ED1-A己经商用，试验室中的WDM光纤通信速率已经达到了1000Gbits,在采纳级连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 .色散与其分类2.1 色散与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，因群速度不同相互散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的

6、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频率所引起，后种色散由于信号不是单一模式所引起。（I）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（光源有肯定的谱宽）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改

7、变，而光源有肯定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度。（4）偏振模色散：般单模光纤事实上传输两个相互正交的模式，实际在单模光纤存在各种少生陵机的不确定性，不对称性，造成r两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散.当一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（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B与频率的关系来表示，即（）在中心频率30处将B（3）绽开得到：夕=畔=A）+4（0-%）+；A5）2+/-3+式中，o=nj:,表示介质在中心频率30处的传播常数：PI=Xn+碟)，(ini等于群速度的倒数:%=c(2

8、d+d2)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宽当不考虑高阶色散效应时，光脉冲在单模光纤内传输的N1.S方程可表示为：疹=_乃八屋吆水I，z22fi211式中，A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。引入一个对初始脉宽70归一化的时间量T=I同样，引入归一化振幅U,A(z,)三(z,).当1.)+-)=o时,二阶色散被补偿。式中D和Dj是D,和DC的微商。以G.652光纤155Onm窗口为例，光纤的色散明显地随波长而改变，在I53nm处色散系数约为15.5psnm.km,在1565nm处约为17.6psnm.k

9、m,色散斜率(定义为色散系数对波长的微分)约为0.06psnm.km。假设宽带色散补偿器件对全部C-band信号的色散补偿量是一样的，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(153Onm),因此，无论对于一般的155Onin外调制光纤干线/超下线长距离传输系统或CWDMDWDM1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统，都必需考虑采纳斜率补偿型色散补偿光纤组件，用于补偿光纤的色散斜率，将总色散限制在色散容限窗口内，使1550n11.外调制光纤干线/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M1.；的优点是带宽不受限制，产品供应商多，

10、稔定性高。目前，斜率补偿DCF模块已获广泛应用，在全球范围内，它是155Onm外潮制光纤干线/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。此外，i)a；制成的DCY色散量不行调，而且不同类型的光纤须要不同类型的DCE丸阡电IU抵龙阡横块图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 第啾光纤光栅(CFBG)色散?采纳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耀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

11、栅后起到色散均衡的作用，从而实现色散补偿。其基木原理是：明啾光纤光栅中，谐振波是位置的函数，因此不同波长的入射光在明啾光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延，短波长重量经受的时延长，长波长重量经受的时延短，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，使脉冲宽度得以更原。图6为光纤光栅的反射谱和时延仙线。可以看到带宽范围内的时延曲线基本为条直线，其斜率就是该光纤光栅所能补偿的色散量。J：1w二图3羽啾光纤光栅色散补偿原理图4用光环形器将蜩啾光栅的反射佰号分别出来明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

12、斜率的同时补偿，折射率调制可以依据须要来通过不同的曝光过程加以限制，且价格低廉，易于大批量生产。因此，明啾光纤光栅色散补偿器己被公认为具有很好应用前景的色敌解决方案。11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好用化系统必需解决的几个主要问题。OF1.2003上，有多篇文章谈到了光纤光栅色散补偿补偿器的探讨，对以上几个问题都己经提出r多种行之有效的解决方法。3 .3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，采纳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眄改变时，电流的改变引起光功率光频率的改变。不同频率的

13、信号在光纤中的传播速率不同，在接收端信号产生由叠，限制频率调制深度使t=1.B,t是延迟的时间，B是传输的速率，于是，调频信号变成J调幅信号，在接收端采纳积分器或低通/波器和个判决电路，即可复原出原始信号。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态失真的其他因素，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；缺点是设备比较困难，且对激光器频率的单一性要求比较高。4 .试验仿真4.1 .Coavensationofdispersionide

14、a1.dispersioncompensation向色散补偿元件的色散?崔）如图5所示，利用OptiSystem设计这样的布局对其色散补偿进行仿其和分析。对初始时的脉冲波形，以与经过IOkm非线性色散光纤或的脉冲波形，以与最终经过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5志向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：Idea1.DkPeCViOnCompensationFBGPropertiess三UetMxDepwWCorrgnMmFBGCorttOCOMainSimu1.ationNoiseI牖IC2

15、Va1.ueUnitsModefrequency1931THzNorms)PBandwidth125QGtIN；Norms1.Oep1.hSJj1005:227Dpeeon.j图6FBG色散补偿器的屈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40Gbs码率和0.5TimeBitS1.ot的系统中，由Optica1.GaussianPu1.seGenera1.or产生的初始脉冲宽度约为35ps0（见图7）产生的光信号入纤传输，经过了IOkm的单模光纤后其脉冲宽度由于色敞展宽约为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其进行第

16、原和补偿，这里运用了一个FBG色故补偿元件来对脉冲波形进行复原。其中色散补偿值可以调整，这里设为-160psnm经过模拟后，我们可在OPtiCa1.TimeDOmainViSUa1.iZer中视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发原到初始状态。Optica1.TimeDomainVisua1.izer1DtHC1.ckOnOt*toopenpropene*UoveOojecttwtMouseDrag图7入纤前光脉冲的波形图Optica1.TimeDomainVisua1.izer2OtiCictOnCtiectStoopenWOPertMcve0IeCtSwffMous

17、eDr”图8经过IOkm后的脉冲波形图pp1pIWpIRP130PTim（N三Optica1.TimeDomainVisua1.izer3MC*cfcOnOgmtoopenPrope3MoveOmcUw6MouseDr”p90p100p110p12Cp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样，这也为我们对供应的色散补偿元件的性能做了很好的性能测试和模拟4.2 CoiipensationofdispersionOPtiGrating（光棚色散补偿）脉冲在单模光纤中传输时，由光纤反常色散的影响，脉冲的前沿频率蓝移，厚颜频率红移。在响啾光纤光栅中，红移重最在光栅

18、近端被反射,而蓝移重量在远端反射，因此利用羽啾光纤光栅可以进行色散补偿。如图IO所示，用嗯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，以与经过IOkm非线性色散光纤或的脉冲波形，以与最终经过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。QpeceiTrMOwvMar图10志向色散补偿元件的色散补偿布痂图和上一例区分为将志向色散FBG改为嗯啾光栅。a08a0OQ工caJMOd170P160p1p200P210PTime(8)图11人纤前光脉冲的波形图图12经过IOkm后的脉冲波形图1.ebeiFbe8tMGrathoCOg0M

19、ainIApodizationChirpCa1.cu1.ation(simu1.ationNoiSoDispNameVa1.ueUnit1ModeNumberofsegments01-Atofina/rMax.numberofspectra1.p1000Normot1.abe1.IFM&MGrXmCort:|OWMainApodizationCh1.rP!ca1.cu1.ationSimu1.ationNoiseID*pIUmeVa1.ueUnrts匚ModeChirpfunctionNoneNorma1.1.inearparameter00001(XT?:Quadraticparameter

20、00001umNwmsiSquarerootparameter00001(AfnNorma1.Cubicrootparameter00001umNorma1.rChirpfi1.enameC。田F118TK.:NOE刈1.abdIF1.bM8tggGtatn9CoUt:|11Main：ApodizabonChirpCa1.cu1.ationSimu1.ationNoiseDisP1.HameVaIucUnitsMode7frequency931THzNrntEffectiveindex，5Norma1.*I1.ength6mmNOrTn1.图13参数设置图14经过色散补偿器的光脉冲波形产生的光

21、信号入纤传输，传输前,脉冲波形见图11,经过了IOkm的单模光纤后其脉冲宽度由丁色散展宽（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Optica1.TimeDomainViSUaIiZer中视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。4.3DispersionCoopensationprepostsymmetrica1.（利用DCF进行色散补偿）图15利用DCF匀称色散补偿布局图发送端，发出IoGbi1./s的强度调制信号，经的EWA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)。EyOi9rmAnatyZ”_1OMCMOO0*.WMOtcaMomMDtM图16补偿前的眼图BeRArMFyzerOi04gear入，an人EeMAv入ezt厂图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进展.中国科技核心期刊.2003.92原荣.色散补偿技术与其进展.光通信技术.2002.43林晓静.色散补偿技术原理与现有解决方案分析.中国科技论文在线.2005.4翟莉.色散补偿技术探讨