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高速光纤通信中的色散问题
作者:管理员    发布于:2017-06-19 09:01:11    文字:【】【】【

  高速光纤通信中的色散问题王国欢刘超梁楚樵(武汉理工大学武汉430070)详细讨论了高速光纤通信中的群速度色散和偏振模色散问题,以及当前广泛应用的各种色散补偿技术。

  随着社会的信息化,人们对信息的需求越来越大,这种需求直接推动了作为通信网主要传输方式的光纤通信朝着高速率大容量和长距离的方向迅速发展,但光纤通信传送的信息容量和传输距离受到光纤损耗和色散的限制,因此如何减少和消除这两大不利因素,成为光纤通信领域研究的重要课题而近年来随着掺铒光纤放大器(EDFA)的出现日益实用化,使得光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用。光纤的色散也就成为决定光纤通信系统性能优劣的主要因素,而如何有效地控制色散,使信号在高码速、长距离传输中不失真地传输到接收端,也就成为当前光纤通信系统研究的热点1色散色散是指不同频率的光信号在传输媒介中由于传播速度不同而产生分离的现象产生这种现象的实质是当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时,介质响应通常与光波频率有关,这体现在折射率对频率的依赖关系上,此关系称之为光纤色散特性光纤色散会使光脉冲在传输中时域展宽,强度降低,导致通信系统的误码增加,限制了光脉冲无中继传输距离。

  单模光纤中的色散包括群速度色散(GVD)和偏振模色散(PMD)两大类群速度色散是指单模光纤中基模的传输系数随频率而改变,从而造成群速不同,这主要是因为实际光源都是具有一定谱宽的复色光源的结果。偏振模色散产生于单模光纤基模的两个相互正交的偏振模之间,由于受到外界一些不稳定因素的影响而使两者具有不同的传输速率,从而导致模式间的差分群时延,也就是偏振模色散2色散的度量21群速度色散的度量在光纤中,不同频率信号因速度不同而使其传过相同距离后会有不同时延f,从而产生时延差(Af)时延差越大,表示色散越严重,这具体表现在光脉冲在沿光纤传输过程中被展宽的程度愈大因此色散的度量,通常都是采用每单位长度的群时延差来表示在数学上,光纤的色散效应可以通过在中心频率k.处展开成模传输常数U的泰勒级数来解决当参量U对应于脉冲展宽时,脉冲包络以群速度(vs= 1Ui)移动参量U,U与折射率n有关。它们的关系可由下面的式子推得:单模光纤中的偏振模耦合和双折射效应在数学上可以用琼斯矩阵、Stokes参量和邦加球来描述,并成为分析PMD的有力数学工具。

  自从1986年Poole提出了单模光纤中基本偏振态的概念后,对理解实际光纤中的双折射和偏振模耦合等概念带来了很大的方便。在理想的双折射光纤中存在两个相互正交、与光波频率和传输距离无关的本征偏振态但在实际长距离的光纤中一般并不存在这种完全与频率和传输距离无关的本征态,而是存在由输入光脉冲分解成的沿两正交方向偏振、并与输出偏振态有小频率相关性的光脉冲,这两个偏振的光脉冲即为基本偏振态(PSP)在输出端两个脉冲的到达时间是不同的,其时间差就称之为偏振模色散的群时延差(DGD)在一阶近似下,PSP与频率无关;而在二阶近似下,PSP与DGD的值都与频率相关。一般采用两偏振模的群时延差Af来表示PMD的大小,由于两偏振模之间的模式耦合是随波长和时间随机变化的,所以PMD是一个统计量,并随时间而变化因此实际测量光纤中由偏振模色散引起的DGD时必须考虑其统计特性并采取相应的措施通常采用以下几种定义来表征PMD的数值:群时延差的平均值、群时延差平均值系数和传输时间的均方差某一次实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多。

  正如前文所说的单模光纤的偏振模色散具有统计特性,因此光纤中所给出的偏振模色散参数通常是指其统计平均值在长度为L的链路中,两个相互垂直偏振模产生的时延差Af(ps)遵守马克斯韦尔(Maxwllian)概率密度分布:时延差f的平均值为:而平均偏振模色散系数1m为:。f目前认为PMD的允许值应是由它引起的,功率损失不超过1dB,这要求群时延差Af<1bit周期的1/3我们根据Maxwell概率分布图上可知,Af瞬时值为平均值3倍的几率达1(15因此,为保证误码要求,PMD平均值应小于1bit周期的1A.即:1/1.B,L为光纤长度,单位为km;B码速率,单位为Gb/s,则有:3克服色散问题的方案3.1群速度色散补偿在强度调制光系统中,色散导致的脉冲展宽必须小于比特周期,所以减小群速度色散的途径有3种:(分布反馈激光器)光源,半导体激光器的典型线宽为1nm到几nm,发光二极管的典型线宽为1.~4Qnm,而DFB激光器的谱宽约为……5nm;利用色散移位光纤,使它的小损耗波长接近于零色散波长;采用各种色散补偿器件技术,如色散补偿光纤、预chirp技术中频反转技术Chirp布拉格光概、光孤子、色散支持传输、预啁啾等目前,效果好的是:用chirp光纤光栅进行色散补偿,用于色散补偿的chirp光纤光栅是基于布拉格光纤光栅技术基础之上的,这种色散补偿光纤光栅的光栅周期是chirp的或是沿光纤方向周期线性地变化(变小)的它不受光纤缺陷的影晌这种器件具有小型化低损耗偏BER测定振不敏感耦合性好等特点,且不具有高的非线性,而高的非线性是色散补偿光纤的大缺点随着通信网传输比特率的逐渐提高以及密集波分复用技术的应用,chirp光纤光栅又显示了它大色散量、高反射率、宽反射带宽等的优点。当比特率从10Gb/s升到40Gb/s时,系统对色散的容忍能力从450ps降到60ps光纤的色散谱线在EDFA光谱窗口是倾斜的,所以密集波分复用的每个信道的色散略不相同,OC-786协议规定40Gb/s的数据传输需要脉冲间有60ps的时延,因此必须对每个信道单独进行色散补偿用chirp光纤光栅可以很方便地对各信道进行的色散补偿,而色散补偿光纤却无法实现这一功能。采用chirp光纤光栅进行色散补偿的原理如所示对于标准单模光纤,在1550nm处,色散值为正,处于反常色散区,蓝移分量较红移分量传播得快,光通过一段标准通信光纤后,则发生脉冲展宽,脉冲展宽可导致码间干扰,引起误码。由于chirp光栅的不同反射点有不同的反射波长,则在1550nm负色散区,蓝移分量快于红移分量。若使光栅周期大的一端在前,即使红移分量在光栅前端反射,蓝移分量在光栅的末端反射,则蓝移分量比红移分量多走了2L距离这样就在红、蓝移分量间产生一时延差,经光栅后,滞后的红移分量便会赶上蓝移分量,通过对脉冲进行压缩来达到色散补偿的目的。

  3.2偏振模色散补偿目前国际上报道的偏振模色散的补偿方法有多种,除已报道的偏振主态注入法非线性传输法外,还有信号失真分析仪法、脉冲波形比较算法、DOP法等。这几种方法可大致分为2大类:电域补偿和光域补偿。

  电域补偿的方法是在光信号接收以后变成电信号,让其通过非线性补偿判决电路,该判决电路的阀值可以根据信号间干扰的程度进行调节以增加信噪比,减少误码率,给出利用非线性消除器(NLC)判决电路来改善PMD的装置图利用外调制产生10Gb/ sd的NRZ信号,PMD模拟器是利用偏振分束器使一路延时的方法来实现延时可以从-50~250ps可调。通过PIN接收后变成电信号,经放大进入NLC判决电路,再通过电路阀值调节减少PMD的影晌Poirer等人利用该方法对5Gb/s和1Gb/s的传输系统进行了补偿激光器-调制器模拟器衰减PRN接收-电功率数铜值非线性消除器时延迟利用NLC进行PMD补偿补偿方案:该补偿方案的装置原理如,图中光延迟线为保偏光纤(PMF),对两偏振模之间的时延差进行33ps(随保偏光纤的长度而定)的补偿偏振控制器的作用是调整输入光的偏振态,使之与保偏光纤的输入相匹配。当然偏振控制器的响应速度应大于光纤中偏振模的随机变化速度。控制偏振控制器的信号来自于被平方律检波器检波的保偏光纤输出光信号。

  该方案能实现长距离(10000km,PMD0~66ps)高速率(10Gb/s以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿。实验表明,它能将由偏振模色散造成的功率损失从7dB降到1dB色散及其补偿技术是当前高速光纤传输系统研究的热点问题之一。对它的研究涉及单模光纤的损耗、非线性效应色散及高阶色散等一系列基础性的研究,也涉及单模光纤“传输容量的极限”这一学科前沿和物理、光纤光学光纤通信等多学科知识的交叉和融合,有着重要的理论意义和实际应用因此,重视PMD问题,深入开展对它的研究和寻找出解决问题的对策将对提高我国光纤通信技术的水平和满足通信业务需求的不断增长具有重大意义应CDMA可以比传统的CDMA系统节约4.2dB

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