色散补偿技术的应用与优势

色散使光信号展宽，使光脉冲经光纤传输时产生了新的频谱成分。在较低速率时，光纤可以看成是对数据速率无关的传输媒质，但对于高速信道来说却不是这样。色散效应将导致脉冲展宽从而引起误码，这是高速系统长距离传输的主要限制，理论上色散限制定义为理想WDM系统承受1dB功率代价的距离，对2.5Gbit/s的系统来说，这个限制为1000km，但在实际系统中，接收机时钟恢复系统的非理想性也加剧了色散的影响，因此，通常采用一个保守的600km距离作为色散限制。对采用常规光纤的10Gbit/s系统来说，色散限制仅为50km，因而，在长距离光纤段中必须采用某种形式的色散补偿技术。色散补偿，又可称为光均衡，其基本原理是当光脉冲信号经长距离光纤传输后，由于色散效应而产生脉冲展宽或畸变，这时可用一段具有相反色散符号的补偿器来修正，目的是消除脉冲展宽或畸变。所有色散补偿方式都试图恢复原来的输入信号，具体实现时，可以在接收机、发射机或沿光纤线路进行补偿。

如前所述，光纤的色散会引起传输光脉冲展宽，产生码间干扰，严重时会影响传输系统的误码性能。为了降低色散的影响，提出了许多的技术方案，如色散补偿技术、色散管理技术等，取得了很好的效果。

1.固定色散补偿技术

（1）色散补偿光纤

第一种色散补偿技术是采用特殊的负色散光纤补偿单模光纤的正色散，使时延接近为一固定值，保持光波形不展宽。这种负色散光纤称为色散补偿光纤（DCF）。DCF具有特殊的折射率特性。图3-6a是早期DCF的折射率特性，光纤芯外只有一层简单包层，这种光纤只能在1550nm得到负色散，无法补偿其他信道。在纤芯和外包层之间增加一个小折射率层，就得到W形的折射率，如图3-6b所示，这种DCF具有负的色散和色散倾斜，能够用于WDM系统，但截止波长较小，弯曲时的损耗较高。为此再增加一个大折射率层，如图3-6c所示，以改善DCF的弯曲特性，同时也能更加灵活的补偿色散和色散倾斜，减小残余色散。

图3-6 三种典型的色散补偿光纤折射率特性

单模DCF在1550nm光波长附近有较大的负色散，用这种光纤与常规单模光纤（即G.652光纤）串接组成传输线路，可以补偿常规单模光纤在该光波长处的正色散，以延长中继距离。最简单的方式是在具有正色散值的标准单模光纤L₁之后接入一段在该波长下具有负色散特性的色散补偿光纤L₂。为了获得显著的补偿效果，DCF与常规单模光纤长度的选择应符合下式要求：

D₁L₁+D₂L₂=0 （3-3）

式中，D₁和D₂分别为常规单模光纤和DCF在工作波长入的色散系数；L₁和L₂分别为常规单模光纤和DCF的长度。从实用考虑，L₂应该尽可能短，所以它的色散值D₂应尽可能大。DCF光纤的纤芯直径通常比标准单模光纤小很多，其色散值一般是标准单模光纤的5～10倍。要补偿80km的色散需要16km左右的色散补偿光纤，但这种光纤比标准单模光纤衰减大，同时会引入5～8dB损耗，所以必须附加一些放大器来进行补偿。

DCF的主要特性是色散特性和传输损耗特性，此外还有DCF和常规单模光纤的连接损耗和DCF的弯曲损耗。对于色散特性，除了1550nm波长外的色散系数外，还包括色散和波长关系曲线的斜率。从色散补偿效果来说，要求DCF的色散系数越大越好，同时要求色散斜率满足一定的关系，以便在宽波长范围内，尤其在1530～1550nm波长范围内进行有效的色散补偿。对于传输损耗特性，为了使DCF获得较大的负色散，需增加纤芯的相对折射率差，这样在纤芯内大量的掺杂会额外地增加散射损耗，因此，DCF的衰耗系数一般比较大。采用DCF进行色散补偿时，由于DCF的接入会给传输线路引入较大的附加损耗，也会影响传输质量。可见，在选用DCF时，必须兼顾色散系数和衰减系数这两个参数。

色散补偿光纤（DCF）的优势在于其带宽宽，能同时对多个WDM信道进行色散补偿，而且是无源全光纤设备。但也有它的缺点，包括：其色散补偿能力是固定的、其有效面积小从而导致更高的非线性、需要的DCF光纤的长度长（达要补偿的单模光纤（SMF）长度的1/5，从而增大了传输损耗，并且体积大、质量大）。

（2）啁啾光纤布拉格光栅

由于光纤布拉格光栅（FBG）损耗低，封装尺寸小和光学非线性效应弱，它正成为一种有力的色散补偿技术。FBG由逐段的单模光纤组成，各段纤芯的折射率沿光纤长度方向呈现周期性变化。对于在纤芯中传播的特定波长的光信号，由于折射率的空间周期符合了所谓的“布拉格条件”，那么此周期性结构对光信号就起到了镜面反射的作用。按照FBG折射率变化周期恒定的还是渐变的可以将其分为均匀光纤布拉格光栅（UFBG）和啁啾光纤布拉格光栅（CFBG），两种FBG的差别在于：UFBG的反射谱较窄，只能反射单一频率的光信号；而CFBG的反射谱较宽，可以反射多个频率的光信号，并且各个频率分量的时延差不同。根据两种光栅的不同特性，UFBG多用于光滤波，而CFBG则可用作色散补偿。在啁啾光纤光栅中，不同频率的光在光纤光栅上的不同位置处达到布拉格条件，从而可以通过设计啁啾分布，控制不同的光频分量在光栅中的往返时延，利用光纤光栅中的传输时延抵消传输光纤的群时延。

（3）高阶模色散补偿光纤

设计常规DCF的一个主要困难在于，除非把光纤的有效面积做得很小，否则得不到高的负色散，但同时较小的有效面积又会引入高的非线性和高损耗。一种能同时减小非线性和损耗的方法是使用高阶模（HOM）光纤，它在功能上和DCF有着很多相似之处，并且在连续波长带宽上工作。在这样的光纤中，光纤波导被设计成能够传输位于截止波长附近的LP11或LP02模，而不能传输LP01模。基本原理是利用高阶模式在截止波长附近的高色散特性，从而能够在一段较短的HOM光纤上得到所需数量的色散补偿量。

基于以上思想，人们发明了高阶模色散补偿模块（HOM—DCM），它是一种利用模式变化原理来工作的光纤色散补偿模块。高阶模色散补偿模块由两个模式变换器和一段HOM光纤组成。HOM光纤长度约为数百米，它工作于LP02模式，且位于两个模式变换器之间。第一个模式变换器将传输光纤中的LP01模转换成HOM光纤支持的LP02模，然后利用HOM光纤大的负色散特性对信号色散进行补偿，在输出端由第二个变换器将该LP02模（或LP11模）变换成传输光纤支持的LP01。在该色散补偿模块中，模式转换器的转换效率是一项非常重要的指标，目前模式变换器的转换损耗可以控制在1dB之内。

综合起来，高阶模色散补偿技术具有以下优点：

1）对系统完全透明，便于集成到网络基础设备中。

2）适应于不同类型光纤（SMF，NZDSF）传输，且能够满足不同补偿距离的要求。

3）适用于超高速单波长系统也适用于多波长系统。

4）能够提供连续宽带色散补偿，不存在逐一波长通道补偿带来的复杂，代价高昂之类的问题，最多能同时补偿C和L波段，100个波长的系统。

5）本身具有插入损耗低、不会引入额外的非线性效应等优点。

2.色散斜率补偿

仅对单个信道进行补偿时，补偿器的目标只是提供恶化传输光纤中大小相同、符号相反的色散值。然而，多信道色散补偿面临的困难要艰巨得多。因为光纤中的色散随波长的不同而不同，能够补偿单个WDM信道并不能确保所有WDM信道都被精确补偿。除非补偿器和传输光纤色散曲线的频谱斜率相匹配，否则在其他WDM信道上会产生残留色散。传统DCF的色散斜率很难和传输光纤的相匹配，如果对中心信道做到了精确补偿，但是在较短波长信道上会产生正的残余色散，而在较长波长信道上将产生负的残余色散。由此看来，对于高速率、大容量的超长传输系统需要色散斜率补偿，在某些情况下甚至需要可调色散斜率补偿。

（1）基于DCF的固定斜率补偿(www.xing528.com)

目前已经制造出了色散斜率接近于匹配传统传输光纤的DCF，在1550nm处，其相对色散斜率的取值范围为0.003～0.02nm。

（2）用于固定斜率补偿的FBG

由于能对传输光纤的色散进行精确的补偿，宽带光纤布拉格光栅已经被用于斜率补偿。

（3）虚拟成像相位阵列（VlPA）斜率匹配

VIPA能实现固定色散斜率和可调斜率补偿，这是利用微光学器件来达到色散补偿目的，它让不同波长的光传输的路径长度不同，从而达到符合要求的群时延。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斜率补偿，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。

（4）基于FBG的可调斜率补偿

非线性啁啾光纤布拉格光栅（NL-FBG）为不同的波长提供了不同的色散补偿量。宽带NL—FBG可对WDM系统进行色散补偿。通过仔细的设计啁啾轮廓，还可以对传输光纤实现精确的可调色散斜率匹配。

3.其他色度色散补偿技术

（1）激光预啁啾技术

激光预啁啾技术是在激光器产生的光脉冲信号之前，利用外调制器使光脉冲信号发生有规律的啁啾，然后再发送信号的一种技术，通过外调制器使光脉冲成为被压缩的负啁啾脉冲，该脉冲在光纤传输过程中，受光纤色散的影响，使原来被压缩的光脉冲在接收之前得到还原，从而扩大了系统的色散容限，延长了系统的传输距离。激光预啁啾技术的色散补偿量有限，只在脉冲传输的初始阶段起到一定的辅助作用，在长距离传输信号放大后则不起作用。此方法的色散补偿能力不高，难于升级，不利于系统扩容发展。特别是对于传输速率超过10Gbit/s的系统，预啁啾的色散补偿作用不太明显。

（2）中点光谱反转技术

中点光谱反转技术利用光纤中的非线性效应频谱反转后进行二次传输（在传输链路的中点将频谱共辘反转），从而与第一段光纤中的色散相互抵消，使得信号在第二段光纤传输中得到修正。该方法可部分地补偿光纤的非线性效应，消除光纤中自相位调制引起的失真，并适用于更高速率和更长距离的无中继系统，因此对于单一波长通道高速光纤通信系统的色散补偿十分有效。但对于WDM系统，问题却比较突出。虽然传输信号的初始光波长满足ITU-T建议的波长标准，但是频谱反转后波长发生了变化，与建议的波长标准不可能完全相符，并且采用该方法无法实现光传输系统中途的上下话路。所以这种方法目前尚未获得实用。

（3）光孤子传输

光孤子传输是利用光纤的非线性特性，使光纤由频率色散引起的脉冲展宽能被光克尔效应产生的自相位调制（SPM）相抵消，有效抑制了传输过程的波形失真，从而使入射脉冲经光纤传输后仍保持形状不变的传输方式。尽管光孤子通信采用的变换极限脉冲在理论上可以传输几万千米而不展宽，但在实际应用中却行不通。

（4）色散支持传输（DST）

DST技术是一种全新的传输方式，它采用移频键控方式，在常规单模光纤上传输。据文献介绍，从发射端发出一个调频信号，该信号经过光纤传输后由于色散效应转化成一个调幅信号，但是具体中间过程目前无详细报道。在接收端采用积分器或低通滤波器及一个判决电路，即可恢复原始信号。DST用非常简单的装置和直接调制激光器就可实现长距离普通单模光纤之间的跨接，具有对光纤中的非线性效应不敏感的优点，但是系统的性能强烈依赖于器件的内部特性，很难实用化，并且无法实现信号传输途中的上下话路。该方案在线升级性不好，不利于系统扩容。

4.偏振模色散补偿技术

如前所述，由于光纤存在偏振模色散（PMD），会导致传输光脉冲波形展宽，在接收端引起码间干扰，严重时会使系统误码性能劣化，影响传输性能，这在高速率传输系统显得尤为突出。因此，对于基础速率较高的（一般指大于10Gbit/s的速率）系统，其再生段传输距离还必须满足偏振模色散限制条件。由于光纤的PMD是一个随机变量，其大小随时间、敷设环境等因素变化，因此在工程计算PMD受限最大传输距离时采用较为保守的方法。

在传输系统中由于色散的影响，一般来说，当时延差达到一个比特周期的0.3倍时，将引起1dB的功率损失。而PMD的测量值是一个平均值，偏振模的瞬时值有可能达到平均值的3倍。这样，为了保证由于PMI的瞬时最大值影响造成功率损失也不超过1dB，那么取定PMD平均值造成脉冲展宽必须小于一个比特周期的0.1倍来考虑。因此，核算偏振模色散对传输距离的制约时，应根据传输系统的最高传输速率计算。

应该指出，在实际工程中，若为新建线路则可按照光缆厂商提供的光纤链路偏振模色散系数来进行设计或校核，若为系统升级，则由于老线路一般不具有光缆厂商提供的PMD资料，且线路路由经改迁、线路故障的修复后其PMD系数发生变化，因此在这种情况下，应对光纤链路的偏振模色散进行实地测量，以实测结果来进行设计或校核。

从PMD补偿技术的发展来看，大体分为三类，即电补偿、光电补偿和光补偿。电补偿是对光接收机接收的电信号进行电域均衡，电补偿器主要由横向滤波器和判决反馈均衡器两部分构成，其中横向滤波器承担着减小PMD代价的任务。光电补偿要求有两个或以上的光电探测器，快主态和慢主态的光经过一个偏振控制器（PC）和偏振分束器（PBS）分成两束，经过光电探测器后变为电域信号，通过调节电的时延线来补偿两路信号的时延。光补偿方案是在光纤链路后面接调整偏振的器件（如PC）和双折射元件，可以是双折射光纤等等的器件，通过调节PC可以完成对PMD的补偿。

一般来讲，电补偿器可以补偿传输过程PMD的影响，也可以补偿其他效应（例如群速度色散、非线性）的影响，因此这种方案对综合补偿各种不良效应非常有意义，但是由于工作在电域上，不可避免地要受到电速率的瓶颈，因此在高速系统中的应用受到了限制。光电补偿方案中要用到多个光电探测装置，其成本要明显的提高。光补偿从信号取样方式来看可分为反馈补偿和前馈补偿两种。下面的讨论将主要针对光补偿方案。

补偿PMD可以依据其补偿目的分为一阶PMD补偿或一阶、二阶PMD的同时补偿等，也可以依据补偿器控制参量的多少分为多少个自由度的补偿。任何一种在光域补偿PMD的技术都难以实现完全补偿，也不可能保证补偿后系统的某种性能指标如误码率在某个范围。补偿的作用是降低系统的损耗概率，或减轻PMD对系统的损伤程度。

一阶PMD补偿的方案主要有两种：一种是PSP传输法；另一种称为后补偿法。调节入射到光纤的偏振态，使其沿光纤的偏振主态方向传输，光信号沿光纤传输时不受一阶PMD的影响，称为PSP传输法。一阶PMD补偿另外一种方法是在传输光纤之后，光接收机之前级联双折射光纤，称之为后补偿，这是现在较为常用的方法。方法中时延线产生的DGD可以是固定的，也可以是变化的，依据具体情况而定。与一阶段PMD补偿器相比，二阶段补偿器要补偿的量至少多出一个，要求补偿器的自由度相应的增多，它能补偿一阶PMD和部分二阶PMD。