色散补偿

色散补偿技术的最新进展

王锐;张国平;陈伟

【摘要】文章首先介绍了色散补偿的基本原理,然后阐述了国内外最新的色散补偿

技术,包括技术成熟、而且已经大量投入商用的色散补偿光纤和技术不断趋于成熟

的光纤布喇格光栅.此外还介绍了未来色散补偿的研究热点:光子晶体光纤色散补偿

和电子色散补偿技术.最后针对色散补偿技术的发展现状指出了其发展方向.

【期刊名称】《光通信研究》

【年(卷),期】2008(000)006

【总页数】4页(P27-29,61)

【关键词】色散补偿;色散补偿光纤;光纤布喇格光栅;先子晶体光纤

【作者】王锐;张国平;陈伟

【作者单位】华中师范大学物理科学与技术学院,湖北,武汉,430079;华中师范大学

物理科学与技术学院,湖北,武汉,430079;光纤通信技术和网络国家重点实验室,烽火

通信科技股份有限公司,光纤研发部,湖北,武汉,430074

【正文语种】中文

【中图分类】TN818

近年来，随着互联网业务的迅速增长，多种新型宽带业务应运而生，对宽带通信业

务容量与速率的要求也越来越高。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，这从根本上阻碍了光纤通信的发展。限制光纤中光信号

传输的两个重要因素是损耗和色散。损耗限制了光信号传输的距离，色散限制了通

信容量。虽然损耗问题随着1990年掺铒光纤放大器(EDFA)的出现得到了较好的

解决，但却加剧了色散的累积，使得色散问题更加突出，因此如何有效地控制光纤

色散成为国内外研究的热点问题。

色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引

起传输信号畸变的一种物理现象。在光纤中，脉冲色散越小，它所携带的信息容量

就越大。其链路的色散累积直接影响系统的传输性能，这在波分复用(WDM)系统

中尤为重要。因此，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。

1色散的基本原理

在光纤中，不同频率的信号传输速率不同，传输相同距离后会有不同的时延，从

而产生时延差()。时延差越大，表示色散越严重，具体表现为光脉冲在沿光纤传

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。

脉冲在单模光纤中的传输基本方程为

式中，A为光信号的缓变振幅；z为传输距离；T为时间；2为群速度色散(GVD)

或称二阶色散系数,它是脉冲展宽的主要因素;3为高阶色散(又称三阶色散)系数。

与二阶色散相比,三阶色散对脉冲滑石的功效与作用 的影响通常较小。

当|2|>1ps2/km时，3可以忽略不计。求解方程得：

式中，A(0，)为A(0，T)的傅里叶变换。可见，色散引起的光信号畸变是由相位

系数决定的。

单模光纤单位长度的色散量可以由下式得出：

式中，c为光速；V为光纤传输的归一化频率；b为归一化传输常数。式(3)等号右

边第1项决定于材料折射率，称之为材料色散；第2项由于与光纤波导性能有关，

称之为波导色散。普通单模光纤在1550nm窗口的色度色散系数约为16

ps/(nmkm)，传输100km后色散可达到1600ps/nm。而对于10Gbit/s系统，

它的最大色散容限是1000ps/nm[1]。可见，要使系统正常运转，必须进行色散

补偿。

2色散补偿技术方案

色散补偿的基本原理是使用一个或多个大负色散的器件对光纤的正色散实施抵消，

对光纤中的色散累积进行补偿，从而使系统的总色散量减小。目前，色散补偿的方

法有：色散补偿光纤(DCF)、啁啾光纤光栅和电子色散补偿技术等。本文将简述

DCF、啁啾光纤光栅、光子晶体DCF和电子色散补偿等4项色散补偿方案。

2.1常规DCF技术方案

采用常规DCF进行通信系统链路色散补偿的技术是现在通用的技术，其发展较为

成熟。由于DCF是一种无源器件，安装灵活方便，能实现宽带色散补偿和一阶色

散、二阶色散全补偿，还可与1310nm零色散标准单模光纤兼容，适当控制

DCF的模场直径、改善熔接技术，能得到较小的插入损耗，因此受到普遍重视，

成为当今研究的热点[1]。

DCF的概念最早在1980年提出，EDFA在通信系统的成功应用加速了DCF的发

展，DCF已从最初的匹配包层型到多包层折射率剖面型。多包层结构一方面可以

得到很高的负色散和负色散斜率，另一方面又可以降低弯曲损耗。DCF的品质因

素(品质因素=色散系数绝对值/衰减系数)越来越高。为了得到具有较大负色散系数

的DCF，必须控制波导色散。现在已经有大量的商用DCF用于补偿G.652光纤在

C波段和L波段传输时的色散[2]。DCF的主要性能指标如表1所示。

在长途光缆传输系统中,通常是在每个(或几个)光纤跨段的输出端(光端机的预放大

器之后)配置由DCF制成的光无源器件——色散补偿模块(Dispersion

CompensationModule,DCM)，以抵消传输光纤的正色散[3]。色散补偿技术多

数是使用一段DCF，而它在某些方面存在的缺陷，促使新技术不断出现。例如，

在ECOC上，Civcom公司展示了它的自由通道可管理色散补偿模块(M-DCM)，

该模块旨在替换城域网和大区DWDM网络中的DCM。M-DCM的亮点在于它三

倍可调，可以远程管理，并且是多通道的。它可以对-1700～1700ps/nm范围

内的色散进行补偿。

表1DCF(G.652)的主要性能指标性能指标C波段L波段工作波段衰减

/dB/km≤0.5≤0.5品质因数/ps(nmdB)≥300≥300模场直径(@1550

nm)/m4.0～6.04.0～6.0截止波长/nm≥1590≥1630色散系数/ps/(nmkm)-

100～-250@1550nm读什么有感 -100～-250@1585nm相对色散斜率/nm-10.003

620%0.00320%偏振模色散/ps/km≤0.30≤0.30

国内外大型光纤厂家都有相关产品，表2列举了其中几个有代表性的DCM产品的

参数。表中色散补偿量以80km的指标为例。

表2部分DCM产品的参数生产厂家色散@155/地球十大禁区 ps/nm相对色散斜率/nm-1偏

振模色散/psDraka-1246320.002620%≤0.60Prisma-1360410.002

320%≤0.89长飞-13404感恩信300字 00.003620%≤0.60烽火-1370300.003

610%≤0.60

2.2光纤布喇格光栅(FBG)色散补偿

1982年,tte首先提出采用啁啾Bragg光栅作为反射滤波器实现色散补

偿的理论,但直到20世纪90年代制造工艺的进一步发展才使其得班级总结 到实际应用。啁

啾光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、结构紧凑、插入损耗低和非线性效应小，

具有对偏振不敏感等技术优势，而且可以通过应力或者温度进行动态调谐。光纤啁

啾光栅是能对色散进行有效补偿的器件之一，其原理是：当光脉冲通过线性啁啾光

栅后，短波长的光的时延比长波长的光的时延大，正好起到了色散均衡作用，从而

实现了色散补偿。FBG所能补偿的色散量及带宽由光栅长度和啁啾量来决定[4]。

现在主流的FBG色散补偿模块采用的是多通道FBG技术,基本的FBG参数见表3。

随着新技术的不断发展，出现了更有生命力的产品，例如魁北克TeraXion公司展

示了他们基于FBG技术研制的ClearSpectrum可调色散补偿器，能提供大的可调

谐色散范围,大的带宽,低的偏振模色散(PMD),能支持40和100Gbit/s的任何调制

码型，而且有插损低、相比DCF成本更低、无需中继放大器等优点。

表3多通道FBG的参数参数指标C波段L波段工作宽带/GHz>30信道间隔

/GHz100补偿光纤距离/km20～20060～200首信道色散量/ps/nm-314～-3

140-1070～-3568末信道色散量/ps/nm-359.5～-3595-1217～-4056偏振

模色散/ps最小低于0.7最大低于2.5最小低于1.0最大低于2.0插入损耗/dB采

用耦合器<8采用环行器<5采用耦合器<8采用环行器<5

2.3光子晶体DCF

图1色散补偿PCF的截面图

光子晶体光纤(PCF)是一个新兴的研究领域，它有3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，允许改变纤芯面积，以削弱或加强光

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。PCF

可以把零色散波长移到1m以下，这是因为PCF由同一种材料制成，因此纤芯

和包层的折射率不会因为材料的不相容而受到限制，纤芯、包层的力学和热学特性

是可以做到完全匹配的。PCF的模式特性随波长改变很快，在很大的波长范围内

可以得到较大的色散，实现反常色散[5]。图1所示为烽火通信科技股份有限公司

制造的色散补偿PCF的截面图，该光纤在1550nm的色散达到-662

ps/(nmkm)，相对常规DCF具有更高的色散补偿效率。

2.4电子色散补偿(EDC)技术

EDC技术由于其小型化、低功率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)技芦笋 术进行光纤色散补偿的，它通过对接收的光信号在电域进行

抽样、软件优化和信号复原，能有效地调整接收信号的波形，恢复由于色散、

PMD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[6]。在实际应

用中，为了实现自适应EDC，最常见的是采用前馈均衡器(FFE)和判决反馈均衡器

(DFE)组合的结构,如图2所示。

图2FFE和DFE组合的均衡结构示意图

EDC不仅比光学色散补偿技术廉价，而且可以和廉价的激光器一起使用。EDC模

块一般放置在收发器的接收端，通过光/电转换来消除色散。有线和无线宽带通信

半导体供应商Broadcom(博通)公司推出了一款具有领先的EDC技术的高集成度

光网络芯片BCM8105，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，极大地延长了传输距离，提升了网络效率，可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。

3色散补偿技术的发展方向

随着高速率宽带光传输系统的发展，色散及其斜率的管理越来越重要。成熟的色散

补偿技术不断推出新的功能，新的色散补偿技术不断涌现。纵观内审报告 目前国际上的色散

补偿技术，可以得出色散补偿技术的发展趋势：传统的DCF因其光纤技术成熟度

好，生产方便，在近几年内仍然是主流产品；多通道光纤光栅色散补偿技术的研究

逐渐成为热点，多通道色散补偿器已经具备了一定的市场竞争力，大量商用产品已

经推向市场，有逐步取代传统DCF之势；EDC有其独特优点，前景可观，但是技

术不成熟，有待完善，比如较长距离传输时，器件的补偿范围受到信号传输距离的

限制，需要增加固定补偿量等；色散补偿PCF代表着未来高效补偿的发展方向，

它具有广阔的抗日英雄手抄报 发展空间和应用前景，虽然现已开始获得初步应用,但受到诸多因素

的制约，因此要实现大量商用还有很长的路要走。

参考文献：

[1]MynbaevDjafarK,-OpticCommunications

Technology[M].Beijing:Sciencepublishingcompany,2002.

[2]RathjeJ,AndernM,sionCompensationFiber

forIdenticalCompensationintheS,CandLBand[A].OFC2003[C].Atlanta，

Georgia，USA：GeorgiaWorldCongressCenter，6,718-719.

[3]YokokawaT,KatoT,FjiiT,sionCompensationFiberwith

LargeNegativeDispersionAround-300ps/()anditsApplicationto

CompactModuleforDispersionAdjustment[A].OFC2003[C].Atlanta，

Georgia，USA：GeorgiaWorldCongressCenter，5,717-718.

[4]eDispersionSlopeCompensatorwithaChirped

FiberGratingfor160-Gbit/sRZTransmissions[A].OFC2003[C].Atlanta，

Georgia，USA：GeorgiaWorldCongressCenter，4.

[5]NiYi，ZhangLei，AnLiang，eta1．Dual-CorePhotonicCrystalFiber

forDispersionCompension[J]．.，2004，16(6)：

1516-1519.

[6]OIFEDCWhitepaper-2005,Electronicdispersioncom-pensationfor10

Gbit/s1550nmopticallinks[S].