光纤通信第六章2 色散补偿
色散补偿方法
色散补偿方法一、背景介绍色散是光在介质中传播时，不同频率光的传播速度不同所引起的现象。
在光纤通信中，色散会导致光脉冲扩展，从而限制了信号传输的速率和距离。
为了克服色散对光纤通信系统性能的影响，人们提出了各种色散补偿方法。
二、色散的分类根据色散现象的产生原理，色散可以分为两种类型：色散和相位色散。
色散是由于介质导致光在传播过程中速度的频率依赖性而引起的；相位色散则是由于介质对光的频率的相位响应不同而引起的。
在光纤通信中，我们主要关注两种类型的色散：色散和相位色散。
三、色散补偿方法1. 电子色散补偿电子色散补偿是通过使用光纤通信系统中的电子器件来减小或消除色散效应。
常见的电子色散补偿方法包括预计算和数字后处理两种。
1.1 预计算预计算方法通过事先对传输系统的特性建立模型，利用数值计算方法来评估和补偿色散效应。
它需要在系统设计阶段进行复杂的计算和建模工作，预测色散对光信号的影响，并提前进行补偿。
预计算方法的优点是可以准确地估计和补偿色散效应，但需要大量的计算和建模工作，并且对系统的实时性要求较高。
1.2 数字后处理数字后处理方法是通过对接收到的光信号进行数字信号处理来补偿色散效应。
这种方法在接收端引入了一些算法和电子器件，对接收到的光信号进行补偿。
数字后处理方法的优点是不需要对系统进行复杂的计算和建模，且实时性较好。
然而，它需要更高的计算能力和复杂的信号处理算法，且对噪声和非线性效应敏感。
2. 光纤色散补偿器光纤色散补偿器是一种被动光学元件，通过引入具有逆色散特性的光纤来补偿传输过程中产生的色散效应。
光纤色散补偿器通常包括光纤光栅和光纤光波导等结构。
它能够在光信号传输过程中引入逆色散效应，可以有效地补偿色散引起的脉冲扩展问题。
光纤色散补偿器的优点是结构简单、易于集成和应用，并且具有较好的逆色散特性。
但是，光纤色散补偿器的逆色散效应对频率的补偿范围有限。
3. 相位共轭相位共轭是一种通过光学器件来反转光波的相位特性，从而消除色散效应的方法。
光纤通信系统中的色散补偿问题综述
光纤通信系统中的色散赔偿问题综述1.Introduction光纤通信含有高速率、大容量、长距离以及抗干扰性强等特点。
但损耗和色散是长久妨碍光纤通信向前发展的重要因素。
随着着损耗问题的解决，色散成为决定光纤通信系统性能优劣的重要因素。
如何控制色散方便提高光纤通信系统的性能，成为光纤通信研究的热门课题之一。
现在对于光纤的色散已经提出了诸多赔偿办法，重要有色散赔偿光纤（DCF），啁啾光纤光栅，均匀光纤光栅，相位共轭（中点谱反转），全通滤波器、预啁啾等。
随着以上各办法缺点的暴露，学者们提出了光孤子色散赔偿技术，又相继提出了色散管理孤子，密集色散管理孤子等技术。
色散管理成为近年来光纤通信前沿研究的重要热点。
2.Concept of Dispersion由于信号在光纤中是由不同的波长成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的波长成分和模式成分有不同的传输速率，从而引发色散。
也能够从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是说光脉冲在通过光纤传输期间，其波形随时间发生展宽，这种现象称为光纤的色散。
3.Dispersion Causes普通把光纤中的色散分为三种类型：模式色散、模内色散和偏振色散。
a)模式色散模式色散是多模光纤才有的。
多模光纤中，即使是同一波长，模式不同传输速度也不同，它所引发的色散称为模式色散。
不同模式的光在光纤中传输时的传输常数不同，从而使传输同样长的距离后，不同模式的光波之间产生了群时延差，假设光纤能够传输多个模式，其中高次模达成输出端所需的时间较长，成果使入射到光纤的脉冲，由于不同模式达成的时间不同，或者说群时延不同，在输出端发生了脉冲展宽。
b)模内色散模内色散亦称颜色色散或多色色散。
重要是由于光源有一定带宽，信号在光纤中会有不同的波长成分，信号的不同波长分量含有不同的群速度，成果造成光脉冲的展宽。
模内色散涉及材料色散和波导色散。
c)偏振色散普通的轴对称单模光纤是违反“单模”名称的。
事实上有可能传输着两个模，即在光纤横截面上的两个正交方向(设为x 方向与y 方向)上偏振的(即在这些方向上含有场分量的)偏振模，同时由于实际的光纤中必然存在着某些轴不对称，那么，光纤会存在双折射，模传输常数β对于x，y 方向偏振模稍有不同，就会使这两个模式的传输速度不同，由此引发的色散叫偏振色散。
色散补偿的原理
色散补偿的原理色散补偿（dispersion compensation）是一种常见的光纤通信技术，它是为了弥补光在光纤内因色散而引起的信号失真而发展出来的一种技术。
色散是光在介质中传输时，由于不同频率的光波速度不同而引起的现象，它会导致光信号在光纤中传输时出现信号失真、色散扩展等问题。
因此，为了保持信号品质、提高光纤通信效率，需要对光信号进行色散补偿。
色散补偿的原理是在光纤通信系统中增加一个补偿器件，使补偿器件能够补偿因色散而引起的信号失真。
如图1所示，信号在传输过程中会因为时间延迟而出现失真。
色散补偿就是在发送端（transmitter）或者接收端（receiver）添加一些器件，减少这种时间延迟的影响，保证信号能够按照原先的信号速率传输，并且在传输距离较远的时候能够保持高质量的传输。
图1：光信号因色散引起的失真为了实现色散补偿，技术人员可以采用一些具体的策略。
比如，在传输端，可以使用预失真技术（pre-emphasis）来强化信号的宽带，从而降低信号的失真和色散；或者可以采用限制带宽的技术，减少信号受到色散的影响；或者选择合适的光纤材质，使纤芯的折射率变化能够与色散的变化呈反向变化，从而实现一定程度的补偿。
在接收端，可以采用时间反激励技术（time-reversal），将补偿器件与光接收器组合在一起，保证信号的补偿效果。
时间反激励技术利用了一个非线性反馈回路，来将通过光传输通道的信号进行恢复，并调整信号的相位、幅度等特征，来改善信号传输的质量。
除此之外，还可以采用其他的补偿技术，比如项链状补偿和光子晶体补偿等，来实现对光信号的补偿。
这些技术都是基于对光信号相位、幅度等特征进行有效调整，能够降低信号失真、提高光纤通信的效率。
综上所述，色散补偿是一种关键的光纤通信技术，它的实现需要引入一定的器件和技术，以解决光信号在传输过程中由于色散而引起的失真问题。
通过合理的方案设计，可以为光纤通信系统提供高性能、高效率的信号传输。
光纤通信系统中色散补偿技术.doc
光纤通信系统中色散补偿技术光纤通信系统中色散补偿技术蒋玉兰浙江华达集团富阳，31 1400 【摘要】本文叙述了光通信系统中一个重要的参数色散，以及G65光纤通信系统的色散补偿技术。
文章还详细说明了各种补偿技术原理，并比较其优缺点。
最后强调说明色散补偿就是用来补偿光纤线路色散和非线性失真的技术。
1概述光纤通信的发展方向是高速率、大容量。
它从PDH 8 Mb/s, 34Mb/s,140Mb/s, 565Mb/s发展到SDH 155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s，10Gb/s。
现在又进展为波分复用WDM、密集型波分复用DWDM。
同时，光纤的结构从G652、G653、G654，发展到G655，以及G652C类。
光纤的技术指标很多，其中色散是其主要的技术指标之一。
色散就是指不同颜色不同频率的光在光纤中传输时，由于具有不同的传播速度而相互分离。
单模光纤主要色散是群时延色散，即波导色散和材料色散。
这些色散都会导致光脉冲展宽，导致信号传输时的畸变和接收误码率的增大。
对于新建工程新敷设高速率或WDM光缆线路，可以采用非零色散位移光纤（NZ-DCF），ITU一T将这种光纤定名为G655。
G655光纤在 1 550 nm处有非零色散，但数值很小（0.110.0pb/nm·km）。
其色散值可以是正，也可以是负。
若采用色散管理技术，可以在很长距离上消除色散的积累。
同时，对WDM系统的四波混频现象也可压得很低，有利于抑制非线性效应的影响。
自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤G652的光缆，这类光缆工作在1550nm 波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。
所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题。
光纤色散产生的因素有材料色散、波导色散、模式色散等等。
但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。
解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。
光纤通信中的色散补偿技术研究
光纤通信中的色散补偿技术研究随着现代通信技术的不断发展和应用，网络通信的传输速率已达到了Gbps级别，如光纤通信作为现代化通信技术的代表，也在不断地创新和进步中。
光纤通信中的一大难题就是色散补偿技术研究。
本文将从色散补偿的定义、作用及发展历程、常见的色散补偿技术以及未来展望四个方面阐述光纤通信中的色散补偿技术研究。
一、色散补偿的定义、作用及发展历程光在光纤中的传输损耗分为衰减损耗和色散损耗。
而色散是指在光纤中传输的短脉冲信号由于频率成分不同，传输速度也不同，导致在接收端时产生的信号失真，从而影响通信质量。
色散是光纤通信中最主要的非线性影响之一，对光纤的信号传输质量影响非常大。
因此，为了降低色散对信号的影响，提高光纤通信的传输质量，产生了色散补偿技术。
所谓色散补偿，就是为了抵消被随着光在光纤中的传输而带来的色散效应，使得信号在光纤中的传输过程中保证其波形的完整性和稳定性，从而使得与光纤通信相关的应用得到了进一步的提高。
色散补偿技术起源于20世纪70年代。
最初的色散补偿方案是采用相对简单的信号加上反向的信号渐变来补偿色散。
随着光棒、皮尔斯反射器、光纤布拉格光栅等新颖元件的发明及其不断的发展，导致色散补偿技术逐渐趋于完善。
二、常见的色散补偿技术目前，色散补偿技术主要分为被动色散补偿、主动色散补偿和混合色散补偿三种。
其中，被动色散补偿技术的原理是利用专用的光学器件把传输信号的波长进行引导，并通过一定的制造工艺，实现信号波形的优化，从而减少或抵消色散效应。
主动色散补偿技术则是利用光载荷流体进行调制，使得不同波长的光速度发生变换，从而达到调整光信号的效果。
混合色散补偿其实就是将前两种技术相结合，产生更加复杂的色散补偿方案，实现色散的更高效减少。
从具体的应用范围来看，被动色散补偿技术主要适用于高速中长距离传输。
这是由于，被动色散补偿的补偿机制固定、稳定，适用于光路在传输过程中对信号进行的完整性保护。
而主动色散补偿技术，适用于灵活的波长调制应用。
色散补偿原理
色散补偿原理色散补偿原理是指在光通信系统中，由于光纤对不同波长的光信号传输速度不同而产生的色散效应，通过一定的方法或器件来抵消或补偿这种色散效应，以保证光信号的传输质量和稳定性。
色散补偿技术是光通信系统中非常重要的一部分，对于提高光信号的传输速率、扩大传输距离、提高系统性能都起着至关重要的作用。
光纤通信系统中的色散效应是由于光在光纤中传输时不同波长的光信号由于色散导致传输速度不同而产生的。
一般来说，光纤通信系统中的色散效应主要包括色散的模式，即色散的波长和色散的位相。
在光通信系统中，色散效应会导致光信号的波形失真、频率偏移、相位畸变等问题，从而影响光信号的传输质量和稳定性。
为了解决光纤通信系统中的色散效应，人们提出了多种色散补偿原理和技术。
常见的色散补偿原理包括预补偿原理、后补偿原理、混合补偿原理等。
预补偿原理是指在光信号传输前通过一定的方法对光信号进行预处理，使得光信号在光纤中传输时能够抵消或减小色散效应。
后补偿原理是指在光信号传输后通过一定的方法对光信号进行处理，以抵消或减小色散效应。
混合补偿原理则是指在光信号传输前后均进行补偿处理，以最大程度地减小色散效应。
色散补偿技术主要包括电子补偿技术、光子补偿技术和光纤设计优化等。
电子补偿技术是指通过在光信号传输前后加入特定的电子器件或电路来对光信号进行处理，以抵消或减小色散效应。
光子补偿技术是指通过光学器件或光学方法对光信号进行处理，以减小色散效应。
光纤设计优化则是指通过改变光纤的结构或材料，以减小色散效应。
总的来说，色散补偿原理是光通信系统中非常重要的一部分，对于提高光信号的传输质量和稳定性具有至关重要的作用。
随着光通信技术的不断发展，人们对色散补偿原理和技术也在不断进行研究和改进，以满足日益增长的光通信需求。
希望通过不断的努力和创新，能够更好地解决光纤通信系统中的色散效应，提高光信号的传输速率和质量。
《光纤通信》原荣 第三版 第6章 复习思考题参考答案
第6章复习思考题参考答案6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。
若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。
若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。
但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。
若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。
图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。
从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。
在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。
在公用电话网和CA TV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。
从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。
色散补偿方法
色散补偿方法一、引言在光学成像过程中，色散是一种常见的现象。
色散会导致不同波长的光线在经过透镜或棱镜时发生不同的折射或反射，从而导致图像模糊或失真。
因此，为了获得高质量的图像，需要进行色散补偿。
本文将介绍常见的色散补偿方法。
二、光谱分析法光谱分析法是通过测量不同波长下物体反射或发射的光谱来进行色散补偿。
具体步骤如下：1. 使用可调节波长的光源照射待测物体。
2. 在不同波长下使用光谱仪测量反射或发射光谱。
3. 使用拟合函数拟合出每个波长下的折射率曲线。
4. 根据折射率曲线计算出每个波长下透镜或棱镜对该波长的折射角度。
5. 根据计算结果调整透镜或棱镜位置，使得所有波长下图像聚焦于同一平面。
三、双重视场法双重视场法是通过同时观察两个具有不同强度的光源，利用它们之间的色差来进行色散补偿。
具体步骤如下：1. 使用两个光源同时照射待测物体。
2. 调整两个光源之间的距离，使得它们的视场重叠但是颜色不同。
3. 使用透镜或棱镜将两个视场聚焦于同一平面。
4. 根据调整结果计算出透镜或棱镜对每个波长的折射角度。
5. 根据计算结果调整透镜或棱镜位置，使得所有波长下图像聚焦于同一平面。
四、多通道法多通道法是通过使用多个传感器同时捕捉不同波长下的图像，从而进行色散补偿。
具体步骤如下：1. 使用多个传感器同时捕捉不同波长下的图像。
2. 根据每个传感器捕捉到的图像计算出相应波长下的折射角度。
3. 根据计算结果调整透镜或棱镜位置，使得所有波长下图像聚焦于同一平面。
五、结论以上介绍了三种常见的色散补偿方法：光谱分析法、双重视场法和多通道法。
每种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法需要根据实际需求和设备条件进行综合考虑。
无论采用哪种方法，都需要对实验过程进行严格控制和精确测量，以获得高质量的色散补偿效果。
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经DCF补偿后
2020/1/26
北京邮电大学顾畹仪
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? 利用LP11模在截止频率附近巨大的负色散来补偿常规光纤中的正色散 ? 关键技术是如何有效地进行模式转换，激励起所需要的高阶模； ? 这种补偿光纤的负色散可达－600ps/nm.km，总品质因数通常只能达 到－100ps/nm.dB； ? 不但可以补偿群速度色散（GVD），还可以补偿二阶色散。
第6.2节 色散的积累和色散的补偿
1、光纤的色散
1）群速度色散 2）偏振模色散
2、群速度色散补偿方案
1) DCF（Dispersion Compensation Fiber) 2) 啁啾光纤光栅 3) 预啁啾技术 4) 色散支持传输法 5) 预啁啾技术
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1）群速度色散（Group Velocity Dispersion)
?采用较小的光纤芯径和 适当的折射率设计得到较 大的光纤波导色散，从而 使得该光纤在? ＝1.55? m 处呈现较大的负色散。 ?负色散光纤的色散值可 达到-300 ps/nm.km ?补偿光纤品质因数可达
-300ps/nm/dB
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经DCF补偿前 （OpticSimu形
（Dispersion Supported Transmission）是利用激光器 的调频特性，采用频移键控 （FSK）调制方式，先对激光 器进行频率调制，由于传输中 的色散作用，在接收端，再转 换为光强的变化。
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2) 偏振模色散 ? ? ? 1 ? 1 ? d? x ? d? y vgx vgy d? d?
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2、群速度色散补偿方案 1) 色散补偿光纤（DCF）
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基于基模LP01模色散补 偿光纤折射率的分布
?优点是器件的体积小，补偿效率高，其缺点是补偿带宽较窄，目 前人们正在研制宽带啁啾光纤光栅以适应 WDM系统的需要。
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3) 预啁啾技术
对光源加一小的正 弦调制,使初始脉冲 前沿的频率低,后沿 的频率高。
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4）色散支持传输法（DST）
=1/ B
接收波形
瞬态啁啾和光强调制影响性 能。
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5）频谱反转法
频谱反转器
E1(t)
SMF1
SMF2
E2(t)
z
0
L1
L1+L2
频谱反转法基本设想是在线路中间位置加一个非线性 器件进行四波混频，混频所生成的信号频谱与原信号频谱 反转，即具有相反的啁啾，继续传输时便可抵消前一段传 输时积累的色散。
Ds Ls ? Dc Lc ? 0
Ds' Ls (? ? ?1) ? Dc'Lc (? ? ?1 ) ? 0
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2) 啁啾光纤光栅
光纤布拉格光栅原理 示意图
?B ? 2neff ?
? 基本设想是在光学波导上刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的
每一点都可以看成是一个本地布拉格光栅的通带和阻带滤波器； ? 由于群速度色散，入射光脉冲中的短波长分量（高频分量）群速 度高，经过光纤传输以后位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被 反射，而长波长分量位于脉冲的后沿，使其在脉冲的起始端就被反 射，于是就补偿了群速度色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原；
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? ?? 为群速度色散, 光纤的色散参数D与? ??的关系:
d? d 1 d 2?
D? ? ? ?
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2
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/ nm ?km)
? ? ? DL? ? 群时延差
对G652光纤，在1.55um为正色散(D为正)， ? 越短， vg越大，时延越小 .
将相移系数在中心频率附近展成泰勒级数
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2
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群速度
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d m? d? m
? ?? 0
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6）色散管理技术
色散管理技术的基本思想是在通信链路中交替使 用正色散光纤和负色散光纤.
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光源的频率啁啾
调制过程中的频率啁啾，对DFB激光器，
? ? (t) ? ? ? { d ln p(t) ? kp(t)} 4? dt
k ? 2? ? /(Vact? h? )
? --LD的线宽增强因子
k — 比例系数 Г为光限制因子
?为增益饱和因子… 上式第一项为瞬态啁啾， 第二项为绝热啁啾