光纤通信第六章2-色散补偿
光纤色散的补偿方法
3、 光子晶体DCF
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。
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是基于电了滤波(均衡)技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。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。
1、常规DCF技术方案 DCF的主要性能指标如表1所示。
1、常规DCF技术方案
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80 km的指标为例。
2、光纤布喇格光栅(FBG)色散补偿
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。
减小色 散的技术
压缩光源的谱宽
选用新型光纤
四、光纤色散的补偿
色散补偿原理
光纤色散补偿方法
色散补偿技术的发展方向
(EDC)
常 规 DCF 技 术 方 案
光 纤 布 色喇 散格 补光 偿栅
光 子 晶 体 DCF
电 子 色 技散 术补 偿
(FBG)
偿宽 带 系 统 色 散 补
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。
光纤通信系统中的信号传输失真与补偿方法
光纤通信系统中的信号传输失真与补偿方法随着信息技术的飞速发展，光纤通信系统作为一种高速、大容量、低损耗的通信方式，得到了广泛的应用。
然而，在光纤通信系统中，信号传输过程中会受到多种因素的影响而产生失真，从而降低了通信系统的性能和可靠性。
因此，研究和采用有效的信号传输失真补偿方法，对于提高光纤通信系统的性能至关重要。
一、信号传输失真的原因1. 色散效应：色散是指光信号在光纤中传输过程中，由于不同波长的光的传播速度不同而引起的传输延迟差异。
这种传输延迟差异导致光信号脉冲宽度扩展，从而影响光信号的解调和识别。
2. 线性损耗：光信号在光纤中传输时会受到光纤弯曲、扭曲等因素的影响而产生线性损耗。
线性损耗会导致光信号的能量衰减，从而降低信号的强度和质量。
3. 非线性效应：非线性效应主要包括自相位调制（XPM）、互相位调制（FWM）和自发光（ASE）等。
这些效应会导致光信号的频谱扩展、相位畸变和增加噪声等，从而使信号失真。
二、信号传输失真补偿方法为了解决光纤通信系统中信号传输失真的问题，科学家们提出了多种信号传输失真补偿方法，可以有效地提高光纤通信系统的性能和可靠性。
1. 光纤衍射补偿方法光纤衍射是由于光信号的传输过程中受到了光的波动性的影响而产生的失真。
为了减少光纤衍射引起的传输失真，可以采用预加权、均衡和衍射抑制等技术。
其中，预加权技术可以在发送端对光信号进行预处理，减少光纤衍射的影响；均衡技术可以在接收端对光信号进行均衡处理，使信号的频率响应变得平坦；衍射抑制技术可以通过设计光纤的结构参数来抑制光纤衍射效应。
2. 色散补偿方法色散是光纤通信系统中主要的信号传输失真因素之一。
为了解决色散引起的信号传输失真问题，可以采用主动或被动补偿方法。
主动补偿方法主要包括光纤光栅衍射、电调制与光调制的联合补偿等技术；被动补偿方法主要包括单模与多模光纤的混合传输、多中心光纤的设计等。
3. 光纤放大器补偿方法光纤放大器是光纤通信系统中放大光信号的重要设备，但它也会引起信号传输失真。
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。
色散补偿原理
色散补偿原理色散补偿是指在光通信系统中，由于光纤的色散效应而引起的信号失真问题，需要采取一定的措施来进行补偿的原理。
色散是指不同波长的光在光纤中传输时由于光速不同而导致的信号传输延迟不同的现象，这会使得信号在传输过程中发生扭曲，影响系统的传输质量。
因此，色散补偿原理是光通信系统中非常重要的一个环节。
首先，我们来看一下色散补偿的原理。
色散补偿的主要方法有预色散补偿和后色散补偿两种。
预色散补偿是在光发射端进行的补偿，通过在光发射端加入特定的色散补偿器件，可以在光信号传输过程中对色散进行补偿，从而减小色散对信号的影响。
而后色散补偿则是在光接收端进行的补偿，通过在光接收端对接收到的信号进行处理，来消除色散引起的失真。
其次，色散补偿的原理是基于对光信号的频率特性进行调整。
由于色散效应导致不同频率的光信号在光纤中传输时产生不同的传输延迟，因此可以通过对光信号的频率特性进行调整来进行色散补偿。
预色散补偿可以通过在光发射端加入特定的色散补偿器件，来对光信号的频率特性进行调整，从而实现对色散的补偿。
后色散补偿则是通过在光接收端对接收到的信号进行数字信号处理，来对光信号的频率特性进行调整，从而消除色散引起的失真。
最后，色散补偿的原理是光通信系统中保证信号传输质量的重要手段。
在光通信系统中，由于光纤的色散效应会对信号的传输质量产生影响，因此需要采取一定的措施来进行色散补偿。
通过预色散补偿和后色散补偿两种方法，可以有效地对光信号的频率特性进行调整，从而减小色散对信号的影响，保证系统的传输质量。
综上所述，色散补偿原理是光通信系统中非常重要的一个环节，通过对光信号的频率特性进行调整，可以有效地消除色散引起的失真，保证系统的传输质量。
在实际应用中，需要根据具体的系统要求选择合适的色散补偿方法，从而实现对色散的有效补偿，保证光通信系统的正常运行。
光纤色散补偿技术
光纤的色散分类不同的光分量(不同的模式或不同的频率等)通常以不同的速度在光纤中传输，这种现象称为色散。
色散是光纤的一种重要的光学特性，色散引起光脉冲的展宽、严重限制了光纤的传输容量及带宽。
对于多模光纤，起主要作用的色散机理是模式色散或称模间色散(即不同的模以不同的速度传输引起的色散)。
对于单模光纤，起主要作用的色散机理是色度色散或称模内色散(即不同的光频率在不同的速度下传输引起的色散〕。
由于多模光纤受模间色散的限制，传输速率不能超过100Mb/s，单模光纤则比多模光纤更优越，在长途干线实际应用中用的也都是单模光纤，此处也仅考虑单模光纤的色散。
单模光纤的模内色散主要是材料色散和波导色散。
材料色散是指由于频率的变化导致介质折射率变化而造成的传输常数或群速变化的现象;波导色散是指由于频率的变化导致波导参数变化而造成的传输常徽或群速变化的现象。
模内色散主要是实际光源都是复色光源的结果。
另外在单模光纤中，实际上传输着两个相互正交的线性偏振模式，但由于光纤的非圆对称、边应力、光纤扭曲、弯曲等造成轻微的传输速度差，从而形成偏振模色散。
高速光纤通信系统需要色散补偿目前，全世界范围内，已经教设的1.3 µm零色散光纤总长度超过5000万公里，而我们知道现在光纤通信系统的工作波长为1.5µm，这样光纤就存在D≈16ps/km•nm的色散、该色散限制光通信系统的传输速度在2Gb/s以下。
即使是新教设的光纤、为了限制四波混频现象也仍需使用非零色散位移光纤。
故为了克服色散对通信距离及通信速率的限制，必须对光纤进行色散补偿。
另外，随着光纤通信和色散补偿方案的迅速发展，一些高速传输系统的传输速率已达到几十甚至几百Gb/s以上。
这时，偏振模色散的影响亦不可忽视光纤色散补偿方案目前，已有多种群速度色散补偿方案被提出，如后置色散补偿技术、前置色散补偿技术、色散补偿滤波器、高色散补偿光纤(DCF)技术和凋啾光纤光栅色散补偿技术，以及光孤子通信技术等。
色散补偿文档
色散补偿什么是色散在光学中，色散是光的传播过程中波长与传播速度之间的关系。
简单来说，色散是指不同波长的光在介质中传播时会发生速度差异，进而导致光的波形发生变化的现象。
色散可以分为正常色散和反常色散两种情况。
正常色散是指在介质中，短波长的光比长波长的光传播速度更快，而反常色散则相反，短波长的光比长波长的光传播速度更慢。
色散对光传输的影响色散会导致光信号在传输过程中失真和模糊，严重影响光纤通信和光学传感等领域的性能和应用。
当光信号经过介质传输时，不同波长的光会以不同速度传播，导致光信号发生不同程度的延迟。
这种延迟会导致光脉冲扩展和重叠，使得信号失真、宽度增大和噪声增加。
在光纤通信中，这会降低信号的传输速率和传输距离，并增加误码率。
此外，色散还会导致光信号的波形畸变，使得光脉冲的峰值和频谱发生变化。
这对光学传感系统和光纤光栅等设备的精度和性能要求提出了更高的要求。
色散补偿技术为了解决色散对光传输的影响，人们提出了一系列的色散补偿技术。
这些技术可以有效地抑制和补偿色散效应，提高光传输的质量和性能。
常用的色散补偿技术包括：1. 同轴电缆色散补偿同轴电缆色散补偿是通过在光纤系统中引入同轴电缆来补偿色散。
同轴电缆具有负色散效应，可以与光纤的正色散相互抵消，从而减小色散对光信号的影响。
2. 光纤色散补偿器光纤色散补偿器是一种利用特殊设计的光纤来补偿色散的装置。
它可以在光纤传输过程中引入负色散，与正色散相互抵消，从而减小色散对光信号的影响。
3. 数字信号处理技术数字信号处理技术是一种利用数学算法对光信号进行处理来抑制和补偿色散的方法。
通过对接收到的光信号进行数学运算，可以减小色散引起的信号失真和延迟，提高信号的传输质量。
4. 光学时钟恢复技术光学时钟恢复技术是一种利用光学时钟恢复器对光信号进行时钟重构来抑制和补偿色散的方法。
光学时钟恢复器可以根据光信号的波形提取出时钟信息，从而实现对光信号的补偿和恢复。
色散补偿的应用色散补偿技术在光纤通信、光子集成电路和光学传感等领域有着广泛的应用。
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发射波形
t DL 2 DL / c =1/B
瞬态啁啾和光强调制影响性 能。
北京邮电大学顾畹仪 11
接收波形
2015-5-21
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。
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 12
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.
2015-5-21
北京邮电大学顾畹仪
13
对G652光纤，在1.55um为正色散(D为正)， 越短， vg越大，时延越小.
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 3
光源的频率啁啾
调制过程中的频率啁啾，对DFB激光器，
d (t ) { ln p(t ) kp(t )} 4 dt k 2 /(Vact h )
p
rc
rd
d
rr
° ë ¾¶ r
基于基模LP01模色散补 偿光纤折射率的分布
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＝1.55m 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
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 9
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。
2015-5-2
（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。
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 2
为群速度色散, 光纤的色散参数D与 的关系:
2
d d 1 d D d d v g d d d 2 d 2C 2 ( ps / nm km) 2 d d DL 群时延差
Ï à¶ÔÕÛÉä Ê
2015-5-21
北京邮电大学顾畹仪
6
经DCF补偿前 （OpticSimu 平台仿真结果）
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪
经DCF补偿后
7
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) 2) 3) 4) 5)
2015-5-21
DCF（Dispersion Compensation Fiber) 啁啾光纤光栅 预啁啾技术 色散支持传输法 预啁啾技术
北京邮电大学顾畹仪 1
1）群速度色散（Group Velocity Dispersion)
--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
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 4
2) 偏振模色散
d x d y 1 1 v gx v gy d d
2015-5-21
北京邮电大学顾畹仪
5
2、群速度色散补偿方案 1) 色散补偿光纤（DCF）
Ds Ls Dc Lc 0
Ds Ls ( 1 ) Dc Lc ( 1 ) 0
' '
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 8
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； 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。
将相移系数在中心频率附近展成泰勒级数
( ) n( )
c
1 1 2 0 ( 0 ) ( 0 ) ( 0 ) 3 2 6 1 d m m m ( ) 0 m d m m! d m 0 d 1 d vg d 群速度