CN1212096A - 光纤传输中的色散补偿 - Google Patents

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Abstract

光传输装置,用于传送约1550纳米波长的光信号,该装置包括:由光纤构成的单模光纤链路,此光纤在约1300纳米波长上的色散基本为零和在约1550纳米波长上的色散大致为17皮秒每纳米—公里;以及一个或多个色散补偿线性调频光纤光栅,线性调频光纤光栅的合计色散基本上补偿光纤链路的色散;其中这一个或多个光栅在基本上对称于光纤链路长度中央的相应位置上与光纤链路耦合。

Description

光纤传输中的色散补偿
本发明涉及光纤传输中的色散补偿。
光纤中的数据传输一般要受功率损耗和脉冲色散的限制。掺铒光纤放大器(EDFA)的发明为工作在第三光通信窗口(约在1.55μm(微米)波长附近)的系统，有效地消除了损耗的限制，余下的脉冲色散便成为重大的限制，特别在未来的大容量、多波长光网络中更甚。
尤为重要的是，已经为电信链路安装的绝大部分光纤(即标准的无色散位移光纤)，在1.3μm附近色散为零，而在1.55μm附近显现高色散(约17ps/nm.km(皮秒每纳米-公里))。要改进这种光纤使之适于高的比特率，包括采用EDFA和把工作波长移至155μm，而在1.55μm，必须作色散补偿。
已经表明有好几种色散补偿技术，包括：激光预线性调频，中跨谱翻转(相位共轭)，添加高色散补偿光纤，和线性调频光纤光栅。线性调频光纤光栅被特别看好，因为它小巧，低损耗，以及能提供任意的且曲线形状可调的高的负色散。
在一条光纤链路内使用一个或多个线性调频光纤光栅以提供色散补偿，此时这些光栅便带来联合的光信号损耗。因此建议：光栅应放在光纤链路的输入端，最好紧接着放一光放大器，这样，注入链路的光功率经线性调频光栅预补偿后能恢复到所要求的功率值。前述建议是利用了如下事实：由于色散和色散补偿都是线性作用，因此，注入色散光纤链路的光脉冲，其色散补偿可在脉冲进入链路之前，作为预补偿而加上去。
在光纤传输系统，特别是在前面说明了的业已安装的所谓标准电信光纤系统，色散补偿技术的改进，是一个永恒的目标。在已安装的系统里，任何改进都必须使用分立元件，而不是对传输链路换用另一种型号的光纤。
本发明提出一种光传输装置，用于传输在1550纳米附近的光信号，此装置包括：
一条单模光纤链路，它至少有一部分由在1300纳米附近基本上为零色散，在1550纳米附近色散约为17皮秒每纳米-公里的光纤组成；以及
一个或多个色散补偿线性调频光纤光栅，这些线性调频光纤光栅的合计色散基本上补偿光纤链路的色散；
其中，这一个或这多个光栅位于基本上对称于光纤链路长度中央的相应位置上，与光纤链路耦合。
本发明认识到，把所谓标准电信光纤用在1550纳米的光链路，其性能将随光栅位置而有差异。用前面认可的色散补偿的线性作用，不能预期这一差异。因为在这样的线性系统里，光栅放在什么位置都是没有关系的。
与光栅位置有关的物理原因，是光功率峰在光纤链路上的位置，会随在什么地方进行色散补偿而改变。这个光功率峰随后决定光纤链路的非线性响应。
当光脉冲沿光纤传播时，光纤的色散导致不同波长以不同的速度传播。这一效应对单个高斯脉冲的影响是简单地使脉冲在时域上展宽，因而降低其瞬时峰功率。但是，对一列脉冲(如在实际的通信链路中那样)，每个单独脉冲能因时间展宽而进入相邻脉冲的位周期内，因而常常会局部出现光功率的峰值超过注入光纤的功率峰值。
通过反直觉地把色散补偿分配在沿光纤的一些区段上，那么脉冲列在光纤任何点上的最大色散，要低于把色散补偿简单地放在链路的输入端或输出端。这样便得到沿链路的一个较低的局部光功率极大峰值，从而改善沿链路的非线性畸变。这种改善最终能得到比用相同色散补偿及放大元件所能得到的链路更长(或更便宜)。
因此，本发明与常规的教导相反，常规的教导建议说，如果光脉冲都已被预色散，那么光功率就被“抹平”，从而降低光功率峰值。事实上，已经发现能够产生相反的情形。
本发明也与一些系统截然不同，这些系统采用了比如色散补偿光纤的长度作为色散补偿器件。在上述这类系统里，光纤的非线性并未作为一个问题而加以考虑。
熟练的技术员知道，元件在光纤链路中的恰当位置可能依赖于接入链路(例如，链路可能埋在地下)的难易程序，因此，元件可能放在上面规定位置的例如10％以内的近似位置上，同时仍在本发明实施例的有利范围内。同样，熟练的技术员知道，在上面所用的“标准”电信光纤的定义中，存在不大的宽容度。
最好是，每个这种光栅都用一个光环行器与链路连接。
在光通信装置中特别适宜使用按照本发明的装置，此装置还包括：连接于光传输装置输入端的一个光发射器，此光发射器能产生约1550纳米的光信号；以及连接于光传输装置输出端的一个光接收器，此接收器能接收约1550纳米的光信号。
现仅以举例方式，参照附图来描述本发明，附图中：
图1是光纤传输链路的示意图；
图2a是眼图的示意表示；
图2b是眼图闭合损耗对传输链路长度的大致曲线图；
图3是沿图1传输链路的六个位置上光功率峰值的大致曲线图。
现参看图1，光纤传输链路包括一个光发射器10，在本例子中，光发射器10是在一台位误码率(BER)测试仪(BERTS)20的控制下运行的。发射器工作在1.55μm的上，以10Gbit/S(千兆比特每秒)产生基本上无线性调频的不归零(NRZ)脉冲。脉冲在时域具有上升余弦的形状，从而其脉冲光强从表示二进制“1”的一个单独脉冲下降，在相邻位的位周期中央下降至零。
光发射器10的光输出连接到一系列光放大器(记以a、b、c、d、e、f、g及h)，在两个放大器之间是100km(公里)的称作标准电信光纤的区段30，这种光纤在1.55μm有高的色散(如前述)。
在放大器系列的末级放大器，即放大器9的输出端，还有一标准电信光纤构成的可变长度区段40。它向光接收器50提供光信号，接收器又在电学上连接到BERTS20。因此，BERTS20产生位图案，由发射器10转换成光信号，然后把光接收器50的输出与给定的位图案比较，从而检测经过光链路传输而产生的位误差。
图1中各种元件的具体细节说明于后。光纤色散是17ps/(nm.km),光纤损耗0.23dB/km，光纤非线性折射率系数n2是2.6×10-20m2/w,以及有效芯面积80μm2。每个光放大器a,…,h的增益基本上是线性的，且根据注入其后光纤区段30、40的平均光功率为+6dBm而设定其增益。接收器50包括一个125GHz带宽的光滤波器及随后的一个平方律光检测器。得到的电信号用带宽为10Ghz3dB的三阶巴特沃斯滤波器作电学上的滤波。BERTS产生一个256比特的随机比特序列。
接收器50的电输出还连接到分析器60，分析器应用已知技术给出代表光链路传输性能的眼图。眼图是十分有名的，这里不再详细讨论。但是，为明确本文所用术语，图2a画出示意的眼图并表明眼图张度为100的情形。眼图张度既可以连带各光纤区段及适当位置上的相关元件(诸如将在下面说明的光栅)一起测量，也可以不带光纤区段及适当位置上的相关元件而测量。(就是说，眼图张度可以按“背对背”方式测量，此时光发射器直接连接到接收器)。本文中，对光链路某特定配置的“眼图损耗”定义为背对背配置下的眼图张度与该特定配置下链路的眼图张度之比(以分贝(dB)表示)。数值上较大的眼图损耗意味着较差的链路性能。
在现在的安排里，两个等同的色散线性调频光纤补偿光栅80，其中每一个都对300km的光纤色散给出相等的补偿，这两个光栅通过串联插入的光环行器90连接到链路的不同点。图1画出两个光栅都连接到放大器a的输入端(输出端无疑也可以用)，但实际上这两个光栅可分开连接到放大器a,…,h中任一个的输入端(输出端)。在下面描述的实验/模拟中，光栅80按四种配置方式连接：
aa两个光栅都连接在放大器a的输入端(事实上已示于图1)
ah一个光栅在放大器a的输入端，一个在放大器h的输入端
ce一个光栅在放大器c的输入端，一个在放大器e的输入端(即当区段40置为零时，沿链路长的1/3与2/3位置)
dd两个光栅都连接在放大器d的输入端
图2b是三种光栅配置ah,dd,及ce下眼图闭合损耗对传输链路长度的大致曲线，图3是四种光栅配置aa,ag,ce及dd下沿传输链路六个位置上峰值光功率的大致曲线。实际上图2b及图3的曲线都是通过对图1链路的数值模拟得到的，但其主要结论都经实验证实。
对图2b，允许光纤区段40的长度增长，以便整个链路的长度数值能超过600km。对图3，区段40的长度置为零。由于对此处描述的放大器输出的制约，对图3便意味着放大器h的净增益基本上是0dB。
图2b表明，对画出的各种配置，当两个光栅在放大器c和e处时，得到最佳(最低)的眼图闭合损耗。还有，配置dd(在此配置中，两个光栅实际上形成一个单个的对整个600km链路的色散补偿器，同时所起的作用等价于把一个单个光栅放在链路的中央，此单个光栅能补偿整个600km链路的色散)仍然明显优于把光栅安排在链路的始端和末端。(ag)。
这一原理已通过其他实验而加以扩充，其他实验证明，所用光纤传输链路最理想的是包含两个或更多的光纤区段，这些光纤区段基本上长度相等，相邻的一对光纤区段之间接入相应的色散补偿器件。此时，补偿器件基本上应对1+1/(n-1)个光纤区段的色散加以补偿，这里n是链路中区段的数目。例如，在三个区段的链路中，两个光纤光栅位于沿链路1/3和2/3位置(如在配置ce)，那么每个光栅基本上应对1+1/2个区段的光纤，即链路总长度一半的色散加以补偿。
此原理也可用于含有两个或更多色散补偿器件的光纤传输链路，其中的色散补偿器件基本上在对称于链路长度中央的位置上与链路连接。
链路性能随光栅位置而不同这一点，是不能用前面认可的色散补偿的线性作用所能预期的。在这样的一个线性系统内，其性能应与光栅位置无关。
这里指出的与光栅位置有关，其物理原因是光功率峰在光纤链路的位置随完成色散补偿的地点而变。此光功率峰随后决定光纤链路的非线性响应。
当光脉冲沿光纤传播时，光纤的色散导致不同波长以不同的速度传播。这一效应对单个高斯脉冲的影响是简单地使脉冲在时域上展宽，因而降低其瞬时峰功率。但是，对一列脉冲，每个单独脉冲能因时间展宽而进入相邻脉冲的位周期内，因而常常会局部出现光功率的峰值超过注入光纤的功率峰值。
图3是示意曲线图，画出色散补偿光栅在配置aa、ag、dd和ce下，峰值功率沿图1的600km链路的变化。每个放大器输出端的平均功率设定为+6dBm。因色散作用导致光功率时间分布的差异，使曲线aa、ag、ce和dd都不相同，进而导致光功率的瞬时分布的差异。
曲线ce和dd在图3的左侧开始时相同，但在200km进入链路时(配置ce中第一光栅的位置(c))，两曲线便分开，曲线dd显示出较曲线ce有更大的峰功率。曲线
可以看出，局部峰功率极值是配置ce为最低，其次是曲线dd。曲线aa和ah表明其峰功率值要高出许多。
配置ce和dd给出较低的峰功率，导致光纤内较低的非线性畸变，从而在接收器上得到较好(较低)的眼图闭合损耗。

Claims (8)

1、用于传输约1550纳米波长的光信号的光传输装置，该装置包括：
单模光纤链路，构成该链路的光纤至少有一部分是：在约1300纳米波长上色散基本为零；和在约1550纳米波长上色散大致为17皮秒每纳米-公里；以及
一个或多个色散补偿线性调频光纤光栅，线性调频光纤光栅的合计色散基本上补偿了光纤链路的色散；
其中，这一个或多个光栅要在基本上对称于光纤链路长度中央的相应位置上，与光纤链路耦合。
2、按照权利要求1的装置，其中一个或多个光栅中每一个都经一个相应光环行器与光纤链路连接。
3、按照权利要求1或2的装置，其中光纤链路包括两个或更多的串联连接的光纤段，在串联的两相邻光纤段之间放置一个相应的光放大器。
4、按照前面权利要求中任一项的装置，该装置有一个色散补偿光纤光栅，基本上对整个链路的色散进行了补偿，此光栅基本上在链路的长度中央与链路耦合。
5、权利要求1至3中任一项的装置，该装置有两个色散补偿光纤光栅，分别在链路长度基本上三分之一和基本上三分之二的位置上与链路耦合。
6、按照权利要求1至3中任一项的装置，该装置有两个色散补偿光纤光栅，分别在链路的输入端和链路的输出端与链路耦合。
7、按照前面权利要求中任一项的装置，其中链路的长度在1000公里以内。
8、光通信装置，包括：
按照权利1至7中任一项的光传输装置；
连接在光传输装置输入端的光发射器，它能产生约1550纳米波长的光信号；以及
连接在光传输装置输出端的光接收器，它能接收约1550纳米波长的光信号。
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