光纤色散是什么？如何色散补偿？

光纤色散是什么？

光纤色散显示了输入信号在光纤内部的一种传播状态，指由于光信号的不同频率成分或不同模式分量以不同速度传播而引起的信号失真。主要包括模间色散、色度色散、偏振模色散三种情况。

模间色散

模间色散是发生在多模光纤和其他波导中的一种信号畸变机制。在多模光纤中，以不同入射角射入光纤的光线都被定义了一条路径或一种模式。由于各个模式的传输路径不同，其传输速度（即群速度）也不同，因此模式间的信号传输到达光纤终端产生了时间差。通常来说，一些光线会直接穿过纤芯（轴向模式），而其他光线会在包层/纤芯边界之间来回反射，沿着波导之字形向前传播，即下图的阶跃折射率多模光纤所示。事实是，一旦光线发生了折射，模间色散/模式色散随即产生。其中，模间色散与传输路径成正相关，即高阶模式下（光线以较大角度射入时路程较长）造成的模间色散高于低阶模式（光线以较小角度射入路程较短）。

图1：阶跃折射率多模光纤内的模间色散

多模光纤最多可同时容纳17种光线传播模式，其模间色散远高于单模光纤。这是由于单模光纤具有单一的传播模式，即光线沿着纤芯传播（轴向模式）而不反射到包层边界，因此没有模间色散发生。

然而，如果使用渐变折射率多模光纤，情况就不同了。虽然光线也以不同的模式传播，但由于纤芯的折射率不均匀，光线路径不再是直线而是曲线，光线的传播速度也发生变化，因此可通过选择合适的折射率分布大大降低模间色散。

色度色散

色度色散指光源中不同波长分量在光纤中的群速不同所引起的光脉冲展宽现象，包括材料色散和波导色散。

图2：色度色散现象

材料色散是由折射率对纤芯材料的波长依赖性造成的，而波导色散则是由模态传播常数对光纤参数(纤芯半径、纤芯和包层的折射率差)和信号波长的依赖性造成的。在某些特定频率下，材料色散和波导色散可以相互抵消，从而得到一种近似于0色度色散的波长。

实际上，色度色散并不总是不利的。光线在不同波长或材料中以不同速度传播，导致光脉冲在光纤中展宽或压缩，这使得定制折射率剖面以生产不同用途的光纤成为可能。G.652光纤就是其中一个例子。

偏振模色散

偏振模色散（PMD）反映了光波在光纤中传播特性的偏振依赖性。实际的光纤中基模存在两个相互垂直的偏振模，理想情况下，两种偏振模式应当具有相同的光波传播特性，但通常来说，不同偏振模式下会有细微差别。这是由于在传播过程中温度和压力等因素变化或扰动，导致两种偏振模式具有不同的传输速度，产生时延，形成偏振模色散。

图3：偏振模色散形成情况

偏振模色散对链路速度低于2.5Gbps的网络影响较小，即便其传输距离大于1000公里。然而，随着传输速度的增加，尤其是当速率超过10Gbps时，偏振模色散的影响剧增，成为一个不容忽视的光纤参数。偏振模色散主要在玻璃制造过程中产生的，除此之外，光纤布线、安装和使用环境等因素都会对其造成影响。

如何进行色散补偿？

虽然光纤色散不至于减弱信号，但它缩短了信号在光纤内部的传播距离，同时造成信号失真。例如，发射端1纳秒的光脉冲在接收端会展宽到10纳秒，导致信号无法正常接收和解码。因此，在密集波分复用（DWDM）等长距离传输系统中，减少光纤色散或进行色散补偿至关重要。下面将介绍三种常用的色散补偿策略和方法。

色散补偿光纤

利用色散补偿光纤（DCF）技术，可在常规光纤中加接具有负色散的光纤。常规光纤与色散补偿光纤相比，色散值极大，且色散为正，使得此类光纤中的光分布减少甚至消失。通过对其加接负色散补偿光纤，可保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。色散补偿光纤主要有三种补偿机制，包括前置补偿、后置补偿和对称补偿。色散补偿光纤广泛应用于已安装1310纳米的光纤链路升级，使其在1550纳米下运行。

图4：三种色散补偿机制

光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅（FBG）是一种由光纤组成的反射装置，可对其核心折射率在一定距离范围内进行调制。在100公里等长距离传输系统中，使用该装置可以显著降低色散效应。当光束经过光纤光栅时，满足其调制条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续沿光纤传输。利用光纤布拉格光栅进行色散补偿具有极大的优越性，因为光纤光栅可与其他无源光纤器件融为一体，插入损耗低，成本低廉。此外，光纤光栅不仅可以用作色散补偿的滤波器，还可以作为传感器、泵浦激光器的波长稳定器、用于窄带波分复用加/减滤波器等。

电子色散补偿

电子色散补偿（EDC）是一种利用电子滤波（也称均衡）实现光通信链路中色散补偿的方法，即在通信信道中进行滤波，以补偿由传输介质引起的信号衰减。电子色散补偿通常由横向滤波器来实现，其输出是一系列延时输入的加权和，它可根据接收信号的特性自动调整滤波器权值，即自适应。电子色散补偿可用于单模光纤系统和多模光纤系统，此外，还可与其他功能结合用于10Gbit/s接收器集成电路上。它可以显著降低单模光纤系统中的发射器成本，也可以在较小的接收器成本损失下增加多模光纤系统的传输距离。

结语

虽然光纤色散能以多种方式影响信号传播，甚至造成信号失真，但总的来说，其对光纤链路的信号传输并不完全是不利的。事实上，当采用波分复用时，一定的光纤色散可用来减轻非线性效应。而当光纤色散过大时，则可选择上述的色散补偿光纤、光纤布拉格光栅、电子色散补偿等方法进行色散补偿。