色散补偿在APCN2(亚太II号)海底光缆系统中的应用陈炜

长途通信部崇明海缆登陆局1色散补偿在APCN2(亚太II号)海底光缆系统中的应用陈炜（长途通信部崇明海缆登陆局）摘要：通过描述在长距离海底光缆中对于DWDM系统来说色散的受限来分析色散的产生，种类以及克服长距离色散的几种方法，讨论在APCN2海缆中所使用的色散补偿的机制，最后简要概述色散补偿所带来的影响及消除方法。关键词：APCN2(亚太II号)海缆色散色散补偿G.652常规光纤（SMF）色散补偿光纤（DCF）色散补偿模块大模式光纤（LEAF）引言：自从1985年世界上第一条海底光缆问世以来，海底光缆的建设在全世界的得到了蓬勃的发展。海底光缆以其大容量、高可靠性、优异的传输质量等优势，在通信领域，尤其是国际通信中起到重要的作用。由于海底光缆系统是应用于特殊的物理环境中的光通信系统，与陆地光缆系统相比相应的系统设计更加复杂，面临的技术难题更多。另外，由于海底光缆系统设计容量大、建设期长，其技术发展比同期陆地光缆系统相比一直保持领先。随着近年来Internet业务和全球通信的迅速发展，海底光缆系统也从90年代初的兆比特等级增加上千倍，以横跨东南亚的APCN2(亚太II号)海缆为例采用DWDM波分复用技术每对光纤可承载66个信道其中64个信道为业务信道，2个信道为监测波，业务波长每个信道传送速率为10Gb/s（STM-64）的SDH业务，总容量可达到2.56Tb/s。海缆的传输距离很长，APCN2海缆系统总共要连接8个国家和地区的10个终端登陆局，一般两个终端登陆局之间的传输距离为1000公里以上，有的距离甚至超过了3000公里。光信号通过长距离光纤传输后会产生色散，光纤的色散会引起传输信号的畸变，在通过超长距离海缆传输后累计的色散将直接导致通信质量的下降，降低色散的影响对海缆系统来说是至关重要的。一．色散的概述1．在光纤数字通信中，由于光纤的信号并不是单色光而是由不同的频率成分长途通信部崇明海缆登陆局2和不同的模式成分来携带的，这些不同频率成分和不同模式成分的传输速率不同，经过光纤传输之后会发生脉冲畸变，它表现为脉冲展宽现象。一个冲激光脉冲在光纤中的脉冲展宽称为光纤的脉冲色散或脉冲分散。色散的危害很大，尤其对码速较高的数字传输有严重的影响，引起码间串扰，使传输的带宽减小，即传输带宽能力降低。（图1.1）原始脉冲色散影响后的脉冲图1.1光纤色散主要有模间色散，材料色散和波导色散等。单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散，波导色散和折射剖面色散组成，这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号，传输同样的距离，需要不同的时间之差，波长相距1nm（频差124.3GHZ）的两个光脉冲传输1km距离的时延差值被称为色散系数，通常用D（λ）表示，单位为ps/(nm.km).色散的特性，纯石英玻璃材料色散与波长的关系，在波长为1.29μm附近有一个零色散波长λ0。不同掺杂材料和掺杂浓度会使λ0有所移动，但移动变化甚微，随着波长的变化色散在λ0两边有不同的极性，λ0处的传播速度最大，波长离λ0越远，速度下降越多，如此会造成不同的脉冲畸变。波导色散是光纤波导结构参数的函数，在一定波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径α，相对折射率Δ及剖面形状决定，通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵制石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长点的位置，即使光纤的总色散在希望的波长上实现总零色散和负色散的目的，正是用这种方法才研制出了色散位移光纤，非零色散位移光纤和色散补偿光纤。在实际应用中，根据实际情况采取使用不同特性的光纤组网方式来达到理想的色散需求，以保证信号传输的质量。长途通信部崇明海缆登陆局3二．几种光纤色散的比较1.非色散位移单模光纤（G.652）G．652光纤即常规光纤（SMF），它的性能特点是在1310nm波长处色散为零，在波长为1550nm附近衰减系数最小，但在1550nm附近具有最大色散系数，为17ps/(nm.km),这种光纤常称为常规单模光纤，它的最佳工作波长在1310nm区域，在1550nm波长处的大色散成为高速率，远距离DWDM通信系统的“瓶颈”，因此它只适合应用在于单波2.5Gb/s的传输系统当中。2．色散位移单模光纤（G.653）G．653光纤又称做色散位移光纤（DSF）,这种光纤是通过改变光纤的结构参数，折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将最小零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致，这种光纤非常适合于长距离单信道高速几千千米海底系统，但该光纤在EDFA通道进行波分复用信号传输时，存在的严重问题是在1550nm波长区的零色散产生了四波混频非线形效应，所以G.653光纤不适合DWDM系统。那什么是四波混频非线形效应，它有什么危害呢？在DWDM系统中当多个具有一定强度的光波在光纤中混和时，光纤的非线形会导致产生其它新的波长（见下图），即四波混频效应（FWM）,并用FWM效率来度量，显然，在新波长的产生以及原有波长信号能量的转移消耗，会在多波长系统中产生串音干扰或过大的信号衰减，从而限制了波长数。通常，FWM效率取决于通路间隔和光纤的色散。通路间隔越窄，光纤色散越小，不同光波间相位匹配就越好，FWM效率也越高，影响也越重。在DWDM系统中具有少量的色散能有效的抑止FWM，故利于DWDM长距离大容量的传输。2ω1-ω22ω2-ω1ω1ω2频率新波长四波混频产生的原理3．截至波长位移单模光纤（G.654）长途通信部崇明海缆登陆局4G.654光纤其零色散波长在1310nm附近，截止波长移到了较长波长，在1550nm波长区域衰减极小，最佳工作波长范围为1550－1600nm。它主要应用在传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统，这种光纤制造特别困难，十分昂贵很少使用。4．非零色散位移单模光纤（G.655）G.655光纤又称为非零色散位移光纤（NZDSF）是在色散位移单模光纤的基础上通过改变折射剖面结构的方法来使得光纤在1550nm波长色散不为零，故其被称为“非零色散位移”单模光纤。G.655光纤的基本设计思想是1550nm波长区域具有合理的低色散，同时其色散值又必须保持非零特性来抑止四波混频和交叉相位调制等非线形效应的影响。A．非零色散位移单模光纤通过改变光纤折射率剖面形状，即以改变其波导色散的方式来使得零点色散点移向S波长侧或者L波长侧，进而得到正色散非零色散光纤和负色散非零色散光纤，当零色散点位于短波长区域时，工作区色散为正，当零色散点位于长波长区域时，工作区色散为负。Lucent公司生产的“真波光纤”是一种典型的工作区为正色散的光纤，它的零色散点在1530nm以下的短波长区。在1530nm-1565nm的光放大区，色散系数为1.3-5.8ps/(nm.km),这个值基本上避免了非线形的影响，而低色散系数又不至于对系统造成色散受限，在多数陆地传输系统应用场合（传输距离为几百公里范围），正色散引起的自相位调制效应可以压缩脉冲，使信号眼开度较大，比较有利，因此正色散的“真波光纤”适合于DWDM系统的陆地应用。康宁公司推出具有负色散工作区的光纤SMF-LS，它的零色散点处于波长区1570nm附近，在1530－1565nm光放大区域，光纤的色散值均为负值，处于－3.5～－0.1ps/nm.km之间，SMF-LS光纤在进行超长距离传输时，积累的色散为负值，因此只需要采用常规G.652光纤就可以对其进行色散补偿，而真波光纤则需要价格昂贵的色散补偿光纤DCF，SMF-LS光纤在海缆系统中应用比较广泛。B.海底大有效面积非零色散位移单模光纤为了适应更大容量，更长距离的密集波分复用系统的应用，一种新型的专门用于海缆系统的大有效面积光纤（图2.1）已经出现，光纤的有效面积是决定光纤非长途通信部崇明海缆登陆局5线形效应的主要因素，大有效面积非零色散位移单模光纤（LEAF）的优点是低色散，大有效面积，优异的弯曲性能，而且降低了非线形效应。这种光纤的模场直径由普通光纤的8.4µm增加到9.6µm从而使有效面积从55µm2增加到72µm2以上，零色散点在1580nm处，在1530nm-1565nm的窗口内处于－3.4～－1.0（ps/nm.km）之内。LEAF光纤提供了更大光功率的承受能力，增加了波分复用数，更适合在长距离的海缆系统中运用。光纤半径小有效面积NZ-DSF大有效面积NZ-DSF光强图2.1大有效面积光纤增大了纤芯的导光面积5.色散补偿单模光纤（DCF）色散补偿单模光纤是一种在1550nm波长处有很大的负色散的单模光纤，色散系数为-50～－548ps/(nm.km).通过在系统中加入一段负色散光纤，即可抵消几十千米常规单模光纤在1550nm处的正色散，其主要用作G.652光纤工作在1550nm处的色散补偿，它的主要缺点是衰耗比较大，价格比较昂贵。17ps/nm.km1310G.652光纤正色散系数G.655光纤G.653光纤负色散系数G.655光纤153015501570波长λ（nm）图2.2几种光纤的色散特性长途通信部崇明海缆登陆局6三．色散补偿在APCN2海底光缆中的应用现在海缆系统中均使用容量大，速率高传输系统稳定的密集波分复用技术（DWDM）,以APCN2（亚太II号）海缆为例，其工作在1550nm窗口采用NEC的10Gb/s*66波系统，在这种情况下G.652在1310nm窗口零色散的光纤由于会产生波间干扰而无法使用，采用G.655的非零色散位移光纤进行传输，不会产生干扰，但由于光纤中不同频率的传播并不一样，在1530nm的频率窗口低端，信号色散较少，而在1565nm以上则可以传送更多的信号以及更远的距离。在APCN2海缆系统中采用康宁公司的海底LEAF光纤＋SMF(G.652)光纤＋由色散补偿光纤构成的色散补偿模块的组合方式使得海底光缆DWDM系统具有最佳的传输质量。APCN2海缆系统在1530nm－1565nm工作区域共使用66个工作波长，信道间隔为50GHZ（0.4nm），中心波长为1552.52nm，为表明这些工作波长的特征和区别和减少系统放大器所需要的成本我们将它们分为以下三个子波段见表3.1波长编号波长范围所属波段λ1－λ181539.37nm-1546.12nmS波段λ19－λ511546.52nm-1559.39nmM波段λ52－λ661559.79nm-1565.50nmL波段表3.1APCN2系统波段的划分在APCN2海缆系统中色散补偿分为两个部分，一为海缆线路补偿部分主要作用是针对通过长距离海缆线路传输后上所积累的色散进行补偿，二为DWDM长途通信部崇明海缆登陆局7终端设备色散补偿，其主要通过色散补偿模块分别为各工作波长提供最符合其工作需要的色散。APCN2色散补偿机制见（图3.1）图3.1APCN2海缆系统的色散补偿机制1.海缆线路APCN2海缆系统在海缆线路中采用的是7段康宁公司的海底LEAF（大有效面积光纤）＋1段SMF（非色散位移光纤G.652）传输方式。为什么在海缆中要使用康宁公司的LEAF光纤(G.655)呢？由于它的零色散处于长波长区1570nm附近，在1530nm-1565nm光放大区域，光纤的色散值均为负值，处于-3.5~-1.0ps/nm.km之间，在常用的1549～1560nm之间。其色散值在-2.4ps/(nm.km)左右，在超长距离传输时，积累的色散为负值，因此只需要采用常规G.652光纤就可以对其进行色散补偿（如下图所示）。LEAF光纤由于模长直径的增加，从而使得有效面积增加更有效的克服非线性影响。正是由于大有效面积光纤增大了光传输距离，所有这种光纤系统只需很少的光放大器和中继器，而且用SMF常规光纤来补偿负色散比用DCF光纤来补偿正色散要便宜许多，从而直接降低了网络建设和维护的成本。长途通信部崇明海缆登陆局8图3.2海缆的色散补偿注：1.1block相当于两个海底中继器之间的距离