I 光波分復(fù)用系統(tǒng)（WDM系統(tǒng)）關(guān)鍵技術(shù)與解決方法分析綜述1.1光纖中的色散色散是限制光纖通信系統(tǒng)傳輸實(shí)際效果的因素之一。過(guò)度的色散不僅對(duì)脈沖信號(hào)的傳輸具有很強(qiáng)的帶寬控制，而且對(duì)模擬信號(hào)的傳輸也有很大的危害，從而引起光單脈沖加寬的情況。隨著傳輸距離的增加色散現(xiàn)象會(huì)隨著傳輸距離的增長(zhǎng)持續(xù)增大，色散現(xiàn)象越來(lái)越明顯。色散越大，碼間影響越明顯，這將大大增加誤差率，并顯著降低光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸速度。如今，WDM系統(tǒng)早已成為日常光纖通信的日常生活。不可替代的影響，因此分散問(wèn)題已成為要解決的主要問(wèn)題之一。沒(méi)有人可以忽略光纖色散對(duì)所有WDM系統(tǒng)的危害[6]。1.2光纖色散的種類模式色散

由于在多模光纖中，其傳輸模式的多樣，導(dǎo)致了傳輸路徑的不同，因此信號(hào)走過(guò)的整個(gè)路程也就不一樣，最終的終點(diǎn)也就不同，這些原因就引發(fā)了脈沖展寬。在一根光纖里存在兩種次模即高次模與低次模，高次模要走很長(zhǎng)的距離才能到達(dá)最終的目的地，而低次模就很省力了，只需走很短的距離就能到達(dá)目的地，所以高次模與低次模走到終點(diǎn)所需的時(shí)間也就不同，它們兩所走的時(shí)間差就是這根光纖所產(chǎn)生的脈沖展寬。所以脈沖展寬越大，就代表時(shí)延差越大，色散也就越大，該根光纖也就越長(zhǎng)。材料色散

由光源自身原材料的特性引起的色散稱為原材料色散。由光纖的原材料制成的石英玻璃管的折射率不是恒定值，因此不同的透射光波長(zhǎng)的折射率也不同。在光纖通信系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)光實(shí)際上是從光源傳輸發(fā)出的。它不是理想的某一種特定波長(zhǎng)，它具有其自己的獨(dú)特頻譜帶寬。但是當(dāng)它傳播在折射率為n的物質(zhì)中時(shí)，它符合以下公式計(jì)算方法：v=C/n（C是空氣中的光透射率）。因此，根據(jù)上述公式計(jì)算，可以得出結(jié)論，波長(zhǎng)不同，光速也不同，折射率也相應(yīng)變化。一定光譜寬度的光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)不同，所以每個(gè)波的透射率也不同。當(dāng)它到達(dá)終端站時(shí)，將存在延遲差，這導(dǎo)致單個(gè)脈沖波的波形變寬。波導(dǎo)色散由于包層和光纖纖芯之間的折射率差很小，因此在邊界條件下產(chǎn)生完全反射后，一些光會(huì)進(jìn)入包層當(dāng)中去，而在包層中經(jīng)過(guò)一定距離后，一些光會(huì)返回進(jìn)入芯層并再次傳輸，因?yàn)檫M(jìn)入包層的光的抗壓強(qiáng)度和波長(zhǎng)不同，并且路徑的長(zhǎng)度也不同。最后，到達(dá)重點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)短也有所不同，因此會(huì)發(fā)生脈沖展寬，因此入射光所具有的頻率值越低，進(jìn)入包層的光強(qiáng)度比例越大，這些光波傳播的路程也就會(huì)變得非常遠(yuǎn)。長(zhǎng)久以來(lái)，由于這種散射是由光纖線路中的光波導(dǎo)引起的，因此也稱人們稱之為波導(dǎo)色散[7]。1.3三種色散間的對(duì)比在沒(méi)有意外情況的情況下，波導(dǎo)色散強(qiáng)度低于材料色散強(qiáng)度，色散強(qiáng)度低于模態(tài)色散強(qiáng)度。如果在光纖系統(tǒng)中選擇了多模光纖，則其色散強(qiáng)度是波導(dǎo)色散強(qiáng)度，原料色散強(qiáng)度和模態(tài)色散強(qiáng)度的總和。其中，模式色散具有三者中最強(qiáng)的限制網(wǎng)絡(luò)帶寬的核心作用，所以相較下其他兩個(gè)色散系統(tǒng)的損害就非常的小。如果在光纖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇了單模光纖，則由于傳輸模式是單一的，因此模式色散基本沒(méi)有可能存在，此時(shí)，光源的總色散強(qiáng)度就是波導(dǎo)色散強(qiáng)度和材料色散強(qiáng)度的總和。為了減少色散對(duì)于系統(tǒng)的危害，光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程必須使用窄譜激光發(fā)生器作為光源。當(dāng)今的色散補(bǔ)償光纖，色散補(bǔ)償光纖和色散偏移光纖可以解決普通光纖的色散問(wèn)題。目前來(lái)看，高速光纖通信的真正障礙是光的偏振模色散。這是由光纖的不同幾何形狀引起的，在光纖的制造和應(yīng)用中出現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題是完全無(wú)法無(wú)視的。1.4色散補(bǔ)償技術(shù)及其詳細(xì)介紹如今，光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中常用的大多數(shù)光纖是G.652通用單模光纖，這種光纖的色散系數(shù)約為16ps/nm/km。針對(duì)于該光傳輸系統(tǒng)中的光纖色散補(bǔ)償技術(shù)，其關(guān)鍵選擇的方法和技術(shù)是：光纖色散補(bǔ)償技術(shù)，字符相差陣列法，光纖光柵補(bǔ)償法，雙二進(jìn)制編碼法，相位共軛法和色散支持傳輸技術(shù)等方法，這些方法當(dāng)中是使用最廣泛的光纖光柵尺補(bǔ)償方法和DCF光纖補(bǔ)償方法。下面的重點(diǎn)是解釋DCF光纖補(bǔ)償方法和光纖光柵補(bǔ)償方法[7]。1.5DCF補(bǔ)償技術(shù)從開(kāi)展摻鉺光纖放大器的科學(xué)研究到現(xiàn)在，并隨著摻鉺光纖放大器研究的逐漸上市，大多數(shù)的廠商選擇了色散位移光纖作為傳輸光纖，可以完成超長(zhǎng)距離光纖傳輸，傳輸距離超過(guò)200公里，并且選擇了無(wú)中繼的技術(shù)。中繼技術(shù)是采用位于1550nm波長(zhǎng)帶內(nèi)的光。但是，由于1310nm單模光纖已經(jīng)普及了我國(guó)所有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此如果要重新建設(shè)，無(wú)疑是一項(xiàng)耗資巨大的工程，但是又由于1310nm光纖如果使用1550nm的話應(yīng)用操作模式，將產(chǎn)生16ps/nm/km色散的實(shí)際效果。因此，不能將1310nm單模光纖傳輸線路用于1550nm以下的長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)高速傳輸。為了更好地處理這種色散所引起的問(wèn)題，研發(fā)了DCF色散補(bǔ)償技術(shù)。1.6色散補(bǔ)償光纖技術(shù)原理色散補(bǔ)償光纖DCF在1550nm的光波長(zhǎng)附近具有較大的負(fù)色散，約為-50至500ps/nm/km，由于1310nm單模光纖已經(jīng)普及了我國(guó)的所有光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此對(duì)用于解決該問(wèn)題的專業(yè)色散補(bǔ)償光纖DCF被科學(xué)研究了出來(lái)，它是一種新型的單模光纖。在使用中，色散補(bǔ)償光纖DCF和一般的單模光纖SMF可以串聯(lián)連接形成傳輸線，從而可以處理發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)一般單模光纖需要產(chǎn)生的色散條件，并且可以實(shí)現(xiàn)更好的中繼，增加中繼的距離。這樣的操作如果沒(méi)有正常進(jìn)行，那么在1550nm光纖工作模式下使用1310nm光纖，它將產(chǎn)生16ps/nm/km色散的實(shí)際效果，這將導(dǎo)致所有系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量下降。色散補(bǔ)償光纖DCF具有負(fù)色散，因此可以補(bǔ)償色散，然后確保所有傳輸網(wǎng)絡(luò)的線路的總色散幾乎等同于零，從而完成高速率，大容量和長(zhǎng)距離的光纖通信過(guò)程。但是即使如此，色散補(bǔ)償光纖DCF也有他的一些缺陷。盡管它增加了系統(tǒng)的中繼距離，但也導(dǎo)致了線路傳輸損耗的大大升高。在這樣的情況下，在選擇DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)膫鬏斚到y(tǒng)中，通常需要連接摻鉺光纖放大器（EDFA）來(lái)補(bǔ)償傳輸線路的那些損耗部分。1.7光纖光柵補(bǔ)償法可以通過(guò)使用光線獨(dú)有的光敏性來(lái)制造光纖光柵，光敏性是由激光直接照射的混合光的折射率的變化，這與光強(qiáng)度的空間布局有關(guān)。其光的強(qiáng)度越大，它的變化越顯著。若是用某種獨(dú)特波長(zhǎng)的光照射該光線上，則其折射率將有規(guī)律的變化，即光纖光柵。光纖光柵可用于補(bǔ)償色散。有兩種類型的用于色散補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵：對(duì)稱光纖光柵和非對(duì)稱光纖光柵。在日常生產(chǎn)生活中，大多數(shù)應(yīng)用啁啾光纖光柵在日常生活中用于執(zhí)行色散補(bǔ)償。啁啾光纖光柵是指其周期時(shí)間沿光纖方位角周期時(shí)間線性變換的光柵。由于啁啾光纖光柵可以在其所屬的光柵循環(huán)時(shí)間內(nèi)匹配特定的反射波波長(zhǎng)，因此各個(gè)波長(zhǎng)的光的最終在反射后達(dá)到的位置也會(huì)有所不同，并且時(shí)間差是一對(duì)一的相對(duì)性，同樣由于這種情況單模光纖中不同波長(zhǎng)的群速度也都大不相同。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，群速度越大，而波長(zhǎng)越短，群速度越小。因此，根據(jù)該基本原理，會(huì)在一段光纖的前段上對(duì)應(yīng)循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)和較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間部分的光柵。相應(yīng)光柵的通過(guò)環(huán)行器連接到光纖。長(zhǎng)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)將在光柵光纖的前端反射回光纖內(nèi)部，而短波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)將通過(guò)光柵在光柵光纖的末端反射。這樣，光波長(zhǎng)的較短部分比光波長(zhǎng)的較長(zhǎng)部分留出更多的來(lái)回一圈的時(shí)間，并且該延遲差可用于補(bǔ)償由光纖中的色散引起的延遲差[8]。1.8光纖中的非線性效應(yīng)因?yàn)楣饫w線路中存在一些問(wèn)題，例如：折射率。由于光線折射的實(shí)際作用，入射光的強(qiáng)度的大小將經(jīng)過(guò)折射發(fā)生一些變化，這樣的現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)生了光纖的非線性效應(yīng)。光纖線路中的非線性現(xiàn)象，包括受激拉曼散射，受激布里淵散射，四波混頻，自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制等等。由于存在非線性效應(yīng)，因此WDM光傳輸系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量被造成很大的限制，這嚴(yán)重干擾了一個(gè)系統(tǒng)的性能。目前人類還遭受無(wú)法對(duì)WDM光傳輸系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)方案的困擾。在設(shè)計(jì)主要參數(shù)（例如信道功率，信道間隔，信道數(shù)量等等）時(shí)，設(shè)計(jì)方案可能比預(yù)期的要困難很多。其中，四波混頻效果系統(tǒng)造成了最為嚴(yán)重的破壞。彈性過(guò)程非線性效應(yīng)與非彈性過(guò)程非線性效應(yīng)是光纖中產(chǎn)生非線性效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵類型。產(chǎn)生受激布里淵散射和受激拉曼散射的關(guān)鍵是受激散射引起的整個(gè)非彈性的過(guò)程，這是由磁場(chǎng)和極化介質(zhì)之間的各種能量交換引起的。再看相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制和四波混頻卻是由非線性系統(tǒng)的折射率引起的彈性過(guò)程，并且磁場(chǎng)和極化介質(zhì)二者關(guān)系中沒(méi)有能量的互換??。由于上述各種非線性效應(yīng)的危害，WDM光傳輸系統(tǒng)中的信道會(huì)造成非常大的串?dāng)_和功率損耗成本，這極大地限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量量并限制了更長(zhǎng)的傳輸距離。人們對(duì)設(shè)計(jì)理想的系統(tǒng)參數(shù)非常困難，因此研究如何解決非線性效應(yīng)非常必要，它可以大大的幫助人們提升光纖系統(tǒng)的性能。1.9非線性效應(yīng)的種類散射效應(yīng)因?yàn)槿祟愂澜缟纤械幕A(chǔ)物質(zhì)都是由基本粒子組成的，例如分子和原子。在正常情況下，這種基本粒子會(huì)在各種物質(zhì)中振動(dòng)，沖擊和進(jìn)行自發(fā)熱適應(yīng)運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)受到干擾，而在光纖中的散射效應(yīng)實(shí)際上同樣是因?yàn)楫?dāng)激光波基于光纖物質(zhì)并通過(guò)它時(shí)，基本粒子在物質(zhì)中不間斷的振動(dòng)，沖擊和自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)所造成的結(jié)果。四波混頻光纖的三階非線性極化作用引起的光波之間的耦合效應(yīng)稱為四波混頻（四聲子混合）。四波混頻的關(guān)鍵在于在特定波長(zhǎng)的光下，光纖的折射率發(fā)生了變化，并且光波的相位差在不同的頻率下發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生了新的波長(zhǎng)的光波。這種變化主要發(fā)生在多通道系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)當(dāng)中，這可能導(dǎo)致各種參數(shù)影響，例如和頻，差頻和三倍頻等多種不同的效應(yīng)[9]。1.10光纖傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)光纖傳輸?shù)乃p和色散和光纖長(zhǎng)度的變化有著密切的一系列關(guān)系，它們是線性變化的線性效應(yīng)，而網(wǎng)絡(luò)帶寬系數(shù)和光纖長(zhǎng)度又是與前面相反的非線性離散的效應(yīng)。這些東西在WDM系統(tǒng)中反映得更多更普遍。1.11非線性效應(yīng)的具體解決辦法在WDM光傳輸系統(tǒng)中，非線性離散效應(yīng)的影響主要是由不同信道間的相互影響引起的。由于非線性離散系統(tǒng)的本身會(huì)產(chǎn)生出來(lái)一個(gè)新的頻率，并在數(shù)據(jù)信號(hào)中傳輸走一小部分能量，因此這種情況會(huì)導(dǎo)致特定信道的總功率產(chǎn)生損耗，而新產(chǎn)生的頻率是因?yàn)楂@得了信號(hào)中的部分能量，這將導(dǎo)致信道之間明顯的數(shù)據(jù)信號(hào)串?dāng)_，并最終導(dǎo)致一整個(gè)