一种宽带色散补偿方法以及采用该方法的光纤通信系统

摘要

本发明涉及一种结合宽带光放大的宽带色散补偿方法和使用该方法的光通信系统，特别适合在超长距离线路(ULH，Ultra Long Haul)上使用，本发明在采用宽带色散补偿光纤对色散进行补偿的同时，结合采用宽带喇曼分布光放大器弥补色散补偿所产生的插入损耗，这样可以实现结构简单、高效、低成本的宽带光通信系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤通信系统，更具体地说，涉及一种采用了宽带色散补偿方法的密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)光纤通信系统。

背景技术

随着电信业务尤其是以IP为代表的数据业务呈现爆炸式增长，人们对电信传输容量的需求与日俱增，目前，通常采用密集波分复用(DWDM)技术实现长距离光信号传输。波分复用(WDM)技术实际上就是一种多信道的光传输技术，即每个不同波长的光，也被称为波道，都是一个承载特定比特率的信道，然后将它们复用成一路光信号在单根光纤中传输。接收时，利用光分波器件对各个波道进行解复用，然后分别进行接收处理。为了补偿光纤和其他光器件的衰减，线路中通常利用光放大技术对各波道同时进行放大。因此，实际上一般的波分复用系统就是基于光放大技术的多信道光通信系统。

传统的C波段(波长为1530nm～1565nm)应用已非常成熟。随着大容量传输的需求，L波段(波长为1570nm～1605nm)也已经投入商业应用。由于掺铒光纤放大器(EDFA)的原理及实现机制的限制，它的放大范围仍被限制在各个波段内。例如，在C+L宽波段内，EDFA仍然是分为C波段放大器和L波段放大器，在C+L波段WDM系统中是采用先分波段再放大的方式。在其他的宽带DWDM系统中，所采用的EDFA也是分波段的放大器。

大容量通信系统要求高信道容量，因此每波道的传输速率也很高。当DWDM中单波道的速率达到10Gb/s及以上，色散对信号传输的影响非常显著，传输距离越长，影响越大。因此，必须对系统进行色散补偿，通常采用在通信系统中增加色散补偿器的方式。

DWDM系统使用的EDFA的工作窗口在1550nm，为了利用EDFA，必须研究解决色散问题。为了减少光纤色散的影响，常用单频激光器和非零色散光纤(G.655)。但在高速传输时，因光源波长啁啾，经光纤传输，光脉冲变形严重，因此采用光纤色散补偿技术。目前采用色散光纤作无源色散补偿器(PDC，Passive Disperse Compensator)的技术比较成熟，已经投入商业应用。利用色散光纤补偿的最大特点是能实现宽带色散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿。其他的色散补偿方法，例如光纤光栅等，不适合宽带的色散补偿。

但是，由于无源色散补偿器会给系统带来插入损耗，因此传统上采用EDFA对插入损耗进行弥补。而采用传统的EDFA对插入损耗进行补偿，必须分波段放大，与传输线路和FPDC的连接都必须是先分波段、再放大、然后再合波。另一方面，采用EDFA方式，如果先补偿FPDC损耗，再补偿光纤线路损耗，需采用两次先分波段、后合波的方式，这样就体现不出宽带色散补偿的好处；如果将FPDC放置在光纤线路后再用EDFA，则光线路的功率预算减小，相当于减少了线路跨距，不适合实际运用。

因此，需要一种能够将宽带补偿与宽带放大结合的色散补充技术，以便构成结构简单、高效、低成本的光通信系统。

发明内容

本发明的目的就是提供一种结合宽带光放大的宽带色散补偿方法和系统，特别适合在超长距离线路(ULH，Ultra Long Haul)上使用。本发明基本原理如下：在采用宽带色散补偿光纤对色散进行补偿的同时，结合采用宽带喇曼分布光放大器弥补色散补偿所产生的插入损耗，这样可以实现结构简单、高效、低成本的宽带光通信系统。利用宽带喇曼分布光放大器的低噪声放大特性，可显著改善光信噪比(OSNR)。在常规的DWDM系统中，为了保证一定的光信噪比，有时需要提高光信号的入纤功率。但是，提高光信号的入纤功率虽然使信噪比提高，却往往使系统发生误码；反之，适当降低入纤功率，虽然可能导致OSNR降低，却能够同时实现无误码传输。原因在于，传输中引起误码的因素除了光放大器带来的自发辐射(ASE)噪声之外，还包括光纤非线性引起的脉冲畸变。入纤功率越高，非线性效应越严重。因此，最好是设法使入纤功率在很低的情况下仍能保持高的光信噪比。喇曼光放大器利用的是分布喇曼放大，正好能够满足这样的要求。由于分布喇曼放大带来了高的OSNR设计余量，利用这个余量，通过降低信号的入纤功率，可以间接地克服非线性效应带来的不利影响，从而实现超长距离光信号传输。对宽带例如C+L波段的色散补偿器的插入损耗进行补偿，如果采用宽带的光放大器，例如上述宽带喇曼光纤放大器，与光纤传输线路和FPDC都可以直接相联，不需要分波段。

本发明的一种采用宽带色散补偿的光纤通信系统，包括发端设备、中继设备、收端设备，其中

发端设备组成为：多个波段合波器，将各个波段上多个波道光信号合成为一个波段光信号；合波段模块，将来自多个波段合波器的多个波段光信号合成为一个宽带光信号；喇曼光放大器，将合波段模块输出的宽带光信号放大后，输出到线路光纤上；

中继设备组成为：喇曼光放大器，用于补偿色散补偿器模块的插入损耗；色散补偿器模块，用于补偿线路光纤上的色散；喇曼光放大器，将色散补偿后的光信号放大输出到下一段线路光纤上；

收端设备组成为：喇曼光放大器，用于补偿色散补偿器模块的插入损耗；色散补偿器模块，用于补偿线路光纤上的色散；分波段模块，用于将补偿后的宽带光信号分成多个波段；多个掺铒光纤放大器，分别放大来自分波段模块的各个波段光信号；多个波段分波器，将各个波段光信号分成为多个波道光信号。

本发明的另一种采用宽带色散补偿的光纤通信系统，包括发端设备、中继设备、收端设备，其中：

发端设备组成为：多个波段合波器，将各个波段上多个波道光信号合成为一个波段光信号；多个掺铒光纤放大器，分别放大各个波段合波器输出的波段光信号；合波段模块，将来自多个波段合波器的多个波段光信号合成为一个宽带光信号，输出到线路光纤上；

中继设备组成为：喇曼光放大器，用于补偿色散补偿器模块的插入损耗；色散补偿器模块，用于补偿线路光纤上的色散；分波段模块，用于将色散补偿后的宽带光信号分成为多个波段光信号；多个掺铒光纤放大器，用于分别放大各个波段光信号；合波段模块，用于将分别放大后的多个波段光信号合成为一个宽带光信号，并输出到下一段线路光纤上；

收端设备组成为：喇曼光放大器，用于补偿色散补偿器模块的插入损耗；色散补偿器模块，用于补偿线路光纤上的色散；分波段模块，用于将补偿后的宽带光信号分成多个波段；多个掺铒光纤放大器，分别放大来自分波段模块的各个波段光信号；多个波段分波器，将各个波段光信号分成为多个波道光信号。

上述两种系统中，所述色散补偿器模块使用宽带色散补偿光纤，所述中继设备的数量可以根据系统传输总距离适当选择，整个系统可以包括一个以上的中继设备。

本发明的一种用于光纤通信系统的宽带色散补偿方法，包括下列步骤

在发送过程中：将各个波段上的多个波道光信号合成为各个波段光信号；将多个波段光信号合成为一个宽带光信号；将宽带光信号放大后，输出到线路光纤上；

在中继过程中：补偿色散补偿器模块的插入损耗；补偿线路光纤上的色散；将色散补偿后的光信号放大输出到下一段线路光纤上；

在接收过程中：补偿色散补偿器的插入损耗；补偿线路光纤上的色散；将补偿后的宽带光信号分成多个波段；分别放大各个波段光信号；将各个波段光信号分成为多个波道光信号。

本发明的另一种用于光纤通信系统的宽带色散补偿方法，包括下列步骤：

在发送过程中：将各个波段上的多个波道光信号合成为各个波段光信号；分别放大各个波段光信号；将多个波段光信号合成为一个宽带光信号，输出到线路光纤上；

在中继过程中：补偿色散补偿器模块的插入损耗；补偿线路光纤上的色散；将色散补偿后的宽带光信号分成为多个波段光信号；分别放大各个波段光信号；将分别放大后的多个波段光信号合成为宽带光信号，并输出到下一段线路光纤上；

在接收过程中：补偿色散补偿器模块的插入损耗；补偿线路光纤上的色散；将补偿后的宽带光信号分成多个波段；分别放大各个波段光信号；将各个波段光信号分成为多个波道光信号。

采用本发明的宽带色散补偿方法和系统，实现了在宽带(如C+L波段)上同时进行全色散补偿，并且结合使用宽带光放大器，使系统成本比分波段进行色散补偿大为降低，为大容量的宽带DWDM系统，特别是其超长距离线路(ULH)应用提供有利的条件。

附图说明

图1是采用了C+L波段的宽带色散补偿光纤对传输线光纤色散进行补偿之后的残余色散曲线示意图；

图2是本发明的宽带色散补偿方法以及采用该方法的光通信系统实施例；

图3是本发明的宽带色散补偿方法以及采用该方法的光通信系统另一实施例。

具体实施方式

下面结合附图详细解释本发明的具体实施方式。

本发明的系统具体地使用光纤无源色散补偿器(FPDC)，也称为色散补偿光纤(DCF，Disperse Compensate Fiber)进行宽带色散补偿。自然，加入这些无源色散补偿器件，会给整个光纤通信系统带来额外的插入损耗；为此，本发明的系统使用宽带的喇曼光放大器，对色散补偿器件产生的插入损耗进行补偿。

本发明的方法对宽带光信号例如C+L波段的光信号直接进行色散补偿，然后对色散补偿后的宽带光信号直接进行宽带放大来弥补宽带色散补偿器的插入损耗。

例如在C+L波段DWDM系统中，可以利用宽带(C+L波段)的光纤无源色散补偿器(FPDC)进行色散补偿，这样不需要分为C波段和L波段进行色散补偿，即对同样的光纤线路，只需要一份FPDC对所有波段进行色散补偿，而不需要两份FPDC分别对C波段部分和L波段部分进行补偿，从而节省系统的成本。

图1是采用了本发明的宽带色散补偿方法后的残余色散曲线。如图1所示，在室温条件下，波长1550nm处的残余色散为0，在靠近波长范围两端的波道上最大残余色散分别为-0.35ps/nm/km和+0.35ps/nm/km，即传播3000km距离产生的残余色散值为1050ps/nm，一般DWDM系统可以容忍这种程度的色散。超过3000km的应用场合，可以采用先分波，再进行微补偿的方式，尤其对于40Gb/s系统，需要对各个波道进行可调的精细色散补偿。

图2给出一种结合宽带光信号放大的宽带色散补偿方法以及采用该方法的光通信系统实例，该系统全部采用宽带光放大器，即喇曼光放大器。如图2所示，本发明的光纤通信系统中，发端设备被标记为端机发20、收端设备被标记为端机收30、中继设备被标记为中继机10、相应的线路光纤标记为40。图2上中继机10的数目为m个，其具体数值根据传输线路长短选择。线路光纤40可以是G.652或G.655。

端机发20由多个波段合波器221、222至223，一个合波段模块21，一个喇曼光放大器112组成。波段合波器221至223可以根据波段的数目不同而有多个，图2中所示的C波段合波器221，L波段合波器222，......，x波段合波器223等，每个波段合波器的功能是将该波段内的所有多个波道合成为一个波段光信号。合波段模块的作用是将多个波段光信号合成为一个宽带光信号。喇曼光放大器112是一个前向光放大器，主要功能是补偿线路光纤40的损耗。在端机发20中，各波段内多个波道光信号由波段合波器221至223合成多个波段光信号输出，然后再由合波段模块21把所有波段的光，也就是系统的所有波道光信号，合在一起形成宽带光信号，经过前向喇曼光放大器112将光功率放大后输出到光线路40上。

中继10由宽带的喇曼光放大器111、色散补偿器12、后向宽带喇曼光放大器112组成。其中，首先是来自光纤线路的宽带光信号经过后向喇曼放大器111，对线路光信号功率进行提升以补偿紧随其后的宽带色散补偿器12引起的插入损耗，任何再经过宽带色散补偿器12补偿色散，最后直接输出到宽带的前向喇曼光放大器112，将光功率放大后输出到下一段光纤线路40上。

端机收30由后向喇曼光放大器111、色散补偿器12、分波段模块31、多个掺铒光纤放大器51至53、波段分波器321至322组成。波段分波器321至323根据波段的数目不同而有多个分波器构成，如图2中示例的C波段分波器321，L波段分波器322，......，x波段分波器323等，每个波段分波器的功能是将各个波段内的所有波道分开输出。宽带的喇曼光放大器111是一个后向光放大器，主要功能是补偿色散补偿器12引起的插入损耗。多个掺铒光纤放大器51至53根据波段的数目不同而有多个，如图2中示例的C波段掺铒光纤放大器51，L波段掺铒光纤放大器52，......，x波段掺铒光纤放大器53等，每个此种放大器的功能都是将该波段内的所有波道光信号功率放大，以便随后各波道的光接收机(在图2中没有显示)接收。在端机收30中，线路信号首先经过后向喇曼光放大器进行宽带放大，对线路光信号功率进行提升，以补偿紧随其后的宽带色散补偿器12引入的插入损耗。线路光信号经宽带色散补偿器12补偿色散之后，再由分波段模块31把各波段的光信号分开，以便使用掺铒光纤放大器51、52、......，53将各个波段的光信号放大到适合各波道光接收机接收的功率范围内。各波段对应的分波器321、322、......，323把各波段内的波道光信号分离开，形成各个波道的光输出信号。

图3给出另一种结合宽带光信号放大的宽带色散补偿方法以及采用该方法的光通信系统的实施例。由于目前宽带喇曼放大器的增益较小，一般在10至15dB，为了加大每跨段(即两中继机之间的距离)线路长度，需要采用图3所示的方法和系统。

图3是在中继设备中采用分波段的多个掺铒光纤放大器51、52、......，53代替图1中继的前向宽带喇曼光放大器112。图3的光纤通信系统中，发端设备被标记为端机发，中继设备被标记为中继，收端设备被标记为端机收。此实施例所示的光纤通信系统由端机发200、端机收30和中继机100组成，中继机100的数目为m个，其具体数值根据传输线路长短选择。

图3中的端机发200由波段合波器221至223、多个掺铒光纤放大器51至53、合波段模块21组成。波段合波器221至223根据波段的数目不同而有多个，如图3中示例的C波段合波器221，L波段合波器222，......，x波段合波器223等，每个波段合波器221至223的功能是将该波段内的所有波道光信号合起来形成一个波段光信号。掺铒光纤放大器51至53的主要功能是补偿线路光纤40的损耗。在端机发200中，各波道光信号首先在波段内由波段合波器，例如图3中C波段合波器221，L波段合波器222，......，x波段合波器223等，合成一路波段光信号，各波段光信号输入到各自相应的掺铒光纤放大器51、52、....53进行放大，然后再由合波模块21把所有波段的光(也就是系统所有的波道)信号合在一起输出到光线路40上。

中继100由后向宽带喇曼光放大器111，色散补偿器12，分波段器模块31，多个掺铒光纤放大器51至53、合波段模块21组成。后向宽带喇曼光放大器111的主要功能是弥补色散补偿器12引起的插入损耗。多个掺铒光纤放大器51至53的数量根据波段的数目不同而有多个，如图3中示例的C波段掺铒光纤放大器，L波段掺铒光纤放大器52，......，x波段掺铒光纤放大器53等，每个掺铒光纤放大器的功能是将该波段内的所有波道功率放大。分波段模块31的功能是把线路的总光信号分离成各波段光信号，以便利用掺铒光纤放大器进行光放大。合波段模块21的功能是把掺铒光纤放大器放大后的各波段光信号再合起来，输出到线路40上。使用掺铒光纤放大器的主要作用是补偿线路光纤40的损耗，由于掺铒光纤放大器的增益大，一般可达到30，因此可适合较长的光线路跨距。在中继100中，首先是线路信号经过后向宽带喇曼光放大器111，对线路功率进行提升，以补偿紧随其后的宽带色散补偿器12引入的插入损耗，线路光信号经宽带色散补偿器12输出后，采用分波段模块31把各波段的光信号分开，以便使用各波段的掺铒光纤放大器51、52、....，53将各波段的光信号放大后，再由合波模块21把所有波段的光(也就是系统所有的波道)合在一起输出到光线路40上。

端机收30由宽带喇曼光放大器111、色散补偿器12、分波段模块31、多个掺铒光纤放大器51至53、波段分波器321至323组成。波段分波器321至323的数量根据波段的数目不同而有多个，如图3中示例的C波段分波器321，L波段分波器322，......，x波段分波器323等，每个波段分波器的功能是将该波段内的所有波道分开输出。后向宽带喇曼光放大器111的主要功能是补偿色散补偿器12引起的插入损耗。掺铒光纤放大器51至53的数量根据波段的数目不同而有多个，如图3中示例的C波段掺铒光纤放大器51，L波段掺铒光纤放大器52，......，x波段掺铒光纤放大器53等，每个掺铒光纤放大器的功能是将该波段内的所有波道功率放大，以便各波道的光接收机(图3中未显示)接收。在端机收30中，线路信号首先经过后向宽带喇曼放大器111，对线路功率进行提升，以补偿紧随其后的宽带色散补偿器12引入的插入损耗。线路光信号经宽带色散补偿器12补偿色散后输出，再采用分波段模块31把各波段的光信号分开，以便使用掺铒光纤放大器51、52、....，53将各波段的光信号放大到适合各波道光接收机的范围内。各波段对应的波段分波器321、322、....，323把各波段内的波道分离开，形成各个波道的光输出信号。

在同一的线路系统的应用中，也可根据跨距的变化，混合使用中继10和中继100，即在大跨距上使用中继100的配置，而在较小跨距上使用中继10的配置。

上述实施例中的具体描述仅仅为了说明本发明的工作原理和实施方式，不构成对本发明保护范围的限制。本发明保护范围由附带的权利要求书所限定。