色散補償的案例
基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統的色散補償
1、設計需求
本案例是基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統的色散補償，構建了后置色散補償系統、前置色散補償系統和混合色散補償系統。基于OptiSystem仿真軟件實現了三種不同結構的基于啁啾光纖光柵色散補償的光纖通信系統，通過眼圖評估系統通信性能。
2、系統設計
仿真系統調制格式采用NRZ碼型，激光頻率為193.1 THz，傳輸鏈路采用單模光纖傳輸鏈路，利用啁啾光纖光柵進行色散色度補償，同時利用EDFA光放大器實現損耗補償。最后信號在接收模塊進行信號解調與分析。模塊中的Loop Control器件控制鏈路傳輸次數，其中，SMF的色散系數為16 ps/nm·km，色散斜率系數為0.08 ps/nm2·km，衰減量為0.2 dB/km，單程中SMF長度為80 km。光纖傳輸系統總共傳輸320 km。
2.1后置色散補償系統
圖示為后置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對信號傳輸過程中產生的色散進行補償。在未進行色散補償的情況下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。當采用啁啾光纖光柵時，色散量設置為-1280 ps/nm·km，在10Gbit/s傳輸速率的情況下接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到誤碼率為6.05e-20，Q因子為9.03，眼圖張開度好，信號質量佳。
2.2前置色散補償系統
圖示為前置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖前，對信號傳輸過程中產生的色散進行預補償。
2.3混合色散補償系統
圖示為混合色散補償系統，兩個啁啾光纖光柵分別置于單模光纖前部和后部，對信號分別進行預補償和產生色散后的補償。該方案結合了后置色散補償方式和前置色散補償方式的特點。
展開 OptiSystem-系統角度下分析色散補償方案
在本文章中，我們將展示色散補償方案如何影響系統性能。色散的脈沖展寬效應導致相鄰位周期中的信號重疊。這稱為碼間干擾（ISI）。展寬是距離和色散參數D的函數。色散參數以ps/nm/km為單位，隨光纖的變化而變化。它也是波長的函數。對于標準單模光纖（SMF），在1.55um波長范圍內，D值通常大約為17ps/nm/km。對于色散位移光纖（DSF），在同一窗口中的最大值為3.3ps/nm/km。非零色散光纖（NDF）的色散范圍為1～6ps/nm/km或-1～6ps/nm/km。
對于外部調制光源，受色散限制的傳輸距離為
當D=16 ps/（km nm）和2.5 Gbps時，L≈ 500km，而在10gbps比特率下，它下降到30km。色散補償光纖或光纖布拉格光柵等技術可以用來補償光纖中累積的色散。在下面的例子中，我們將展示三種不同的方案，前補償、后補償和對稱補償，以補償光纖色散。首先我們將使用色散補償光纖（DCF）。然后我們將展示色散補償器的累積色散量如何影響性能。在這種情況下，我們將使用一個理想的色散補償模塊（DCM）作為色散補償器來說明這個想法。
用DCF進行前、后、對稱補償
前、后和對稱補償配置如圖1、圖2和圖3所示。在我們的模擬中，我們在每根光纖后面使用了光放大器來補償跨距損耗。SMF的色散參數為120km長和16ps/nm-km。因此，總累積色散為16×120=1920 ps/nm。這種很大的色散可以通過使用一個24公里長、色散為-80 ps/km nm的DCF來補償。總傳輸距離為120×2=每種情況240公里。在補償后的情況下，DCF放在SMF之后。在對稱補償情況下，光纖的放置順序為SMF、DCF、DCF、SMF。
展開 OptiSystem-系統角度下分析色散補償方案
在本文章中，我們將展示色散補償方案如何影響系統性能。色散的脈沖展寬效應導致相鄰位周期中的信號重疊。這稱為碼間干擾（ISI）。展寬是距離和色散參數D的函數。色散參數以ps/nm/km為單位，隨光纖的變化而變化。它也是波長的函數。對于標準單模光纖（SMF），在1.55um波長范圍內，D值通常大約為17ps/nm/km。對于色散位移光纖（DSF），在同一窗口中的最大值為3.3ps/nm/km。非零色散光纖（NDF）的色散范圍為1～6ps/nm/km或-1～6ps/nm/km。
對于外部調制光源，受色散限制的傳輸距離為
當D=16 ps/（km nm）和2.5 Gbps時，L≈ 500km，而在10gbps比特率下，它下降到30km。色散補償光纖或光纖布拉格光柵等技術可以用來補償光纖中累積的色散。在下面的例子中，我們將展示三種不同的方案，前補償、后補償和對稱補償，以補償光纖色散。首先我們將使用色散補償光纖（DCF）。然后我們將展示色散補償器的累積色散量如何影響性能。在這種情況下，我們將使用一個理想的色散補償模塊（DCM）作為色散補償器來說明這個想法。
用DCF進行前、后、對稱補償
前、后和對稱補償配置如圖1、圖2和圖3所示。在我們的模擬中，我們在每根光纖后面使用了光放大器來補償跨距損耗。SMF的色散參數為120km長和16ps/nm-km。因此，總累積色散為16×120=1920 ps/nm。這種很大的色散可以通過使用一個24公里長、色散為-80 ps/km nm的DCF來補償。總傳輸距離為120×2=每種情況240公里。在補償后的情況下，DCF放在SMF之后。在對稱補償情況下，光纖的放置順序為SMF、DCF、DCF、SMF。
展開 OptiSystem-系統角度下分析色散補償方案
在本文章中，我們將展示色散補償方案如何影響系統性能。色散的脈沖展寬效應導致相鄰位周期中的信號重疊。這稱為碼間干擾（ISI）。展寬是距離和色散參數D的函數。色散參數以ps/nm/km為單位，隨光纖的變化而變化。它也是波長的函數。對于標準單模光纖（SMF），在1.55um波長范圍內，D值通常大約為17ps/nm/km。對于色散位移光纖（DSF），在同一窗口中的最大值為3.3ps/nm/km。非零色散光纖（NDF）的色散范圍為1～6ps/nm/km或-1～6ps/nm/km。
對于外部調制光源，受色散限制的傳輸距離為
當D=16 ps/（km nm）和2.5 Gbps時，L≈ 500km，而在10gbps比特率下，它下降到30km。色散補償光纖或光纖布拉格光柵等技術可以用來補償光纖中累積的色散。在下面的例子中，我們將展示三種不同的方案，前補償、后補償和對稱補償，以補償光纖色散。首先我們將使用色散補償光纖（DCF）。然后我們將展示色散補償器的累積色散量如何影響性能。在這種情況下，我們將使用一個理想的色散補償模塊（DCM）作為色散補償器來說明這個想法。
用DCF進行前、后、對稱補償
前、后和對稱補償配置如圖1、圖2和圖3所示。在我們的模擬中，我們在每根光纖后面使用了光放大器來補償跨距損耗。SMF的色散參數為120km長和16ps/nm-km。因此，總累積色散為16×120=1920 ps/nm。這種很大的色散可以通過使用一個24公里長、色散為-80 ps/km nm的DCF來補償。總傳輸距離為120×2=每種情況240公里。在補償后的情況下，DCF放在SMF之后。在對稱補償情況下，光纖的放置順序為SMF、DCF、DCF、SMF。
展開 
OptiSystem-系統角度下分析色散補償方案
在本文章中，我們將展示色散補償方案如何影響系統性能。色散的脈沖展寬效應導致相鄰位周期中的信號重疊。這稱為碼間干擾（ISI）。展寬是距離和色散參數D的函數。色散參數以ps/nm/km為單位，隨光纖的變化而變化。它也是波長的函數。對于標準單模光纖（SMF），在1.55um波長范圍內，D值通常大約為17ps/nm/km。對于色散位移光纖（DSF），在同一窗口中的最大值為3.3ps/nm/km。非零色散光纖（NDF）的色散范圍為1～6ps/nm/km或-1～6ps/nm/km。
對于外部調制光源，受色散限制的傳輸距離為
當D=16 ps/（km nm）和2.5 Gbps時，L≈ 500km，而在10gbps比特率下，它下降到30km。色散補償光纖或光纖布拉格光柵等技術可以用來補償光纖中累積的色散。在下面的例子中，我們將展示三種不同的方案，前補償、后補償和對稱補償，以補償光纖色散。首先我們將使用色散補償光纖（DCF）。然后我們將展示色散補償器的累積色散量如何影響性能。在這種情況下，我們將使用一個理想的色散補償模塊（DCM）作為色散補償器來說明這個想法。
用DCF進行前、后、對稱補償
前、后和對稱補償配置如圖1、圖2和圖3所示。在我們的模擬中，我們在每根光纖后面使用了光放大器來補償跨距損耗。SMF的色散參數為120km長和16ps/nm-km。因此，總累積色散為16×120=1920 ps/nm。這種很大的色散可以通過使用一個24公里長、色散為-80 ps/km nm的DCF來補償。總傳輸距離為120×2=每種情況240公里。在補償后的情況下，DCF放在SMF之后。在對稱補償情況下，光纖的放置順序為SMF、DCF、DCF、SMF。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 色散補償
色散補償主要是指消除某些光學元件的色散。不過，該術語通常也用于更廣義的色散管理，即對某些系統的整體色散進行控制（但不一定是完全補償）。例如，其目的可以是避免超短脈沖的過度時間展寬或光纖通信中信號的失真。色散補償主要應用于鎖相激光器和電信系統中，但有時也應用于光纖傳感器的光傳輸中。
光纖通信鏈路中的色散補償
色散補償是光纖鏈路（即光纖通信）的一個重要問題。在高數據速率情況下，調制信號會出現強烈的色散展寬。在沒有色散補償的情況下，每個碼元都會被大幅拓寬，以至于與相鄰的多個碼元嚴重重疊。即使是中度展寬，大量的碼間干擾也會嚴重扭曲檢測到的信號。因此，必須在檢測信號之前對色散進行補償。
對于 40 Gbit/s 或 160 Gbit/s 等高數據速率，脈沖展寬比 10 Gbit/s 等高數據速率要強得多。這主要有兩個原因：
較短的碼元持續時間意味著可允許的傳播時間更短。
信號的頻譜帶寬變大，從而導致更強的時間拓寬。
因此，一般來說，僅補償二階色散通常是不夠的，還需要處理高階色散。例如，在使用具有較大色散斜率的色散位移光纖時，如果只補償二階色散，就會出現問題。圖1顯示了 1550 nm 波長的單個 2 ps 脈沖在經過 10 千米和 50 千米這樣的光纖后產生的效果。結果的失真主要是未補償的三階色散造成的。
圖1:當僅對二階色散進行補償時，三脈沖在經過 10 千米（實線）和 50 千米（虛線）色散位移光纖傳播后的失真。模擬由 RP ProPulse 軟件完成。
由此產生的脈沖失真可能看起來很小。然而，以 160 Gbit/s 的間距對三重 2 ps 脈沖進行的仿真表明，即使在這種情況下，也會由于碼元間干擾而產生嚴重的信號失真。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：色散補償
假設平均模折射率為 1.46，則補償160 ps/nm的累積色散所需的光柵長度為 6 mm。
在本文的計算中，我們使用了長度稍大的1.6 cm的光柵。得到的結果保存為txt格式，將文件加載到OptiSystem的OptiGrating組件中。
得到的補償結果如圖6所示。
圖6.經過線性啁啾光纖光柵色散補償后脈沖
我們可以看到，用光纖光柵設計的色散幾乎可以完全補償。
綜上所述，在本課中，我們演示了如何使用OptiGrating設計的光柵獲得的反射光譜來實現OptiSystem中的色散補償。
展開 RP Fiber Power 摻釔光纖放大器中的拋物脈沖
光纖為正常色散模式。
選擇非啁啾高斯脈沖為初始脈沖。在光纖內傳播中，脈沖呈現上轉換，帶寬增加，脈沖寬度增加。脈沖大致呈拋物線型。這是parabolic pulses的由來。脈沖近似相同（帶寬增加較小時，脈沖形狀不變），但由于增益帶寬有限，非穩定放大增益，脈沖存在偏差（主要由于增益飽和）。
需要考慮非線性效應產生的受激拉曼散射，不深究各參量的影響。
圖形如下所示：
圖1為時域脈沖圖形。
圖2為頻域脈沖圖形。
圖3為脈沖能量、增益帶寬、脈寬與傳輸位置關系。
圖4為峰值功率、脈沖寬度受色散補償的影響，取決于二階色散。這也表明，采用色散補償器，可將色散補償至四階。
Parabolic pulses in Yb amplifier .cf .fpw包含用戶自定義項，可靈活編輯輸入參量。
(更多精彩技術案例，請關注“武漢墨光”微信公眾號)
展開 基于OptiSystem的高速遠距離光纖通信系統研究
1、問題描述：
設計高速遠距離色散補償光纖通信系統，對比不同結構與參量下系統的信號傳輸效果。首先基于OptiSystem仿真軟件，設計一個傳輸300km、傳輸速率為40Gbit/s的光纖通信系統。隨后對比不同光纖長度、不同光波長、不同調試方式（直接調制和外調制）以及不同光探測器（PIN和APD）等方式下的信號傳輸效果。
2、系統設計：
為了使得整個系統得到最好的信噪比，并且保證系統誤碼率在可接受的范圍內。本文選擇NRZ格式的外調制方式，調制速率為40Gbit/s。傳輸鏈路采用單模光纖進行信號傳輸，長度設置為300km。信號接收端采用PIN二極管進行光電轉換，采用Low pass Bessel filter進行濾波處理，為了實時地觀察系統的運行狀態，用BER分析儀進行信號的分析與評價。整個光纖通信系統的架構如下圖示。
圖. 完整的光纖通信系統
3、參數設置
系統整體參數中的比特率Bit rate設置為40Gbit/s。序列發生器Pseudo-Random Bit Sequence Generator為偽隨機碼發生器，Bit rate為40Gbit/s。激光器的波長設置為1550nm，功率設置為0dBm，線寬為0.1MHz。單模光纖設置長度為50km，損耗為0.2dB/km，色散為16ps/nm/km，色散補償光纖長度為10km，損耗為0.5dB/km，色散為-80ps/nm/km。采用EDFA進行損耗補償，分別提供10dB和5dB的增益。光纖傳輸鏈路中采用Loop Control進行循環次數控制。探測部分PIN管的響應度設定為1A/W。
展開 基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析
共7個通道的信號，進行波分復用，送入傳輸鏈路進行信號的傳輸，采用色散補償光纖DCF進行色散補償，利用EDFA實現光信號放大。調用Receivers library中的Photodetector PIN(PIN光電探測器)，而為了更具體的表述該光纖系統的傳輸信號的準確性和可靠性，在整個光纖傳輸系統的接收模型后調用Receivers library中Regenerators中的3R Regenerator（3R再生器）和Visualizer library中Electrical中的BER analyzer（誤碼率分析儀），從而進行信號分析。
參數設置：序列發生器Pseudo-Random Bit Sequence Generator設置如下，Bit rate為40Gbit/s。激光器的波長設置為1550nm，功率設置為1mW，線寬為0.1MHz。光纖設置長度為50km，損耗為0.2dB/km，色散為16ps/nm/km。色散補償光纖長度為10km，損耗為0.5dB/km，色散為-80ps/nm/km。
仿真結果如圖所示。
經過100km的傳輸后，采用光譜儀觀察光譜，可以看到7個通道的信號光如圖所示，保持較高的信噪比。采用光功率計測試傳輸后的信號光功率，為10.20dBm。采用示波器觀察193.1THz傳輸通道的眼圖和誤碼特性，采用誤碼儀觀察誤碼情況，可以看到信號脈沖序列較為規整，眼圖張開度大，誤碼率為3.14e-79，表明該WDM系統具有較好的信號傳輸質量。
3、總結展望：
本案例設計了仿真LD、LED直接調制系統，研究了系統輸出性能；仿真了EDFA的光纖通信系統，實現了200km、40Gbit/s的傳輸，搭建了一個7通道的WDM光纖通信系統，該案例具有靈活的可拓展性，可以根據客戶需求進行功能的豐富與系統結構的優化。
展開 光通信設計軟件——OptiGrating 光柵設計軟件
基本功能
OptiGrating最重要的基本功能如下：
· WDM add/drop，窄帶以及寬帶光纖和波導濾波器 · 光線布拉格發射器 · EDFA增益平坦元件 · 用于光纖通信的色散補償器 · 利用光柵切趾抑制邊帶 · 光纖和波導傳感器
產品應用
· WDM add/drop、窄帶和寬帶光纖、波導濾波器
· 光纖布拉格光柵反射器
· EDFA增益平坦化光纖
· 用于光纖通信的色散補償器
· 使用光柵切趾法的邊帶抑制
· 光纖傳感器和波導傳感器
· 使用耦合到光纖包層模式的長周期光柵
RP系列 激光分析設計軟件
RP Coating
設計光學多層結構軟件
本軟件是一款特別靈活而且功能強大的薄膜設計軟件，RP 膜層可以計算光學多層結構的性質：可變波長和入射角的反射率和透射率，還有群延遲，色散和內部電場分布。結果可以以圖形方式顯示，并且可以進行復雜的數值優化。它不僅局限于開發的標準設備，而且能夠提供給開發者分析和優化新設計的功能。同時，對于經常需要快速改變設計參數的工業界人士，該軟件是及其方便使用的：軟件將設計的全部結構充分的參數化，通過很少的參數就可以對設計進行修改控制，而不需要大量的膜層厚度值設定。
可以設計：
復雜的多層光學結構，如激光反射鏡，色散補償鏡，邊緣濾波器，etalons、寬帶的抗反射膜層、薄膜偏振器件，和各種半導體結構。
可以計算：
各種結構的基本光學屬性，包括反射和透射振幅和相位，色散、內部場分布等。
可以進行復雜的數值優化。靈活的設計激光反射鏡，色散補償鏡，濾波器，偏振片。
展開 RP Fiber Power 啁啾脈沖放大系統
采用100米長的無源光纖作為色散脈沖展寬器。增加脈寬至46ps。忽略光纖的非線性效應，光譜寬度展寬至11.5nm.
具有大模場面積的光纖，將脈沖能量由1nJ放大到1.55uJ。光譜展寬至11.6nm。為了分析穩態下的放大增益，模擬了多脈沖放大。（此迭代適應于低重復率，大脈沖能量情況）
數值優化二階與三階色散，進行色散補償，脈沖時間補償達285fs，峰值功率增至4.8MW。
該模擬表明，RP Fiber Power軟件即使對于復雜的放大系統也可進行模擬。
光柵光學元件設計 Optiwave OptiGrating v4.2簡介
應用
* WDM添加/刪除,狹窄和寬帶光纖和波導濾波器
*纖維布拉格反射器
* EDFA增益壓扁的元素
*色散補償器的光纖通信
*邊帶抑制使用光柵切趾法
*光纖和波導傳感器
*長周期光柵和耦合到包層模式
RP Fiber Power 鎖模光纖激光器
文件：Mode-locked fiber laser, ring resonator .fpw 和 Mode-locked fiber laser, linear resonator .fpw
研究正常色散下鎖模光纖激光器。與典型的鎖模體激光器和光孤子激光器相比，相互之間復雜的非線性效應，光譜濾波及可飽和吸收效應，激光器內脈沖特性較為復雜。
選擇環形腔，每個諧振腔內往返，往返脈沖通過以下器件傳輸：
選擇性波長輸出耦合器
光譜帶通濾波器
無源光纖1
摻釔光纖
無源光纖2
快速可飽和吸收器
圖形如下所示：
圖1為光功率分布（100次諧振往返），瞬時頻率變化，均表明存在明顯的上轉換效應。
圖2為頻率域的功率譜密度，譜相位。
圖3為波譜域的功率譜密度、譜相位。
圖4為100次往返后腔內脈沖參數的變化。
圖5為色散補償及自動優化二階脈沖壓縮后，輸出脈沖功率。
Mode-locked fiber laser, linear resonator.fpw文件為線性諧振腔范例模型。
更多精彩光學技術案例，請關注“武漢墨光”微信公眾號
展開 