用于高精度光纤授时系统的色散补偿装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤通信领域，主要涉及一种用于高精度光纤授时系统的色散补偿装 置与方法。
【背景技术】
[0002] 现有色散补偿方案，在高速率大容量的光纤通信系统中，由于光纤介质表现出非 线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号接收的变化称为群速度色散，群速 度色散会引起光信号传输波形的展宽。尽管从防止脉冲展宽的观点来看，工作在零色散波 长是很合适的，但是，实际设计中还要考虑其他的因素。例如，在波分复用（WDM)系统中， 在零色散波长处最多只能安排一个信道，而且当色散效应很小的情况下，会发生很强的四 波混频，使波分复用系统不能工作在零色散区，这样，由群速度色散GVD(GroupVelocity Dispersion)引起的脉冲展宽就很严重了。
[0003] 如果想在现有的常规单模光纤网络上建立超精密时间同步系统，那么对色散进行 补偿就是必不可少的。而目前对光纤色散的补偿精度都非常有限。例如在基于光同步数字 体系（SDH)的授时系统中，由于测试环路时延信号来回传输所用光链路在物理上不一致， 导致光信号单程传输时延的测试存在较大误差，虽然可以采取一些色散补偿措施，但授时 精度只能达到百纳秒量级；在基于波分复用（WDM)技术的授时系统中，来回光链路采用同 一根光纤，克服了物理上来回光链路长度不一致导致的测试误差，但是不同波长的光信号 在同一根光纤中传输时，色散将使不同波长光信号的群时延不一致。虽然采取色散补偿措 施可以将色散降低到l〇ns以内，但是仍然不能达到超精密时间同步的要求。目前，色散补 偿方案主要有：色散补偿光纤（DCF)、啁嗽光纤光栅和偏振模色散补偿法（PMD)等。
[0004] 现有色散补偿方案原理：
[0005] 色散补偿的基本原理是使用一个或多个大负色散的器件对光纤的正色散实施抵 消，对光纤中的色散累积进行补偿，从而使系统的总色散量减小。
[0006] (1)色散补偿光纤（DCF)。其基本原理是通过对光纤的芯径及折射率分布的设计， 利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于1550nm，即在1550nm波长处产生较大的负 色散，这样当常规光纤和色散补偿光纤级联使用时，两者的色散将会互相抵消。若用〇8和 Dc分别表不常规单模光纤和色散补偿光纤在λ1处的色散系数，Ls和Lc分别表不常规单 模光纤和色散补偿光纤的传输距离，则当满足（3. 1)式时，群时延色散被补偿。
[0007] DSLS+DCLC= 0 (3. 1)
[0008] 当满足（3. 2)式时，二阶色散被补偿。
[0009] Ds'Ι^λ-λΟ+?。'Lc(A-A1)=〇 (3. 2)
[0010] (3.2)式中Ds'和DJ是Ds和Dc对λ的一阶导数。
[0011] (2)啁嗽光纤光栅（CFBG)色散补偿。其基本原理是：啁嗽光纤光栅中，谐振波是位 置的函数，因此不同波长的入射光在啁嗽光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延， 短波长分量经受的时延长，长波长分量经受的时延短，光栅所引入的时延与光纤中传输时 造成的时延正好相反，二者引入的时延差相互抵消，使脉冲宽度得以恢复。
[0012] (3)偏振模色散（PMD)补偿法
[0013]目前国际上主要是以两种方式对偏振模色散PMD进行补偿，即在传输的光路上直 接对光信号进行补偿或在光接收机内对电信号进行补偿。两者的实质都是利用某种光的或 电的延迟线对PMD造成的两偏振模之间的时延差进行补偿。其基本原理为：首先在光或电 信号上将两偏振模信号分开，然后用延迟线分别对其进行延时补偿，在反馈回路的控制下， 使两偏振模之间的时延差为零，最后将补偿后的两偏振模信号混合后输出。
[0014] 现有技术的主要缺点：
[0015] 色散补偿光纤（DCF)的缺点是非线性效应较明显，输入光功率不能过高，插入损 耗较大。此外，色散补偿光纤（DCF)制成的色散补偿模块DCM(DispersionCompensator Module)的色散量不可调，而且不同类型的光纤需要不同类型的色散补偿光纤（DCF)。
[0016] 啁嗽光纤光栅（缺点）：此装置在陆地长距离传输系统中具有很好的补偿效果， 但是光纤光栅对温度的敏感性以及在多波长系统中应用技术还不成熟，还有待于进一步 改进。
[0017] 偏振模色散是由以下几个方面的因素造成的：光纤所固有的双折射，即光纤在生 产过程中产生的几何尺寸不规则和在光纤中残留应力导致折射率分布的各项异性；光缆在 铺设使用过程中，由于受到外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化的影响而产生偏振模耦 合效应，从而改变两偏振模各自的传播常数和幅度，导致当光信号通过一些光通信器件如 隔离器、耦合器、滤波器时，由于器件结构和材料本身的不完整性，也能导致双折射，产生偏 振模色散PMD。
[0018] 综上所述，波分复用光传输系统在长距离应用时，因环境、光纤、设备等多种原因， 需要解决光纤色散的问题。当前，光纤通信网的传输速率正经历着从10Gbit/S系统到 40Gbit/s系统、甚至到100Gbit/S系统的转变，传输距离也大大增加，光纤色散对密集波分 复用（DWDM)系统传输性能的影响越来越严重，其主要影响是限制了系统的传输距离。光纤 色散对传输距离影响的机理主要是色散使传输脉冲展宽，从而产生脉冲码间干扰。光纤色 散对传输距离的限制与单通道的传输速率的平方成反比，从l〇Gbit/s向40Gbit/s演化，比 特率增加到4倍，传输距离受限减小为1/16。为了减小光纤色散对DWDM系统传输距离的影 响，需要对传输光纤的色散进行色散补偿。
[0019] 在长距离传输的DWDM系统中，传输光纤类型为G. 652或者G. 655光纤，其色散系 数都具有一定的斜率，而色散补偿模块由于其制作工艺的限制，其色散斜率很难做到与传 输光纤完全匹配，因此传输带宽内的各个信道仍存在一部分残余色散量，信道之间的残余 色散量差异可达几百ps/nm。在单通道速率为40Gbit/s的DWDM系统中，其系统色散容限随 着通道传输速率的增加而大大降低，大约为几十ps/nm左右，采用固定色散补偿的方法不 能满足补偿精度的要求，也无法适应系统的复杂变化。
[0020] 因此在通道速率为40Gbit/s的长距离传输DWDM系统中，除了利用色散补偿模 块对光纤的色散进行补偿以外，还需要使用可调色散补偿模块TDC(TunableDispersion Compensator)对单通道进行色散补偿，使传输带宽内的每个通道的残余色散都在系统的色 散容限范围内。为了满足复杂应用的要求，需要通过自适应色散补偿ADC(Self-adaptiVe DispersionCompensation)算法，实现色散动态补偿，满足40Gbit/sDWDM系统长距离传输 的要求。
[0021] 但是，现有的自适应色散补偿算法，大多采用步进法和二分法进行色散动态补偿， 这些算法均存在色散调节时间过长的问题，因此色散调节效率不高，并且二分法对硬件设 备有一定的要求，并不是所有厂家设备均支持这种调节方法。
【发明内容】
[0022] 本发明克服了现有技术的不足，提供一种用于高精度光纤授时系统的色散补偿装 置与方法，用于解决高精度光纤授时波分复用系统中因色散引起的时延不一致的技术问 题。
[0023] 考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术 方案：
[0024] -种用于高精度光纤授时系统的色散补偿装置，其特征在于它包括授时主站和授 时从站，所述授时主站包括：
[0025] 铯原子钟，用于输出脉冲信号给第一编码调制器；
[0026] 第一编码调制器，用于将脉冲信号调制成为射频信号；
[0027] 第一激光器，用于将所述射频信号转换为波长为λ1的光信号；
[0028] 第一波分复用器，用于将波长为λ1的光信号耦合入光纤；以及将授时从站处理 后的波长为λ2的光信号输入到第一光电转换器；
[0029] 第一光电转换器，用于将波长为λ2的光信号转换成射频信号并输出到第一解调 解码器；
[0030] 第一解调解码器，用于将第一光电转换器输出的射频信号解调出返回的脉冲信 号，返回的脉冲信号和铯原子钟输出的脉冲信号同时输送给
[0031] 时延测量模块，该时延测量模块进行时延测量，测量结果ΑΤ1即为由授时主站到 授时从站接收端来回传输时延之和；
[0032] 所述授时从站包括：
[0033] 第二光电转换器，用于将接收到波长为λ1光信号转换成射频信号，并分别发送 给第二激光器和第二解调解码器；
[0034] 第二激光器，用于将射频信号转换成波长为λ2的光信号；
[0035] 第二波分复用器，用于将波长为λ2的光信号親合入与波长为λ1光信号传输的 同一根光纤中。
[0036] 为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：
[0037] 根据本发明的一个实施方案，所述铯原子钟输出的脉冲信号为1PPS秒脉冲信号。
[0038] 根据本发明的另一个实施方案，所述第一解调解码器将射频信号解调出的返回脉 冲信号为1PPS秒脉冲信号。
[0039] 根据本发明的另一个实施方案，所述授时主站的时延计算包括：
[0040] 由授时主站到授时从站接收端，