啁啾和色散對光接收機靈敏度的影響研究

杜 勇 (集美大學(xué)信息工程學(xué)院,福建 廈門 361021； 廈門大學(xué)電子工程系，福建 廈門 361005)

鄭佳春，馬中華 (集美大學(xué)信息工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

啁啾和色散對光接收機靈敏度的影響研究

杜 勇 (集美大學(xué)信息工程學(xué)院,福建 廈門 361021； 廈門大學(xué)電子工程系，福建 廈門 361005)

鄭佳春，馬中華 (集美大學(xué)信息工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

研究了啁啾高斯光脈沖信號對帶前置放大器光接收機靈敏度的影響，進行了理論分析和數(shù)值摸擬，并以常見的G652A光纖為例研究了啁啾、群速度色散、光信號碼元速率和高斯光脈沖信號的占空比對光接收機靈敏度惡化量的影響。研究表明，適當選取高斯光脈沖信號的占空比、啁啾、光接收機均衡濾波器輸出的升余弦波形滾降因子的值可以提高光接收機靈敏度；群速度色散存在時，占空比的減小反而導(dǎo)致靈敏度惡化量的增加，說明光信號脈沖寬度并非越小越好。適當選取啁啾、群速度色散的參量β2和β3以及占空比的值可以使光接收機靈敏度的惡化量降低。該研究結(jié)果對光接收機的分析和設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

光接收機； 靈敏度； 啁啾； 噪聲；群速度色散(GVD)

光接收機理論的核心問題是提高接收靈敏度[1],它由光電檢測器、前置放大電路、主放大器、均衡濾波器、判決、時鐘提取和自動增益控制(AGC)等組成[2,3]。S.D.Personic在用高斯分布近似光接收機散彈噪聲概率分布的基礎(chǔ)上提出了數(shù)字光接收機靈敏度、最佳增益、最佳判決門限等一整套計算公式，從而奠定了高斯近似法的理論基礎(chǔ)[4]。摻餌光纖放大器(EDFA)由于具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率大等特點而常被用作光接收機前置放大器以提高光接收機靈敏度[5,6]。文獻[6]給出了帶有EDFA的雪崩光電二極管(APD)光接收機靈敏度表達式，包括了雪崩管的噪聲、有限消光比、電與光濾波器的帶寬、放大器噪聲以及耦合損耗的綜合影響，奠定了帶前置放大器光接收機靈敏度的計算基礎(chǔ)，但它沒有研究啁啾高斯光脈沖信號對光接收機靈敏度的影響。常規(guī)單模光纖群速度色散(GVD)的存在將導(dǎo)致啁啾高斯光脈沖信號在其中傳輸時脈沖寬度發(fā)生變化[7],這將明顯影響光接收機的靈敏度[8]。筆者在文獻[6～8]研究結(jié)果和高斯近似法的基礎(chǔ)上，研究了啁啾、群速度色散、光信號碼元速率、高斯光脈沖信號的占空比以及EDFA的不同參數(shù)值對光接收機靈敏度惡化量的影響。

1 光接收機模型、光脈沖信號和靈敏度

1.1光接收機模型

采用強度調(diào)制-直接檢測(IM-DD)方式，并帶有EDFA和光濾波器的光接收機組成框圖如圖1所示。光接收機的靈敏度主要由光檢測器和前置放大器的噪聲決定。EDFA用作光接收機的前置放大器是為了提高光接收機的靈敏度。

1.2光脈沖信號

光纖通信系統(tǒng)中大多采用半導(dǎo)體激光器作為光源。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光脈沖信號是高斯型的，并且伴隨不同程度的啁啾(c)，可表示為[9,10]：

(1)

式中，c與溫度、半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)有關(guān)，c可正可負，但通常取負值；A=(1+jc)1/2；α=TFWHM/Tb， 表示信號占空比，α=1.0為非歸零碼,α≠1.0時為歸零碼；TFWHM為脈沖的半高全寬。若B是信號的傳輸速率，即碼元速率，則Tb為一個碼元寬度，可表為Tb=1/B。將式(1) 變換到頻域，并歸一化后得:

(2)

式中，φ=f/B表示歸一化頻率。

圖1中光接收機均衡器輸出的升余弦波形變換到頻域可表示為：

(3)

式中，β為升余弦波的滾降因子。

1.3光接收機靈敏度

在IM-DD系統(tǒng)中，如果光接收機接收的隨機光脈沖序列足夠長，可以認為其中“1”碼和“0”碼出現(xiàn)的概率相等。若光信號平均功率為Ps,則傳輸“0”碼功率為零，即P0=0；傳輸“1”碼功率為P1=2Ps。光接收機的靈敏度可寫為[10]:

(4)

式中，η為光檢測器的量子效率；q為一個電子電荷量；h為普朗克常數(shù)；v為光頻；G為EDFA的增益；Q為信噪比：

(5)

2 光接收機噪聲和靈敏度惡化量(D)

2.1光接收機噪聲分析

EDFA放大的信號經(jīng)光濾波器由光檢測器進行檢測，經(jīng)過一系列分析推導(dǎo)可得到傳“0”碼和傳“1”碼時的噪聲分別為[9,10]：

(6)

(7)

式中各參量大小為：

Bbae=I2BBe=I2B+(2πRbCR)2I3B3

式中，參量I2、I3都與波形有關(guān)[10]，反映了均衡濾波器對脈沖的整形情況：

2.2啁啾和群速度色散導(dǎo)致的靈敏度惡化量(D)表示

信號在光纖中傳播的色散特性可用光纖的色散系數(shù)D(λ)來描述[11]:

(8)

式中，Cg為光速；β2是描述群速度色散(GVD)的參量,通常β2對GVD的影響最大。

式(1)所示啁啾高斯光脈沖在G652A中傳輸一段距離L后, 光接收機靈敏度的惡化量D可表為[11]：

(9)

式中，β3是描述群速度色散(GVD)的參量。

筆者取β2的范圍為-20.4351～-24.0677。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1啁啾c、EDFA的增益G對光接收機靈敏度的影響

當α=0.5,β=0.5，M=30,B=10Gb/s,B0=125GHz時，由式(4)可得啁啾c、EDFA的增益G對光接收機靈敏度的影響曲線，如圖2所示。由圖2可知：

1)不管c取何值，在G值較小時，靈敏度隨著G的增大而快速提高，但隨G的繼續(xù)增大，靈敏度趨于飽和，這說明不能單純靠增大G，來提高靈敏度。

2)取相同G值時，c=-2和c=-4時的靈敏度高于c=0時的靈敏度，c=-4時的靈敏度又高于c=-2時的靈敏度，說明c的存在提高了靈敏度。

3.2信號占空比α對光接收機靈敏度的影響

當β=0.5,c=-6,M=30,G=1000,B0=125GHz時，由式(4)計算可得光接收機靈敏度隨碼元速率的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，當α越小時光接收機的靈敏度越高。

圖2 啁啾c取不同值時Ps隨G的變化曲線 圖3 α取不同值時Ps隨B的變化曲線

3.3c、|β2|對光接收機靈敏度惡化量的影響

令|β3|=0,Tb=400ps,L=120km,α=1.0,由式(9)可得光接收機靈敏度的惡化量D隨|β2|的變化曲線,如圖4所示。由圖4可知：

1)c=0時，D隨 |β2|變化不大。

2)c=-1時，D較c=0時的D增大。

3)c=+1時，D較c=0時減小，且隨著|β2|的增大而減小。說明β2存在時，當c值與β2符號相同時D增大，反之D減小。表明正啁啾(cgt;0)時光纖工作在反常色散區(qū)(β2lt;0)可提高靈敏度。

3.4c、D(λ)、|β3|對光接收機靈敏度惡化量的影響

令|β3|≠0,α=1.0,Tb=100ps，取L=120km，D(λ)取值16.4549、17.6504、18.5225時β2取值-20.4351、-22.4966、-24.0677,β3取值0.1766、0.1881、0.1970，由以上參數(shù)根據(jù)式(9)可得圖5所示。由圖5可知：

1)不管D(λ)取何值，D隨著c的變化先快速減小然后緩慢增加，說明D隨著c的變化有一個極小值，表明適當?shù)腸和GVD的值有助于靈敏度的提高。

2)較大D(λ)值時的D比較小D(λ)值時的D高。在實際工作中應(yīng)選擇合適的c、β2、β3值，使D取極小值，以提高光接收機靈敏度。

圖4 c取不同值時D隨|β2|的變化曲線 圖5 D(λ)取不同值時D隨啁啾c的變化曲線

4 結(jié) 語

研究了啁啾高斯光脈沖信號和EDFA對光接收機靈敏度的影響，以及群速度色散(GVD)對光接收機靈敏度惡化量的影響。發(fā)現(xiàn)適當選取高斯光脈沖信號的占空比、啁啾、光接收機均衡濾波器輸出的升余弦波形滾降因子的值可以提高光接收機靈敏度。這個結(jié)果對實際光接收機的分析和設(shè)計有一定指導(dǎo)意義。筆者在分析光接收機靈敏度時沒有考慮消光比對光接收機靈敏度的影響，同時假定PIN(APD)的暗電流、漏電流為零且均衡濾波器完全消除了碼間干擾，這些都將導(dǎo)致一定的誤差。研究如何減小誤差將是下一步的工作重點。

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[編輯] 洪云飛

TN929.11

A

1673-1409(2009)01-N016-04

2008-12-13

福建省科技計劃重點項目(2008H0032)。

杜勇 (1971-)，男， 1995年大學(xué)畢業(yè)，講師，博士生，現(xiàn)主要從事光纖通信方面的教學(xué)與研究工作。