光信號(hào)傳輸特性的仿真分析

劉志超， 朱 軍， 袁中保

（安徽大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230039）

0 引言

光纖的發(fā)明，引起了通信技術(shù)的一場革命，是即將到來的信息社會(huì)的一大要素。光纖通信系統(tǒng)是目前的研究熱點(diǎn)，在光纖中高速、高效的傳輸光信號(hào)是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。影響光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)闹饕蛩赜猩⒑蛽p耗。但隨著摻鉺光放大器的實(shí)用化，損耗不再是主要的限制因素，因此光纖色散特性的研究成為引人注目的焦點(diǎn)之一[1-3]。比如：群速度色散GVD (Group Velocity Dispersion)[4-6],高階色散對光脈沖傳輸?shù)挠绊慬7-8]，高斯脈沖在單模光纖中傳輸特性分析[9]，群速度色散和自相位調(diào)制所致啁啾[10-11]。本文主要是在不考慮非線性效應(yīng)的情況下，就 G.652光纖中群速度色散對光信號(hào)傳輸特性的影響作了仿真。對傳輸比特率分別為2.5 Gb/s、10 Gb/s的信號(hào)，有、無初始啁啾，傳輸距離分別為20 km、60 km的情況作了仿真分析。

1 理論分析

光脈沖在單模光纖中傳輸時(shí)，GVD會(huì)引起光纖內(nèi)傳輸?shù)墓饷}沖展寬，這種色散作用于輸入脈沖引起脈沖展寬就產(chǎn)生了頻率啁啾效應(yīng)。在非線性光學(xué)介質(zhì)中，介質(zhì)的折射率與入射光的光強(qiáng)有關(guān)，這一現(xiàn)象通過自相位調(diào)制來體現(xiàn)，它也將導(dǎo)致光脈沖的頻譜展寬[1]。而且?guī)н钡墓饷}沖在光纖中傳輸時(shí)將會(huì)加劇色散展寬，這是不希望的。

當(dāng)只考慮群速度色散2β 的影響，不考慮非線性效應(yīng)時(shí)，可由非線性薛定諤方程得到如下方程[1]：其中U是歸一化振幅，T是隨脈沖以群速度移動(dòng)的參考系中的時(shí)間量度，z是軸向坐標(biāo)，2β是群速度色散。

利用傅里葉方法得到式(1)的通解為[7]：

入射光場在z=0處的傅里葉變換為：

其中(0,)U T是初始的光脈沖。

2 仿真模塊設(shè)計(jì)

仿真模塊搭建如圖1所示，用到的仿真器件和測試儀器有：多信道等間隔光發(fā)射機(jī)、G.652光纖、眼圖分析儀。其中G.652光纖的工作波長在1 300 nm時(shí)，色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離主要受光纖損耗所限制。在1 550 nm波段的損耗較小，這種光纖可用于2.5 Gb/s的干線系統(tǒng)，但由于在該波段的色散較大，若傳輸10 Gb/s的信號(hào)，傳輸距離超過50 km時(shí)，就要求使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊，否則信號(hào)失真嚴(yán)重[2]。通過眼圖分析儀測試模塊，可以得到仿真結(jié)果——信號(hào)的眼圖。

圖1 仿真模塊示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 無啁啾的光信號(hào)傳輸

仿真參數(shù)設(shè)置：原始信號(hào)的中心頻率為193.1 THz,信道數(shù)1，發(fā)射功率 5 mW，啁啾參數(shù)為0，G.652光纖的長度分別設(shè)為20 km、60 km。

3.1.1 比特率為2.5 Gbit/s的情況

通過仿真，得到了如圖2所示的眼圖。由圖2可知：從眼圖的張開度來看，隨著傳輸距離的增加，信號(hào)的失真并不是很明顯；觀察縱坐標(biāo)，原始信號(hào)的功率峰值是12 mW，傳輸20 km后是4.78 mW，傳輸60 km后是0.767 mW。隨著傳輸距離的增加，信號(hào)功率損耗明顯。

3.1.2 比特率為10 Gbit/s的情況

將3.1.1節(jié)中的比特率2.5 Gbit/s改成10 Gbit/s，其他參數(shù)保持不變，再進(jìn)行仿真，可以得到如圖3所示的眼圖。由圖3可知，從眼圖張開度可以看出，隨著傳輸距離的增加，信號(hào)失真嚴(yán)重；觀察縱坐標(biāo)，原始信號(hào)功率峰值11.9 mW，傳輸20 km后是5 mW，傳輸60 km后是0.879 mW，信號(hào)功率損耗明顯。

綜上所述：在中心頻率、發(fā)射功率、啁啾等參數(shù)相同的情況下，傳輸?shù)木嚯x越長，信號(hào)的失真越明顯。尤其是傳輸距離超過50 km后，信號(hào)失真嚴(yán)重，需要使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊。比較圖2和圖3，不難看出，當(dāng)傳輸距離相同時(shí)，比特率越大，信號(hào)失真就越明顯。

3.2 帶初始啁啾的光信號(hào)傳輸

仿真參數(shù)設(shè)置如下：原始信號(hào)的中心頻率為193.1 THz，信道數(shù)1，發(fā)射功率5 mW，比特率為2.5 Gbit/s，G.652光纖的長度設(shè)為20 km。3.2.1 正啁啾C=10的情況

圖2 比特率為2.5 Gbit/s的情況

圖3 比特率為10 Gbit/s的情況

如圖4(a)所示，初始啁啾為10的信號(hào)經(jīng)光纖傳輸20 km后得到眼圖。將它與圖2(b)作比較，其他參數(shù)相同，只有啁啾參數(shù)不同。明顯可以看到帶正啁啾的信號(hào)比無啁啾的信號(hào)失真要嚴(yán)重。

3.2.2 負(fù)啁啾C=-10的情況

如圖4(b)所示，初始啁啾為-10的信號(hào)經(jīng)光纖傳輸20 km后得到的眼圖。將它與圖2(b)作比較，其他參數(shù)相同，只有啁啾參數(shù)不同。明顯可以看到帶負(fù)啁啾的信號(hào)比無啁啾信號(hào)失真要嚴(yán)重。所以無論是正啁啾還是負(fù)啁啾，在光信號(hào)傳輸時(shí)都會(huì)引起信號(hào)失真，而且比無啁啾信號(hào)的失真更明顯。

圖4 帶初始啁啾的光信號(hào)傳輸情況

4 結(jié)語

本文主要就群速度色散對光信號(hào)傳輸特性的影響作了仿真分析,得到的結(jié)果與理論結(jié)果吻合。但只是針對單信道，在不考慮非線性和四波混頻影響的情況下，得出了有意義的結(jié)論。對于多信道，考慮非線性、四波混頻影響的情況將是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

[1] Agrawal G P.Fiber-Optic Communication Systems[M].USA: John Wiley & Sons,2002:37-72.

[2] 楊祥林.光纖通信系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002:46-62.

[3] Agrawal G P.非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003:48-97.

[4] Turner A C, Manolatou C, Schmidt B S, et al. Tailored Anomalous Ggroup-velocity Dispersion in Silicon Channel Waveguides[J].Optics Express,2006,14(10):4357-4362.

[5] 胡巍.空間誘導(dǎo)群速度色散的數(shù)值研究[J].物理學(xué)報(bào).2003,52(03):570-574.

[6] 梅瓊,張江鑫.光孤子傳輸及其系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].通信技術(shù),2003(04):58-60

[7] 劉群.三階群速度色散導(dǎo)致超短脈沖畸變的研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2005,21(02):26-30.

[8] 孔祥澤.高階色散對光脈沖傳輸?shù)挠绊慬EB/OL](2008-4-29)[2008-9-10]. http://www.paper.edu.cn.

[9] 段巍.高斯脈沖在單模光纖中傳輸特性分析[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,37(04):476-479.

[10] 曹暢,堯昱.單模光纖中 GVD和 SPM效應(yīng)所致頻率啁啾的數(shù)值研究[EB/OL].(2007-3-12)[2009-3-3]. http://www.paper.edu.cn.

[11] 陳治國,袁雪蓮,張文杰.基于Chirp信號(hào)調(diào)頻調(diào)制的超寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2007,40(09):15-17.