光纖通信系統(tǒng)色散補(bǔ)償方案的優(yōu)化

曹 雪

光纖通信系統(tǒng)色散補(bǔ)償方案的優(yōu)化

曹 雪

（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院通信工程系，開封475004）

為了優(yōu)化光纖通信系統(tǒng)色散補(bǔ)償方案，采用軟件仿真的方法設(shè)計了一個用色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)膯涡诺劳ㄐ畔到y(tǒng)，利用光纖環(huán)形鏡的全反射特性使該系統(tǒng)的色散補(bǔ)償方案得到了優(yōu)化，補(bǔ)償效果良好，并節(jié)約了成本。對色散補(bǔ)償及光纖環(huán)形鏡的工作原理進(jìn)行了理論分析和仿真驗證，取得了系統(tǒng)在2.5Gbit／s和10Gbit／s下Q參量和眼圖的仿真數(shù)據(jù)，分別找出了兩個信號速率下的系統(tǒng)最佳輸入功率。結(jié)果表明，系統(tǒng)在2.5Gbit／s下的最佳輸入功率為13dBm，此時Q參量達(dá)到了172.88；系統(tǒng)在10Gbit／s下的最佳輸入功率為6dBm，其相應(yīng)Q參量為45.96。這一結(jié)果對實(shí)際應(yīng)用中光纖通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償是有幫助的。

光通信；色散補(bǔ)償；色散補(bǔ)償光纖；光纖環(huán)形鏡

引 言

近年來，隨著對高速、大容量信息系統(tǒng)需求的日益增加，光纖通信得到了長遠(yuǎn)的發(fā)展，而光纖的損耗和色散一直影響著光信號傳輸?shù)馁|(zhì)量［1］。由于摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）技術(shù)的快速發(fā)展及商用化，光纖損耗已不再是限制系統(tǒng)性能的主要因素。色散導(dǎo)致的脈沖展寬將產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾，從而限制了中繼距離和傳輸速率。因此，如何解決光纖通信系統(tǒng)中色散積累問題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［2-4］。

目前光纖色散補(bǔ)償技術(shù)主要有：色散補(bǔ)償光纖（dispersion compensating fiber，DCF）、光纖布喇格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）、虛像相位陣列和平面波導(dǎo)等技術(shù)。使用基模的DCF色散補(bǔ)償技術(shù)相對成熟、簡單，是最實(shí)用的一項技術(shù)。DCF性能穩(wěn)定，不易受溫度等外界環(huán)境的影響及具有很寬的工作帶寬等特點(diǎn)，更適合長距離補(bǔ)償，它可以使不同傳輸光纖的色散和色散斜率得到補(bǔ)償，更適合于大容量的波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）系統(tǒng)，因而研究、優(yōu)化以DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)姆桨冈趯?shí)際工程中是非常重要的［5-7］。本文中利用仿真軟件及光纖環(huán)形鏡（fiber loop mirror，F(xiàn)LM）的全反射特性［8］對單信道光纖通信系統(tǒng)的DCF色散補(bǔ)償方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，該色散補(bǔ)償方案色散補(bǔ)償效果良好、可以消除偏振相關(guān)性、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約成本、性價比高，更適合于實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 工作原理

1.1色散補(bǔ)償原理

常規(guī)單模光纖與單模DCF光纖在1550nm光波長處分別有正色散和負(fù)色散，可以利用這個特性進(jìn)行色散補(bǔ)償，延長傳輸距離。為了獲得補(bǔ)償?shù)男Ч?，在線路中兩者長度的選擇應(yīng)滿足如下公式［3］：

式中，D（λs）和Dc（λs）分別為常規(guī)單模光纖和DCF在工作波長λs處的色散系數(shù)，L和Lc分別為相應(yīng)長度。

DCF光纖的纖芯直徑通常比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖小很多，過高的入纖功率將會增加光纖非線性對系統(tǒng)的影響，導(dǎo)致誤比特率（bit error ratio，BER）的增加，而且DCF光纖比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的衰減大，所以必須在系統(tǒng)中加入放大器來進(jìn)行補(bǔ)償［3，6］。在選擇DCF時，必須兼顧色散系數(shù)和衰減系數(shù)這兩個參量。DCF的品質(zhì)因數(shù)F（figure of merit，F(xiàn)OM）定義公式如下式［3，9］：

式中，Dc和αc分別為DCF的色散系數(shù)和衰減系數(shù)。線路中由于DCF的接入會增加損耗，這個增加的衰減量可用F估算，（1）式滿足后，線路的平均衰減系數(shù)αad為［3］：

式中，D和α為常規(guī)單模光纖的色散系數(shù)和平均衰減系數(shù)。顯然，DCF的F越高，αad越小，信號傳輸質(zhì)量越好。

1.2光纖環(huán)形鏡工作原理

以耦合比為0.5的2×2熔錐型寬帶光纖耦合器制作的FLM具有全反射特性，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Iin，Ir，It分別為該器件端口1的輸入光強(qiáng)、端口1的反射光強(qiáng)和端口2的透射光強(qiáng)。設(shè)耦合器的耦合比為c∶（1－c），忽略附加損耗并且FLM的長度不長時，其反射率、透射率為［10-11］：

Fig.1 Configuration of FLM

式中，R為端口1反射率，T為端口2透射率。由（4）式、（5）式可知，當(dāng)c＝0.5時，兩束相反方向傳輸?shù)墓鈱l(fā)生相消干涉，此時FLM具有全反射特性，端口1輸入的光將全部經(jīng)端口1反射回去。

2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

設(shè)計仿真的以DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)膯涡诺拦饫w通信系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)將色散補(bǔ)償光纖DCF置于兩個EDFA中間，這是一種能夠有效降低或避免長距離傳輸?shù)钠裣嚓P(guān)性的色散補(bǔ)償光纖放置方式［2］。由于FLM的全反射特性，光束在DCF光纖中來回傳輸兩次，所以只需與總色散相對應(yīng)長度一半的DCF光纖，即（1）式中的Lc／2就可以補(bǔ)償總色散了，這不僅降低了成本，而且FLM為全光纖器件，能與DCF很好地熔接，使整個系統(tǒng)更加緊湊。根據(jù)（4）式、（5）式及以寬帶耦合器（耦合比c＝0.5）制作的FLM的測試實(shí)驗可知，其全反射作用效果很好，在1550nm波長附近，T≤0.1%，即端口1反射率R高于99.9%［11］。

Fig.2 DCF dispersion compensation

設(shè)計將連續(xù)（continuous wave，CW）激光器、Mach-Zehnder調(diào)制器、偽隨機(jī)序列發(fā)生器、非歸零脈沖發(fā)生器按圖2中的連接方式組成該系統(tǒng)的信源模塊，其中連續(xù)激光器的輸出激光波長設(shè)定為1552.5nm；傳輸光纖采用常規(guī)單模光纖（single-mode fiber，SMF），傳輸波長為1550nm附近的光波，長度為120km，衰減系數(shù)為0.2dB／km，色散系數(shù)為17ps／（km·nm），有效面積為85μm2；單模色散補(bǔ)償光纖DCF衰減系數(shù)為0.6dB／km，色散系數(shù)為－85ps／（km·nm），有效面積為19μm2，根據(jù)（1）式，計算得出所需DCF的長度應(yīng)為24km，由于DCF末端加入了FLM，所以只需要實(shí)際DCF長度為12km，根據(jù)（2）式和（3）式可算出DCF的F＝141.67，線路的平均衰減系數(shù)αad＝0.32dB／km；由于軟件端口設(shè)置的局限性，不能像實(shí)際應(yīng)用中那樣將耦合器的兩個輸出端熔接在一起，所以實(shí)際仿真中用FBG代替FLM作為全反射裝置。由于該系統(tǒng)應(yīng)用的是單波長激光光源，所以FBG與FLM全反射效果一樣。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)LM因其較寬的帶寬特性不僅能應(yīng)用于單信道系統(tǒng)中，還能很好地應(yīng)用于多波長的WDM系統(tǒng)中。該光柵的反射波長也設(shè)在1552.5nm處，此處波長的反射率為0.99；放大器為摻鉺光纖放大器EDFA，放大器1的增益設(shè)為20dB，放大器2的增益為12dB；光電探測器采用的是PIN光電二極管，其響應(yīng)度為1A／W；濾波器采用的是低通貝塞爾濾波器；使用示波器和誤比特率分析儀為測量器件。

首先通過設(shè)置使信源模塊產(chǎn)生2.5Gbit／s的非歸零（nonreturn-to-zero，NRZ）信號。通常，作為一個品質(zhì)因數(shù)，采用信號的Q參量來衡量信號的質(zhì)量［12］。圖3a為Q參量與連續(xù)激光器輸出功率的關(guān)系圖，從中可以看出，Q參量與系統(tǒng)輸入功率近似于高斯分布。這是因為當(dāng)入纖功率比較低的時候，信號受信噪比的影響較大，增加入纖功率有利于增大信噪比，從而使誤比特率降低，但是當(dāng)入纖功率較高時，光纖的非線性效應(yīng)將隨入纖功率的增加，影響越來越嚴(yán)重，反而使Q參量降低［6］，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該找出最佳的系統(tǒng)輸入功率。通過仿真計算得出該系統(tǒng)的最佳輸入功率，結(jié)果如圖3a所示，當(dāng)輸入功率為13dBm時，信號Q參量最高，為172.88。圖3b是輸入功率為13dBm時，Q參量與時間t的關(guān)系圖，即系統(tǒng)的眼圖。從中可以看出，“眼睛”張得很大，且眼圖端正，表示碼間串?dāng)_很小。

然后通過設(shè)置使信源模塊產(chǎn)生10Gbit／s的NRZ信號。圖4a為此時Q參量與連續(xù)激光器輸出功率的關(guān)系圖，可以看出兩者也近似成高斯分布。最佳輸入功率是6dBm，此時Q參量最高，為45.96。圖4b為10Gbit／s的NRZ信號下，輸入功率為6dBm時的眼圖。

Fig.3 a—relationship between Q and input power at 2.5Gbit／s b—eye diagram when input power is13dBm at2.5Gbit／s

Fig.4 a—relationship between Q and input power at10Gbit／s b—eye diagram when input power is 6dBm at10Gbit／s

通過圖3a和圖4a的對比可以看出，10Gbit／s信號下系統(tǒng)的Q參量最高值為45.96，而2.5Gbit／s信號下系統(tǒng)的Q參量可以高達(dá)172.88，兩圖中整體的Q參量相差較大，通過對圖3b與圖4b的眼圖比較也可以看出這一點(diǎn)。這是因為色散與系統(tǒng)速率的平方成反比，信號速率越大，系統(tǒng)受色散影響的程度越大，從而使誤比特率增加，降低了Q參量［2］。

關(guān)于色散補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計還可以進(jìn)行下一步的優(yōu)化工作，例如可以通過對光纖光柵的懸臂梁調(diào)諧作用［13］進(jìn)行動態(tài)色散補(bǔ)償，以提高光信號傳輸質(zhì)量，適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)需要和發(fā)展［14］。實(shí)際工程應(yīng)用中，采用FLM或FBG都可以起到較好的全反射效果，可根據(jù)實(shí)際情況選用。如果系統(tǒng)為WDM系統(tǒng)或光源采用寬帶光源，可考慮具有寬帶特性的FLM；如果系統(tǒng)為單信道系統(tǒng)或采用窄帶光源，則也可考慮FBG。FBG具有補(bǔ)償色散和色散斜率功能［15］，若系統(tǒng)需要動態(tài)色散補(bǔ)償則可應(yīng)用FBG，還可設(shè)計多個啁啾光纖光柵疊柵的結(jié)構(gòu)［16］完成WDM系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償工作。

3 結(jié) 論

設(shè)計仿真了一個以DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)墓饫w通信系統(tǒng)。利用Q參量和眼圖分別討論了該系統(tǒng)在不同輸入功率、不同信號速率下的色散補(bǔ)償效果，并分析了產(chǎn)生不同結(jié)果的原因。通過仿真得出該系統(tǒng)在2.5Gbit／s下的最佳輸入功率為13dBm，此時Q參量最高為172.88；系統(tǒng)在10Gbit／s下的最佳輸入功率為6dBm，此時Q參量最高為45.96。利用光纖環(huán)形鏡或光纖柵的全反射特性優(yōu)化了該系統(tǒng)，使其只用到所需DCF長度的一半即可很好地補(bǔ)償系統(tǒng)的總色散，如果將該色散補(bǔ)償方案用于實(shí)際工程中則能節(jié)約成本、減小體積、減輕重量、使結(jié)構(gòu)更加緊湊，還可以有效地降低或消除偏振相關(guān)性，使色散補(bǔ)償效果良好。

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Optimization of dispersion compensation in optical fiber communication system s

CAO Xue
（Department of Communication Engineering，School of Physics and Electronics，Henan University，Kaifeng 475004，China）

In order to compensate dispersion in an optical communication system，a single channel dispersion compensation system which used of dispersion compensating fiber was designed and simulated.The system was optimized by a fiber loop mirror so that it economized the cost，and the effect of dispersion compensation was fine.The simulation results such as Q factor and eye diagram were given and analyzed in this system with different velocity of2.5Gbit／s and 10Gbit／s，and their input power were obtained.When the system’s velocity is2.5Gbit／s，the optimum input power is13dBm，and Q factor is 172.88；When the system’s velocity is 10Gbit／s，the input power is 6dBm and the corresponding Q factor is 45.96.The obtained results are helpful for the application of dispersion compensation in an optical communication system.

optical communication；dispersion compensation；dispersion compensating fiber；fiber loop mirror

TN929.11

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.022

1001-3806（2014）01-0101-04

河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃資助項目（2011GGJS-029）

曹 雪（1981-），女，講師，碩士，現(xiàn)主要從事光纖通信與光纖傳感的研究。

E-mail：henu_caoxue＠126.com

2013-03-19；

2013-04-25