密集波分復用系統(tǒng)中的光纖非線性效應及其影響

鄧敬文

摘 要：本方介紹了光纖非線性效應的各類及其對高速率、長距離密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)的影響及解決措施。

關(guān)鍵詞：光纖非線性效應；DWDM；影響；措施

1 前言

DWDM傳輸技術(shù)具有傳輸容量大的突出優(yōu)勢，可在原有線路基礎上，經(jīng)濟、迅速地實現(xiàn)傳輸容量的急劇增加。經(jīng)過近十年的發(fā)展，DWDM技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的突破。隨著DWDM系統(tǒng)的廣泛使用和技術(shù)的演進，人們發(fā)現(xiàn)DWDM技術(shù)在提供傳輸能力的同時，還具有無可比擬的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，被認為是具有無限發(fā)展前途的能夠大幅擴充光纖傳輸容量的最佳技術(shù)方案。

2 光纖的非線性效應的產(chǎn)生及種類

光纖傳輸?shù)乃ズ暮蜕⑴c光纖長度是呈線性變化的，呈線性效應，而帶寬系數(shù)與光纖長度呈非線性效應。非線性效應一般在WDM系統(tǒng)上反映較多，在SDH系統(tǒng)反映較少，因為在WDM設備系統(tǒng)中，由于合波器、分波器的插入損耗較大，對16波系統(tǒng)一般相加在10dB左右，對32波系統(tǒng)，相加在15dB左右，因此需采用EDFA進行放大補償，在放大光功率的同時，也使光纖中的非線性效應大大增加，成為影響系統(tǒng)性能，限制中繼距離的主要因數(shù)之一。光信號在石英光纖中的非線性效應分為受激散射（受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS）和非線性折射率引起的效應兩類。受激散射表現(xiàn)為與光強度有關(guān)的增益或者損耗，而非線性折射率則引起與光強度相關(guān)的相移，由非線性折射率引起的非線性效應主要有自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻（FWM）。

受激拉曼散射SRS可以看作是介質(zhì)中分子振動對入射光的調(diào)制，即分子內(nèi)部粒子間的相對運動導致分子感應電偶極矩隨時間的周期性調(diào)制，從而對入射光產(chǎn)生散射作用。受激喇曼散射只有在入射光強超過某一閾值時才能產(chǎn)生。在單信道的光波系統(tǒng)中，雖然只有一個光波注入，但它可能產(chǎn)生自發(fā)的受激喇曼過程，而得到放大。理論和研究都證明單波道系統(tǒng)很難產(chǎn)生受激拉曼散射SRS，但對于DWDM系統(tǒng)由于一根光纖中同時有多個不同波長信道的光波注入，因此將可能發(fā)生長波長的光波被短波長的光波放大的受激喇曼過程。定性地說，最短波長通道將對所有處于拉曼增益譜內(nèi)的其他波長通道提高泵浦，因而其功率損耗最大；而最長波長通道將受到所有短波長通道的干擾。中間的波長通道則同時要為長波長通道提高泵浦，同時又受到短波長通道的干擾。顯然由于SRS引起的串擾的嚴重程度與總的波長通道數(shù)和波長間隔直接相關(guān)。

受激布里淵散射SBS是光纖中另一類重要的非彈性受激散射，它是光波與材料晶體結(jié)構(gòu)互作用的結(jié)果。與受激拉曼散射相比，受激布里淵散射頻移小、帶寬窄，更重要的是它的閾值低，在mW量級，這與光纖通信系統(tǒng)的注入功率差不多。因而SBS是對光通信產(chǎn)生嚴重影響的非線性現(xiàn)象。SBS對通信系統(tǒng)的影響，首先表現(xiàn)在注入光功率達到SBS閾值時，相當大一部分功率轉(zhuǎn)化為后向的斯托克斯散射光，這導致接收端的接收光功率明顯下降。其次是反向傳輸?shù)乃雇锌怂构鈱⒎答伝氐焦獍l(fā)送機，導致發(fā)送端機光源工作的不穩(wěn)定。為了克服SBS對通信的不利影響，必須將發(fā)送光功率控制在SBS閾值之下。對長距離的DWDM傳輸系統(tǒng)，我們總希望發(fā)送功率大一些，這樣可以減少中繼站點個數(shù)或減少在線光放大器個數(shù)，以降低建設成本，這就是必須采取措施提高SBS閾值。

克爾（kerr）效應是一種折射率非線性效應，是光折射率對光強呈現(xiàn)依賴關(guān)系的一種現(xiàn)象。與上述SRS、SBS不同之處，光克爾效應是由三階非線性極化率x（3）的實數(shù)部分引起的?？藸栃诠饫w介質(zhì)中產(chǎn)生多種非線性效應，其中主要是載體感應相位調(diào)制（CIP）。在單信道類型中，CIP即自相位調(diào)制（SPM），它將光波的功率起伏轉(zhuǎn)換為該光波自身的相位漲落。在多信道系統(tǒng)（例如波分復用系統(tǒng)）中，CIP表現(xiàn)為交叉相位調(diào)制（XPM），它將某一信道內(nèi)的光功率漲落轉(zhuǎn)換成其他信道的相位漲落。自相位調(diào)制（SPM）導致信號頻譜的展寬，自相位調(diào)制與群速度色散相結(jié)合將對光信號的傳輸產(chǎn)生極為重要的影響。交叉相位調(diào)制（XPM）導致的非線性相移使信號光的相位產(chǎn)生波動，則這種相位變化對非相干的直接檢測通信系統(tǒng)的影響可以不考慮。但這種非線性的相位變化對相干光通信卻有著顯著的影響，這是因為相干光檢測系統(tǒng)必須保持信號光與本地光之間的相位匹配。

四波混頻（FWM）是指多個具有一定強度的光波在光纖中混和時，由于光纖的非線性會導致產(chǎn)生其它新的波長。FWM的基本機制為：當三個EM波同時在光纖中傳播時，因光纖的電極化率xe包含非線性部分而產(chǎn)生了第四個EM波（所以稱為四波混頻）。在DWDM系統(tǒng)中，當信道間距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時，四波混頻將成為非線性串擾的主要因素。

3 解決非線性效應的主要應對措施

自相位調(diào)制SPM的產(chǎn)生主要與自身的光強和傳輸媒質(zhì)的群速度色散有關(guān)。隨著“l(fā)”，“0”信號的交替，注入光纖能量變化較大，這使光纖的折射率也跟隨變化，所傳光波的相位自然也隨折射率和傳輸距離而變化，這種相位上的變化同時帶來頻率的相對調(diào)制。因為在光脈沖的前沿與后沿光能量的時變率最高，而光載頻的變化在光脈沖的前后沿處又最明顯，前沿處載頻降低，后沿處載頻升高，光通道的色散使不同的載頻傳輸時延發(fā)生差異，造成接收光波形失真。這種影響正好又使光波形變窄，補償了光通道色散對光波形展寬的效應。在正常色散的媒質(zhì)中將會導致光脈沖在傳輸過程中由于SPM效應而加速展寬，在反常色散的媒質(zhì)過程中，光脈沖的展寬速度將會顯著變慢。適當反常色散的存在可以減小SPM對系統(tǒng)性能的影響，但是色散系數(shù)不是越高越好。相關(guān)試驗已經(jīng)證明相同波長時由SPM產(chǎn)生相同誤碼情況時G.655光纖中的光功率要比G.652光纖中的光功率要高。這就意味著外面可以綜合考慮注入光纖中發(fā)端的功率和光纜條件來避免SPM對系統(tǒng)的不利影響。

交叉相位調(diào)制XPM在頻率問隔相同的情況下，波長數(shù)越多，發(fā)生XPM效應的單波入纖光功率越低；在波長數(shù)相同的情況下，頻率間隔越小，發(fā)生XPM效應的單波入纖光功率也越低。所以我們在規(guī)劃設計波分系統(tǒng)工程時，在考慮滿足業(yè)務需求的情況下，能選擇40波的波分系統(tǒng)時就不要選擇80波的波分系統(tǒng)。因為目前各主流廠商的80波波分設備都是C和C+間插耦合而成，頻率間隔要比C波段的40波系統(tǒng)小一倍。容易引起波道間的串擾，給開通和維護帶來麻煩。

為了消除SBS與SRS對DWDM傳輸系統(tǒng)的影響，應使DWDM傳輸系統(tǒng)的入纖光功率低于它們的門限值，然而四波混頻的門限太低無法避開?？梢岳盟牟ɑ祛l與色散的關(guān)系，適當提高光纖的色散來削弱FWM的影響。G.653光纖的1550nm窗口為零色散窗口，不能抑制FWM，在WDM干線通信系統(tǒng)中不敷設此種光纖。選擇G.655光纖，既不會有嚴重的色散限制，有可以避免FWM的出現(xiàn)。LEAF光纖將光纖的有效面積Aeff增加，而大有效面積可以大大地提高光纖中SBS、SRS、SPM、XPM等非線性效應的閾值。從而使系統(tǒng)具有更大的功率傳輸能力。

4 結(jié)語

DWDM工程中主要采用調(diào)整功率，加大波道間隔，利用光纖色散或改變光纖規(guī)格的辦法來規(guī)避非線性效應帶來的不利影響。值得注意的是，不是所有非線性效應都絕對地對光纖通信系統(tǒng)起著消極作用。利用光纖中的受激散射引致喇曼放大或布里淵放大作用，制作出分布型光纖放大器；利用光纖的自相位調(diào)制效應補償光纖的色散，實現(xiàn)光孤子通信，利用四波混頻實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換等。

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