一種基于Optisystem的靜態(tài)與動態(tài)色散補償相結(jié)合方案研究

毛昕蓉，張建華，趙 謙

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710054)

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一種基于Optisystem的靜態(tài)與動態(tài)色散補償相結(jié)合方案研究

毛昕蓉，張建華，趙 謙

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710054)

介紹色散補償光纖DCF及動態(tài)啁啾光纖光柵FBG的補償技術(shù)并比較其優(yōu)缺點，提出在傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)末端加入動態(tài)FBG的方案，通過Optisystem仿真軟件搭建40 Gbit/s的光傳輸系統(tǒng)，用FBG仿真光傳輸400 km的Q值為3.745，誤碼率為7.419 42e-5，用DCF靜態(tài)混合補償和靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的補償方案分別仿真并比較兩種方案傳輸相同距離的Q值和誤碼率的大小，證明提出的靜態(tài)加動態(tài)的方案提高了光傳輸性能。

色散補償光纖DCF；啁啾光纖光柵FBG；靜態(tài)色散補償；動態(tài)色散補償

引言

光通信系統(tǒng)一直都在向超高速率、超大容量和超長距離發(fā)展，但是光纖的損耗和色散限制了光纖系統(tǒng)的傳輸[1]。隨著摻鉺光纖放大器(EDFA)的應(yīng)用，光信號傳輸過程中的損耗問題得到了解決，使光信號可以傳輸?shù)酶h，但是隨著距離的增加就更加劇了色散的積累，而色散導(dǎo)致的脈沖展寬又產(chǎn)生了嚴重的碼間干擾，限制了傳輸速率和中繼距離，使色散問題更加突出[2]，尤其是目前已經(jīng)使用的40 Gbit/s的光傳輸系統(tǒng)，因為系統(tǒng)的色散容限與信號速率的平方成正比，40 Gbit/s的光傳輸系統(tǒng)的色散容限僅為60 ps，允許色散傳輸?shù)木嚯x僅為3 km～4 km[3]，因此我們更應(yīng)該去解決色散問題，尤其是目前已鋪設(shè)的G.652光纖中，色散問題尤為明顯，G.652光纖的零色散點位于1 310 nm處,最大的色散系數(shù)(17 ps/(nm·km))位于1 550 nm處[4]。本文利用仿真軟件Optisystem對G.652光纖的色散補償系統(tǒng)進行了優(yōu)化，對目前已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖通信系統(tǒng)的改善具有很重要的意義。

1 色散補償技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)靜態(tài)補償

色散補償光纖(DCF)是一種特制的光纖，是利用基模波導(dǎo)來獲得高的負色散值，而且可以通過改變光纖的芯徑、折射率的分布以及摻雜濃度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使零色散波長位于1 550 nm波長的位置[5]，于是在1 550 nm處得到較大的負色散系數(shù)，而此處的G.652光纖有著較大的正色散系數(shù)，于是正負相抵，可使總鏈路色散值接近于零，保持

光脈沖不展寬，實驗中色散補償光纖DCF的長度和單模光纖SMF的長度可以通過公式(1)確定[6]。

D(λs)L+Dc(λs)Lc=0

(1)

式中:D(λs)和Dc(λs)分別為常規(guī)單模光纖SMF和色散補償光纖DCF在波長λs處的色散系數(shù)；L和Lc分別為SMF和DCF的長度，它的補償性能可以表示為[7]

(2)

式中Dc和αc分別是DCF的色散系數(shù)和衰減系數(shù)，總路的平均衰減系數(shù)可表示為

(3)

式中：α為平均衰減系數(shù)；D為單模光纖SMF的色散系數(shù)?？煽闯?，F(xiàn)越大，即DCF的補償性能越好，總路的平均衰減系數(shù)越小，即信號傳輸性能越好。

色散補償光纖DCF產(chǎn)品比較成熟，有性能較穩(wěn)定、工作帶寬較寬、與單模光纖兼容性好的優(yōu)點，它可以使不同光纖的色散和色散斜率得到補償，所以更適合大容量長距離的WDM系統(tǒng)[8]，其中，又分為前置補償、后置補償及混合補償(包括先前置再后置補償和先后置再前置補償)，前人研究的最佳補償方案為先后置補償再前置補償[9]，方案1如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)靜態(tài)混合補償方案Fig.1 Traditional static mixed compensation scheme

圖1中，Tx為光信號發(fā)射端，Rx為光信號接收端，EDFA為摻鉺光纖放大器，SMF為普通單模光纖，DCF為色散補償光纖。

雖然DCF色散補償有上述優(yōu)點，但它僅僅是靜態(tài)的去補償單模光纖的色散，在實際應(yīng)用中，光纖在使用過程中隨時間的變化會受到溫度、濕度、氣候和器件老化等的影響[10]，而色散補償光纖DCF卻不能自動調(diào)節(jié)去適應(yīng)這些環(huán)境的變化，于是提出利用靜態(tài)補償和動態(tài)補償相結(jié)合的方式更完整地進行色散補償。

1.2 動態(tài)補償

啁啾光纖布拉格光柵FBG是一種特殊的色散補償器件，它用反射濾波器制成，當(dāng)光脈沖通過光纖光柵FBG后，由于長波長分量在光柵的始端被反射，短波長分量在光柵的終端被反射，使脈沖寬度被壓縮，甚至還原，這樣就補償了群速度色散效應(yīng)[11]。它具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、插入損耗低、補償率高且非線性效應(yīng)小和對偏振不敏感的特點，它是一種動態(tài)色散補償器件[12]，可以根據(jù)環(huán)境溫度、濕度等的變化自動調(diào)節(jié)補償量的大小，方案2如圖2所示。

圖2 動態(tài)FBG色散補償Fig.2 Dynamic FBG dispersion compensation

1.3 靜態(tài)色散補償與動態(tài)色散補償相結(jié)合

前面介紹了色散補償光纖DCF和動態(tài)色散補償器件FBG的優(yōu)缺點[13]，并對他們進行了比較，利用他們各自不同且互補的特點，色散補償光纖DCF與單模光纖SMF兼容性好，性能穩(wěn)定，而補償量始終不變，但光纖光柵FBG卻能隨周圍環(huán)境的變化而變化，所以在光纖鏈路中進行靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的補償方式，讓他們各自發(fā)揮自己的優(yōu)點，更好地去進行色散補償，設(shè)計方案3分別如圖3所示。

圖3 動態(tài)和靜態(tài)混合補償相結(jié)合的色散補償方案Fig.3 Combination of dynamic and static mixed dispersion compensation scheme

方案1和方案2分別為DCF和FBG色散補償方案，方案3為靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的色散補償方案，在傳輸過程中，先用色散補償光纖DCF和SMF混合補償，因為實際應(yīng)用中，光信號傳輸過程中會受到傳輸器件的老化、沿途的氣候等諸多因素的影響，使得色散隨時間改變，所以建議在傳統(tǒng)的光信號系統(tǒng)中，在接收端接收光信號之前，再用動態(tài)啁啾光纖布拉格光柵FBG對色散補償后的殘余色散進行檢測與動態(tài)補償，使接收端能夠更好地接收到光信號。

2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

文中設(shè)計了單信道40 Gbit/s的G.652光傳輸系統(tǒng)，占空比為0.5，所用放大器增益均為20 dB，輸入光功率均為10 dBm，光信號傳輸系統(tǒng)框圖如圖4所示，在光傳輸過程中，分別用上述的3種方案進行色散補償。

圖4 仿真系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of simulation system

根據(jù)方案2仿真出了光信號傳輸400 km的Q值和誤碼率，Q值為3.745，誤碼率為7.419 42e-5，由此數(shù)據(jù)可看出，Q值已經(jīng)很小，誤碼率已很高，傳輸性能欠佳。當(dāng)把傳輸距離再增大時，眼圖很亂，Q值為零，已經(jīng)接收不到有用光信號了，說明使用啁啾光纖光柵FBG的最大傳輸距離大約為400 km。根據(jù)方案1和方案3進行仿真，所用參數(shù)如表1所示。

表1 色散補償仿真相關(guān)參數(shù)

分別設(shè)置單模光纖SMF的長度為120 km，色散補償光纖DCF的長度為24 km，循環(huán)控制次數(shù)分別為1、2、3，則系統(tǒng)傳輸距離分別為288 km、576 km、864 km，用方案1分別仿真得出它們的Q值和誤碼率如表2所示。

由方案1仿真得出的光信號傳輸288 km、576 km、864 km的眼圖如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。

表2 方案1傳輸多段距離的Q值和誤碼率

Table 2Qvalue and BER of multi-distance transmission in scheme 1

測試結(jié)果傳輸距離/km288576864Q值76．198218．99673．46374誤碼率00．70717e-0810．000249529

圖5 方案1中不同傳輸距離的輸出眼圖Fig.5 Output eye diagrams of different transmission distances in scheme 1

采用靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的色散補償方案3仿真得出的光信號分別傳輸288 km、576 km、864 km的Q值和誤碼率如表3所示，眼圖如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。

從表2和表3可以看出，當(dāng)距離增大時，Q值越來越小，誤碼率越來越大，從眼圖也可以看出，隨著距離的增大，眼圖越來越亂。

表3 方案3傳輸多段距離的Q值和誤碼率

Table3 QvalueandBERofmulti-distancetransmissioninscheme3

測試結(jié)果傳輸距離/km288576864Q值85．927620．8123．86637誤碼率01．24869e-0965．22649e-005

圖6 方案3中不同傳輸距離的輸出眼圖Fig.6 Output eye diagrams of different transmission distances in scheme 3

比較方案1和方案3傳輸相同距離的Q值和誤碼率，即表2和表3的仿真數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：當(dāng)傳輸相同距離時，都是方案3比方案1的Q值大、誤碼率低，證明在傳統(tǒng)的光信號傳輸系統(tǒng)末端加入動態(tài)啁啾光纖光柵可以很大程度地補償光纖色散，補償性能優(yōu)于傳統(tǒng)的靜態(tài)DCF色散補償。

3 結(jié)論

在搭建的40 Gbit/s、占空比為0.5，輸入光功率為10 dBm的光傳輸系統(tǒng)中，只用動態(tài)FBG補償時光傳輸400 km的Q值為3.745，誤碼率為7.419 42e-5，說明動態(tài)補償方案效果最差，方案1和方案3分別仿真出光傳輸相同距離的Q值和誤碼率，方案3比傳統(tǒng)方案1的Q值大、誤碼率低，充分證明在傳統(tǒng)的光傳輸系統(tǒng)末端加入動態(tài)啁啾光纖光柵可以很大程度地補償光纖色散，在傳輸性能上體現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢。

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Combined scheme research on static and dynamic dispersion compensation based on Optisystem

Mao Xinrong, Zhang Jianhua, Zhao Qian

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

We introduced the dispersion compensation principles of dispensation compensation fiber (DCF) and fiber Brag grating (FBG), compared their advantages and disadvantages, proposed adding the FBG into the end in traditional optical fiber transmission systems. We designed a transmission system with a capacity of 40Gbit/s by using Optisystem software and studied three dispersion compensation schemes. If the FBG dispersion compensation was used only, itsQvalue was 3.745 and its bit error ratio (BER) was 7.41942e-5 with the optical signal transmission of 400 km. The scheme of DCF static mixed compensation and the combination scheme of static and dynamic dispersion compensation were simulated,and theQvalue and BER of the two schemes for transmission of the same distance were compared. It is proved that the scheme combined the static with the dynamic compensation can improve the optical transmission performance.

DCF; FBG; static dispersion compensation; dynamic dispersion compensation

1002-2082(2015)06-0888-05

2015-05-18；

2015-06-22

陜西省科技研究發(fā)展計劃工業(yè)攻關(guān)項目(2013K07-35, 2014K06-37); 西安市科技計劃技術(shù)轉(zhuǎn)移促進工程項目(CXY1440(4))

毛昕蓉(1975-)，女，陜西西安人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事寬帶網(wǎng)絡(luò)與光通信技術(shù)的研究。E-mail:654937883@qq.com

TN929.11

A

10.5768/JAO201536.0602002