單信道光纖系統(tǒng)色散補(bǔ)償技術(shù)仿真分析

張 永，郭 誼，王赫男

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

0 引 言

在常規(guī)光纖通信系統(tǒng)中，光纖呈線性傳輸特性。然而，當(dāng)光功率增加到一定值時(shí)，光纖和光器件開始呈現(xiàn)非線性特性。過(guò)去，這種非線性不太為人們所關(guān)注，然而近年來(lái)隨著傳輸速率的提高、傳輸距離的延長(zhǎng)、波分復(fù)用通路數(shù)的增加以及光纖放大器的應(yīng)用，這種光纖的非線性己成為嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能的因素[1]。而另一方面，人們也試圖利用這種非線性來(lái)改進(jìn)光系統(tǒng)的性能，變害為利?？傊?，非線性問(wèn)題己成為新一代光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的重要方面。文章對(duì)光纖的自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM)進(jìn)行了研究，并對(duì)其在色散補(bǔ)償光纖中的作用進(jìn)行了仿真分析研究。

1 理論分析

光學(xué)非線性的大小通常取決于介質(zhì)的非線性系數(shù)、光波光強(qiáng)以及光波與非線性介質(zhì)的有效作用長(zhǎng)度等因素。由于石英光纖是各向同性的，在這種情況下，非線性效應(yīng)反映為光學(xué)折射率與光強(qiáng)成正比關(guān)系[2]，即：

(1)

設(shè)光波波長(zhǎng)為λ，強(qiáng)度為E(t)的光脈沖在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中傳播，則光強(qiáng)感應(yīng)的非線性折射率(即光強(qiáng)感應(yīng)的折射率的變化)為：

Δn(t)=nNL=n2E2(t)

(2)

那么，相對(duì)入射時(shí)的相位發(fā)生如下相移：

(3)

這種相位的變化必然要產(chǎn)生頻率的漂移，它產(chǎn)生的頻率漂移為：

(4)

圖1 光纖SPM效應(yīng)引起的頻率啁啾

光纖的這種自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM)使輸入脈沖的前沿頻率變低，而后沿的頻率變高，稱為頻率啁啾。這種頻率啁啾將對(duì)光脈沖在光纖中的傳輸特性產(chǎn)生非常奇妙的影響。

2 模擬仿真

利用上述非線性窄化現(xiàn)象來(lái)補(bǔ)償光纖的色散展寬，可最大限度達(dá)到信號(hào)的無(wú)失真?zhèn)鬏擺3]。

在系統(tǒng)傳輸速率不高、通信容量不大、距離比較短的情況下，可以最大限度地去補(bǔ)償色散，采用完全補(bǔ)償；然而，在系統(tǒng)要求傳輸速率高、通信容量大的情況下，激光器的功率就需要加大，入纖功率增大帶來(lái)的后果是光纖中出現(xiàn)了非線性效應(yīng)，這個(gè)時(shí)候，需要留有一定的色散，來(lái)與非線性效應(yīng)共同作用，從而達(dá)到系統(tǒng)的性能要求。

建立一個(gè)具體的光系統(tǒng)來(lái)觀察色散與非線性效應(yīng)結(jié)合對(duì)系統(tǒng)性能的影響，如圖2所示。

圖2 非線性效應(yīng)(SPM)與色散共同作用下的光系統(tǒng)圖

系統(tǒng)為單信道系統(tǒng)，因此非線性效應(yīng)中只需考慮SPM效應(yīng)[4]；本方案包含了2個(gè)子系統(tǒng)，第1個(gè)剩余色散為零，即色散完全補(bǔ)償，第2個(gè)色散不為零，即色散不完全補(bǔ)償，也稱作欠補(bǔ)償。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：傳輸速率B=10 Gb/s，SMF的色散參數(shù)D=16 ps/nm·km，L=100 km；第1個(gè)系統(tǒng)的色散補(bǔ)償光纖(DCF)色散參數(shù)D=-80 ps/nm·km，L=20 km；第2個(gè)系統(tǒng)的DCF色散參數(shù)D=-72 ps/nm·km，L=20 km；其中SMF與DCF的損耗由摻餌光纖放大器(EDFA)來(lái)完全補(bǔ)償，且EDFA的噪聲指數(shù)為0[4]，這是為了更好地研究SPM與色散的效應(yīng)，避免受到損耗的影響。

系統(tǒng)設(shè)定了激光器的3個(gè)發(fā)射功率：0 dBm、10 dBm、13 dBm，用來(lái)觀察使SPM起作用的功率的大小。圖3與圖4給出了在3個(gè)不同功率下2個(gè)系統(tǒng)的性能眼圖。

圖3 零色散系統(tǒng)的眼圖

圖4 有剩余色散的系統(tǒng)眼圖

由圖3可知：隨著光源發(fā)射功率的增大，零色散系統(tǒng)的各項(xiàng)性能開始下降，眼圖明顯惡化(Q值分別為114、14與6)，這是因?yàn)镾PM效應(yīng)與光功率成正比，加大了光功率后會(huì)增強(qiáng)SPM效應(yīng)[5]。

由圖4可知：隨著光源發(fā)射功率的增大，有剩余色散的系統(tǒng)性能并無(wú)明顯變化，眼圖也無(wú)惡化現(xiàn)象(Q值分別為12、11與12)，這說(shuō)明SPM與色散共同作用下，使兩者的缺陷得到了相互的抑制，系統(tǒng)的性能得到了有效的改善。也就是說(shuō)，SPM效應(yīng)可以由不完全色散補(bǔ)償進(jìn)行有效的抑制。

進(jìn)一步對(duì)比兩圖可知：當(dāng)光源功率P為10 dBm時(shí)，2個(gè)系統(tǒng)性能都是良好的(Q值分別為14和11)，可以完成通信要求；而當(dāng)P=13 dBm的時(shí)候，2個(gè)系統(tǒng)則有了明顯的區(qū)別：零色散系統(tǒng)眼圖惡化嚴(yán)重，Q值降為6；而有剩余色散的系統(tǒng)則無(wú)明顯變化，Q值反而增大到12。由此可知，超過(guò)10 dBm后SPM效應(yīng)開始起作用，如果再設(shè)定一些激光器發(fā)射功率的話，還可以得到SPM效應(yīng)的閾值功率為18 dBm，即當(dāng)入纖光功率<18 dBm時(shí)，系統(tǒng)誤碼率隨光功率的增大而減小；當(dāng)入纖光功率>18 dBm時(shí)，系統(tǒng)誤碼率隨光功率的增大而迅速增大，參見圖5。原因是當(dāng)發(fā)射功率超過(guò)18 dBm后，過(guò)強(qiáng)的SPM效應(yīng)將使色散得到過(guò)度補(bǔ)償，反而會(huì)再次影響到系統(tǒng)性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)光纖非線性效應(yīng)中的SPM效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，針對(duì)其在色散補(bǔ)償方面的作用，建立仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析表明利用SPM可使光纖中的色散得到有效補(bǔ)償，同時(shí)提高了入纖功率，使得光纖通信系統(tǒng)的通信速率、容量得到極大的提升，系統(tǒng)性能得到了全面的提升。在光纖通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，文章中研究的利用SPM的色散補(bǔ)償技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 光源功率與系統(tǒng)Q值的關(guān)系曲線圖