啁啾光纤光栅色散补偿方案研究

2019-11-03 18:23:42

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供稿：网友

　　吴　强，余重秀，姚德启，辛　雨，忻向军，胡乐辉 

　　(北京邮电大学，北京100876)　

　　摘　要：设计了利用啁啾光纤光栅(CFG)对10 Gbit/s光信号进行色散补偿的仿真模拟系统，该模拟系统研究了5种不同的色散补偿方案对系统误码率的影响，选出了最佳的一种补偿方案.模拟研究了入纤光功率对系统误码率的影响，结论是在保持光探测器接收功率不变的条件下，入纤光功率越高，误码率越大.对于最佳色散补偿方案，入纤光功率为6 dBm时既能保证较高的传输功率又有较好的误码性能.

　　关键词：啁啾光纤光栅；色散补偿；非线性效应；掺铒光纤放大器

　　随着光纤通信的发展，网络容量也在不断扩大.当前，光纤的损耗和色散是影响光纤通信向高速大容量发展的两个主要因素.由于掺铒光纤放大器(EDFA)的出现，传统的光/电/光型中继器被光纤放大器所代替，光纤的损耗已经不再是限制光纤传输距离的主要因素.但是，由于延长了光信号的传输距离，不经过光/电/光转换的光信号在长距离传输后很容易因为色散导致脉冲展宽，从而产生信号之间的串扰，影响系统性能.例如，普通单模光纤（SMF），它在1550 nm窗口的色散系数约为17ps/(nm·km)，传输100km后色散可达到1700ps/nm，而对于10 Gbit/s的系统，它的最大色散容限是1000ps/nm.可见，要使系统正常运转，必须进行色散补偿.

　　当前，国际上对色散补偿的研究较多，已经提出的色散补偿方案有：啁啾光纤光栅（CFG）、色散补偿光纤（DCF）、色散支持传输（DST）、频谱反转、预啁啾和光纤孤子传输等技术 [1～3].这些方法各有优缺点，其中CFG因其体积小、重量轻、成本低、灵活方便、插入损耗低、与光纤兼容性好、波长选择性好等特点[4～5]而受到普遍的重视，成为当今研究的热点.

　　1　系统设计

　　光纤中不仅存在色散，而且还有非线性.光纤中的非线性效应主要包括：自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）等.在以G.652光纤为传输媒质的单信道光纤通信系统中，起主要作用的光纤非线性效应是SPM，光功率越高，SPM作用就越明显.因此，CFG在色散补偿系统中不同的位置会产生不同的作用，研究这些色散补偿方案对实际应用有一定的指导作用.

　　我们对系统的研究是基于PTDS（Photonics Transmission Design Suite）软件平台，这是由德国公司设计的商用综合模拟软件，它是采用分步傅里叶分析的方法对信号进行模拟处理的.一般来说，沿光纤的长度方向色散和非线性是同时作用的.分布傅里叶方法通过假定在传输过程中，光场每通过一小段距离，色散和非线性分别作用，从而得到近似结果.根据CF G在色散补偿系统中位置的不同，设计出5种色散补偿方案，如图1所示.利用这些系统原理图来模拟研究不同的补偿方案下入纤光功率对系统误码率的影响.

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　　光发射机(TX)发出的10 Gbit/s的光信号，由EDFA功率放大器（BA）放大后在G.652光纤中传输，经线路放大器（LA）、色散补偿器、预放（PA）、功率衰减器后由接收端探测系统误码率.以上每种方案中每段光纤长度为100km，共传输300km，LA仅用于补偿光纤的传输损耗. 模拟中使用的其它参数如表1所示.

　　2　仿真模拟

　　根据以上仿真模拟原理图可得出不同补偿方案时系统误码率随入纤光功率的变化关系，结果如图2所示.

　　如图2所示，在探测功率一定的条件下，随着入纤光功率的增大，系统误码率也迅速增加. 产生这种现象的原因是，光纤中的色散由CFG完全补偿，如果没有其他因素的影响，光脉冲在光纤中传输后将恢复到初始脉冲的形状.但是由于光纤中存在非线性效应SPM，它会使得脉冲频谱展宽，SPM与群速度色散(GVD)共同作用会使脉冲变形加剧.入纤光功率越大，SPM作用越明显，从而脉冲的变形也越厉害.因此对于已经由CFG进行完全色散补偿的光信号，功率越高，系统的性能越差，图2也说明了这一点.

　　比较以上5种色散补偿方案，可见方案4的补偿效果最好，方案2的效果最差.这是因为光信号具有预啁啾可以抑制光纤非线性效应，方案3～5都利用CFG产生了预啁啾，因而补偿效果要好于方案1和2.方案5是由于它把放大器放在CFG后面，使得色散补偿时信号光功率较小，可能引入较大的噪声，因而在信号功率不大时补偿效果不如方案4好.而先色散后补偿的混合补偿方式对于抑制光纤非线性效应效果更好一些，因此方案4较方案3要好一些.在实际应用中，我们希望光传输的中继距离越长越好，这样就必须增大入纤光功率，但是光功率越大，系统的误码性能越差，因此在中继距离和系统误码率之间必须要有取舍.

　　4　结论

　　光纤色散是阻碍光纤通信向大容量、长距离发展的主要因素之一.CFG色散补偿法可以有效补偿光纤产生的色散.根据上面的研究，对于在G.652光纤上传输的3×100km 10 G bit/s光通信系统，采用CFG对色散进行完全补偿可以有多种方案，其中以方案4补偿效果最佳.在以方案4进行完全色散补偿的系统中，综合考虑到了信号光中继距离和系统误码率的关系，如果系统对误码率的最大容忍值是10-12，则入纤光功率在6 dBm左右能较好地兼顾二者的性能.

　　参考文献

　　［1］Massimo Artiglia. Comparison of dispersioncompensation techniqu es for lightwave systems [A]. OFC'98 [C].San Jose:1998. Thv2:364-365.

　　［2］Park Y K,Yeates P D, Delavaux J M P，et al.A field demonstration of 20 Gbit/s capacity transmission over 360 km installed standard fiber [J].IEEE photon.Technol.Lett.,1995,7(7):816-818.

　　［3］Watanabe S,Naito T,Chikama T.Compensation of chromatic dispersion in a si ngle mode fiber by optical phase conjugation [J]. IEEE Photonics Tech.Lett., 1993.,5(1): 92-95.

　　［4］魏道平.线性啁啾光纤光栅色散补偿性能的数值分析 [J] .光学技术，2001, 27(5): 438-440.

　　［5］Agrawal G P. Nonlinear fiber optics 2 nd Edition [M].USA:Academic PRes s,1995.

摘自光通信研究

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