基于啁啾光纖光柵的色散均衡技術的研究

楊 康，李國玉，劉劍飛，李 燕

（1.邯鄲學院 信息技術研究所，河北 邯鄲 056005；2.河北工業大學 信息工程學院，天津 300401）

0 引言

光纖在最低損耗窗口1550nm處約有16 ps/(nm.km)的色散，在高速傳輸過程中，這將導致嚴重的碼間干擾，從而限制通信系統的性能[1-2].目前常用的光域色散補償方法是色散補償光纖（DCF）和啁啾光纖光柵.DCF具有帶寬不受限、對溫度不敏感等優點，但是其缺點也是顯著的，比如非線性系數大、制作成本高等，這些缺點在某種程度上限制了其在色散補償方面的應用.相比之下，啁啾光纖光柵色散均衡器具有補償量大、非線性較小、與光纖兼容性好、插入損耗低等優勢，在色散補償方面備受關注[3-4].

本文采用了啁啾光纖光柵后置補償方案，通過 OptiSystem7.0對該系統色散的補償效果進行了仿真，與此同時，為了降低系統的誤碼率（BER）、提高品質因數，還討論了入纖光功率對非線性效應的影響.

1 基于啁啾光纖光柵的色散補償原理

由于啁啾光纖光柵的柵格周期是沿軸向變化的，因此它具備很大的反射帶寬和穩定的色散，常被應用于色散補償和增益平坦濾波器的設計中[5].本文利用線性的啁啾光纖光柵來達到色散補償的效果，其折射率方程可表示為公式 (1)

啁啾光纖光柵利用其柵格周期是沿軸向變化的特性對色散進行補償，其原理如圖1所示.

在啁啾光纖光柵中，入射光的波長不同，在光纖光柵上反射的位置也會不相同，進而產生不同的時延，短波時延長，長波時延短，這種時延與光纖中傳輸造成的時延正好相反，因此相互抵消，消除碼間干擾，使脈沖寬度得以恢復.而啁啾光纖光柵在1 550 nm波長處具有和單模光纖符號相反的色散，從而補償了由于時延差不同而導致的色散單模光纖的色散系數在1550nm窗口為16 ps/(nm.km)，傳輸100 km的單模光纖后色散可達1680 ps/nm，數值模擬中用色散量|D|的啁啾光纖光柵進行完全補償，該光柵中心波長為1550nm，帶寬為1nm.其中|D|可表示為式(5)所示.

圖1 啁啾光纖光柵色散補償原理Fig.1 Theschematic of dispersion based on chirped fibergrating

在本方案中，將啁啾光纖光柵置于接收機的前端，也就是后置補償的方法對光路進行色散補償，后置補償方案相較于前置補償來說存在以下兩方面的優點：首先，放大器位于啁啾光纖光柵的前面，使得色散補償時能夠獲得較大的信號光功率，引入較小噪聲；其次，這種先色散后補償的方式能夠更好抑制光纖的非線性效應.其工作原理圖如圖2所示.啁啾光纖光柵后置補償的工作原理為：光發射機發出初始光脈沖，經過單模光纖（SMF）傳輸后產生一定的衰減，因此讓帶有噪聲的信號通過摻鉺光纖放大器（EDFA），此時的光脈沖由于信道干擾產生色散，為了對其進行補償，使長波分量在光柵的近端被反射，短波分量在遠端被反射，也就是說光柵使得長波分量較短波有較短的時延，使脈沖寬度得以恢復，從而達到補償的作用.

2 仿真系統設計

仿真軟件采用OptiWaveOptiSystem 7.0.此色散補償系統的工作過程為采用不歸零碼（NRZ）調制成40 Gbps的光脈沖，讓其通過100公里的單模光纖（色散系數為16.5 ps/nm/km）進行傳輸，在接收端為了提高信號的功率，所得信號用EDFA進行功率放大，再進入啁啾色散補償光柵（色散值為 1 650 ps/nm）對色散進行補償，然后通過環路控制器再循環一次，因此共傳輸了200公里，最后通過低通濾波器濾除高頻噪聲，利用眼圖分析儀進行觀察.

在同步傳輸模塊STM-64系統中，采用單模光纖色散受限傳輸距離為100 km，因此利用啁啾光纖光柵對每一段100 km的光纖傳輸進行后置的色散補償，其中中繼的長度是可以配置的（在這里每段長度為100 km），以便實現較為準確的色散補償效果.系統設計如圖3所示.

圖2 啁啾光纖光柵后置補償原理圖Fig.2 The schematic of postchirped fibergrating compensator

圖3 啁啾光纖光柵后置補償的系統設計Fig.3 The system of postchirped fiber grating compensator

3 仿真結果

在 OptiSystem7.0環境中，對啁啾光纖光柵后置色散補償器的補償效果進行了仿真并對均衡前后的眼圖進行了比較，其結果如圖4所示.其中圖4a）為補償前眼圖，圖4b）為補償后眼圖.在仿真中設定傳輸距離為100 km，傳輸速率為40Gbs，傳輸的碼型為非歸零碼NRZ，通過對比可以看出，啁啾光柵可以有效地進行色散補償.與此同時，在仿真中發現，當發射功率不同時，均衡器的補償能力也會有所不同.

在本系統中，設置光脈沖速率為40 Gbps，在這種高速光通信傳輸系統中，非線性效應對于系統的傳輸性能的影響也非常顯著.光纖的非線性效應分為許多種類，其中光纖折射率非線性與系統中入纖光功率的大小有著密切關系，可由式 (6)表示.

通過對比后置補償系統和前置補償系統的眼圖比較補償效果，其眼圖如圖5所示，相應的前置補償系統誤碼率為，后置補償系統誤碼率為相較與前置補償提高了半個數量級.

為了更進一步地研究入射功率對均衡器補償效果的影響，仍舊在 OptiSystem7.0環境中，將發射機功率的變化范圍設定為0 dBm到10 dBm線性變化.通過運行仿真可以得到如圖6所示的輸入功率與誤碼率之間的關系.

圖4 啁啾光纖光柵后置補償器眼圖Fig.4 theeye diagrams comparison of beforeand after compensates

圖5 啁啾光纖光柵前置與后置補償效果的比較Fig.5 the contrastof chirped fibergrating preand post compensation

圖7 表明系統的Q品質因數與光纖入射功率的關系.圖7右側已標出Q品質因數曲線由高到低相對應的功率.將均衡器入射功率為10 dBm時的均衡效果和7 dBm時的均衡效果進行對比，結果如圖8所示.圖8a）為入纖功率為10 dBm時的眼圖，圖8b）為入纖功率為7 dBm時的眼圖，通過對入纖功率從0 dBm至10 dBm的眼圖進行對比，發現由于非線性效應受入纖功率的影響，系統的誤碼率并不會隨著入纖功率的增加而降低，而是在7 dBm時取得最低誤碼率，若繼續增加入纖功率則會增加系統的誤碼率，降低系統的均衡效果.

4 結束語

通過在OptiSystem7.0環境中進行眼圖仿真，對基于啁啾光纖光柵的后置均衡系統的性能進行了分析，仿真結果表明，這種結構的均衡器能夠有效的消除系統中的色散.與此同時，發現即使在相同的光路中，入射功率的不同會影響均衡器的均衡效果.所以通過比較誤碼率及品質因數，進一步討論了入射功率如何影響色散均衡的，發現入纖功率在7 dBm時，系統的誤碼率小，品質因數高，當入纖功率設為10 dBm時，均衡效果并沒有有效改善，通過以上研究，為實際搭建色散均衡系統提供了有力依據.

圖6 系統的誤碼率與發射功率之間關系Fig.6 The relation of BER and the incidentpower

圖7 系統的Q品質因數Fig.7 Relation of the incidentpowerand Q factor

圖8 入射功率不同時均衡效果的對比Fig.8 Theequalizate comparsion in different incentpower

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