單信道光纖系統色散補償技術仿真分析

張 永，郭 誼，王赫男

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

0 引 言

在常規光纖通信系統中，光纖呈線性傳輸特性。然而，當光功率增加到一定值時，光纖和光器件開始呈現非線性特性。過去，這種非線性不太為人們所關注，然而近年來隨著傳輸速率的提高、傳輸距離的延長、波分復用通路數的增加以及光纖放大器的應用，這種光纖的非線性己成為嚴重影響系統性能的因素[1]。而另一方面，人們也試圖利用這種非線性來改進光系統的性能，變害為利?？傊?，非線性問題己成為新一代光纖通信系統設計考慮的重要方面。文章對光纖的自相位調制效應(SPM)進行了研究，并對其在色散補償光纖中的作用進行了仿真分析研究。

1 理論分析

光學非線性的大小通常取決于介質的非線性系數、光波光強以及光波與非線性介質的有效作用長度等因素。由于石英光纖是各向同性的，在這種情況下，非線性效應反映為光學折射率與光強成正比關系[2]，即：

(1)

設光波波長為λ，強度為E(t)的光脈沖在長度為L的光纖中傳播，則光強感應的非線性折射率(即光強感應的折射率的變化)為：

Δn(t)=nNL=n2E2(t)

(2)

那么，相對入射時的相位發生如下相移：

(3)

這種相位的變化必然要產生頻率的漂移，它產生的頻率漂移為：

(4)

圖1 光纖SPM效應引起的頻率啁啾

光纖的這種自相位調制效應(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。這種頻率啁啾將對光脈沖在光纖中的傳輸特性產生非常奇妙的影響。

2 模擬仿真

利用上述非線性窄化現象來補償光纖的色散展寬，可最大限度達到信號的無失真傳輸[3]。

在系統傳輸速率不高、通信容量不大、距離比較短的情況下，可以最大限度地去補償色散，采用完全補償；然而，在系統要求傳輸速率高、通信容量大的情況下，激光器的功率就需要加大，入纖功率增大帶來的后果是光纖中出現了非線性效應，這個時候，需要留有一定的色散，來與非線性效應共同作用，從而達到系統的性能要求。

建立一個具體的光系統來觀察色散與非線性效應結合對系統性能的影響，如圖2所示。

圖2 非線性效應(SPM)與色散共同作用下的光系統圖

系統為單信道系統，因此非線性效應中只需考慮SPM效應[4]；本方案包含了2個子系統，第1個剩余色散為零，即色散完全補償，第2個色散不為零，即色散不完全補償，也稱作欠補償。

系統參數設置為：傳輸速率B=10 Gb/s，SMF的色散參數D=16 ps/nm·km，L=100 km；第1個系統的色散補償光纖(DCF)色散參數D=-80 ps/nm·km，L=20 km；第2個系統的DCF色散參數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)來完全補償，且EDFA的噪聲指數為0[4]，這是為了更好地研究SPM與色散的效應，避免受到損耗的影響。

系統設定了激光器的3個發射功率：0 dBm、10 dBm、13 dBm，用來觀察使SPM起作用的功率的大小。圖3與圖4給出了在3個不同功率下2個系統的性能眼圖。

圖3 零色散系統的眼圖

圖4 有剩余色散的系統眼圖

由圖3可知：隨著光源發射功率的增大，零色散系統的各項性能開始下降，眼圖明顯惡化(Q值分別為114、14與6)，這是因為SPM效應與光功率成正比，加大了光功率后會增強SPM效應[5]。

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

進一步對比兩圖可知：當光源功率P為10 dBm時，2個系統性能都是良好的(Q值分別為14和11)，可以完成通信要求；而當P=13 dBm的時候，2個系統則有了明顯的區別：零色散系統眼圖惡化嚴重，Q值降為6；而有剩余色散的系統則無明顯變化，Q值反而增大到12。由此可知，超過10 dBm后SPM效應開始起作用，如果再設定一些激光器發射功率的話，還可以得到SPM效應的閾值功率為18 dBm，即當入纖光功率<18 dBm時，系統誤碼率隨光功率的增大而減小；當入纖光功率>18 dBm時，系統誤碼率隨光功率的增大而迅速增大，參見圖5。原因是當發射功率超過18 dBm后，過強的SPM效應將使色散得到過度補償，反而會再次影響到系統性能。

3 結束語

文章對光纖非線性效應中的SPM效應進行了深入研究，針對其在色散補償方面的作用，建立仿真系統進行仿真，分析表明利用SPM可使光纖中的色散得到有效補償，同時提高了入纖功率，使得光纖通信系統的通信速率、容量得到極大的提升，系統性能得到了全面的提升。在光纖通信技術飛速發展的今天，文章中研究的利用SPM的色散補償技術具有廣闊的應用前景。

圖5 光源功率與系統Q值的關系曲線圖