光纖色散和非線性效應(yīng)對10Gb/s通信系統(tǒng)的影響研究

陳海燕 (長江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北荊州434023)

光纖通信給人們的生活帶來了無限光彩,自從其誕生以來,就引起了人們的廣泛興趣[1～5]。目前,光纖通信正向著超高速、大容量、光互聯(lián)等方向發(fā)展。利用時分復(fù)用、波分復(fù)用以及時分復(fù)用與波分復(fù)用相結(jié)合等方法可提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率,以便有效利用單模光纖的傳輸帶寬及滿足人們對信息容量的需求[6～8]。對于超長、高速率光纖通信系統(tǒng)來說,光纖色散和非線性效應(yīng)是系統(tǒng)的限制因素。光纖色散會使信號展寬,非線性效應(yīng)會產(chǎn)生自相位調(diào)制及交叉相位調(diào)制及四波混頻等現(xiàn)象,這些效應(yīng)均會導(dǎo)致通信系統(tǒng)的性能惡化。下面,筆者研究了一種傳輸速率為10Gb/s的光通信系統(tǒng),并討論了光纖色散和非線性效應(yīng)對系統(tǒng)傳輸特性的影響。

1 超短脈沖傳播的分步傅里葉方法

超短脈沖在光纖中的傳輸可用非線性薛定諤方程[9]描述:

式中,A為光脈沖歸一化電場緩變振幅包絡(luò);|A|2為脈沖瞬時功率;α為單模光纖損耗系數(shù);β2為二階色散系數(shù)(GVD 系數(shù));β3為三階色散系數(shù);γ為單模光纖非線性系數(shù);T=t-z/υg≡t-β1z;υg為群速度;β1為一階色散系數(shù)。

式(1)可改寫成如下形式:

分步傅里葉方法的基本思想是:在一個計算步長h內(nèi),將色散和非線性效應(yīng)分別計算,分2步進(jìn)行,第1步僅有非線性作用,第2步僅有色散。

求解式(2),可得:

式(5)可近似寫成:

利用式 (5)～(7)即可模擬超短脈沖在光纖中的傳輸情況。

2 超短脈沖在光纖中的傳輸

2.1 色散對超短脈沖的影響

圖1 色散對超短脈沖的影響

2.2 非線性效應(yīng)對超短脈沖的影響

當(dāng)傳輸距離為1km,β2=-20ps2/km,β3=5ps3/km,γ=15W-1/km時,非線性效應(yīng)對超短脈沖的影響如圖2所示。

圖2(a)為入射脈沖頻譜圖,脈沖中心頻率為193.089THz。在非線性效應(yīng)的影響下,脈沖的形狀發(fā)生巨大變化,脈沖頻譜也展寬了,如圖2(b)所示。這是由于強(qiáng)光作用,光纖的折射率不是一個常數(shù),而是與光強(qiáng)有關(guān),即n～(ω,|E|2)=n(ω)+n2|E|2,其中,n(ω)是光纖的線性折射率,n2是與三階電極化率χ(3)有關(guān)的非線性折射率系數(shù),|E|2為光纖內(nèi)的光強(qiáng),由于折射率與光強(qiáng)有關(guān),導(dǎo)致光脈沖在傳輸過程中,其本身光場將產(chǎn)生附加光程,反過來又影響脈沖的相位,即所謂的自相位調(diào)制效應(yīng)。自相位調(diào)制效應(yīng)引起的光脈沖畸變現(xiàn)象因與光強(qiáng)有關(guān)而變得很復(fù)雜,在嚴(yán)重情況下,將會使脈沖發(fā)生分裂,如圖2(b)所示。

圖2 非線性效應(yīng)對超短脈沖的影響

3 10Gb/s傳輸系統(tǒng)實驗

3.1 單信號傳輸實驗

圖3為10Gb/s傳輸系統(tǒng)示意圖。DFB激光器為PRO 8000型WDM光源,調(diào)諧范圍1549.266～1550.966nm,偏振控制器為帶尾纖的機(jī)械式偏振控制器,調(diào)制器為JDS Uniphase OC-192型,調(diào)制信號為10Gb/s(即9.95328Gb/s)SDH/SONET 27-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列 (PRBS)。光纖放大器為 Highwave Optical Technologies公司的摻鉺光纖放大器,濾波器為Newport公司的可調(diào)諧帶通濾波器,用于濾出光纖放大器等的噪聲,單模光纖為Corning SMF-28,數(shù)字通信儀為hp 83480A型數(shù)字通信分析儀,色散補(bǔ)償器為帶尾纖的固定補(bǔ)償,色散參數(shù)D=-647.8ps/(nm·km),插入損耗為5.66dB。

圖3 10Gb/s傳輸系統(tǒng)示意圖

圖4為10Gb/s SDH/SONET 27-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列 (PRBS)RZ信號波形曲線。輸入信號波長為1550.357nm,當(dāng)輸入信號功率為4.99dBm,光纖放大器泵浦電流為65.93mA時,輸入信號眼圖如圖5所示。

當(dāng)泵浦電流為101.04mA,輸入信號經(jīng)過50.4km長距離傳輸后,其波形曲線如圖6所示。從圖上可以看出,光脈沖不僅展寬了,而且還發(fā)生了嚴(yán)重的畸變,這是由于光纖色散引起光脈沖展寬及自相位調(diào)制效應(yīng)引起的光脈沖畸變現(xiàn)象的結(jié)果。由于光纖非線性效應(yīng)的影響,使得系統(tǒng)的傳輸性能惡化,系統(tǒng)性能惡化可從信號眼圖反映出來。圖7為信號經(jīng)過50.4km傳輸后的眼圖,可以看出,信號眼圖基本閉合,說明此時系統(tǒng)性能非常差。此時,在系統(tǒng)中插入色散補(bǔ)償器,可改善系統(tǒng)的傳輸性能。當(dāng)插入色散參數(shù)D=-647.8ps/(nm·km)的色散補(bǔ)償器后,信號波形曲線與眼圖分別如圖8、9所示。從圖8、9上可以看出,信號得到很好補(bǔ)償。這是由于色散補(bǔ)償器對已展寬的光脈沖進(jìn)行壓縮,迫使信號復(fù)原。

圖4 10Gb/s波形曲線

圖5 10Gb/s PRBS NRZ信號眼圖

圖6 傳輸50.4km后波形曲線

圖7 傳輸50.4km后信號眼圖

圖8 加入色散補(bǔ)償之后的波形曲線

圖9 加入色散補(bǔ)償之后的眼圖

3.2 WDM信號 (雙波長)傳輸實驗

波長分別為λ1=1543.00nm,λ2=1543.10nm,輸入功率均為10.0dBm的光信號,經(jīng)WDM耦合器進(jìn)入調(diào)制器,其后光路與圖3相同。雙波長信號光譜如圖10所示。當(dāng)2路信號經(jīng)10Gb/s RZ信號調(diào)制,傳輸50.4km后,其波形曲線如圖11所示。從圖11可以看出,由于光纖色散與非線性效應(yīng)的作用,2脈沖的寬度展寬了,脈沖形狀也發(fā)生了嚴(yán)重的畸變,此時還存在另一種非線性效應(yīng)——交叉相位調(diào)制[10],它是由于2路光脈沖在光纖中傳輸時,其光場相互影響所致,交叉相位調(diào)制是雙脈沖相互作用的結(jié)果。

4 結(jié) 論

光纖色散與非線性效應(yīng)是限制光纖通信系統(tǒng)傳輸距離與傳輸容量的重要因素。光纖色散使脈沖展寬,高階色散效應(yīng)引起脈沖前沿形成非對稱振蕩;非線性效應(yīng)引起的自相位調(diào)制使脈沖形狀發(fā)生畸變。對于10Gb/s SDH/SONET 27-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列 (PRBS)RZ信號,當(dāng)輸入信號波長為1550.357nm,功率為4.99dBm,光纖放大器泵浦電流為101.04mA時,信號經(jīng)過50.4km長距離傳輸后,其光脈沖不僅展寬了,而且還發(fā)生了嚴(yán)重的畸變,系統(tǒng)的傳輸性能惡化,信號眼圖基本閉合;當(dāng)插入色散參數(shù)為D=-647.8ps/(nm·km)的色散補(bǔ)償器后,信號得到很好補(bǔ)償。當(dāng)光纖中同時傳輸功率為10.0dBm、波長分別為1543.00nm和1543.10nm的10Gb/s RZ光信號時,2路光脈沖的光場會相互影響,產(chǎn)生交叉相位調(diào)制現(xiàn)象。經(jīng)50.4km光纖傳輸后,信號波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。所得結(jié)論對10Gb/s SDH/SONET RZ通信系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化具有重要意義。

圖10 雙波長信號光譜圖

圖11 傳輸50.4km后的波形曲線

致謝:對美國亞利桑那大學(xué)光學(xué)學(xué)院Franko Kuppers教授、Earl Parsons,Q.Wang博士的有益討論表示感謝。

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