基于Optisystem的光纖傳輸系統(tǒng)的色散補償分析

劉小磊，熊雪娟，李冰心

（河南理工大學a.物理與電子信息學院； b.電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000）

基于Optisystem的光纖傳輸系統(tǒng)的色散補償分析

劉小磊a，熊雪娟b，李冰心b

（河南理工大學a.物理與電子信息學院； b.電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000）

為實現(xiàn)光信號的有效傳輸，研究了DCF（色散補償光纖）和FBG（光纖布拉格光柵）的基本原理，利用Optisystem軟件對基于RZ（歸零）碼調(diào)制格式的單信道傳輸系統(tǒng)中的兩種色散補償方法進行仿真，分別比較了前置補償和后置補償?shù)纳⒀a償性能，并在此基礎(chǔ)上提出了FBG中間色散補償。仿真結(jié)果表明，采用FBG中間色散補償后系統(tǒng)的Q值均高于另外兩種色散補償方式。進一步采用中間補償?shù)募壜?lián)FBG模塊作為波分復用系統(tǒng)的色散補償器件，利用Optisystem軟件對此補償方法進行仿真，結(jié)果表明，該方法在長距離傳輸時仍能保持良好的補償效果。

色散補償光纖；光纖布拉格光柵；中間色散補償；Optisystem軟件

0 引 言

目前，抑制光信號高速長距離傳輸?shù)闹饕蛩厥枪饫w的損耗、色散以及非線性效應(yīng)。隨著EDFA（摻鉺光纖放大器）的出現(xiàn)，光信號在傳輸過程中的損耗問題得到了明顯改善，實現(xiàn)了光信號的更遠距離的傳輸，但隨著傳輸距離的增加，色散問題會加劇，而由色散導致的脈沖展寬又引起了嚴重的碼間干擾，限制了傳輸速率的提高和中繼距離的延長，從而使色散問題更加突出［1］。

研究人員先后提出了多種解決傳輸過程中色散問題的方法:如虛像相位陣列法、激光預(yù)啁啾技術(shù)、中點光譜反轉(zhuǎn)技術(shù)、光弧子傳輸技術(shù)、色散支持傳輸技術(shù)、DCF（色散補償光纖）和FBG（光纖布拉格光柵）［2-5］等。文獻［6］綜述了這幾種色散補償方法的基本思想，并對它們進行分析比較，總結(jié)得出前5種色散補償方法由于存在不同的缺陷，難以在實際的光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用，而后兩種色散補償法卻是目前補償效果較好的方法。

本文采用DCF和FBG兩種色散補償方法來實現(xiàn)光通信系統(tǒng)的色散補償，并在前置和后置補償這兩種方式的基礎(chǔ)上，提出了一種新的補償方式，即FBG中間色散補償方式，利用Optisystem軟件對傳輸速率為40 Gbit/s的單信道系統(tǒng)進行建模仿真，對比分析了這幾種色散補償方式的優(yōu)劣并選取其中補償效果較好的一種方法應(yīng)用到多信道系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中采用級聯(lián)型的FBG色散補償模塊，以較好地實現(xiàn)對WDM（波分復用）系統(tǒng)的色散補償，為光通信系統(tǒng)的升級擴容提供了有力地依據(jù)。

1 色散補償原理

在光通信系統(tǒng)中，主要采用DCF和FBG這兩種方法來實現(xiàn)對光纖中積累色散的補償。采用DCF進行色散補償是在1 550 nm工作窗口處將具有較大負色散系數(shù)的DCF與正色散系數(shù)的SMF（單模光纖）串聯(lián)，使正負色散相互抵消［7］，實現(xiàn)傳輸距離的延長。在補償過程中，為實現(xiàn)完全補償，使總鏈路的色散值接近于零，DCF和SMF的長度應(yīng)滿足D（λs）L+DDCF（λs）LDCF=0，式中，D（λs）和DDCF（λs）分別為SMF和DCF在波長λs上的色散系數(shù)；L和LDCF分別為SMF和DCF的長度。

采用FBG進行色散補償?shù)脑硎钱敼饷}沖通過FBG后，由于長波長分量在光纖光柵的始端被反射，而短波長分量在光纖光柵的終端被反射，因此后者比前者的時延大，從而補償了由于正色散引起的脈沖展寬，使脈沖寬度被壓縮甚至還原，這樣就實現(xiàn)了對群速度色散效應(yīng)的補償［8］。為了使系統(tǒng)獲得顯著的補償效果，在仿真中FBG和SMF的選擇滿足D（λs）L+DFBG（λs）=0，式中，DFBG（λs）為單個FBG的色散總量。

采用FBG對傳輸過程中的色散進行補償時，有前置補償、后置補償和中間補償3種方式，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示?；贒CF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與此類似。

圖1 色散補償方式框圖

2 單信道系統(tǒng)不同色散補償方式的建模仿真及結(jié)果分析

利用Optisystem軟件對單信道光傳輸系統(tǒng)建模仿真，系統(tǒng)調(diào)制格式為RZ（歸零）碼，占空比為0.5，傳輸速率為40 Gbit/s，所采用放大器的增益均為20 d B，輸入光功率均為10 d Bm，系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所示。在傳輸鏈路中采用SMF與EDFA的組合，在每一跨段中均有一段80 km的SMF和一個EDFA，通過設(shè)置傳輸鏈路中循環(huán)控制器的循環(huán)次數(shù)n來設(shè)置整個系統(tǒng)的傳輸距離。通過觀察接收端誤碼分析儀上的BER（誤碼率）圖，可以得到不同色散補償方法下采用不同補償方式的性能參數(shù)及補償效果，仿真結(jié)果如圖2所示。

表1 系統(tǒng)的仿真參數(shù)

圖2 基于DCF和FBG的色散補償仿真結(jié)果圖

由于系統(tǒng)的Q值可以表征OSNR（光信噪比）和BER［9］，且Q因子越大，BER越小，因此本文采用Q因子來實現(xiàn)對系統(tǒng)性能的估算。由圖2可以看出，基于DCF和FBG的3種色散補償方式的Q因子曲線變化趨勢基本一致，各補償方式的Q值均隨入射功率（-2～6 d Bm）的增大而增大。另外，當系統(tǒng)傳輸速率為40 Gbit/s時，無論采用DCF還是FBG進行色散補償，中間補償方案的補償效果均優(yōu)于前置補償和后置補償，且后置補償?shù)难a償效果最差，在相同條件下得到的Q值最小。

對比DCF和FBG的中間補償可以看出，當入射功率相同時，F(xiàn)BG中間補償系統(tǒng)的Q值比DCF的大，且兩者Q值的差值隨著入射功率的增大而增大，F(xiàn)BG中間補償?shù)难a償效果更為明顯。這是因為DCF的損耗較大，有效面積比普通光纖小，從而導致非線性變大，對系統(tǒng)的影響逐漸增強。隨著系統(tǒng)入射功率的逐漸增大，采用DCF進行色散補償?shù)膫鬏旀溌吩黾恿祟~外的非線性效應(yīng)，且非線性效應(yīng)也隨之增大，故其Q值相對較小。而FBG具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、插入損耗低和不受非線性影響、與光纖兼容性好等優(yōu)點［10］。通過以上對比可知，采用FBG中間色散補償具有較好的補償效果，因此，我們采用該補償方式來實現(xiàn)對單信道系統(tǒng)的色散補償，從而改善系統(tǒng)的傳輸性能。

3 WDM系統(tǒng)色散補償建模仿真分析

在傳輸過程中，為了實現(xiàn)對WDM系統(tǒng)中的信號色散進行補償，借鑒文獻［11］中的光纖光柵級聯(lián)模型以及FBG級聯(lián)原理來搭建仿真模型。依次將8個FBG串聯(lián)起來，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當WDM信號通過FBG色散補償模塊時，先進入光環(huán)行器中（光環(huán)行器的一對輸入輸出端口被設(shè)為無效端口），沿順時針方向依次進入每個FBG，每個FBG只反射原WDM信號中對應(yīng)頻率的一個分信號，這樣就實現(xiàn)了對不同頻率信號的色散補償。最后，被反射回來的各個分信號通過功率合成器耦合，形成一個復用信號并送到光環(huán)行器中，通過光環(huán)行器的輸出端口輸出完整的經(jīng)過色散補償后的WDM信號。

圖3 FBG級聯(lián)原理圖

在該系統(tǒng)中，光發(fā)送機分別產(chǎn)生8個頻率信號，第一個頻率為193.1 THz，信道間隔為100 GHz，經(jīng)過光復用器合成一個WDM信號后進行傳輸。接收端接收并解復用該信號，進行判決后恢復出原信號。我們根據(jù)仿真后得到的Q值和眼圖來判斷色散補償效果的優(yōu)劣。為了研究方便，以第一信道的輸出結(jié)果為研究對象，因為該信道易受色散和非線性效應(yīng)的影響，且信號質(zhì)量最容易變差［12］。

為了直觀地體現(xiàn)級聯(lián)FBG中間色散補償模塊的作用，對比分析了采用級聯(lián)FBG中間色散補償和無色散補償時的WDM系統(tǒng)（其他條件均相同），兩種情況下入射功率與Q值的關(guān)系如圖4所示。由圖可知，入射功率相同時，級聯(lián)FBG中間色散補償系統(tǒng)的Q值大于無色散補償系統(tǒng)對應(yīng)的Q值，且有色散補償時系統(tǒng)的BER要低于無色散補償時的BER，有色散補償時系統(tǒng)的傳輸性能更好。由圖5所示的第一信道的眼圖也可以得到相同的結(jié)論。

圖4 WDM系統(tǒng)Q值隨入射功率變化的曲線圖

圖5 無色散補償和中間補償時的眼圖

在仿真過程中還發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的傳輸性能會隨著傳輸距離的改變而改變，在接收端對Q值進行分析，通過控制環(huán)路控制器的環(huán)行圈數(shù)n（n=1～15）來改變整個系統(tǒng)的傳輸距離，且每個跨段的距離為80 km。圖6所示為采用中間色散補償方案、輸入功率為0 d Bm時接收端Q值與傳輸距離的關(guān)系。從圖中可以看出，Q值會隨著傳輸距離的增加而減小。當傳輸距離超過1 200 km時，由于受信道間FWM（四波混頻）現(xiàn)象和EDFA的放大自發(fā)輻射效應(yīng)的影響，Q值會降低到10 d B以下，系統(tǒng)的傳輸性能明顯下降，即在中間色散補償方式下，其有效色散補償?shù)膫鬏斁嚯x為1 200 km。

圖6 傳輸距離與Q值的關(guān)系

4 結(jié)束語

本文對基于RZ調(diào)制格式、傳輸速率為40 Gbit/s的單信道和多信道光傳輸系統(tǒng)的色散補償進行了仿真研究，結(jié)果表明，采用FBG中間色散補償效果最好，其不僅能使單信道傳輸系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化，還能改善WDM系統(tǒng)的傳輸性能。其次，針對WDM系統(tǒng)的中間色散補償分析了傳輸距離與Q值的關(guān)系，結(jié)果表明，采用中間色散補償方案且傳輸距離小于1 200 km時系統(tǒng)的性能最好。本文的分析研究為高速率、長距離和大容量的光傳輸系統(tǒng)優(yōu)化提供了有力的依據(jù)，方便了光通信系統(tǒng)的升級和擴容。

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Analysis of Dispersion Compensation of the Optical Fiber Transmission System Based on Optisystem

LIU Xiao-leia，XIONG Xue-juanb，LI Bing-xinb
（a.School of Physics and Electronic Information； b.School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

In order to achieve effective transmission of optical signals，the basic principle of different dispersion compensation methods（dispersion compensation fiber and fiber Brag grating）is studied.A single-channel transmission system based on RZ modulation format by Optisystem is designed and two dispersion compensation schemes（pre-compensation，post-compensation）of DCF and FBG is studied.In this paper，the intermediate dispersion compensation method based on FBG is proposed.Simulation results show that the Q value of the system is higher than the other two methods when use the FBG intermediate dispersion compensation.The intermediate cascaded FBG module is further proposed as a dispersion compensation device of WDM system.The simulation model in Optisystem is established.Simulation results show that this method can maintain good compensation effect even if the transmission distance is long.

dispersion compensation fiber；fiber Brag grating；intermediate dispersion compensation；Optisystem software

TN914

A

1005-8788（2016）05-0005-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.002

2016-05-24

劉小磊（1980-），男，河南焦作人。講師，博士研究生，主要從事光碼分多址、光載無線通信和光模塊等方面的研究。