刘志超, 朱 军, 袁中保
(安徽大学 电子科学与技术学院,安徽 合肥 230039)
光纤的发明,引起了通信技术的一场革命,是即将到来的信息社会的一大要素。光纤通信系统是目前的研究热点,在光纤中高速、高效的传输光信号是光纤通信系统的关键技术。影响光信号在光纤中传输的主要因素有色散和损耗。但随着掺铒光放大器的实用化,损耗不再是主要的限制因素,因此光纤色散特性的研究成为引人注目的焦点之一[1-3]。比如:群速度色散GVD (Group Velocity Dispersion)[4-6],高阶色散对光脉冲传输的影响[7-8],高斯脉冲在单模光纤中传输特性分析[9],群速度色散和自相位调制所致啁啾[10-11]。本文主要是在不考虑非线性效应的情况下,就 G.652光纤中群速度色散对光信号传输特性的影响作了仿真。对传输比特率分别为2.5 Gb/s、10 Gb/s的信号,有、无初始啁啾,传输距离分别为20 km、60 km的情况作了仿真分析。
光脉冲在单模光纤中传输时,GVD会引起光纤内传输的光脉冲展宽,这种色散作用于输入脉冲引起脉冲展宽就产生了频率啁啾效应。在非线性光学介质中,介质的折射率与入射光的光强有关,这一现象通过自相位调制来体现,它也将导致光脉冲的频谱展宽[1]。而且带啁啾的光脉冲在光纤中传输时将会加剧色散展宽,这是不希望的。
当只考虑群速度色散2β 的影响,不考虑非线性效应时,可由非线性薛定谔方程得到如下方程[1]:其中U是归一化振幅,T是随脉冲以群速度移动的参考系中的时间量度,z是轴向坐标,2β是群速度色散。
利用傅里叶方法得到式(1)的通解为[7]:
入射光场在z=0处的傅里叶变换为:
其中(0,)U T是初始的光脉冲。
仿真模块搭建如图1所示,用到的仿真器件和测试仪器有:多信道等间隔光发射机、G.652光纤、眼图分析仪。其中G.652光纤的工作波长在1 300 nm时,色散很小,系统的传输距离主要受光纤损耗所限制。在1 550 nm波段的损耗较小,这种光纤可用于2.5 Gb/s的干线系统,但由于在该波段的色散较大,若传输10 Gb/s的信号,传输距离超过50 km时,就要求使用价格昂贵的色散补偿模块,否则信号失真严重[2]。通过眼图分析仪测试模块,可以得到仿真结果——信号的眼图。
图1 仿真模块示意图
仿真参数设置:原始信号的中心频率为193.1 THz,信道数1,发射功率 5 mW,啁啾参数为0,G.652光纤的长度分别设为20 km、60 km。
3.1.1 比特率为2.5 Gbit/s的情况
通过仿真,得到了如图2所示的眼图。由图2可知:从眼图的张开度来看,随着传输距离的增加,信号的失真并不是很明显;观察纵坐标,原始信号的功率峰值是12 mW,传输20 km后是4.78 mW,传输60 km后是0.767 mW。随着传输距离的增加,信号功率损耗明显。
3.1.2 比特率为10 Gbit/s的情况
将3.1.1节中的比特率2.5 Gbit/s改成10 Gbit/s,其他参数保持不变,再进行仿真,可以得到如图3所示的眼图。由图3可知,从眼图张开度可以看出,随着传输距离的增加,信号失真严重;观察纵坐标,原始信号功率峰值11.9 mW,传输20 km后是5 mW,传输60 km后是0.879 mW,信号功率损耗明显。
综上所述:在中心频率、发射功率、啁啾等参数相同的情况下,传输的距离越长,信号的失真越明显。尤其是传输距离超过50 km后,信号失真严重,需要使用价格昂贵的色散补偿模块。比较图2和图3,不难看出,当传输距离相同时,比特率越大,信号失真就越明显。
仿真参数设置如下:原始信号的中心频率为193.1 THz,信道数1,发射功率5 mW,比特率为2.5 Gbit/s,G.652光纤的长度设为20 km。3.2.1 正啁啾C=10的情况
图2 比特率为2.5 Gbit/s的情况
图3 比特率为10 Gbit/s的情况
如图4(a)所示,初始啁啾为10的信号经光纤传输20 km后得到眼图。将它与图2(b)作比较,其他参数相同,只有啁啾参数不同。明显可以看到带正啁啾的信号比无啁啾的信号失真要严重。
3.2.2 负啁啾C=-10的情况
如图4(b)所示,初始啁啾为-10的信号经光纤传输20 km后得到的眼图。将它与图2(b)作比较,其他参数相同,只有啁啾参数不同。明显可以看到带负啁啾的信号比无啁啾信号失真要严重。所以无论是正啁啾还是负啁啾,在光信号传输时都会引起信号失真,而且比无啁啾信号的失真更明显。
图4 带初始啁啾的光信号传输情况
本文主要就群速度色散对光信号传输特性的影响作了仿真分析,得到的结果与理论结果吻合。但只是针对单信道,在不考虑非线性和四波混频影响的情况下,得出了有意义的结论。对于多信道,考虑非线性、四波混频影响的情况将是进一步研究的内容。
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