密集波分复用系统中的光纤非线性效应及其影响

邓敬文

摘 要：本方介绍了光纤非线性效应的各类及其对高速率、长距离密集波分复用（DWDM）系统的影响及解决措施。

关键词：光纤非线性效应；DWDM；影响；措施

1 前言

DWDM传输技术具有传输容量大的突出优势，可在原有线路基础上，经济、迅速地实现传输容量的急剧增加。经过近十年的发展，DWDM技术已经取得了巨大的突破。随着DWDM系统的广泛使用和技术的演进，人们发现DWDM技术在提供传输能力的同时，还具有无可比拟的联网优势，被认为是具有无限发展前途的能够大幅扩充光纤传输容量的最佳技术方案。

2 光纤的非线性效应的产生及种类

光纤传输的衰耗和色散与光纤长度是呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。非线性效应一般在WDM系统上反映较多，在SDH系统反映较少，因为在WDM设备系统中，由于合波器、分波器的插入损耗较大，对16波系统一般相加在10dB左右，对32波系统，相加在15dB左右，因此需采用EDFA进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一。光信号在石英光纤中的非线性效应分为受激散射（受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS）和非线性折射率引起的效应两类。受激散射表现为与光强度有关的增益或者损耗，而非线性折射率则引起与光强度相关的相移，由非线性折射率引起的非线性效应主要有自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）。

受激拉曼散射SRS可以看作是介质中分子振动对入射光的调制，即分子内部粒子间的相对运动导致分子感应电偶极矩随时间的周期性调制，从而对入射光产生散射作用。受激喇曼散射只有在入射光强超过某一阈值时才能产生。在单信道的光波系统中，虽然只有一个光波注入，但它可能产生自发的受激喇曼过程，而得到放大。理论和研究都证明单波道系统很难产生受激拉曼散射SRS，但对于DWDM系统由于一根光纤中同时有多个不同波长信道的光波注入，因此将可能发生长波长的光波被短波长的光波放大的受激喇曼过程。定性地说，最短波长通道将对所有处于拉曼增益谱内的其他波长通道提高泵浦，因而其功率损耗最大；而最长波长通道将受到所有短波长通道的干扰。中间的波长通道则同时要为长波长通道提高泵浦，同时又受到短波长通道的干扰。显然由于SRS引起的串扰的严重程度与总的波长通道数和波长间隔直接相关。

受激布里渊散射SBS是光纤中另一类重要的非弹性受激散射，它是光波与材料晶体结构互作用的结果。与受激拉曼散射相比，受激布里渊散射频移小、带宽窄，更重要的是它的阈值低，在mW量级，这与光纤通信系统的注入功率差不多。因而SBS是对光通信产生严重影响的非线性现象。SBS对通信系统的影响，首先表现在注入光功率达到SBS阈值时，相当大一部分功率转化为后向的斯托克斯散射光，这导致接收端的接收光功率明显下降。其次是反向传输的斯托克斯光将反馈回到光发送机，导致发送端机光源工作的不稳定。为了克服SBS对通信的不利影响，必须将发送光功率控制在SBS阈值之下。对长距离的DWDM传输系统，我们总希望发送功率大一些，这样可以减少中继站点个数或减少在线光放大器个数，以降低建设成本，这就是必须采取措施提高SBS阈值。

克尔（kerr）效应是一种折射率非线性效应，是光折射率对光强呈现依赖关系的一种现象。与上述SRS、SBS不同之处，光克尔效应是由三阶非线性极化率x（3）的实数部分引起的。克尔效应在光纤介质中产生多种非线性效应，其中主要是载体感应相位调制（CIP）。在单信道类型中，CIP即自相位调制（SPM），它将光波的功率起伏转换为该光波自身的相位涨落。在多信道系统（例如波分复用系统）中，CIP表现为交叉相位调制（XPM），它将某一信道内的光功率涨落转换成其他信道的相位涨落。自相位调制（SPM）导致信号频谱的展宽，自相位调制与群速度色散相结合将对光信号的传输产生极为重要的影响。交叉相位调制（XPM）导致的非线性相移使信号光的相位产生波动，则这种相位变化对非相干的直接检测通信系统的影响可以不考虑。但这种非线性的相位变化对相干光通信却有着显著的影响，这是因为相干光检测系统必须保持信号光与本地光之间的相位匹配。

四波混频（FWM）是指多个具有一定强度的光波在光纤中混和时，由于光纤的非线性会导致产生其它新的波长。FWM的基本机制为：当三个EM波同时在光纤中传播时，因光纤的电极化率xe包含非线性部分而产生了第四个EM波（所以称为四波混频）。在DWDM系统中，当信道间距与光纤色散足够小且满足相位匹配时，四波混频将成为非线性串扰的主要因素。

3 解决非线性效应的主要应对措施

自相位调制SPM的产生主要与自身的光强和传输媒质的群速度色散有关。随着“l”，“0”信号的交替，注入光纤能量变化较大，这使光纤的折射率也跟随变化，所传光波的相位自然也随折射率和传输距离而变化，这种相位上的变化同时带来频率的相对调制。因为在光脉冲的前沿与后沿光能量的时变率最高，而光载频的变化在光脉冲的前后沿处又最明显，前沿处载频降低，后沿处载频升高，光通道的色散使不同的载频传输时延发生差异，造成接收光波形失真。这种影响正好又使光波形变窄，补偿了光通道色散对光波形展宽的效应。在正常色散的媒质中将会导致光脉冲在传输过程中由于SPM效应而加速展宽，在反常色散的媒质过程中，光脉冲的展宽速度将会显著变慢。适当反常色散的存在可以减小SPM对系统性能的影响，但是色散系数不是越高越好。相关试验已经证明相同波长时由SPM产生相同误码情况时G.655光纤中的光功率要比G.652光纤中的光功率要高。这就意味着外面可以综合考虑注入光纤中发端的功率和光缆条件来避免SPM对系统的不利影响。

交叉相位调制XPM在频率问隔相同的情况下，波长数越多，发生XPM效应的单波入纤光功率越低；在波长数相同的情况下，频率间隔越小，发生XPM效应的单波入纤光功率也越低。所以我们在规划设计波分系统工程时，在考虑满足业务需求的情况下，能选择40波的波分系统时就不要选择80波的波分系统。因为目前各主流厂商的80波波分设备都是C和C+间插耦合而成，频率间隔要比C波段的40波系统小一倍。容易引起波道间的串扰，给开通和维护带来麻烦。

为了消除SBS与SRS对DWDM传输系统的影响，应使DWDM传输系统的入纤光功率低于它们的门限值，然而四波混频的门限太低无法避开。可以利用四波混频与色散的关系，适当提高光纤的色散来削弱FWM的影响。G.653光纤的1550nm窗口为零色散窗口，不能抑制FWM，在WDM干线通信系统中不敷设此种光纤。选择G.655光纤，既不会有严重的色散限制，有可以避免FWM的出现。LEAF光纤将光纤的有效面积Aeff增加，而大有效面积可以大大地提高光纤中SBS、SRS、SPM、XPM等非线性效应的阈值。从而使系统具有更大的功率传输能力。

4 结语

DWDM工程中主要采用调整功率，加大波道间隔，利用光纤色散或改变光纤规格的办法来规避非线性效应带来的不利影响。值得注意的是，不是所有非线性效应都绝对地对光纤通信系统起着消极作用。利用光纤中的受激散射引致喇曼放大或布里渊放大作用，制作出分布型光纤放大器；利用光纤的自相位调制效应补偿光纤的色散，实现光孤子通信，利用四波混频实现波长转换等。

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