一种基于Optisystem的静态与动态色散补偿相结合方案研究

毛昕蓉，张建华，赵 谦

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710054)



一种基于Optisystem的静态与动态色散补偿相结合方案研究

毛昕蓉，张建华，赵 谦

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710054)

介绍色散补偿光纤DCF及动态啁啾光纤光栅FBG的补偿技术并比较其优缺点，提出在传统光传输系统末端加入动态FBG的方案，通过Optisystem仿真软件搭建40 Gbit/s的光传输系统，用FBG仿真光传输400 km的Q值为3.745，误码率为7.419 42e-5，用DCF静态混合补偿和静态与动态相结合的补偿方案分别仿真并比较两种方案传输相同距离的Q值和误码率的大小，证明提出的静态加动态的方案提高了光传输性能。

色散补偿光纤DCF；啁啾光纤光栅FBG；静态色散补偿；动态色散补偿

引言

光通信系统一直都在向超高速率、超大容量和超长距离发展，但是光纤的损耗和色散限制了光纤系统的传输[1]。随着掺铒光纤放大器(EDFA)的应用，光信号传输过程中的损耗问题得到了解决，使光信号可以传输得更远，但是随着距离的增加就更加剧了色散的积累，而色散导致的脉冲展宽又产生了严重的码间干扰，限制了传输速率和中继距离，使色散问题更加突出[2]，尤其是目前已经使用的40 Gbit/s的光传输系统，因为系统的色散容限与信号速率的平方成正比，40 Gbit/s的光传输系统的色散容限仅为60 ps，允许色散传输的距离仅为3 km～4 km[3]，因此我们更应该去解决色散问题，尤其是目前已铺设的G.652光纤中，色散问题尤为明显，G.652光纤的零色散点位于1 310 nm处,最大的色散系数(17 ps/(nm·km))位于1 550 nm处[4]。本文利用仿真软件Optisystem对G.652光纤的色散补偿系统进行了优化，对目前已经铺设的常规光纤通信系统的改善具有很重要的意义。

1 色散补偿技术

1.1 传统静态补偿

色散补偿光纤(DCF)是一种特制的光纤，是利用基模波导来获得高的负色散值，而且可以通过改变光纤的芯径、折射率的分布以及掺杂浓度等结构参数，使零色散波长位于1 550 nm波长的位置[5]，于是在1 550 nm处得到较大的负色散系数，而此处的G.652光纤有着较大的正色散系数，于是正负相抵，可使总链路色散值接近于零，保持

光脉冲不展宽，实验中色散补偿光纤DCF的长度和单模光纤SMF的长度可以通过公式(1)确定[6]。

D(λs)L+Dc(λs)Lc=0

(1)

式中:D(λs)和Dc(λs)分别为常规单模光纤SMF和色散补偿光纤DCF在波长λs处的色散系数；L和Lc分别为SMF和DCF的长度，它的补偿性能可以表示为[7]

(2)

式中Dc和αc分别是DCF的色散系数和衰减系数，总路的平均衰减系数可表示为

(3)

式中：α为平均衰减系数；D为单模光纤SMF的色散系数。可看出，F越大，即DCF的补偿性能越好，总路的平均衰减系数越小，即信号传输性能越好。

色散补偿光纤DCF产品比较成熟，有性能较稳定、工作带宽较宽、与单模光纤兼容性好的优点，它可以使不同光纤的色散和色散斜率得到补偿，所以更适合大容量长距离的WDM系统[8]，其中，又分为前置补偿、后置补偿及混合补偿(包括先前置再后置补偿和先后置再前置补偿)，前人研究的最佳补偿方案为先后置补偿再前置补偿[9]，方案1如图1所示。

图1 传统静态混合补偿方案Fig.1 Traditional static mixed compensation scheme

图1中，Tx为光信号发射端，Rx为光信号接收端，EDFA为掺铒光纤放大器，SMF为普通单模光纤，DCF为色散补偿光纤。

虽然DCF色散补偿有上述优点，但它仅仅是静态的去补偿单模光纤的色散，在实际应用中，光纤在使用过程中随时间的变化会受到温度、湿度、气候和器件老化等的影响[10]，而色散补偿光纤DCF却不能自动调节去适应这些环境的变化，于是提出利用静态补偿和动态补偿相结合的方式更完整地进行色散补偿。

1.2 动态补偿

啁啾光纤布拉格光栅FBG是一种特殊的色散补偿器件，它用反射滤波器制成，当光脉冲通过光纤光栅FBG后，由于长波长分量在光栅的始端被反射，短波长分量在光栅的终端被反射，使脉冲宽度被压缩，甚至还原，这样就补偿了群速度色散效应[11]。它具有体积小、结构紧凑、插入损耗低、补偿率高且非线性效应小和对偏振不敏感的特点，它是一种动态色散补偿器件[12]，可以根据环境温度、湿度等的变化自动调节补偿量的大小，方案2如图2所示。

图2 动态FBG色散补偿Fig.2 Dynamic FBG dispersion compensation

1.3 静态色散补偿与动态色散补偿相结合

前面介绍了色散补偿光纤DCF和动态色散补偿器件FBG的优缺点[13]，并对他们进行了比较，利用他们各自不同且互补的特点，色散补偿光纤DCF与单模光纤SMF兼容性好，性能稳定，而补偿量始终不变，但光纤光栅FBG却能随周围环境的变化而变化，所以在光纤链路中进行静态和动态相结合的补偿方式，让他们各自发挥自己的优点，更好地去进行色散补偿，设计方案3分别如图3所示。

图3 动态和静态混合补偿相结合的色散补偿方案Fig.3 Combination of dynamic and static mixed dispersion compensation scheme

方案1和方案2分别为DCF和FBG色散补偿方案，方案3为静态和动态相结合的色散补偿方案，在传输过程中，先用色散补偿光纤DCF和SMF混合补偿，因为实际应用中，光信号传输过程中会受到传输器件的老化、沿途的气候等诸多因素的影响，使得色散随时间改变，所以建议在传统的光信号系统中，在接收端接收光信号之前，再用动态啁啾光纤布拉格光栅FBG对色散补偿后的残余色散进行检测与动态补偿，使接收端能够更好地接收到光信号。

2 系统仿真及结果分析

文中设计了单信道40 Gbit/s的G.652光传输系统，占空比为0.5，所用放大器增益均为20 dB，输入光功率均为10 dBm，光信号传输系统框图如图4所示，在光传输过程中，分别用上述的3种方案进行色散补偿。

图4 仿真系统框图Fig.4 Block diagram of simulation system

根据方案2仿真出了光信号传输400 km的Q值和误码率，Q值为3.745，误码率为7.419 42e-5，由此数据可看出，Q值已经很小，误码率已很高，传输性能欠佳。当把传输距离再增大时，眼图很乱，Q值为零，已经接收不到有用光信号了，说明使用啁啾光纤光栅FBG的最大传输距离大约为400 km。根据方案1和方案3进行仿真，所用参数如表1所示。

表1 色散补偿仿真相关参数

分别设置单模光纤SMF的长度为120 km，色散补偿光纤DCF的长度为24 km，循环控制次数分别为1、2、3，则系统传输距离分别为288 km、576 km、864 km，用方案1分别仿真得出它们的Q值和误码率如表2所示。

由方案1仿真得出的光信号传输288 km、576 km、864 km的眼图如图5(a)、5(b)、5(c)所示。

表2 方案1传输多段距离的Q值和误码率

Table 2Qvalue and BER of multi-distance transmission in scheme 1

测试结果传输距离/km288576864Q值76．198218．99673．46374误码率00．70717e-0810．000249529

图5 方案1中不同传输距离的输出眼图Fig.5 Output eye diagrams of different transmission distances in scheme 1

采用静态和动态相结合的色散补偿方案3仿真得出的光信号分别传输288 km、576 km、864 km的Q值和误码率如表3所示，眼图如图5(a)、5(b)、5(c)所示。

从表2和表3可以看出，当距离增大时，Q值越来越小，误码率越来越大，从眼图也可以看出，随着距离的增大，眼图越来越乱。

表3 方案3传输多段距离的Q值和误码率

Table3 QvalueandBERofmulti-distancetransmissioninscheme3

测试结果传输距离/km288576864Q值85．927620．8123．86637误码率01．24869e-0965．22649e-005

图6 方案3中不同传输距离的输出眼图Fig.6 Output eye diagrams of different transmission distances in scheme 3

比较方案1和方案3传输相同距离的Q值和误码率，即表2和表3的仿真数据，可得出结论：当传输相同距离时，都是方案3比方案1的Q值大、误码率低，证明在传统的光信号传输系统末端加入动态啁啾光纤光栅可以很大程度地补偿光纤色散，补偿性能优于传统的静态DCF色散补偿。

3 结论

在搭建的40 Gbit/s、占空比为0.5，输入光功率为10 dBm的光传输系统中，只用动态FBG补偿时光传输400 km的Q值为3.745，误码率为7.419 42e-5，说明动态补偿方案效果最差，方案1和方案3分别仿真出光传输相同距离的Q值和误码率，方案3比传统方案1的Q值大、误码率低，充分证明在传统的光传输系统末端加入动态啁啾光纤光栅可以很大程度地补偿光纤色散，在传输性能上体现出了很大的优势。

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Combined scheme research on static and dynamic dispersion compensation based on Optisystem

Mao Xinrong, Zhang Jianhua, Zhao Qian

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

We introduced the dispersion compensation principles of dispensation compensation fiber (DCF) and fiber Brag grating (FBG), compared their advantages and disadvantages, proposed adding the FBG into the end in traditional optical fiber transmission systems. We designed a transmission system with a capacity of 40Gbit/s by using Optisystem software and studied three dispersion compensation schemes. If the FBG dispersion compensation was used only, itsQvalue was 3.745 and its bit error ratio (BER) was 7.41942e-5 with the optical signal transmission of 400 km. The scheme of DCF static mixed compensation and the combination scheme of static and dynamic dispersion compensation were simulated,and theQvalue and BER of the two schemes for transmission of the same distance were compared. It is proved that the scheme combined the static with the dynamic compensation can improve the optical transmission performance.

DCF; FBG; static dispersion compensation; dynamic dispersion compensation

1002-2082(2015)06-0888-05

2015-05-18；

2015-06-22

陕西省科技研究发展计划工业攻关项目(2013K07-35, 2014K06-37); 西安市科技计划技术转移促进工程项目(CXY1440(4))

毛昕蓉(1975-)，女，陕西西安人，副教授，硕士生导师，主要从事宽带网络与光通信技术的研究。E-mail:654937883@qq.com

TN929.11

A

10.5768/JAO201536.0602002