单信道光纤系统色散补偿技术仿真分析

张 永，郭 谊，王赫男

(海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)

0 引 言

在常规光纤通信系统中，光纤呈线性传输特性。然而，当光功率增加到一定值时，光纤和光器件开始呈现非线性特性。过去，这种非线性不太为人们所关注，然而近年来随着传输速率的提高、传输距离的延长、波分复用通路数的增加以及光纤放大器的应用，这种光纤的非线性己成为严重影响系统性能的因素[1]。而另一方面，人们也试图利用这种非线性来改进光系统的性能，变害为利。总之，非线性问题己成为新一代光纤通信系统设计考虑的重要方面。文章对光纤的自相位调制效应(SPM)进行了研究，并对其在色散补偿光纤中的作用进行了仿真分析研究。

1 理论分析

光学非线性的大小通常取决于介质的非线性系数、光波光强以及光波与非线性介质的有效作用长度等因素。由于石英光纤是各向同性的，在这种情况下，非线性效应反映为光学折射率与光强成正比关系[2]，即：

(1)

设光波波长为λ，强度为E(t)的光脉冲在长度为L的光纤中传播，则光强感应的非线性折射率(即光强感应的折射率的变化)为：

Δn(t)=nNL=n2E2(t)

(2)

那么，相对入射时的相位发生如下相移：

(3)

这种相位的变化必然要产生频率的漂移，它产生的频率漂移为：

(4)

图1 光纤SPM效应引起的频率啁啾

光纤的这种自相位调制效应(SPM)使输入脉冲的前沿频率变低，而后沿的频率变高，称为频率啁啾。这种频率啁啾将对光脉冲在光纤中的传输特性产生非常奇妙的影响。

2 模拟仿真

利用上述非线性窄化现象来补偿光纤的色散展宽，可最大限度达到信号的无失真传输[3]。

在系统传输速率不高、通信容量不大、距离比较短的情况下，可以最大限度地去补偿色散，采用完全补偿；然而，在系统要求传输速率高、通信容量大的情况下，激光器的功率就需要加大，入纤功率增大带来的后果是光纤中出现了非线性效应，这个时候，需要留有一定的色散，来与非线性效应共同作用，从而达到系统的性能要求。

建立一个具体的光系统来观察色散与非线性效应结合对系统性能的影响，如图2所示。

图2 非线性效应(SPM)与色散共同作用下的光系统图

系统为单信道系统，因此非线性效应中只需考虑SPM效应[4]；本方案包含了2个子系统，第1个剩余色散为零，即色散完全补偿，第2个色散不为零，即色散不完全补偿，也称作欠补偿。

系统参数设置为：传输速率B=10 Gb/s，SMF的色散参数D=16 ps/nm·km，L=100 km；第1个系统的色散补偿光纤(DCF)色散参数D=-80 ps/nm·km，L=20 km；第2个系统的DCF色散参数D=-72 ps/nm·km，L=20 km；其中SMF与DCF的损耗由掺饵光纤放大器(EDFA)来完全补偿，且EDFA的噪声指数为0[4]，这是为了更好地研究SPM与色散的效应，避免受到损耗的影响。

系统设定了激光器的3个发射功率：0 dBm、10 dBm、13 dBm，用来观察使SPM起作用的功率的大小。图3与图4给出了在3个不同功率下2个系统的性能眼图。

图3 零色散系统的眼图

图4 有剩余色散的系统眼图

由图3可知：随着光源发射功率的增大，零色散系统的各项性能开始下降，眼图明显恶化(Q值分别为114、14与6)，这是因为SPM效应与光功率成正比，加大了光功率后会增强SPM效应[5]。

由图4可知：随着光源发射功率的增大，有剩余色散的系统性能并无明显变化，眼图也无恶化现象(Q值分别为12、11与12)，这说明SPM与色散共同作用下，使两者的缺陷得到了相互的抑制，系统的性能得到了有效的改善。也就是说，SPM效应可以由不完全色散补偿进行有效的抑制。

进一步对比两图可知：当光源功率P为10 dBm时，2个系统性能都是良好的(Q值分别为14和11)，可以完成通信要求；而当P=13 dBm的时候，2个系统则有了明显的区别：零色散系统眼图恶化严重，Q值降为6；而有剩余色散的系统则无明显变化，Q值反而增大到12。由此可知，超过10 dBm后SPM效应开始起作用，如果再设定一些激光器发射功率的话，还可以得到SPM效应的阈值功率为18 dBm，即当入纤光功率<18 dBm时，系统误码率随光功率的增大而减小；当入纤光功率>18 dBm时，系统误码率随光功率的增大而迅速增大，参见图5。原因是当发射功率超过18 dBm后，过强的SPM效应将使色散得到过度补偿，反而会再次影响到系统性能。

3 结束语

文章对光纤非线性效应中的SPM效应进行了深入研究，针对其在色散补偿方面的作用，建立仿真系统进行仿真，分析表明利用SPM可使光纤中的色散得到有效补偿，同时提高了入纤功率，使得光纤通信系统的通信速率、容量得到极大的提升，系统性能得到了全面的提升。在光纤通信技术飞速发展的今天，文章中研究的利用SPM的色散补偿技术具有广阔的应用前景。

图5 光源功率与系统Q值的关系曲线图