光纤色散和非线性效应对10Gb/s通信系统的影响研究

陈海燕 (长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州434023)

光纤通信给人们的生活带来了无限光彩,自从其诞生以来,就引起了人们的广泛兴趣[1～5]。目前,光纤通信正向着超高速、大容量、光互联等方向发展。利用时分复用、波分复用以及时分复用与波分复用相结合等方法可提高光纤通信系统的传输速率,以便有效利用单模光纤的传输带宽及满足人们对信息容量的需求[6～8]。对于超长、高速率光纤通信系统来说,光纤色散和非线性效应是系统的限制因素。光纤色散会使信号展宽,非线性效应会产生自相位调制及交叉相位调制及四波混频等现象,这些效应均会导致通信系统的性能恶化。下面,笔者研究了一种传输速率为10Gb/s的光通信系统,并讨论了光纤色散和非线性效应对系统传输特性的影响。

1 超短脉冲传播的分步傅里叶方法

超短脉冲在光纤中的传输可用非线性薛定谔方程[9]描述:

式中,A为光脉冲归一化电场缓变振幅包络;|A|2为脉冲瞬时功率;α为单模光纤损耗系数;β2为二阶色散系数(GVD 系数);β3为三阶色散系数;γ为单模光纤非线性系数;T=t-z/υg≡t-β1z;υg为群速度;β1为一阶色散系数。

式(1)可改写成如下形式:

分步傅里叶方法的基本思想是:在一个计算步长h内,将色散和非线性效应分别计算,分2步进行,第1步仅有非线性作用,第2步仅有色散。

求解式(2),可得:

式(5)可近似写成:

利用式 (5)～(7)即可模拟超短脉冲在光纤中的传输情况。

2 超短脉冲在光纤中的传输

2.1 色散对超短脉冲的影响

图1 色散对超短脉冲的影响

2.2 非线性效应对超短脉冲的影响

当传输距离为1km,β2=-20ps2/km,β3=5ps3/km,γ=15W-1/km时,非线性效应对超短脉冲的影响如图2所示。

图2(a)为入射脉冲频谱图,脉冲中心频率为193.089THz。在非线性效应的影响下,脉冲的形状发生巨大变化,脉冲频谱也展宽了,如图2(b)所示。这是由于强光作用,光纤的折射率不是一个常数,而是与光强有关,即n～(ω,|E|2)=n(ω)+n2|E|2,其中,n(ω)是光纤的线性折射率,n2是与三阶电极化率χ(3)有关的非线性折射率系数,|E|2为光纤内的光强,由于折射率与光强有关,导致光脉冲在传输过程中,其本身光场将产生附加光程,反过来又影响脉冲的相位,即所谓的自相位调制效应。自相位调制效应引起的光脉冲畸变现象因与光强有关而变得很复杂,在严重情况下,将会使脉冲发生分裂,如图2(b)所示。

图2 非线性效应对超短脉冲的影响

3 10Gb/s传输系统实验

3.1 单信号传输实验

图3为10Gb/s传输系统示意图。DFB激光器为PRO 8000型WDM光源,调谐范围1549.266～1550.966nm,偏振控制器为带尾纤的机械式偏振控制器,调制器为JDS Uniphase OC-192型,调制信号为10Gb/s(即9.95328Gb/s)SDH/SONET 27-1伪随机二进制序列 (PRBS)。光纤放大器为 Highwave Optical Technologies公司的掺铒光纤放大器,滤波器为Newport公司的可调谐带通滤波器,用于滤出光纤放大器等的噪声,单模光纤为Corning SMF-28,数字通信仪为hp 83480A型数字通信分析仪,色散补偿器为带尾纤的固定补偿,色散参数D=-647.8ps/(nm·km),插入损耗为5.66dB。

图3 10Gb/s传输系统示意图

图4为10Gb/s SDH/SONET 27-1伪随机二进制序列 (PRBS)RZ信号波形曲线。输入信号波长为1550.357nm,当输入信号功率为4.99dBm,光纤放大器泵浦电流为65.93mA时,输入信号眼图如图5所示。

当泵浦电流为101.04mA,输入信号经过50.4km长距离传输后,其波形曲线如图6所示。从图上可以看出,光脉冲不仅展宽了,而且还发生了严重的畸变,这是由于光纤色散引起光脉冲展宽及自相位调制效应引起的光脉冲畸变现象的结果。由于光纤非线性效应的影响,使得系统的传输性能恶化,系统性能恶化可从信号眼图反映出来。图7为信号经过50.4km传输后的眼图,可以看出,信号眼图基本闭合,说明此时系统性能非常差。此时,在系统中插入色散补偿器,可改善系统的传输性能。当插入色散参数D=-647.8ps/(nm·km)的色散补偿器后,信号波形曲线与眼图分别如图8、9所示。从图8、9上可以看出,信号得到很好补偿。这是由于色散补偿器对已展宽的光脉冲进行压缩,迫使信号复原。

图4 10Gb/s波形曲线

图5 10Gb/s PRBS NRZ信号眼图

图6 传输50.4km后波形曲线

图7 传输50.4km后信号眼图

图8 加入色散补偿之后的波形曲线

图9 加入色散补偿之后的眼图

3.2 WDM信号 (双波长)传输实验

波长分别为λ1=1543.00nm,λ2=1543.10nm,输入功率均为10.0dBm的光信号,经WDM耦合器进入调制器,其后光路与图3相同。双波长信号光谱如图10所示。当2路信号经10Gb/s RZ信号调制,传输50.4km后,其波形曲线如图11所示。从图11可以看出,由于光纤色散与非线性效应的作用,2脉冲的宽度展宽了,脉冲形状也发生了严重的畸变,此时还存在另一种非线性效应——交叉相位调制[10],它是由于2路光脉冲在光纤中传输时,其光场相互影响所致,交叉相位调制是双脉冲相互作用的结果。

4 结 论

光纤色散与非线性效应是限制光纤通信系统传输距离与传输容量的重要因素。光纤色散使脉冲展宽,高阶色散效应引起脉冲前沿形成非对称振荡;非线性效应引起的自相位调制使脉冲形状发生畸变。对于10Gb/s SDH/SONET 27-1伪随机二进制序列 (PRBS)RZ信号,当输入信号波长为1550.357nm,功率为4.99dBm,光纤放大器泵浦电流为101.04mA时,信号经过50.4km长距离传输后,其光脉冲不仅展宽了,而且还发生了严重的畸变,系统的传输性能恶化,信号眼图基本闭合;当插入色散参数为D=-647.8ps/(nm·km)的色散补偿器后,信号得到很好补偿。当光纤中同时传输功率为10.0dBm、波长分别为1543.00nm和1543.10nm的10Gb/s RZ光信号时,2路光脉冲的光场会相互影响,产生交叉相位调制现象。经50.4km光纤传输后,信号波形发生严重畸变。所得结论对10Gb/s SDH/SONET RZ通信系统的设计与优化具有重要意义。

图10 双波长信号光谱图

图11 传输50.4km后的波形曲线

致谢:对美国亚利桑那大学光学学院Franko Kuppers教授、Earl Parsons,Q.Wang博士的有益讨论表示感谢。

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