光纤色散对WDM系统性能的限制

光纤色散对W DM系统性能的限制
庞翠珠3文冀萍刘加彬蒋英
摘要波分复用(W DM ) 技术是增大光纤传输容量的方法, 但是在高速率、长距离W DM 系统中传输性能受到限制。

除了多级光纤放大器(ED FA ) 使带宽减小, 噪声增大, 光纤的材料色散也是对W DM 系统影响的重要因素。

本文主要分析光纤色散以及有初始啁啾的脉冲、激光器的相位调制噪声、有非线性效应时光纤色散对W DM 系统传输容量的影响。

关键词波分复用脉冲啁啾光纤色散自相位调制交叉相位调制
L i m ita t i on of O p t i ca l F iber D isper s i on on the Perf orm an c e of W DM Sy s tem
P a n g C u i zh u W en J i p i n g L i u J i ab i n J i an g Y i n g
A b stra c t W DM tech n o l o g y is a m e t ho d fo r in c r ea s in g th e t r an s m issi o n cap a c i ty o f op t i ca l
f i be r, b u t th e t r an s m issi o n p e r fo rm an ce in W DM sy s tem w ith h igh sp e ed an d lo n
g d i stan ce is li m it2
ed. B e s ide s m u lt i stage ED FA m ak in g th e ban d w id t h reduced an d no ise in c r ea s ed, th e m a t e r i a l d i s2 p e r s i o n o f op t i ca l f i be r s is a l so an i m p o r t an t fac t o r to affec t W DM sy s tem s.T h is p a p e r m a i n ly an a2 lyze s som e effec t i ve fac t o r s o n th e t r an s m issi o n cap a c i ty o f W DM sy s tem s, such a s op t i ca l f i be r d i s2 p e r s i o n s, th e p u lse w ith o r i g i n a l ch irp s, th e p h a s e2m o d u la t i o n no ise o f la s e r s, op t i ca l f i be r d isp e r2 si o n w ith no n2lin ea r effec t s.
Se l f2p h a s e Keywords W DM P u lse ch irp O p t i ca l f i be r d i sp e r s i o n
C ro ss2p h a s e m o d u la t i o n
m o d u la t i o n
离为1000km , 则传输容量达40T b ƒs·km 。

前言
1
光纤色散引起的脉冲展宽
光信号在光纤中传输时, 光纤色散使脉
冲的不同分量在光纤内以略微不同的速度传
输, 造成光脉冲的展宽, 并且随传输距离的增
加展宽加大。

光脉冲展宽会造成数字信号码
间干扰, 因此最大的信号速率(B
m ax ) 和脉冲
2 在光纤通信系统中, 通常将最高的传输
速率和最长的传输距离作为目标, 并用传输
速率(B ) 和传输距离(L ) 和乘积(B L ) , 即传
输容量来表示系统的主要性能。

目前实用的
光纤通信系统是在光纤中传输一个波长的信
号。

采用波分复用(W DM ) 技术可以在一根
光纤中同时传输多个波长的光信号, 并可以
提高传输信号的速率。

采用掺铒光纤放大器( ED FA ) 可以增加光信号的传输距离, 并且在1. 55Λm 低损耗波段实现波分复用。

例如: 16×2. 5Gb ƒs 信号复用的W D M 系统传输距宽度的均方根值(Ρ) 应满足如下关系1:
1
B m ax = (1)
4Ρ(∃t, Κ)
式中Ρ(∃t, Κ) 表示接收端的Ρ值。

Ρ与光纤色散及传输距离z 的关系为:
Ρ(∃t, Κ) =
2
T 0
2 2 2 ) 4
1 + (Β
2 z ) (1 +T 0 ∃ΞƒT0 +
2
r
2
3 女, 副教授, 1941 年出生, 北方交通大学光波所, 北京西
直门外上园村( 100044)
1
2 2 6
光纤与电缆及其应用技术
1998 年第 3 期
16
式中 T 0 是脉冲幅度 1ƒe 点的半宽值, ∃ Ξ 是 脉冲 1ƒe 的半谱宽, Β2 和 Β3 为一阶和二阶群
模 光纤 ( S M F ) 1. 55Λm 传输的系统参数如
下: Β2 = - 2 3
20p s ƒnm , Β3 = 0. 1p s ƒnm , T 0 =
2
100p s , z = 1000km 。

用式
(4) 计算结果为: C = 速 度 色 散 参 量 ( GV D ) , Β2 = 2
d Βƒd Ξ , Β3 = 0, ΡƒΡ0 = 2. 2; C = - 5, ΡƒΡ0 = 11. 2; C = 5, Ρƒ
d 3
Βƒd Ξ3
, Β 为传输常数, Κ为光波长, z 为传
输距离。

在W D M 系统中, 传输的信号总速
Ρ
9. 2, 且当 z < 200km , < 1 时脉冲被压
Ρ0 = Ρ
率 (B T ) 为各个波长 ( Κ1 , Κ2 (B m ax ) 之和:
Κi ) 传输信号速率
缩。

Κ
非线性效应
光纤的非线性效应是由于光纤的折射率
与入射光的强度有关。

光纤中的非线性现象 4 i
B T (∃ t ) =
∑
B i m ax (∃ t , Κ)
(3)
Κ
1 为了获得最大的传输容量 B T L , 必须减 小光纤的色散。

在光纤的零色散波长 Κ= ΚD , 包 括 受 激 喇 曼 散 射 ( SB S ) , 四
波 混 频 0, Β3 数值很小, 这时单模光纤的色散最 Β2 = ( F W M ) , 自相位调制 ( S P M ) 和交叉相位调 小。

但当 Κ= ΚD 时四波混频严重, 若把工作波 长选在 ΚD 附近, 可兼顾色散和非线性效应。

普通单模光纤(S M F ) 的 ΚD = 1. 31Λm , 色散位 移光纤 (D SF ) 的 ΚD 在
1. 55Λm 波长附近。

制 (C P M ) 等。

SP M 和 C P M 使光信号产生非
线性相移 ΥNL , ΥN L 随光强的增大而增大, 最大 相移在脉冲中心。

ΥN L 随时间变化形成频率啁 啾 ∆Ξ, ∆Ξ 随传输距离的增大而增大, 所以脉 冲沿光纤传输时新的频率分量不断产生。

∆Ξ 在脉冲前沿附近是负值, 在后沿附近是正值, 这种变化称为正啁啾。

由 SP M 和 C P M 产生 的频率分量展宽了光脉冲的频谱。

在W DM 系统中, 每个波长信号本身产生 SP M , 不同 波长信号之间产生C P M 。

当工作波长在光纤
的正常色散区 (Β2 > 0, D < 0) , 在 SP M 、C P M
初始啁啾
光脉冲的初始啁啾通常由调制产生。

对
半导体激光器进行直接调制时, 随着调制信 号幅度的变化, 会使光脉冲产生相位变化, 形 成啁啾, 称为初始啁啾, 用啁啾参量 C 表示。

有初始啁啾的光脉冲经过光纤传输后, 脉冲 的展宽如下式2 :
3 和光纤色散共同作用下, 由 SP M 、 C P
M 展宽 2
2
C Β2 z
Β2 z
Ρ
= 的脉冲频谱, 经过光纤色散的作用, 造成脉冲 更大的展宽。

1 + +
+
2
2
Ρ0
T
T 0
1 2
Β3 z
2
(1 + C 2
)
(4)
激光器 F M 2AM 噪声
5 2T 2
0 式中 Ρ0 和 Ρ 是光纤传输前后脉冲的均方根
宽度, T 0 和 z 的意义同式 (2)。

式
( 4) 说明, C = 0 即无初始啁啾, 光脉冲展宽最小。

当 C ≠ 0, C Β2 > 0 时, 脉冲在光纤中传输时展宽最 大。

若 C Β2 < 0, 一开始脉冲被压缩, 经过一定 距离又展宽。

在相同传输距离时, C Β2 < 0 比 C Β0 > 0 的情况脉冲展宽要小。

初始啁啾对脉 冲展宽的影响可以用下面计算说明。

普通单
半导体激光器的输出光波含有相位调制 ( P M ) 噪声, 光纤的材料色散使它变为调幅
(AM ) 噪声, A M 噪声使光强度变化, 是一种
强度噪声。

在强度调制- 直接检测 ( I M 2DD )
系统中, FM 2AM 噪声使光接收机的信噪比
(S ƒN ) 降低, 所造成的功率代价
( P ) 由下式 确定 :
5 2 2
Q P = - 5 l o g (1 - R ΡP M 2AM ) (dB )
庞翠珠等: 光纤色散对W DM 系统性能的限制
17
(用 P I N )
(5)
和传输距离。

此外, 在光纤色散的作用下, 激
光器的 P M 噪声变成 AM 噪声, 成为影响
5
2 + x P = - 1 + x
W D M 性能的又一个因素。

因此减小单模光 纤的材料色散, 可以改善W DM 系统性能, 提高传输容量。

2 2
Q Ρ l o g (1 - ) (dB )
R P M 2AM (用A PD )
(6)
式中, Q R 是在满足一定的误码率
(B ER ) 条件 下所要求的信噪比 (S ƒN ) , ΡP M 2AM 是 P M 2AM
噪声均方根值, x 是A PD 的过剩噪声指数。

图 1 示 出 当 信 号 速 率 B = 2. 4Gb ƒs ,
B ER = 10- 9
时, 在长距离光纤传输时积累的
材料色散以及激光器的谱线宽度 ( ∃ v ) 与 光纤色散管理
对于 1. 55Λm 波段单模光纤, 已研究了 许多方法来控制色散, 包括用正、负色散光纤 互相补偿。

例如用色散位移光纤 (D SF )、色散 补偿光纤 (D C F ) 和普通单模光纤 ( S M F ) 的 补偿, 如D SF (D > 0) + D SF (D < 0) , D SF (D
6 噪声功率代价的关系曲线。

曲线说 P M 2AM 明, 材料色散越大, 激光器谱线宽造成的功率
代价越大。

< 0) + < 0) 3
S M F (D > 0) , S M F (D > 0) + D C F (D
, 对于已大量敷设的 S M F 系统, S M F
+ D C F 方法有实用性4。

S M F 光纤也可以用
光纤光栅补偿色散。

其它的方法有中途谱反 转等。

参 考 文 献
1 Kyo ng H o n K i m , e t a l . C a lcu la t io n o f d isp e r sio n and
no n linea r effec t li m ited m ax i m um TD M and FDM b it ra te s o f t ran sf o r m 2li m ited p u lse s in sing le 2m o de op t ic a l f ibe r s . J L ighw ave T ech no l , 1995, A ug , 13 ( 8 ) : 1597
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Zo u X Y, e t a l . L i m ita t io n s in 10Gb ƒs W D M op t ica l 2
f ibe r t ran sm issio n w h en u sin
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图 1 功率代价随色散的变化曲线, B E R =
10- 9 , B = 2. 4Gb ƒs
从分析可知, P M 2AM 噪声功率谱很宽。

在W D M 系统中, 不同信道的 P M 2AM 噪声
2 3 功率会落到邻近信道中, 进一步降低 S ƒN 或 增加功率代价。

这种情况对于信道间波长间 隔较小的密集波分复用 (DW DM ) 系统必须 考虑。

总之, 单模光纤的材料色散使脉冲展宽, 而且随传输距离增加, 展宽越大。

在一定条件 下, 光纤色散又使有初始啁啾的脉冲和受非 线性 SP M 、C P M 效应作用的脉冲得到更大 4 5 的展宽, 而限制了W DM 系统总的信号速率。