光纤色散和非线性对DWDM系统的影响及其消除

"20 ps / nm・ km， 若 应 用 在 光 再 生 段 设 备 总 色 散 容 许 2.5 则无电中继传输距离为 640 km； 若应用在 光 Gbps 的系统中，
不做色散补偿处理 再生段设备总 色 散 容 许 l0 Gbps 系 统 中 ， 时 的 无 电 中 继 距 离 为 70 km。 对 于 G.655 光 纤 ， （!） 取 l~4 D ps / nm・ km， 应 用 在 光 再 生 段 设 备 总 色 散 容 许 l0 Gbps 系 统 中， 可以实现 300 km 左右无电中继传输。
2
色散对 DWDM 传输系统的影响
光纤的色散造成光脉冲信号展宽，光接收机灵敏度下
l
影响 DWDM 传输性能的色散类型
降， 限制了系统的传输速率和中继距离长度。色散对于超高 速光缆通信系统来说， 其限制作用更大。
ITU-T 指 出 DWDM 系 统 所 用 的 光 纤 类 型 为 G.652 和 在这些类型光纤的色散特性中， 对 DWDM 传 输 系 统 G.655，
PMD= #$ （ps / !km ） !L
收稿日期： 2002-04-05 责任编辑：蔡国良
（2 ）
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电视技术
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表l
PMD 对光纤传输速率的影响
4
4.l
消除限制 DWDM 传输系统的措施
合理选择光纤 为了消除 SBS 和 SRS 对 DWDM 传输系统的影响，应使
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文章编号： （2002） l002-8692 06-0032-02
光纤色散和非线性对 DWDM 系统 的影响及其消除
王英杰，尹树华，邓大鹏，刘德明 （西安通信学院，陕西 西安 7l0065 ）
・ 论文 ・
【 摘 要 】 围 绕 光 纤 色 散 和 非 线 性 效 应 对 DWDM 系 统 传 输 限 制 的 问 题 进 行 了 深 入 的 讨 论 ， 提 出 消 除 限 制
性能有影响的是色度色散和偏振模色散。
2.l CD 对 DWDM 传输系统的影响
由式 （l ） 可见光放大段或再生段长度 L 与系统的传输速 率、 色度色散系数、 光源谱宽成反比。对于 G.652 光纤， （!） D
l.l
色度色散 色度色散 （Chromatic Dispersion， 是指光源光谱中不 CD ）
transmission. 【Key words】 DWDM； PMD ； noniinear effects； opticai fiber DWDM 传 输 系 统 充 分 利 用 光 纤 在 l 300~l 625 nm 的 波
段范围内具有平坦的衰减性能， 在一根光纤上传输多个波长 （信 道 ） ， 每 个 信 道 都 可 以 支 持 2.5 Gbps 或 l0 Gbps 运 行 速 率。随着光纤生产制造工艺水平的提高， 光纤的损耗指标已 不再是限制传输系统性能的主要因素， 而光纤色散和非线性 性能开始成为设计传输系统时考虑的主要因素。 式中： !$ 是 两 个 主 偏 振 模 式 在 L 长 度 光 纤 中 传 输 的 时 延 差。普 通 单 模 光 纤 的 PMD 比 CD 小 几 个 数 量 级 ，一 般 不 考 虑。随着高速 DWDM 技术不断深入发展， PMD 得到了重视。
同波长的光在光纤中传输时， 产生的群时延差的大小。色度 色散是材料色散和波导色散的总称， 其大小用色度色散系数 （!） （!） 表示。光纤色度色散引起脉冲展宽， 使 D =D（ +DW M !） [l~2] DWDM 系统的传输 速 率 和 传 输 距 离 受 限 。光 纤 的 色 度 色 散对 DWDM 系统的影响可用式 （l ） 表示
制， 对入射光产生散射作用。 设入射光的频率为 !l， 介质的分 子振动频率为 !V，则散射光的频率为 !S =!l-!V 和 !as=!l+ 其能量转 !V。 !S 叫斯托克斯波， !as 叫反斯托克斯波， !S 衰减， 移到 !as 上。 限制复用的通路数； 引 SRS 对 DWDM 的影响有： 起通道间串话。 表2 光纤非线性特性出现时的光功率门限
DWDM 传 输 的 有 效 方 法 。
【关键词】密集波分复用；偏振模色散；非线性效应；光纤 【Abstract 】 This paper is discussed in detaiied the iimiting probiem of opticai fiber's dispersion and noniinear effect on DWDM system transmission and proposed an effective method to eiiminate the iimit for DWDM system
非线性效应 受激散射 克尔效应 受激布利渊Байду номын сангаас射 （SBS ） 受激拉曼散射 （SRS ） 自相位调制 （SPM ） 交叉相位调制 （XPM ） 四波混频 （FWM ） 光功率 （ / dBm）
6~20 ~27 ~5 ~5 0
受激布里渊散射 （SBS） 是 入 射 频 率 为 !P 的 泵 浦 光 将 一 部分能量转移给频率为 !S 的斯托克斯波，并发出频率为 " 的 声 波 "=!P -!S。 SBS 对 DWDM 的 影 响 有 ： 消耗了信号功 率； 反向传输的斯托克斯波将反馈给激光器， 使其工作不稳 定； 如果光纤中有两个方向的传输信道， 而且两个反向传输 信道间的频率差别正好满足布里渊频移， 受激布里渊散射过 程将引起信道间的串话。 自相位调制 （SPM ） 是指光波信号自身相位调制使光脉 冲前后沿产生位移的现象。 SPM 对 DWDM 的影响是展宽的 光脉冲会覆盖到相邻的信道， 从而限制复用的通路数。 交叉相位调制 （XPM ） 是指当两个或多个不同波长的光 波在光纤中同时传输且光强变化时相邻通路之间互相作用 导致相位变化的现象。XPM 会逐渐使信号频谱展宽， 而其展 宽程度与通路间隔有关。 在 DWDM 系统中，自相位调制和交叉相位调制两种 共 同作用改变各信道光信号的相位。 如果信号通过幅度调制传 输， 并且采用非相干解调的方式， 例如直接强度检波， 非线性 相位改变对系统性能影响不严重。然而， 如果用相干技术解 调， 相位改变就会严重限制系统性能。 四波混频 （FWM ） 是指两个以上不同波长的光信号在光 纤的非线性影响下， 除了原始的波长信号外还会产生许多额 外的混合成分或叫边带信号。 四波混频的机理及实验都说明 光纤的色散越小， 四波混频的效率越高， 光纤的色散对四波 混频有很好的抑制作用。因此， 克服四波混频最有效的方法 是采用非零色散光纤。 光纤的非线性效应对 DWDM 的影响可表述为非线性效 应& （!X" effX#2） / $ eff 的关系。其中： ! 为输入功率； " eff 为有效 传输距离； #2 为非线性折射率； $ eff 为光纤的有效面积。
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 l 550 nm 窗 口 为 零 色 散 窗 口 ， 不 能 抑 制
在 WDM 干线通信系统中不敷设此种光纤 [4~5]。 FWM， 在电信网络构建中，必须考虑 20 年寿命期方能满足传 输容量和速率发展的需要， 在 G.652 光 纤 的 DWDM 系 统 中 ， 即使采用外调制技术， 其色散受限距离与未来长距离传送的 目标距离还有很大的差距。然而由于经济发展高度不平衡， 西 部 地 区 新 敷 设 光 纤 继 续 采 用 G.652 光 纤 是 符 合 中 国 国 情 的。 G.652A 适应于 2.5 Gbps 的 DWDM 传输系统； G.652B 适 应 于 l0 Gbps 的 DWDM 传 输 系 统 ； G.652C （低 水 峰 单 模 光 纤） 满足未来多业务、 多速率的环境需求， 适 用 DWDM 传 输 系统的城域网。 中国东部地区新敷设光纤宜采 用 G.655 光 纤 ， 足以支持 l0 Gbps 长距离传输而无须色散补偿。 G.655A 光纤色散绝对 值 为 0.l~6.0 ps / nm・ km， 既 解 决 了 光 纤 的 线 性 色 散 受 限 问 题， 又解决了光纤的非线性问题， 适应于优化城域网和长途 网中， 能支持 C 波段上信道的 DWDM 系统； G.655B 光纤在 C 波 段 的 末 端 允 许 的 最 大 色 散 值 为 l0 ps / nm ・ 能够更好地 km， 抑制由于通道间隔缩小而增加的非线性失真， 能支持 C 波段 上信道间隔更密集的 DWDM 系统， 同时也支持 L 波段和 C+
式中： L 为光放大段的长度； " 与使用的光源有密切关系； B 为系统的传输速率； （!） 为光纤的色度色散系数； D !! 为 光 源谱宽。
l.2
偏振模色散 偏振模色散 （PMD ） 是组成基模的两个相互正交的偏振
模在各自方向上传输的群速度不同而引起的群时延差。 引起 内在的， 如光纤生产制造过程中光纤的几何 PMD 的因素有： 尺寸不规则， 残留在光纤中的各向应力导致折射率的各向分 布不同等； 也有外在的， 如外部应力、 弯曲和扭曲及环境因素 等， PMD 本质上是模式色散。光纤的 PMD 特性通 常 用 PMD 参数来表示
2.5 Gbps l0 Gbps 40 Gbps PMD （允许脉冲展宽 （允许脉冲展宽 （允许脉冲展宽 （ / ps / !km ） =40 ps） / km =l0 ps） / km =2.5 ps） / km 0.50 6 400 400 25 0.25 25 600 l 600 l00 0.20 40 000 2 500 l56 0.l5 7l lll 4 444 277 0.l0 l60 000 l0 000 625
3
L=
l0 X" （km） （!） ・ B[Gbps]XD [ps / nm km]X#![nm]
（l ）
2.2 PMD 对 DWDM 系统的影响 对 G.652 光纤来说， PMD 的影响可以忽略不计，但如果
应用了 色 散 补 偿 技 术 ， 大大降低了色度色散值， PMD 的 影 响 就明显表现出来， 这时必须考虑 PMD 对系统的限制作用； 对 由于自身色度色散值很小， 所 以 PMD 的 影 响 必 G.655 光 纤 ， 须考虑。对 PMD 现在没有统一的技术标准，一般要求 PMD 小于 0.5 ps / !km ， 即使在 CD 为零的波长上 ， 带宽也不是无 限大。 PMD 、 传输速率和传输距离的关系如表 l 所示。
L 波 段 的 DWDM 系 统 ，既 可 以 增 加 DWDM 系 统 的 通 道 数 ，
又可以延长中继距离。 大有效面积光纤 （LEAF） 是一种新型的大有效面积非零 色散位移光纤。 在 l 530~l 565 nm 区间的色散值保持在 l.0~ ・ 色散为正值， 避开了零色散区， 维持一个起码 6.0 ps / nm km， 的色散值。 从普通 G.655 光纤 LEAF 增加了光纤的模场直径， 的 8.4 #m 增 长 到 LEAF 光 纤 的 9.6 #m，从 而 增 加 了 光 纤 的 有效面积。由式 （3 ） 可以看出， 在相同的入纤功率时， 降低了 光纤中传播的功率密度， 减小了光纤的非线性效应。在相同 的中继距离时， 减少了非线性干扰， 可以得到更好的光信噪 比 OSNR 。
3
非线性特性对 DWDM 传输系统的影响
随着 EDFA 的应用及 DWDM 传输系统中入纤 光 功 率 的
增加， 势必激发光纤非线性特性的出现， 并成为限制传输系 统性能的因素。 在非线性效应中 （受激散射和折射率波动） 光 功率明显起着门限作用， 表 2 给出了光纤的非线性特性与其 产生的光功率门限之间的关系 [3]。 受激拉曼散射 （SRS）是介质中分子振动对入射光的调