高速光纤通信在非线性色散影响下的传输特性

高速光纤通信在非线性色散影响下的传输特性

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∙【摘要】在信息时代,对低成本高速网络的需求将越来越强烈。光通信技术作为一种长距离高容量的通信手段发展迅猛。宽带光通信系统因其结合了宽带和低损耗的优点而得到极大关注。光纤是一种由极细玻璃或塑料构成的光传输媒介。光纤中的光信号受数字脉冲调制或连续模拟信号流调制。这些调制信息可能是语音信号,数据信号,计算机信息或视频信号。同样的信息也可以用金属导线(如双绞线)或微波进行传输,但光纤有着显著的优点。相比其他传输媒介而言,光纤的主要优点是它能在更短的时间和更远的距离内传输更多的信息。此外,它不易受电磁辐射干扰的影响,因而能实现低噪和低误码率传输。但是,当光信号在光纤中传播时,它会受到线性和非线性效应的影响。这些线性和非线性效应是光纤的固有特性。线性衰减包括光衰减和色散。自相位调制(SPM),交叉相位调制(XPM),四波混频(FWM),受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)属于非线性衰减。光纤通信系统中,光纤的输入信号通常是被信息比特流调制过的光信号。当光纤中的线性和非线性效应与不同频率的输入信号相互作用后,对输出比特流的性能衰减变得很复杂。色散和光学非线性是影响高速光纤通信系统性能的主要因素。由于低损耗光谱段是有限的,波分复用技术可提高光谱利用效率。为了在低损耗频段内容纳更多的信道,必须减小信道间隔。随着信道间隔减小,光纤非线性效应会增加并导致系统性能急剧下降。这种性能恶化在长距离传输时更明显,因为此时需要给光纤提供更高的光功率。高功率不仅会增加XPM和FWM效应,而且会改变其他光纤非线性效应产生的条件,比如受激拉曼散射和受激布里渊散射。长距离通信要求同时满足高速率、高功率和远距离传输,这种环境下非线性效应是主要制约因素。尽管光纤非线性效应已被研究了20多年,但仍有大量的影响未被完全了解。因此有必要研究不同调制方式下光纤对线性和非线性效应的容限,并找出结果最好的调制方式。本文研究受非线性影响的高速光纤的传输性能。主要探讨了线性和非线性效应对长距离波分复用系统下不同调制方式的影响。具体可描述为：*研究超高速光纤通信系统(比如40Gb/s)的不同调制方式。*比较这些不同的调制方式并得到适合40Gb/s波分复用系统的调制方式。*研究了光纤线性和非线性效应对波分复用系统的影响。为实现上述目标,本文提出了一些可增强系统带宽效率和信号质量的高级调制方式。利用OptiSystem仿真软件,本文分析了以下三种高级调制方式下的性能：非归零调制(NRZ),载波抑制归零调制(CSRZ)和差分相移键控调制(DPSK)。我们针对低色散度(4ps/nm/km)的非零色散位移光纤进行了系列计算机仿真,比较了上述三种调制方式。波分复用系统的信道间隔为100 GHz,数据率为40Gb/s,传输距离设计为100公里至500公里。我们用三个指标评估光传输系统性能：Q因子,比特误码率和眼图模式。首先得到了NRZ调制方式下的仿真结果。当传输距离小于500公里时,4信道的Q因子是可接受的。但若信道数量为8或16,系统传输距离非常短。因为此时从仿真中得到的Q因子不到2.5,这表明最小Q值也不能达到可接受的传输距离。在CSRZ 调制情形,从仿真结果中获得的Q因子相对于NRZ要好一些。短距离4信道传输时,Q因子能达到19.973。

在500公里范围内可进行4路、8路和16路传输。但当距离变大时,达到最大距离的最小线性值条件无法满足。在DPSK调制情形,仿真表明在很远的距离上,4路或8路传输仍能达到满意的Q因子。如表4.1所示,最小Q因子为6时,可接受的传输距离将超过500公里。在相同条件下,4路和8路复用的系统的可接受传输距离超过500公里。此外,当复用路数超过16时,系统性能劣化,最小的Q因子只能覆盖不到500公里的传输距离。NRZ调制的误码率数值结果表明4路波分复用系统可达传输距离不到500公里,否则将产生极严重的传输错误。NRZ调制不能支持8路或16路复用,因为复用路数越多,非线性影响越大,如FWM和XPM,这将带来太多的错误。与Q因子类似,CSRZ调制的BER性能显示：4路和8路复用能保证的传输距

离不超过500公里。超过这个值系统将产生过多错误。对于16路复用,BER性能要求只能在500公里内得到满足,否则将产生较多错误。DPSK调制方式的误码率比NRZ和CSRZ都要低。因为相对于后两者而言,DPSK调制能保持信号功率,所以受非线性影响较小。对各种调制方式下的眼图性能进行了分析,传输距离在100公里至400公里之间。因为NRZ调制无法实现8路和16路复用。其眼图结果都很差,大部分都已经无法分辨。眼图形状显示DPSK调制相对NRZ和CSRZ调制具有明显的优势。CSRZ调制次之,NRZ 调制最差。上述信号的眼图性能,Q因子和BER性能都与理论分析相吻合。由于BER值和Q因子线性相关,考虑XPM和FWM所带来的非线性串扰。比较4路,8路和16路复用WDM系统容易发现采用NRZ调制的8路和16路系统Q值随距离增加而迅速减小。原因是WDM系统的信道数量越小,信道间的非线性干扰越小。在非零色散光纤系统中,传输500公里后4路复用系统能获得最高的Q值。尽管8路和16路复用无法在这种情形下进行比较,下面的高级调制方式能提供一个解决方案。值得注意的是系统传输性能极大依赖于光信号调制方式。由于CSRZ调制有更高的色散容限来减小非线性效应的影响,使用CSRZ调制的系统性能可完全覆盖NRZ调制的性能。其中,四波混频(FWM)和交叉相位调制(XPM)是影响系统性能的主要因素。当信道数量增加时,这种影响会变强。注意NRZ和CSRZ都属于强度调制的类型,而SPM则属于衍生的信号强度调制。容易理解,由于光相位调制系统没有调制光功率,因而可明显降低非线性所带来的影响。我们分析了NRZ,CSRZ和DPSK调制在非零色散光纤中的传输性能仿真结果。结果显示：对于低色散的NZDSF系统,非线性串扰会明显降低系统性能。但DPSK调制的Q值并不会明显减小。高局部色散NZDSF 系统会在WDM信道间产生较强的走离,因而可减小他们之间的非线性串扰。同时,在采用100GHz的信道间隔和NZDSF光纤,容量为40Gb/s的多信道WDM系统中,DPSK调制可获得最佳的性能。在所有的传输系统中,NRZ是性能最差的调制方式。即使只采用4路复用,NRZ调制传输也不能超过500公里。但对于短距离传输而言,NRZ也是一个较好的选择,因为它具有配置简单和成本低廉的优点。相对NRZ而言,CSRZ

调制更能容忍一些非线性效应(XPM或FWM)。但CSRZ在远距离传输时提高信道数量有困难。DPSK调制在Q因子,BER和眼图方面都有较好的性能。从评估结果可以看出,DPSK调制最适合超高速光纤通信(如40Gb/s)。总之,本文分析了三种高级光调制方式,包括NRZ, CSRZ和DPSK,并使用OptiSystem软件进行了仿真实验。本论文的目标是比较三种高级调制方式下的系统性能,并选择最适合高速光通信的调制格式。同时研究了调制方式对ZDSF光纤系统的传输距离和信道数量的影响。研究结果是：NRZ调制在传输距离小于500公里时系统性能可接受,并有成本低廉的优势。CSRZ调制在低色散光纤中性能较好,但采用波分复用技术时,受信道间非线性影响严重。DPSK调制成本和电路复杂度最高,但对光噪声和非线性影响容限最高。它更适合长距离高速率的波分复用传输。我们发现最优光纤的选择和调制格式密切相关。仿真结果表明DPSK调制对于40Gb/s速率,超过500公里的距离和4路,8路及16路复用传输系统是最佳选择。相对于CSRZ和NRZ调制,DPSK调制对高速传输中的线性和非线性效应具有最优的容限。本文仅探讨了三种高级调制方式,其他一些调制方式有待进一步研究,如DQPSK;多进制信号和二进制信号之间的比较问题值得研究,如DQPSK调制信号和DPSK及CSRZ之间的系统性能及商业实现方面的具体对比,这些都是我们下步研究的目标。收起