光纖通信系統色散補償方案的優化

曹 雪

光纖通信系統色散補償方案的優化

曹 雪

（河南大學物理與電子學院通信工程系，開封475004）

為了優化光纖通信系統色散補償方案，采用軟件仿真的方法設計了一個用色散補償光纖進行色散補償的單信道通信系統，利用光纖環形鏡的全反射特性使該系統的色散補償方案得到了優化，補償效果良好，并節約了成本。對色散補償及光纖環形鏡的工作原理進行了理論分析和仿真驗證，取得了系統在2.5Gbit／s和10Gbit／s下Q參量和眼圖的仿真數據，分別找出了兩個信號速率下的系統最佳輸入功率。結果表明，系統在2.5Gbit／s下的最佳輸入功率為13dBm，此時Q參量達到了172.88；系統在10Gbit／s下的最佳輸入功率為6dBm，其相應Q參量為45.96。這一結果對實際應用中光纖通信系統的色散補償是有幫助的。

光通信；色散補償；色散補償光纖；光纖環形鏡

引 言

近年來，隨著對高速、大容量信息系統需求的日益增加，光纖通信得到了長遠的發展，而光纖的損耗和色散一直影響著光信號傳輸的質量［1］。由于摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）技術的快速發展及商用化，光纖損耗已不再是限制系統性能的主要因素。色散導致的脈沖展寬將產生嚴重的碼間干擾，從而限制了中繼距離和傳輸速率。因此，如何解決光纖通信系統中色散積累問題成為當前研究的熱點［2-4］。

目前光纖色散補償技術主要有：色散補償光纖（dispersion compensating fiber，DCF）、光纖布喇格光柵（fiber Bragg grating，FBG）、虛像相位陣列和平面波導等技術。使用基模的DCF色散補償技術相對成熟、簡單，是最實用的一項技術。DCF性能穩定，不易受溫度等外界環境的影響及具有很寬的工作帶寬等特點，更適合長距離補償，它可以使不同傳輸光纖的色散和色散斜率得到補償，更適合于大容量的波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）系統，因而研究、優化以DCF進行色散補償的方案在實際工程中是非常重要的［5-7］。本文中利用仿真軟件及光纖環形鏡（fiber loop mirror，FLM）的全反射特性［8］對單信道光纖通信系統的DCF色散補償方案進行了優化設計，該色散補償方案色散補償效果良好、可以消除偏振相關性、結構緊湊、節約成本、性價比高，更適合于實際工程中的應用。

1 工作原理

1.1色散補償原理

常規單模光纖與單模DCF光纖在1550nm光波長處分別有正色散和負色散，可以利用這個特性進行色散補償，延長傳輸距離。為了獲得補償的效果，在線路中兩者長度的選擇應滿足如下公式［3］：

式中，D（λs）和Dc（λs）分別為常規單模光纖和DCF在工作波長λs處的色散系數，L和Lc分別為相應長度。

DCF光纖的纖芯直徑通常比標準單模光纖小很多，過高的入纖功率將會增加光纖非線性對系統的影響，導致誤比特率（bit error ratio，BER）的增加，而且DCF光纖比標準單模光纖的衰減大，所以必須在系統中加入放大器來進行補償［3，6］。在選擇DCF時，必須兼顧色散系數和衰減系數這兩個參量。DCF的品質因數F（figure of merit，FOM）定義公式如下式［3，9］：

式中，Dc和αc分別為DCF的色散系數和衰減系數。線路中由于DCF的接入會增加損耗，這個增加的衰減量可用F估算，（1）式滿足后，線路的平均衰減系數αad為［3］：

式中，D和α為常規單模光纖的色散系數和平均衰減系數。顯然，DCF的F越高，αad越小，信號傳輸質量越好。

1.2光纖環形鏡工作原理

以耦合比為0.5的2×2熔錐型寬帶光纖耦合器制作的FLM具有全反射特性，其結構如圖1所示。其中，Iin，Ir，It分別為該器件端口1的輸入光強、端口1的反射光強和端口2的透射光強。設耦合器的耦合比為c∶（1－c），忽略附加損耗并且FLM的長度不長時，其反射率、透射率為［10-11］：

Fig.1 Configuration of FLM

式中，R為端口1反射率，T為端口2透射率。由（4）式、（5）式可知，當c＝0.5時，兩束相反方向傳輸的光將發生相消干涉，此時FLM具有全反射特性，端口1輸入的光將全部經端口1反射回去。

2 系統仿真及結果分析

設計仿真的以DCF進行色散補償的單信道光纖通信系統如圖2所示，該系統將色散補償光纖DCF置于兩個EDFA中間，這是一種能夠有效降低或避免長距離傳輸的偏振相關性的色散補償光纖放置方式［2］。由于FLM的全反射特性，光束在DCF光纖中來回傳輸兩次，所以只需與總色散相對應長度一半的DCF光纖，即（1）式中的Lc／2就可以補償總色散了，這不僅降低了成本，而且FLM為全光纖器件，能與DCF很好地熔接，使整個系統更加緊湊。根據（4）式、（5）式及以寬帶耦合器（耦合比c＝0.5）制作的FLM的測試實驗可知，其全反射作用效果很好，在1550nm波長附近，T≤0.1%，即端口1反射率R高于99.9%［11］。

Fig.2 DCF dispersion compensation

設計將連續（continuous wave，CW）激光器、Mach-Zehnder調制器、偽隨機序列發生器、非歸零脈沖發生器按圖2中的連接方式組成該系統的信源模塊，其中連續激光器的輸出激光波長設定為1552.5nm；傳輸光纖采用常規單模光纖（single-mode fiber，SMF），傳輸波長為1550nm附近的光波，長度為120km，衰減系數為0.2dB／km，色散系數為17ps／（km·nm），有效面積為85μm2；單模色散補償光纖DCF衰減系數為0.6dB／km，色散系數為－85ps／（km·nm），有效面積為19μm2，根據（1）式，計算得出所需DCF的長度應為24km，由于DCF末端加入了FLM，所以只需要實際DCF長度為12km，根據（2）式和（3）式可算出DCF的F＝141.67，線路的平均衰減系數αad＝0.32dB／km；由于軟件端口設置的局限性，不能像實際應用中那樣將耦合器的兩個輸出端熔接在一起，所以實際仿真中用FBG代替FLM作為全反射裝置。由于該系統應用的是單波長激光光源，所以FBG與FLM全反射效果一樣。實際應用中，FLM因其較寬的帶寬特性不僅能應用于單信道系統中，還能很好地應用于多波長的WDM系統中。該光柵的反射波長也設在1552.5nm處，此處波長的反射率為0.99；放大器為摻鉺光纖放大器EDFA，放大器1的增益設為20dB，放大器2的增益為12dB；光電探測器采用的是PIN光電二極管，其響應度為1A／W；濾波器采用的是低通貝塞爾濾波器；使用示波器和誤比特率分析儀為測量器件。

首先通過設置使信源模塊產生2.5Gbit／s的非歸零（nonreturn-to-zero，NRZ）信號。通常，作為一個品質因數，采用信號的Q參量來衡量信號的質量［12］。圖3a為Q參量與連續激光器輸出功率的關系圖，從中可以看出，Q參量與系統輸入功率近似于高斯分布。這是因為當入纖功率比較低的時候，信號受信噪比的影響較大，增加入纖功率有利于增大信噪比，從而使誤比特率降低，但是當入纖功率較高時，光纖的非線性效應將隨入纖功率的增加，影響越來越嚴重，反而使Q參量降低［6］，所以在實際應用中應該找出最佳的系統輸入功率。通過仿真計算得出該系統的最佳輸入功率，結果如圖3a所示，當輸入功率為13dBm時，信號Q參量最高，為172.88。圖3b是輸入功率為13dBm時，Q參量與時間t的關系圖，即系統的眼圖。從中可以看出，“眼睛”張得很大，且眼圖端正，表示碼間串擾很小。

然后通過設置使信源模塊產生10Gbit／s的NRZ信號。圖4a為此時Q參量與連續激光器輸出功率的關系圖，可以看出兩者也近似成高斯分布。最佳輸入功率是6dBm，此時Q參量最高，為45.96。圖4b為10Gbit／s的NRZ信號下，輸入功率為6dBm時的眼圖。

Fig.3 a—relationship between Q and input power at 2.5Gbit／s b—eye diagram when input power is13dBm at2.5Gbit／s

Fig.4 a—relationship between Q and input power at10Gbit／s b—eye diagram when input power is 6dBm at10Gbit／s

通過圖3a和圖4a的對比可以看出，10Gbit／s信號下系統的Q參量最高值為45.96，而2.5Gbit／s信號下系統的Q參量可以高達172.88，兩圖中整體的Q參量相差較大，通過對圖3b與圖4b的眼圖比較也可以看出這一點。這是因為色散與系統速率的平方成反比，信號速率越大，系統受色散影響的程度越大，從而使誤比特率增加，降低了Q參量［2］。

關于色散補償系統的設計還可以進行下一步的優化工作，例如可以通過對光纖光柵的懸臂梁調諧作用［13］進行動態色散補償，以提高光信號傳輸質量，適應光網絡的動態需要和發展［14］。實際工程應用中，采用FLM或FBG都可以起到較好的全反射效果，可根據實際情況選用。如果系統為WDM系統或光源采用寬帶光源，可考慮具有寬帶特性的FLM；如果系統為單信道系統或采用窄帶光源，則也可考慮FBG。FBG具有補償色散和色散斜率功能［15］，若系統需要動態色散補償則可應用FBG，還可設計多個啁啾光纖光柵疊柵的結構［16］完成WDM系統中的色散補償工作。

3 結 論

設計仿真了一個以DCF進行色散補償的光纖通信系統。利用Q參量和眼圖分別討論了該系統在不同輸入功率、不同信號速率下的色散補償效果，并分析了產生不同結果的原因。通過仿真得出該系統在2.5Gbit／s下的最佳輸入功率為13dBm，此時Q參量最高為172.88；系統在10Gbit／s下的最佳輸入功率為6dBm，此時Q參量最高為45.96。利用光纖環形鏡或光纖柵的全反射特性優化了該系統，使其只用到所需DCF長度的一半即可很好地補償系統的總色散，如果將該色散補償方案用于實際工程中則能節約成本、減小體積、減輕重量、使結構更加緊湊，還可以有效地降低或消除偏振相關性，使色散補償效果良好。

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Optimization of dispersion compensation in optical fiber communication system s

CAO Xue
（Department of Communication Engineering，School of Physics and Electronics，Henan University，Kaifeng 475004，China）

In order to compensate dispersion in an optical communication system，a single channel dispersion compensation system which used of dispersion compensating fiber was designed and simulated.The system was optimized by a fiber loop mirror so that it economized the cost，and the effect of dispersion compensation was fine.The simulation results such as Q factor and eye diagram were given and analyzed in this system with different velocity of2.5Gbit／s and 10Gbit／s，and their input power were obtained.When the system’s velocity is2.5Gbit／s，the optimum input power is13dBm，and Q factor is 172.88；When the system’s velocity is 10Gbit／s，the input power is 6dBm and the corresponding Q factor is 45.96.The obtained results are helpful for the application of dispersion compensation in an optical communication system.

optical communication；dispersion compensation；dispersion compensating fiber；fiber loop mirror

TN929.11

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.022

1001-3806（2014）01-0101-04

河南省高等學校青年骨干教師資助計劃資助項目（2011GGJS-029）

曹 雪（1981-），女，講師，碩士，現主要從事光纖通信與光纖傳感的研究。

E-mail：henu_caoxue＠126.com

2013-03-19；

2013-04-25