密集波分復用系統中的光纖非線性效應及其影響

鄧敬文

摘 要：本方介紹了光纖非線性效應的各類及其對高速率、長距離密集波分復用（DWDM）系統的影響及解決措施。

關鍵詞：光纖非線性效應；DWDM；影響；措施

1 前言

DWDM傳輸技術具有傳輸容量大的突出優勢，可在原有線路基礎上，經濟、迅速地實現傳輸容量的急劇增加。經過近十年的發展，DWDM技術已經取得了巨大的突破。隨著DWDM系統的廣泛使用和技術的演進，人們發現DWDM技術在提供傳輸能力的同時，還具有無可比擬的聯網優勢，被認為是具有無限發展前途的能夠大幅擴充光纖傳輸容量的最佳技術方案。

2 光纖的非線性效應的產生及種類

光纖傳輸的衰耗和色散與光纖長度是呈線性變化的，呈線性效應，而帶寬系數與光纖長度呈非線性效應。非線性效應一般在WDM系統上反映較多，在SDH系統反映較少，因為在WDM設備系統中，由于合波器、分波器的插入損耗較大，對16波系統一般相加在10dB左右，對32波系統，相加在15dB左右，因此需采用EDFA進行放大補償，在放大光功率的同時，也使光纖中的非線性效應大大增加，成為影響系統性能，限制中繼距離的主要因數之一。光信號在石英光纖中的非線性效應分為受激散射（受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS）和非線性折射率引起的效應兩類。受激散射表現為與光強度有關的增益或者損耗，而非線性折射率則引起與光強度相關的相移，由非線性折射率引起的非線性效應主要有自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）和四波混頻（FWM）。

受激拉曼散射SRS可以看作是介質中分子振動對入射光的調制，即分子內部粒子間的相對運動導致分子感應電偶極矩隨時間的周期性調制，從而對入射光產生散射作用。受激喇曼散射只有在入射光強超過某一閾值時才能產生。在單信道的光波系統中，雖然只有一個光波注入，但它可能產生自發的受激喇曼過程，而得到放大。理論和研究都證明單波道系統很難產生受激拉曼散射SRS，但對于DWDM系統由于一根光纖中同時有多個不同波長信道的光波注入，因此將可能發生長波長的光波被短波長的光波放大的受激喇曼過程。定性地說，最短波長通道將對所有處于拉曼增益譜內的其他波長通道提高泵浦，因而其功率損耗最大；而最長波長通道將受到所有短波長通道的干擾。中間的波長通道則同時要為長波長通道提高泵浦，同時又受到短波長通道的干擾。顯然由于SRS引起的串擾的嚴重程度與總的波長通道數和波長間隔直接相關。

受激布里淵散射SBS是光纖中另一類重要的非彈性受激散射，它是光波與材料晶體結構互作用的結果。與受激拉曼散射相比，受激布里淵散射頻移小、帶寬窄，更重要的是它的閾值低，在mW量級，這與光纖通信系統的注入功率差不多。因而SBS是對光通信產生嚴重影響的非線性現象。SBS對通信系統的影響，首先表現在注入光功率達到SBS閾值時，相當大一部分功率轉化為后向的斯托克斯散射光，這導致接收端的接收光功率明顯下降。其次是反向傳輸的斯托克斯光將反饋回到光發送機，導致發送端機光源工作的不穩定。為了克服SBS對通信的不利影響，必須將發送光功率控制在SBS閾值之下。對長距離的DWDM傳輸系統，我們總希望發送功率大一些，這樣可以減少中繼站點個數或減少在線光放大器個數，以降低建設成本，這就是必須采取措施提高SBS閾值。

克爾（kerr）效應是一種折射率非線性效應，是光折射率對光強呈現依賴關系的一種現象。與上述SRS、SBS不同之處，光克爾效應是由三階非線性極化率x（3）的實數部分引起的。克爾效應在光纖介質中產生多種非線性效應，其中主要是載體感應相位調制（CIP）。在單信道類型中，CIP即自相位調制（SPM），它將光波的功率起伏轉換為該光波自身的相位漲落。在多信道系統（例如波分復用系統）中，CIP表現為交叉相位調制（XPM），它將某一信道內的光功率漲落轉換成其他信道的相位漲落。自相位調制（SPM）導致信號頻譜的展寬，自相位調制與群速度色散相結合將對光信號的傳輸產生極為重要的影響。交叉相位調制（XPM）導致的非線性相移使信號光的相位產生波動，則這種相位變化對非相干的直接檢測通信系統的影響可以不考慮。但這種非線性的相位變化對相干光通信卻有著顯著的影響，這是因為相干光檢測系統必須保持信號光與本地光之間的相位匹配。

四波混頻（FWM）是指多個具有一定強度的光波在光纖中混和時，由于光纖的非線性會導致產生其它新的波長。FWM的基本機制為：當三個EM波同時在光纖中傳播時，因光纖的電極化率xe包含非線性部分而產生了第四個EM波（所以稱為四波混頻）。在DWDM系統中，當信道間距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時，四波混頻將成為非線性串擾的主要因素。

3 解決非線性效應的主要應對措施

自相位調制SPM的產生主要與自身的光強和傳輸媒質的群速度色散有關。隨著“l”，“0”信號的交替，注入光纖能量變化較大，這使光纖的折射率也跟隨變化，所傳光波的相位自然也隨折射率和傳輸距離而變化，這種相位上的變化同時帶來頻率的相對調制。因為在光脈沖的前沿與后沿光能量的時變率最高，而光載頻的變化在光脈沖的前后沿處又最明顯，前沿處載頻降低，后沿處載頻升高，光通道的色散使不同的載頻傳輸時延發生差異，造成接收光波形失真。這種影響正好又使光波形變窄，補償了光通道色散對光波形展寬的效應。在正常色散的媒質中將會導致光脈沖在傳輸過程中由于SPM效應而加速展寬，在反常色散的媒質過程中，光脈沖的展寬速度將會顯著變慢。適當反常色散的存在可以減小SPM對系統性能的影響，但是色散系數不是越高越好。相關試驗已經證明相同波長時由SPM產生相同誤碼情況時G.655光纖中的光功率要比G.652光纖中的光功率要高。這就意味著外面可以綜合考慮注入光纖中發端的功率和光纜條件來避免SPM對系統的不利影響。

交叉相位調制XPM在頻率問隔相同的情況下，波長數越多，發生XPM效應的單波入纖光功率越低；在波長數相同的情況下，頻率間隔越小，發生XPM效應的單波入纖光功率也越低。所以我們在規劃設計波分系統工程時，在考慮滿足業務需求的情況下，能選擇40波的波分系統時就不要選擇80波的波分系統。因為目前各主流廠商的80波波分設備都是C和C+間插耦合而成，頻率間隔要比C波段的40波系統小一倍。容易引起波道間的串擾，給開通和維護帶來麻煩。

為了消除SBS與SRS對DWDM傳輸系統的影響，應使DWDM傳輸系統的入纖光功率低于它們的門限值，然而四波混頻的門限太低無法避開。可以利用四波混頻與色散的關系，適當提高光纖的色散來削弱FWM的影響。G.653光纖的1550nm窗口為零色散窗口，不能抑制FWM，在WDM干線通信系統中不敷設此種光纖。選擇G.655光纖，既不會有嚴重的色散限制，有可以避免FWM的出現。LEAF光纖將光纖的有效面積Aeff增加，而大有效面積可以大大地提高光纖中SBS、SRS、SPM、XPM等非線性效應的閾值。從而使系統具有更大的功率傳輸能力。

4 結語

DWDM工程中主要采用調整功率，加大波道間隔，利用光纖色散或改變光纖規格的辦法來規避非線性效應帶來的不利影響。值得注意的是，不是所有非線性效應都絕對地對光纖通信系統起著消極作用。利用光纖中的受激散射引致喇曼放大或布里淵放大作用，制作出分布型光纖放大器；利用光纖的自相位調制效應補償光纖的色散，實現光孤子通信，利用四波混頻實現波長轉換等。

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