基于Optisystem的光纖傳輸系統的色散補償分析

劉小磊，熊雪娟，李冰心

（河南理工大學a.物理與電子信息學院； b.電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000）

基于Optisystem的光纖傳輸系統的色散補償分析

劉小磊a，熊雪娟b，李冰心b

（河南理工大學a.物理與電子信息學院； b.電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000）

為實現光信號的有效傳輸，研究了DCF（色散補償光纖）和FBG（光纖布拉格光柵）的基本原理，利用Optisystem軟件對基于RZ（歸零）碼調制格式的單信道傳輸系統中的兩種色散補償方法進行仿真，分別比較了前置補償和后置補償的色散補償性能，并在此基礎上提出了FBG中間色散補償。仿真結果表明，采用FBG中間色散補償后系統的Q值均高于另外兩種色散補償方式。進一步采用中間補償的級聯FBG模塊作為波分復用系統的色散補償器件，利用Optisystem軟件對此補償方法進行仿真，結果表明，該方法在長距離傳輸時仍能保持良好的補償效果。

色散補償光纖；光纖布拉格光柵；中間色散補償；Optisystem軟件

0 引 言

目前，抑制光信號高速長距離傳輸的主要因素是光纖的損耗、色散以及非線性效應。隨著EDFA（摻鉺光纖放大器）的出現，光信號在傳輸過程中的損耗問題得到了明顯改善，實現了光信號的更遠距離的傳輸，但隨著傳輸距離的增加，色散問題會加劇，而由色散導致的脈沖展寬又引起了嚴重的碼間干擾，限制了傳輸速率的提高和中繼距離的延長，從而使色散問題更加突出［1］。

研究人員先后提出了多種解決傳輸過程中色散問題的方法:如虛像相位陣列法、激光預啁啾技術、中點光譜反轉技術、光弧子傳輸技術、色散支持傳輸技術、DCF（色散補償光纖）和FBG（光纖布拉格光柵）［2-5］等。文獻［6］綜述了這幾種色散補償方法的基本思想，并對它們進行分析比較，總結得出前5種色散補償方法由于存在不同的缺陷，難以在實際的光纖傳輸系統中應用，而后兩種色散補償法卻是目前補償效果較好的方法。

本文采用DCF和FBG兩種色散補償方法來實現光通信系統的色散補償，并在前置和后置補償這兩種方式的基礎上，提出了一種新的補償方式，即FBG中間色散補償方式，利用Optisystem軟件對傳輸速率為40 Gbit/s的單信道系統進行建模仿真，對比分析了這幾種色散補償方式的優劣并選取其中補償效果較好的一種方法應用到多信道系統中。在該系統中采用級聯型的FBG色散補償模塊，以較好地實現對WDM（波分復用）系統的色散補償，為光通信系統的升級擴容提供了有力地依據。

1 色散補償原理

在光通信系統中，主要采用DCF和FBG這兩種方法來實現對光纖中積累色散的補償。采用DCF進行色散補償是在1 550 nm工作窗口處將具有較大負色散系數的DCF與正色散系數的SMF（單模光纖）串聯，使正負色散相互抵消［7］，實現傳輸距離的延長。在補償過程中，為實現完全補償，使總鏈路的色散值接近于零，DCF和SMF的長度應滿足D（λs）L+DDCF（λs）LDCF=0，式中，D（λs）和DDCF（λs）分別為SMF和DCF在波長λs上的色散系數；L和LDCF分別為SMF和DCF的長度。

采用FBG進行色散補償的原理是當光脈沖通過FBG后，由于長波長分量在光纖光柵的始端被反射，而短波長分量在光纖光柵的終端被反射，因此后者比前者的時延大，從而補償了由于正色散引起的脈沖展寬，使脈沖寬度被壓縮甚至還原，這樣就實現了對群速度色散效應的補償［8］。為了使系統獲得顯著的補償效果，在仿真中FBG和SMF的選擇滿足D（λs）L+DFBG（λs）=0，式中，DFBG（λs）為單個FBG的色散總量。

采用FBG對傳輸過程中的色散進行補償時，有前置補償、后置補償和中間補償3種方式，其具體結構如圖1所示。基于DCF的系統結構與此類似。

圖1 色散補償方式框圖

2 單信道系統不同色散補償方式的建模仿真及結果分析

利用Optisystem軟件對單信道光傳輸系統建模仿真，系統調制格式為RZ（歸零）碼，占空比為0.5，傳輸速率為40 Gbit/s，所采用放大器的增益均為20 d B，輸入光功率均為10 d Bm，系統的仿真參數如表1所示。在傳輸鏈路中采用SMF與EDFA的組合，在每一跨段中均有一段80 km的SMF和一個EDFA，通過設置傳輸鏈路中循環控制器的循環次數n來設置整個系統的傳輸距離。通過觀察接收端誤碼分析儀上的BER（誤碼率）圖，可以得到不同色散補償方法下采用不同補償方式的性能參數及補償效果，仿真結果如圖2所示。

表1 系統的仿真參數

圖2 基于DCF和FBG的色散補償仿真結果圖

由于系統的Q值可以表征OSNR（光信噪比）和BER［9］，且Q因子越大，BER越小，因此本文采用Q因子來實現對系統性能的估算。由圖2可以看出，基于DCF和FBG的3種色散補償方式的Q因子曲線變化趨勢基本一致，各補償方式的Q值均隨入射功率（-2～6 d Bm）的增大而增大。另外，當系統傳輸速率為40 Gbit/s時，無論采用DCF還是FBG進行色散補償，中間補償方案的補償效果均優于前置補償和后置補償，且后置補償的補償效果最差，在相同條件下得到的Q值最小。

對比DCF和FBG的中間補償可以看出，當入射功率相同時，FBG中間補償系統的Q值比DCF的大，且兩者Q值的差值隨著入射功率的增大而增大，FBG中間補償的補償效果更為明顯。這是因為DCF的損耗較大，有效面積比普通光纖小，從而導致非線性變大，對系統的影響逐漸增強。隨著系統入射功率的逐漸增大，采用DCF進行色散補償的傳輸鏈路增加了額外的非線性效應，且非線性效應也隨之增大，故其Q值相對較小。而FBG具有體積小、結構緊湊、插入損耗低和不受非線性影響、與光纖兼容性好等優點［10］。通過以上對比可知，采用FBG中間色散補償具有較好的補償效果，因此，我們采用該補償方式來實現對單信道系統的色散補償，從而改善系統的傳輸性能。

3 WDM系統色散補償建模仿真分析

在傳輸過程中，為了實現對WDM系統中的信號色散進行補償，借鑒文獻［11］中的光纖光柵級聯模型以及FBG級聯原理來搭建仿真模型。依次將8個FBG串聯起來，其結構如圖3所示。當WDM信號通過FBG色散補償模塊時，先進入光環行器中（光環行器的一對輸入輸出端口被設為無效端口），沿順時針方向依次進入每個FBG，每個FBG只反射原WDM信號中對應頻率的一個分信號，這樣就實現了對不同頻率信號的色散補償。最后，被反射回來的各個分信號通過功率合成器耦合，形成一個復用信號并送到光環行器中，通過光環行器的輸出端口輸出完整的經過色散補償后的WDM信號。

圖3 FBG級聯原理圖

在該系統中，光發送機分別產生8個頻率信號，第一個頻率為193.1 THz，信道間隔為100 GHz，經過光復用器合成一個WDM信號后進行傳輸。接收端接收并解復用該信號，進行判決后恢復出原信號。我們根據仿真后得到的Q值和眼圖來判斷色散補償效果的優劣。為了研究方便，以第一信道的輸出結果為研究對象，因為該信道易受色散和非線性效應的影響，且信號質量最容易變差［12］。

為了直觀地體現級聯FBG中間色散補償模塊的作用，對比分析了采用級聯FBG中間色散補償和無色散補償時的WDM系統（其他條件均相同），兩種情況下入射功率與Q值的關系如圖4所示。由圖可知，入射功率相同時，級聯FBG中間色散補償系統的Q值大于無色散補償系統對應的Q值，且有色散補償時系統的BER要低于無色散補償時的BER，有色散補償時系統的傳輸性能更好。由圖5所示的第一信道的眼圖也可以得到相同的結論。

圖4 WDM系統Q值隨入射功率變化的曲線圖

圖5 無色散補償和中間補償時的眼圖

在仿真過程中還發現，系統的傳輸性能會隨著傳輸距離的改變而改變，在接收端對Q值進行分析，通過控制環路控制器的環行圈數n（n=1～15）來改變整個系統的傳輸距離，且每個跨段的距離為80 km。圖6所示為采用中間色散補償方案、輸入功率為0 d Bm時接收端Q值與傳輸距離的關系。從圖中可以看出，Q值會隨著傳輸距離的增加而減小。當傳輸距離超過1 200 km時，由于受信道間FWM（四波混頻）現象和EDFA的放大自發輻射效應的影響，Q值會降低到10 d B以下，系統的傳輸性能明顯下降，即在中間色散補償方式下，其有效色散補償的傳輸距離為1 200 km。

圖6 傳輸距離與Q值的關系

4 結束語

本文對基于RZ調制格式、傳輸速率為40 Gbit/s的單信道和多信道光傳輸系統的色散補償進行了仿真研究，結果表明，采用FBG中間色散補償效果最好，其不僅能使單信道傳輸系統的性能得到優化，還能改善WDM系統的傳輸性能。其次，針對WDM系統的中間色散補償分析了傳輸距離與Q值的關系，結果表明，采用中間色散補償方案且傳輸距離小于1 200 km時系統的性能最好。本文的分析研究為高速率、長距離和大容量的光傳輸系統優化提供了有力的依據，方便了光通信系統的升級和擴容。

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Analysis of Dispersion Compensation of the Optical Fiber Transmission System Based on Optisystem

LIU Xiao-leia，XIONG Xue-juanb，LI Bing-xinb
（a.School of Physics and Electronic Information； b.School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

In order to achieve effective transmission of optical signals，the basic principle of different dispersion compensation methods（dispersion compensation fiber and fiber Brag grating）is studied.A single-channel transmission system based on RZ modulation format by Optisystem is designed and two dispersion compensation schemes（pre-compensation，post-compensation）of DCF and FBG is studied.In this paper，the intermediate dispersion compensation method based on FBG is proposed.Simulation results show that the Q value of the system is higher than the other two methods when use the FBG intermediate dispersion compensation.The intermediate cascaded FBG module is further proposed as a dispersion compensation device of WDM system.The simulation model in Optisystem is established.Simulation results show that this method can maintain good compensation effect even if the transmission distance is long.

dispersion compensation fiber；fiber Brag grating；intermediate dispersion compensation；Optisystem software

TN914

A

1005-8788（2016）05-0005-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.002

2016-05-24

劉小磊（1980-），男，河南焦作人。講師，博士研究生，主要從事光碼分多址、光載無線通信和光模塊等方面的研究。