多種色散補(bǔ)償方案下基于相位共軛的非線性補(bǔ)償研究

申 靜 任重月*

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽110870）

1 概述

在高速的光纖通信系統(tǒng)中，光纖的色散及非線性一直是影響通信系統(tǒng)朝著大容量和長(zhǎng)距離傳輸?shù)闹饕拗埔蛩?。因此，迫切需要補(bǔ)償傳輸系統(tǒng)中的色散和非線性效應(yīng)。1979 年A.Yariv 首次提出了利用光學(xué)相位共軛（OPC）補(bǔ)償光纖中的色散[1]，在之后的研究中人們發(fā)現(xiàn)光學(xué)相位共軛[2]不僅可以補(bǔ)償光纖中的色散[3-5]還對(duì)非線性效應(yīng)有抑制作用。

實(shí)現(xiàn)光學(xué)相位共軛的方式很多，主要是利用不同非線性介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。文中研究利用高非線性光纖（HNLF）中的四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)相位共軛的方法，針對(duì)多種色散補(bǔ)償方案，包括前置補(bǔ)償、后置補(bǔ)償與對(duì)稱補(bǔ)償方案。利用optisystem 搭建整體鏈路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，比較不同色散補(bǔ)償方案對(duì)相位共軛器非線性補(bǔ)償效果的影響。

2 光學(xué)相位共軛(OPC)理論

相位共軛技術(shù)就是信號(hào)在鏈路中傳輸一段距離后，通過非線性介質(zhì)得到信號(hào)光的共軛光，此共軛光為原信號(hào)光復(fù)振幅的共軛，共軛光繼續(xù)在鏈路的后半段傳輸，可以補(bǔ)償前半段的非線性損傷。

光學(xué)相位共軛技術(shù)在通信中的高階色散和非線性補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償原理可以采用非線性薛定諤方程（NLSE）來分析：

其中， A （ z ,t ）為包絡(luò)振幅，z 為傳輸距離，α 為衰減系數(shù)，βk為群速度參量，γ 為非線性系數(shù)。利用OPC 得到信號(hào)的復(fù)共軛后，傳輸方程表示為：

圖1（a）為傳輸線路示意圖，入射光信號(hào)E1 在前一段光纖L1 中傳輸，經(jīng)過OPC 頻譜反轉(zhuǎn)后得到與入射光振幅復(fù)共軛的共軛光E1*，共軛光繼續(xù)在后半段的光纖中傳輸，繼而補(bǔ)償入射光在前半段光纖中產(chǎn)生的色散及非線性損傷。圖1（b）為OPC結(jié)構(gòu)框圖，信號(hào)光與泵浦光經(jīng)耦合器耦合后一同進(jìn)入HNLF，在HNLF 中由于四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生新的光波，稱為共軛光，經(jīng)過放大器后，濾波器將共軛光濾出。

圖1 光學(xué)相位共軛原理框圖

3 結(jié)合色散補(bǔ)償?shù)腛PC 非線性補(bǔ)償技術(shù)

OPC 技術(shù)中光功率必須沿傳輸線對(duì)稱分布，GVD 和非線性效應(yīng)也應(yīng)對(duì)稱分布，對(duì)色散和非線性效應(yīng)才有良好的補(bǔ)償作用。但因?yàn)樵诟邆鬏敼β氏轮芷谛訣DFA 的放大作用和光纖產(chǎn)生的損耗，系統(tǒng)功率相對(duì)相位共軛器很難做到對(duì)稱。為了解決這一問題，可以在OPC 非線性補(bǔ)償中結(jié)合色散補(bǔ)償。根據(jù)光學(xué)相位共軛的基本原理，在傳輸鏈路的后半部分，可以抑制和補(bǔ)償前半段傳輸過程中偶數(shù)階色散產(chǎn)生的影響。但是三階色散的累積會(huì)導(dǎo)致脈沖峰值的前移和頻率漂移，從而影響傳輸信號(hào)。在相位共軛系統(tǒng)中引入色散補(bǔ)償后,改善了信號(hào)光脈沖的傳輸效果。結(jié)合色散補(bǔ)償?shù)腛PC 非線性補(bǔ)償技術(shù)，有三種方案可以實(shí)現(xiàn)，分別為前補(bǔ)償+OPC、后補(bǔ)償+OPC 與對(duì)稱補(bǔ)償+OPC。系統(tǒng)中每一段光纖后級(jí)聯(lián)一個(gè)EDFA 來彌補(bǔ)功率損耗，整個(gè)系統(tǒng)中點(diǎn)放置一個(gè)光相位共軛器件(OPC) 。傳輸信號(hào)經(jīng)過前一半N 段光纖的傳輸，產(chǎn)生了色散以及非線性失真，經(jīng)過OPC 之后得到一個(gè)頻率反轉(zhuǎn)的共軛信號(hào)，再經(jīng)過相同距離的光纖傳輸，最終到達(dá)接收端。

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

本文采用光學(xué)軟件optisystem 對(duì)單信道傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，傳輸速率為40Gbit/s，系統(tǒng)信號(hào)的調(diào)制格式均為NRZ。發(fā)射端由分布反饋式激光器和馬赫曾德爾調(diào)制器產(chǎn)生波長(zhǎng)為C波段的1549nm 的NRZ 信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過50km 的SMF 傳輸后，經(jīng)過功率放大器將傳輸信號(hào)進(jìn)行放大，補(bǔ)償在光纖傳輸中的損耗，進(jìn)入10km 的DCF 中進(jìn)行色散補(bǔ)償，這樣就作為一個(gè)補(bǔ)償單元。經(jīng)環(huán)形器通過若干個(gè)補(bǔ)償單元后進(jìn)入到光學(xué)相位共軛器當(dāng)中。相位共軛器如圖1（b）所示，進(jìn)入相位共軛器之前的信號(hào)光為E1 與功率為10dbm 的泵浦光在3db 的耦合器中耦合,得到的耦合光進(jìn)入長(zhǎng)度為1.35km 的高非線性光纖中，產(chǎn)生了波長(zhǎng)為1556.12nm 的共軛光。帶通濾波器只允許共軛光通過。共軛光經(jīng)過與進(jìn)入OPC 之前相同數(shù)量的補(bǔ)償單元后進(jìn)入接收機(jī)。

針對(duì)不同傳輸鏈路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的輸出信號(hào)光波的眼圖如圖2 所示。

圖2 不同補(bǔ)償鏈路的信號(hào)輸出眼圖

由圖2 可以看出，相同調(diào)制結(jié)構(gòu)的輸入信號(hào)在相同的傳輸距離下，由于色散補(bǔ)償方式的不同，輸出信號(hào)光波的眼圖存在差異。其中對(duì)稱補(bǔ)償方式下的眼圖效果最佳，而前置補(bǔ)償方式下的眼圖效果最差。這是由于在前置補(bǔ)償方案中，信號(hào)光脈沖在經(jīng)過前置補(bǔ)償單元后在整體上是被壓縮的，經(jīng)過多個(gè)補(bǔ)償單元后就產(chǎn)生明顯變形。在對(duì)稱補(bǔ)償方案中，信號(hào)光脈沖經(jīng)過兩個(gè)補(bǔ)償模塊后得到很好的補(bǔ)償，減小了非線性效應(yīng)的影響。通過眼圖分析儀，可以看出采用對(duì)稱補(bǔ)償方案和OPC 相結(jié)合鏈路結(jié)構(gòu)眼圖輪廓更加清晰，具有良好的效果，后補(bǔ)償方案和OPC相結(jié)合的鏈路次之，前補(bǔ)償方案和OPC 相結(jié)合的鏈路的眼圖輪廓最不清晰，補(bǔ)償效果最差。

結(jié)束語

首先介紹了光學(xué)相位共軛器的補(bǔ)償原理，分析了三種不同的色散補(bǔ)償方案，前置補(bǔ)償方案、后置補(bǔ)償方案與對(duì)稱補(bǔ)償方案對(duì)OPC 補(bǔ)償效果的影響，并利用optisystem 軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。結(jié)果表明：采用對(duì)稱補(bǔ)償結(jié)合OPC 方案補(bǔ)償色散及非線性效應(yīng)的效果最好。