光纤通信系统色散补偿方案的优化

曹 雪

光纤通信系统色散补偿方案的优化

曹 雪

（河南大学物理与电子学院通信工程系，开封475004）

为了优化光纤通信系统色散补偿方案，采用软件仿真的方法设计了一个用色散补偿光纤进行色散补偿的单信道通信系统，利用光纤环形镜的全反射特性使该系统的色散补偿方案得到了优化，补偿效果良好，并节约了成本。对色散补偿及光纤环形镜的工作原理进行了理论分析和仿真验证，取得了系统在2.5Gbit／s和10Gbit／s下Q参量和眼图的仿真数据，分别找出了两个信号速率下的系统最佳输入功率。结果表明，系统在2.5Gbit／s下的最佳输入功率为13dBm，此时Q参量达到了172.88；系统在10Gbit／s下的最佳输入功率为6dBm，其相应Q参量为45.96。这一结果对实际应用中光纤通信系统的色散补偿是有帮助的。

光通信；色散补偿；色散补偿光纤；光纤环形镜

引 言

近年来，随着对高速、大容量信息系统需求的日益增加，光纤通信得到了长远的发展，而光纤的损耗和色散一直影响着光信号传输的质量［1］。由于掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）技术的快速发展及商用化，光纤损耗已不再是限制系统性能的主要因素。色散导致的脉冲展宽将产生严重的码间干扰，从而限制了中继距离和传输速率。因此，如何解决光纤通信系统中色散积累问题成为当前研究的热点［2-4］。

目前光纤色散补偿技术主要有：色散补偿光纤（dispersion compensating fiber，DCF）、光纤布喇格光栅（fiber Bragg grating，FBG）、虚像相位阵列和平面波导等技术。使用基模的DCF色散补偿技术相对成熟、简单，是最实用的一项技术。DCF性能稳定，不易受温度等外界环境的影响及具有很宽的工作带宽等特点，更适合长距离补偿，它可以使不同传输光纤的色散和色散斜率得到补偿，更适合于大容量的波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）系统，因而研究、优化以DCF进行色散补偿的方案在实际工程中是非常重要的［5-7］。本文中利用仿真软件及光纤环形镜（fiber loop mirror，FLM）的全反射特性［8］对单信道光纤通信系统的DCF色散补偿方案进行了优化设计，该色散补偿方案色散补偿效果良好、可以消除偏振相关性、结构紧凑、节约成本、性价比高，更适合于实际工程中的应用。

1 工作原理

1.1色散补偿原理

常规单模光纤与单模DCF光纤在1550nm光波长处分别有正色散和负色散，可以利用这个特性进行色散补偿，延长传输距离。为了获得补偿的效果，在线路中两者长度的选择应满足如下公式［3］：

式中，D（λs）和Dc（λs）分别为常规单模光纤和DCF在工作波长λs处的色散系数，L和Lc分别为相应长度。

DCF光纤的纤芯直径通常比标准单模光纤小很多，过高的入纤功率将会增加光纤非线性对系统的影响，导致误比特率（bit error ratio，BER）的增加，而且DCF光纤比标准单模光纤的衰减大，所以必须在系统中加入放大器来进行补偿［3，6］。在选择DCF时，必须兼顾色散系数和衰减系数这两个参量。DCF的品质因数F（figure of merit，FOM）定义公式如下式［3，9］：

式中，Dc和αc分别为DCF的色散系数和衰减系数。线路中由于DCF的接入会增加损耗，这个增加的衰减量可用F估算，（1）式满足后，线路的平均衰减系数αad为［3］：

式中，D和α为常规单模光纤的色散系数和平均衰减系数。显然，DCF的F越高，αad越小，信号传输质量越好。

1.2光纤环形镜工作原理

以耦合比为0.5的2×2熔锥型宽带光纤耦合器制作的FLM具有全反射特性，其结构如图1所示。其中，Iin，Ir，It分别为该器件端口1的输入光强、端口1的反射光强和端口2的透射光强。设耦合器的耦合比为c∶（1－c），忽略附加损耗并且FLM的长度不长时，其反射率、透射率为［10-11］：

Fig.1 Configuration of FLM

式中，R为端口1反射率，T为端口2透射率。由（4）式、（5）式可知，当c＝0.5时，两束相反方向传输的光将发生相消干涉，此时FLM具有全反射特性，端口1输入的光将全部经端口1反射回去。

2 系统仿真及结果分析

设计仿真的以DCF进行色散补偿的单信道光纤通信系统如图2所示，该系统将色散补偿光纤DCF置于两个EDFA中间，这是一种能够有效降低或避免长距离传输的偏振相关性的色散补偿光纤放置方式［2］。由于FLM的全反射特性，光束在DCF光纤中来回传输两次，所以只需与总色散相对应长度一半的DCF光纤，即（1）式中的Lc／2就可以补偿总色散了，这不仅降低了成本，而且FLM为全光纤器件，能与DCF很好地熔接，使整个系统更加紧凑。根据（4）式、（5）式及以宽带耦合器（耦合比c＝0.5）制作的FLM的测试实验可知，其全反射作用效果很好，在1550nm波长附近，T≤0.1%，即端口1反射率R高于99.9%［11］。

Fig.2 DCF dispersion compensation

设计将连续（continuous wave，CW）激光器、Mach-Zehnder调制器、伪随机序列发生器、非归零脉冲发生器按图2中的连接方式组成该系统的信源模块，其中连续激光器的输出激光波长设定为1552.5nm；传输光纤采用常规单模光纤（single-mode fiber，SMF），传输波长为1550nm附近的光波，长度为120km，衰减系数为0.2dB／km，色散系数为17ps／（km·nm），有效面积为85μm2；单模色散补偿光纤DCF衰减系数为0.6dB／km，色散系数为－85ps／（km·nm），有效面积为19μm2，根据（1）式，计算得出所需DCF的长度应为24km，由于DCF末端加入了FLM，所以只需要实际DCF长度为12km，根据（2）式和（3）式可算出DCF的F＝141.67，线路的平均衰减系数αad＝0.32dB／km；由于软件端口设置的局限性，不能像实际应用中那样将耦合器的两个输出端熔接在一起，所以实际仿真中用FBG代替FLM作为全反射装置。由于该系统应用的是单波长激光光源，所以FBG与FLM全反射效果一样。实际应用中，FLM因其较宽的带宽特性不仅能应用于单信道系统中，还能很好地应用于多波长的WDM系统中。该光栅的反射波长也设在1552.5nm处，此处波长的反射率为0.99；放大器为掺铒光纤放大器EDFA，放大器1的增益设为20dB，放大器2的增益为12dB；光电探测器采用的是PIN光电二极管，其响应度为1A／W；滤波器采用的是低通贝塞尔滤波器；使用示波器和误比特率分析仪为测量器件。

首先通过设置使信源模块产生2.5Gbit／s的非归零（nonreturn-to-zero，NRZ）信号。通常，作为一个品质因数，采用信号的Q参量来衡量信号的质量［12］。图3a为Q参量与连续激光器输出功率的关系图，从中可以看出，Q参量与系统输入功率近似于高斯分布。这是因为当入纤功率比较低的时候，信号受信噪比的影响较大，增加入纤功率有利于增大信噪比，从而使误比特率降低，但是当入纤功率较高时，光纤的非线性效应将随入纤功率的增加，影响越来越严重，反而使Q参量降低［6］，所以在实际应用中应该找出最佳的系统输入功率。通过仿真计算得出该系统的最佳输入功率，结果如图3a所示，当输入功率为13dBm时，信号Q参量最高，为172.88。图3b是输入功率为13dBm时，Q参量与时间t的关系图，即系统的眼图。从中可以看出，“眼睛”张得很大，且眼图端正，表示码间串扰很小。

然后通过设置使信源模块产生10Gbit／s的NRZ信号。图4a为此时Q参量与连续激光器输出功率的关系图，可以看出两者也近似成高斯分布。最佳输入功率是6dBm，此时Q参量最高，为45.96。图4b为10Gbit／s的NRZ信号下，输入功率为6dBm时的眼图。

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

通过图3a和图4a的对比可以看出，10Gbit／s信号下系统的Q参量最高值为45.96，而2.5Gbit／s信号下系统的Q参量可以高达172.88，两图中整体的Q参量相差较大，通过对图3b与图4b的眼图比较也可以看出这一点。这是因为色散与系统速率的平方成反比，信号速率越大，系统受色散影响的程度越大，从而使误比特率增加，降低了Q参量［2］。

关于色散补偿系统的设计还可以进行下一步的优化工作，例如可以通过对光纤光栅的悬臂梁调谐作用［13］进行动态色散补偿，以提高光信号传输质量，适应光网络的动态需要和发展［14］。实际工程应用中，采用FLM或FBG都可以起到较好的全反射效果，可根据实际情况选用。如果系统为WDM系统或光源采用宽带光源，可考虑具有宽带特性的FLM；如果系统为单信道系统或采用窄带光源，则也可考虑FBG。FBG具有补偿色散和色散斜率功能［15］，若系统需要动态色散补偿则可应用FBG，还可设计多个啁啾光纤光栅叠栅的结构［16］完成WDM系统中的色散补偿工作。

3 结 论

设计仿真了一个以DCF进行色散补偿的光纤通信系统。利用Q参量和眼图分别讨论了该系统在不同输入功率、不同信号速率下的色散补偿效果，并分析了产生不同结果的原因。通过仿真得出该系统在2.5Gbit／s下的最佳输入功率为13dBm，此时Q参量最高为172.88；系统在10Gbit／s下的最佳输入功率为6dBm，此时Q参量最高为45.96。利用光纤环形镜或光纤栅的全反射特性优化了该系统，使其只用到所需DCF长度的一半即可很好地补偿系统的总色散，如果将该色散补偿方案用于实际工程中则能节约成本、减小体积、减轻重量、使结构更加紧凑，还可以有效地降低或消除偏振相关性，使色散补偿效果良好。

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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

河南省高等学校青年骨干教师资助计划资助项目（2011GGJS-029）

曹 雪（1981-），女，讲师，硕士，现主要从事光纤通信与光纤传感的研究。

E-mail：henu_caoxue＠126.com

2013-03-19；

2013-04-25