光纤系统中编码方式对系统性能影响以及色散补偿

李日淼，李 萍，王裕如，陈鹏远，刘 实

(大连工业大学 信息科学与工程学院,辽宁 大连 116034)

0 引 言

目前现代光通信技术中，抑制大容量长距离光纤传输的几个主要因素是发射端的编码方式、光纤的损耗问题、光纤的色散、非线性问题等。由于掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)的出现，极大解决了光纤的损耗问题，但是由于传输距离的增加，光信号在光纤中传输的脉冲展宽，码间干扰问题加重，因此色散问题就变得不可忽视[1-3]。

一般对于系统中色散问题都采用虚像相位阵列法、光孤子传输技术、色散补偿光纤(dispersion compensating fiber，DCF)、光纤布拉格光栅(fiber brag grating，FBG)等，其中DCF和FBG这两种方式进行色散补偿是较常用的补偿方式[4-6]，而至于系统编码方式与色散补偿方式的比较，以及对色散补偿方式的改进研究较少。

因此本研究在以前的基础上，通过对比常用DCF和FBG两种方式进行色散补偿，对较好的色散补偿方式进行改进。通过分析编码方式，对系统采用DCF和FBG两种色散补偿方法来实现光通信系统的色散补偿，并在前置和后置补偿这两种方式的基础上，对系统色散补偿进行对比分析，利用仿真软件对传输速率为40 Gbit/s的单信道系统进行建模仿真，对比分析了这几种色散补偿方式的优劣并选取其中补偿效果较好的一种方法应用到多信道系统中。并对该系统采用级联型的FBG色散补偿模块，以较好地实现对WDM系统的色散补偿，为光通信系统的升级扩容提供有力的依据。

1 系统原理设计

光纤传输系统是由光发射端，光纤信道和光终端组成。信号发射端是由光信号发射源、信号序列发生器、马赫曾德调制器组成。系统的光纤信道是由单模光纤和DCF组成。光放大器是为了将衰减的光信号可以传输更远的距离，一般使用EDFA。光纤系统终端是由光接收模块，低通滤波器，误码仪等构成[7-8]。但是对于系统来说，发射端编码方式的优劣程度，对于系统的色散影响较大。

2 发射端编码方式

2.1 载波抑制归零码编码方式

载波抑制归零码(carrier-suppressed return to zero，CSRZ)，产生CSRZ的方法是使用两个马赫-曾德(Mach-Zehnder，MZ)调制器来引入π相位的反转，利用第一个MZ调制器进行光强度调制，产生一个CSRZ脉冲序列，相邻脉冲差为π相位，原始调制信号为正弦信号；对第二个MZ调制器进行调制，产生RZ信号，对幅度为相位上下反相的两个NRZ编码电信号进行调制，通过把偏置点定在MZ调制器的最低点，能够实现CSRZ信号[9]。因此将占空比为67%的归零码称为载波抑制归零码，一般用Ein和Eout表示第二个MZ的输入和输出电场，φ1和φ2表示上下臂的电位变化，生成过程：

式中：V1m和V2m分别表示MZ调制器上下臂脉冲的幅度，φ1和φ2分别表示MZ调制器上下臂的角频率，ψ1和ψ2分别表示MZ调制器上下臂的相位，V1和V2分别表示MZ调制器上下臂的偏置电压，而Vπ表示半波电压，通常取5 V。CSRZ的光谱如图2(a)所示。

(a) 无色散补偿

(a) 无色散补偿

(a) 初始脉冲宽度

(a) CSRZ光谱图

2.2 非归零码编码方式

非归零码(non-return to zero，NRZ)，在每个二进制符号间隔内，非归零码信号波形的电平保持不变。NRZ是通过对一个半导体激光器的外调制或直接调制产生。但NRZ码容易受到器件特性的限制和啁啾问题，因此不能够适应长途传输[10]。NRZ光谱如图2(b)所示。

2.3 改进的光双二进制码编码方式

改进的光双二进制码(modified optical duobinary return to zero，MDRZ)，具体过程是用双二进制预编码器、NRZ码脉冲发生器产生一个信号，经过第一个MZ调制器，用一个频率、相位合适的正弦波发生器调制第二个MZ调制器[11]，MDRZ具体产生过程：

假设需要发送的信号x(t)，经过预编码为

式中：T为时间宽度，q(t)为非归零矩形脉冲发送端的输入码元为ck。经过预编码，发送信号还要经过时间延迟产生的信号x′(t)为

式中：τ为时间常数，得到MDRZ编码方式的输出信号y(t)为

y(t)=x(t)-x′(t)

最后使用双臂铌酸锂调制器，y(t)来调制光信号。MDRZ编码方式仍是一种二进制编码，但因为其频谱宽度比其他二进制编码方式频谱宽度都窄，因此MDRZ编码方式是所有归零码中频谱宽度最窄的编码方式[12]，改进的光双二进制编码产生流程图如图1所示，光谱如图2(c)所示。

图1 改进的光双二进制码产生流程图Fig.1 The flow chart of MDRZ generation

观察系统发射端的光谱图，3种调制方式产生的光谱图频谱宽度都比较窄，因此都具有较好的色散容限。可在3种传输系统中进行DCF和FBG色散补偿观察对系统的影响。

3 系统色散补偿

3.1 色散补偿原理

在DWDM传输系统中，一般采用DCF和FBG色散补偿方式进行色散补偿，DCF色散补偿就是将带有负的色散系数的DCF和光纤中产生正的色散系数的标准单模光纤(single mode fiber，SMF)进行串联，使二者正负色散互相抵消，实现传输距离的延长，在整个传输系统中，要尽可能让系统总色散值接近于0，从而达到完全补偿[13-14]。

FBG色散补偿原理如图3所示，就是在光波通过光栅时，较长波长的光在光栅的始端被反射，较短波长的光在光栅的末端被反射，前后形成了时延差，后者比前者时延大，从而补偿了由于色散影响的脉冲展宽，使脉冲被压缩或者还原到初始状态，从而达到了色散补偿效果。图4是时域观察图，可明显看出光脉冲信号经过光纤发生了明显的展宽，通过布拉格光栅后被压缩达到色散补偿效果[15-16]。

图3 FBG补偿光纤工作原理Fig.3 The working principle of FBG compensation fiber

3.2 三种编码方式下的色散补偿

通过仿真，对CSRZ、NRZ和MDRZ编码方式分别进行色散补偿，系统整体参数保持一致，采用的系统整体速率为40 Gbit/s，系统EDFA放大器增益为20 dB，输入的光功率为10 dBm，将光纤链路总长设置为60 km，在30 km处加上DCF和FBG分别进行色散补偿，前后30 km采用SMF和EDFA结合，整个系统通过循环控制器的循环次数n来控制总体传输距离，具体系统参数如表1所示。

表1 系统仿真参数Tab.1 System simulation parameters

对于一个系统，Q值和误码率可以反映系统性能好坏，而Q值是反应系统传输性能好坏最重要的参数之一，它能将系统容限用分贝的形式简单表示出来，一般来说Q值大，链路性能越好。因此通过仿真观察CSRZ、NRZ和MDRZ3种编码方式在DCF和FBG哪种编码方式和补偿方式更好。

从有无色散补偿下的3种编码方式Q值，如图5所示，可以通过观察系统Q值，可见MDRZ编码方式在不加任何的色散补偿时，是3种里面传输性能最好的，NRZ编码方式相对来说Q值较低，是3种里面传输性能最差的。但是在3种都加了色散补偿后不论是DCF还是FBG，Q值相对提高，传输性能都有所改进，随着入射功率的增加，Q值的增加幅度在使用FBG补偿时增加更明显，这是因为DCF进行补偿时损耗比较大，因此在传输过程中有效的面积要小，导致非线性效应变大，随着入射功率的增加非线性效应又变得更大，因此Q值相对较小，由于比正常传输相比，色散影响小很多，因此会比正常传输Q值要高一些。而FBG具有体积小，与光纤结合更容易，损耗低等优点，FBG色散补偿方式要比DCF补偿方式效果好。因此，在实验基础上，采用编码方式更好的MDRZ方式结合FBG补偿方式，进一步改善系统传输性能。

4 系统色散补偿分析

对于需要信息在光纤中进行大容量、长距离传输的时候，单信道的系统传输容量存在局限性，但对于WDM系统一个FBG不能对系统进行很好的色散补偿，因此要对WDM系统进行色散补偿，将8个FBG进行串联，如图6所示。

图6 FBG补偿WDM系统原理图Fig.6 Diagram of WDM system with FBG

该系统中，8个不同频率的光信号经过光复用器后，经过光环路器后进入每一个FBG模块，每个FBG只对应8个信号其中一种的分信号，这样就可以对原信号进行色散补偿。最后经过色散补偿的光信号再经过合成器形成一个耦合信号回到光环路器中，最后通过解复用器将耦合的光信号解复用成8个原信号。最后通过观察系统Q值和眼图来判断色散补偿前后系统的传输效果，因为第一信道的信号更容易受到干扰，一般都以第一个信道的输出结果作为研究对象。

整个系统共产生8个频率的信号，初始频率为193.1 THz，由于MDRZ编码方式和FBG色散补偿方式的系统Q值较高，因此将MDRZ编码方式进行级联FBG补偿和无补偿进行比较系统的Q值如图7所示。

从图7中可以看出在其他条件相同时，采用FBG级联进行色散补偿系统Q值大于无补偿系统Q值，而误码率(bit error ratio，BER)是衡量数据在一定时间内数据传输精确性的指标，误码率为传输中的误码占所传输的总码数的百分比，有FBG补偿时的系统BER低于无色散补偿时的BER，通过观察两个系统的眼图也能得出相同的结论，如图8所示。

图7 WDM系统Q值变化Fig.7 Q value change of WDM system

在仿真过程中，还发现系统的传输性能会随着传输距离的变化为变化，也就是通过改变系统的环路控制器n，其中(n=1，2，3，…，17)，一圈的跨度为60 km，观察系统Q值与传输距离关系如图9所示。

图9是采用MDRZ编码方式和FBG色散补偿方式，通过观察Q值和环路控制器n的关系可以看出，在900 km以前，随着环路控制器n的增加，Q值总体呈现递减的趋势，传输距离超过900 km，系统由于受到四波混频影响效果较大，总体Q值降到了10以下，这时系统传输性能明显下降，也就是在900 km为MDRZ编码方式采用FBG色散补偿时的有效距离。

图9 系统Q值与环路控制器圈数的关系Fig.9 Relationship between system Q value and loop controller

5 结 论

通过在单信道下将NRZ、CSRZ和MDRZ 3种编码方式进行DCF和FBG色散补偿仿真研究，结果发现采用MDRZ和FBG两种的系统传输效果最好，不但能让单信道的编码方式得到优化，而且采用FBG色散补偿方式对系统的补偿效果最好。针对大容量长距离WDM系统，采用MDRZ编码方式和FBG色散补偿方式，通过比较有无补偿的系统Q值，发现级联FBG模块对系统色散补偿有一定作用，并且在900 km以内传输效果是最佳的。MDRZ编码方式和FBG色散补偿方式，具有很好的发展前景，对以后大容量、长距离的光纤传输，提供了很好的基础。