張 永，郭 誼，王赫男

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

0 引 言

在常規(guī)光纖通信系統(tǒng)中，光纖呈線性傳輸特性。然而，當光功率增加到一定值時，光纖和光器件開始呈現(xiàn)非線性特性。過去，這種非線性不太為人們所關(guān)注，然而近年來隨著傳輸速率的提高、傳輸距離的延長、波分復用通路數(shù)的增加以及光纖放大器的應用，這種光纖的非線性己成為嚴重影響系統(tǒng)性能的因素[1]。而另一方面，人們也試圖利用這種非線性來改進光系統(tǒng)的性能，變害為利?？傊?，非線性問題己成為新一代光纖通信系統(tǒng)設計考慮的重要方面。文章對光纖的自相位調(diào)制效應(SPM)進行了研究，并對其在色散補償光纖中的作用進行了仿真分析研究。

1 理論分析

光學非線性的大小通常取決于介質(zhì)的非線性系數(shù)、光波光強以及光波與非線性介質(zhì)的有效作用長度等因素。由于石英光纖是各向同性的，在這種情況下，非線性效應反映為光學折射率與光強成正比關(guān)系[2]，即：

(1)

設光波波長為λ，強度為E(t)的光脈沖在長度為L的光纖中傳播，則光強感應的非線性折射率(即光強感應的折射率的變化)為：

Δn(t)=nNL=n2E2(t)

(2)

那么，相對入射時的相位發(fā)生如下相移：

(3)

這種相位的變化必然要產(chǎn)生頻率的漂移，它產(chǎn)生的頻率漂移為：

(4)

圖1 光纖SPM效應引起的頻率啁啾

光纖的這種自相位調(diào)制效應(SPM)使輸入脈沖的前沿頻率變低，而后沿的頻率變高，稱為頻率啁啾。這種頻率啁啾將對光脈沖在光纖中的傳輸特性產(chǎn)生非常奇妙的影響。

2 模擬仿真

利用上述非線性窄化現(xiàn)象來補償光纖的色散展寬，可最大限度達到信號的無失真?zhèn)鬏擺3]。

在系統(tǒng)傳輸速率不高、通信容量不大、距離比較短的情況下，可以最大限度地去補償色散，采用完全補償；然而，在系統(tǒng)要求傳輸速率高、通信容量大的情況下，激光器的功率就需要加大，入纖功率增大帶來的后果是光纖中出現(xiàn)了非線性效應，這個時候，需要留有一定的色散，來與非線性效應共同作用，從而達到系統(tǒng)的性能要求。

建立一個具體的光系統(tǒng)來觀察色散與非線性效應結(jié)合對系統(tǒng)性能的影響，如圖2所示。

圖2 非線性效應(SPM)與色散共同作用下的光系統(tǒng)圖

系統(tǒng)為單信道系統(tǒng)，因此非線性效應中只需考慮SPM效應[4]；本方案包含了2個子系統(tǒng)，第1個剩余色散為零，即色散完全補償，第2個色散不為零，即色散不完全補償，也稱作欠補償。

系統(tǒng)參數(shù)設置為：傳輸速率B=10 Gb/s，SMF的色散參數(shù)D=16 ps/nm·km，L=100 km；第1個系統(tǒng)的色散補償光纖(DCF)色散參數(shù)D=-80 ps/nm·km，L=20 km；第2個系統(tǒng)的DCF色散參數(shù)D=-72 ps/nm·km，L=20 km；其中SMF與DCF的損耗由摻餌光纖放大器(EDFA)來完全補償，且EDFA的噪聲指數(shù)為0[4]，這是為了更好地研究SPM與色散的效應，避免受到損耗的影響。

系統(tǒng)設定了激光器的3個發(fā)射功率：0 dBm、10 dBm、13 dBm，用來觀察使SPM起作用的功率的大小。圖3與圖4給出了在3個不同功率下2個系統(tǒng)的性能眼圖。

圖3 零色散系統(tǒng)的眼圖

圖4 有剩余色散的系統(tǒng)眼圖

由圖3可知：隨著光源發(fā)射功率的增大，零色散系統(tǒng)的各項性能開始下降，眼圖明顯惡化(Q值分別為114、14與6)，這是因為SPM效應與光功率成正比，加大了光功率后會增強SPM效應[5]。

由圖4可知：隨著光源發(fā)射功率的增大，有剩余色散的系統(tǒng)性能并無明顯變化，眼圖也無惡化現(xiàn)象(Q值分別為12、11與12)，這說明SPM與色散共同作用下，使兩者的缺陷得到了相互的抑制，系統(tǒng)的性能得到了有效的改善。也就是說，SPM效應可以由不完全色散補償進行有效的抑制。

進一步對比兩圖可知：當光源功率P為10 dBm時，2個系統(tǒng)性能都是良好的(Q值分別為14和11)，可以完成通信要求；而當P=13 dBm的時候，2個系統(tǒng)則有了明顯的區(qū)別：零色散系統(tǒng)眼圖惡化嚴重，Q值降為6；而有剩余色散的系統(tǒng)則無明顯變化，Q值反而增大到12。由此可知，超過10 dBm后SPM效應開始起作用，如果再設定一些激光器發(fā)射功率的話，還可以得到SPM效應的閾值功率為18 dBm，即當入纖光功率<18 dBm時，系統(tǒng)誤碼率隨光功率的增大而減小；當入纖光功率>18 dBm時，系統(tǒng)誤碼率隨光功率的增大而迅速增大，參見圖5。原因是當發(fā)射功率超過18 dBm后，過強的SPM效應將使色散得到過度補償，反而會再次影響到系統(tǒng)性能。

3 結(jié)束語

文章對光纖非線性效應中的SPM效應進行了深入研究，針對其在色散補償方面的作用，建立仿真系統(tǒng)進行仿真，分析表明利用SPM可使光纖中的色散得到有效補償，同時提高了入纖功率，使得光纖通信系統(tǒng)的通信速率、容量得到極大的提升，系統(tǒng)性能得到了全面的提升。在光纖通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，文章中研究的利用SPM的色散補償技術(shù)具有廣闊的應用前景。

圖5 光源功率與系統(tǒng)Q值的關(guān)系曲線圖