1 引 言
從2006年開始，相干光正交頻分復(fù)用技術(shù)（CO-OFDM）成為高速光傳輸中的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-2]，采用電域補(bǔ)償算法就可以非常有效地補(bǔ)償色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）[3-4]。CO-OFDM融合了OFDM技術(shù)和相干光通信的優(yōu)點(diǎn)，CO-OFDM系統(tǒng)可以在現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建出高速率、低成本、長(zhǎng)距離的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)下一代超高速長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)的十分有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一[5-7]。對(duì)于高速光纖鏈路來(lái)說(shuō)，鏈路色散會(huì)影響光傳輸系統(tǒng)的非線性效應(yīng)[8]，CO-OFDM也不例外。本文主要研究光纖鏈路色散對(duì)COOFDM系統(tǒng)的光纖非線性損傷的影響。
2 無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)的色散系數(shù)的影響
搭建了40 Gb/s四相相移鍵控（QPSK）信號(hào)碼型映射 CO-FDM仿真系統(tǒng)，如圖1所示。
2048個(gè)子載波，其中 1024個(gè)傳載數(shù)據(jù)，1008個(gè)為保護(hù)頻帶（ZP），16個(gè)為導(dǎo)頻，循環(huán)前綴（CP）長(zhǎng)度為 512（CP占總長(zhǎng)度的25%），接收機(jī)的電域信道補(bǔ)償算法采用本課題組在文獻(xiàn)[4]中提出的方案。
引入OFDM技術(shù)到光傳輸領(lǐng)域后，光纖鏈路可以不采用在線色散補(bǔ)償，而依靠OFDM特有的CP技術(shù)對(duì)抗色散走離導(dǎo)致的符號(hào)間干擾（ISI）和碼間干擾（ICI）損傷，并采用電域色散補(bǔ)償（EDC）算法補(bǔ)償該色散致相移。無(wú)在線色散補(bǔ)償鏈路如圖2所示，每一段鏈路由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）和摻鉺光纖放大器（EDFA）組成，無(wú)色散補(bǔ)償光纖(DCF)。
雖然不需要在線鏈路色散補(bǔ)償，但是信道中的光纖累積色散會(huì)影響非線性效應(yīng)。圖3所示為不同光纖色散系數(shù)下，無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)的入纖功率和Q因子的關(guān)系，激光器線寬為0，ZP比例為50%, CP比例為25%，距離為800 km。由圖可見，當(dāng)功率較小時(shí)，同樣的功率下，Q因子幾乎不受色散系數(shù)的影響。原因是小功率下非線性效應(yīng)不明顯，色散對(duì)性能影響較小。當(dāng)功率大于 -6 dBm 時(shí)，在同樣的功率下，色散系數(shù)越大，系統(tǒng)性能越好，也就是說(shuō)色散引起的走離減輕了OFDM系統(tǒng)的四波混頻（FWM）效應(yīng)。因此，系統(tǒng)鏈路上的色散在CP長(zhǎng)度足夠補(bǔ)償時(shí)，對(duì)抵消非線性損傷是很有益處的。
圖4為不同光纖色散系數(shù)下，無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)的光纖色散系數(shù)和最大Q因子以及非線性閾值(NLT)的關(guān)系，其他條件與圖3相同。提高色散系數(shù)，導(dǎo)致無(wú)鏈路色散補(bǔ)償?shù)睦鄯e色散增加，進(jìn)而加重子載波間的走離，影響FWM所需要的相位匹配，減輕了系統(tǒng)的非線性損傷。由圖可見，色散系數(shù)越大，非線性損傷越小，系統(tǒng)的非線性閾值（使系統(tǒng)Q因子大于10 dB的最大允許傳輸功率）、最大Q因子等都得到了顯著的提高。因此，對(duì)于CO-OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，鏈路采用色散系數(shù)為16 ps/(nm·km)的普通單模光纖要好于采用低色散系數(shù)的光纖。
3 在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)的殘余色散的影響
雖然無(wú)在線色散補(bǔ)償鏈路是CO-OFDM系統(tǒng)最優(yōu)的選擇，但是目前已有的骨干網(wǎng)都是采用DCF在線補(bǔ)償?shù)墓饫w鏈路。考慮到基于當(dāng)前鏈路的CO-OFDM技術(shù)升級(jí)，需要研究DCF光纖鏈路的對(duì)CO-OFDM的影響[9]。有DCF在線色散補(bǔ)償鏈路如圖5所示。
DCF光纖的纖芯直徑通常比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖小很多（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖9 mm，DCF的只有4 mm），損耗也比較大，必須附加放大器來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。DCF本身的小芯徑必然導(dǎo)致其中傳輸?shù)男盘?hào)在高功率的時(shí)候容易受到非線性的影響[10-12]；引入附加EDFA，系統(tǒng)中的放大自發(fā)輻射(ASE)噪聲增加，使得信號(hào)低功率時(shí)系統(tǒng)性能也將下降。針對(duì)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)，下面先研究DCF光纖入纖功率對(duì)非線性效應(yīng)的影響。當(dāng)SSMF光纖與DCF光纖入纖功率不同時(shí)，Q因子與首段光纖入纖功率的關(guān)系如圖6所示，在線色散補(bǔ)償，激光器線寬為0，ZP比例為 50%, CP比例為 25%，距離為 800 km。圖中的差值 0、4 dBm 和 8 dBm 表示 DCF比 SSMF所少的功率值，同時(shí)也繪出了無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真結(jié)果。首先，有DCF的系統(tǒng)性能比無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)要差很多，分析原因有三:1) DCF的小芯徑導(dǎo)致非線性效應(yīng)增強(qiáng)；2) DCF附加EDFA引入ASE噪聲;3) DCF補(bǔ)償了系統(tǒng)的色散，減低了鏈路的累積色散，使得非線性效應(yīng)增強(qiáng)[7]。當(dāng)SSMF入纖功率低時(shí)，在DCF入纖功率比SSMF降低的情況下，附加的EDFA的ASE噪聲作用增強(qiáng)，使得系統(tǒng)性能降低；當(dāng)SSMF入纖功率高時(shí)，在DCF入纖功率比SSMF降低的情況下，DCF中的非線性損傷越小，增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。對(duì)于有DCF的系統(tǒng)，當(dāng)SSMF光纖與 DCF光纖入纖功率之差越來(lái)越大時(shí)，也即同樣的 SSMF入纖功率下 DCF的入纖功率越來(lái)越小，使得曲線整體向右移動(dòng)。
圖7為SSMF與DCF光纖入纖功率之差對(duì)系統(tǒng)最大Q因子的影響，其他條件與圖6相同。隨著功率之差的增加，同樣SSMF功率下進(jìn)入DCF的功率降低，最大Q因子首先增大，然后降低，出現(xiàn)一個(gè)峰值（約為4 dBm）。
Q因子先增大的原因是，差值增大則DCF的入纖功率降低，非線性效應(yīng)降低；后降低的原因是，差值進(jìn)一步增大使得入DCF的功率更低，附加的EDFA的ASE噪聲效應(yīng)增強(qiáng)。因此，系統(tǒng)有一個(gè)最優(yōu)的功率差值，對(duì)于本系統(tǒng)，最優(yōu)的功率差值為4 dBm，即DCF的功率總要比SSMF的功率低4 dBm，才能保證系統(tǒng)的性能最好。因此，后續(xù)的仿真研究中都采用4 dBm的功率差。
色散斜率的存在使得DCF很難和SSMF的色散完全匹配進(jìn)行精確補(bǔ)償，鏈路殘余色散在所難免。下面將研究殘余色散對(duì)CO-OFDM系統(tǒng)的影響。由前面的研究可知色散是對(duì)非線性損傷有很大影響的，DCF系統(tǒng)亦是如此。圖8是不同殘余色散下Q因子與入纖功率的關(guān)系。在功率較低時(shí)（小于-7 dBm）,非線性效應(yīng)不明顯，所以殘余色散對(duì)系統(tǒng)性能影響很小；當(dāng)功率大于-7 dBm時(shí)，系統(tǒng)中存在很強(qiáng)的非線性損傷，此時(shí)殘余色散是有益的因素，隨著殘余色散的增加，非線性損傷得到抑制，Q因子得到提高。當(dāng)殘余色散等于1200 ps/nm時(shí)，此時(shí)的DCF系統(tǒng)幾乎和無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)性能相同。
圖 9為最大 Q因子和非線性閾值與殘余色散的關(guān)系。由圖中可見，殘余色散對(duì)系統(tǒng)是非常有益的因素。隨著殘余色散的增加，最大Q因子和非線性閾值都得到了顯著提高，當(dāng)殘余色散為1200 ps/nm時(shí)，性能幾乎和無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)相同。從0到1200 ps/nm，最大Q因子提高了4 dB，非線性閾值提高了4 dBm。信道中所存在的殘余色散，對(duì)CO-OFDM來(lái)說(shuō)不僅不是問(wèn)題，反倒是有利因素。因此可以這樣說(shuō)：即使采用COOFDM升級(jí)現(xiàn)有鏈路，雖然性能與無(wú)DCF補(bǔ)償?shù)逆溌废嗖钶^大，但是現(xiàn)有鏈路不需要做復(fù)雜而精細(xì)的色散補(bǔ)償和管理，大大節(jié)省了人力、財(cái)力和維護(hù)成本。
4 結(jié) 論
研究了鏈路色散分布對(duì)CO-OFDM系統(tǒng)的光纖非線性損傷以及系統(tǒng)性能。仿真研究表明，單信道 40 Gb/sCO-OFDM系統(tǒng)，無(wú)DCF鏈路比完全補(bǔ)償DCF鏈路Q因子高5.1 dB；對(duì)于DCF鏈路，當(dāng)殘余色散從0 增加到1200 ps/nm時(shí)，最大Q因子提高了4 dB，非線性閾值提高了4 dBm，性能幾乎和無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)相同。
參 考 文 獻(xiàn)
1 W Shieh, C Athaudage. Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing [J]. Electron Lett, 2006, 42(10):587-588.
2 Xuejun Liu, Yaojun Qiao, Yuefeng Ji. Reduction of the fiber nonlinearity impairment using optical phase conjugation in 40 Gb/s CO-OFDM systems [J]. Opt Commun, 2010, 283(13): 2749-2753.
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1 引 言
從2006年開始，相干光正交頻分復(fù)用技術(shù)（CO-OFDM）成為高速光傳輸中的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-2]，采用電域補(bǔ)償算法就可以非常有效地補(bǔ)償色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）[3-4]。CO-OFDM融合了OFDM技術(shù)和相干光通信的優(yōu)點(diǎn)，CO-OFDM系統(tǒng)可以在現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建出高速率、低成本、長(zhǎng)距離的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)下一代超高速長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)的十分有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一[5-7]。對(duì)于高速光纖鏈路來(lái)說(shuō)，鏈路色散會(huì)影響光傳輸系統(tǒng)的非線性效應(yīng)[8]，CO-OFDM也不例外。本文主要研究光纖鏈路色散對(duì)COOFDM系統(tǒng)的光纖非線性損傷的影響。
2 無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)的色散系數(shù)的影響
搭建了40 Gb/s四相相移鍵控（QPSK）信號(hào)碼型映射 CO-FDM仿真系統(tǒng)，如圖1所示。
2048個(gè)子載波，其中 1024個(gè)傳載數(shù)據(jù)，1008個(gè)為保護(hù)頻帶（ZP），16個(gè)為導(dǎo)頻，循環(huán)前綴（CP）長(zhǎng)度為 512（CP占總長(zhǎng)度的25%），接收機(jī)的電域信道補(bǔ)償算法采用本課題組在文獻(xiàn)[4]中提出的方案。
引入OFDM技術(shù)到光傳輸領(lǐng)域后，光纖鏈路可以不采用在線色散補(bǔ)償，而依靠OFDM特有的CP技術(shù)對(duì)抗色散走離導(dǎo)致的符號(hào)間干擾（ISI）和碼間干擾（ICI）損傷，并采用電域色散補(bǔ)償（EDC）算法補(bǔ)償該色散致相移。無(wú)在線色散補(bǔ)償鏈路如圖2所示，每一段鏈路由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）和摻鉺光纖放大器（EDFA）組成，無(wú)色散補(bǔ)償光纖(DCF)。
雖然不需要在線鏈路色散補(bǔ)償，但是信道中的光纖累積色散會(huì)影響非線性效應(yīng)。圖3所示為不同光纖色散系數(shù)下，無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)的入纖功率和Q因子的關(guān)系，激光器線寬為0，ZP比例為50%, CP比例為25%，距離為800 km。由圖可見，當(dāng)功率較小時(shí)，同樣的功率下，Q因子幾乎不受色散系數(shù)的影響。原因是小功率下非線性效應(yīng)不明顯，色散對(duì)性能影響較小。當(dāng)功率大于 -6 dBm 時(shí)，在同樣的功率下，色散系數(shù)越大，系統(tǒng)性能越好，也就是說(shuō)色散引起的走離減輕了OFDM系統(tǒng)的四波混頻（FWM）效應(yīng)。因此，系統(tǒng)鏈路上的色散在CP長(zhǎng)度足夠補(bǔ)償時(shí)，對(duì)抵消非線性損傷是很有益處的。
圖4為不同光纖色散系數(shù)下，無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)的光纖色散系數(shù)和最大Q因子以及非線性閾值(NLT)的關(guān)系，其他條件與圖3相同。提高色散系數(shù)，導(dǎo)致無(wú)鏈路色散補(bǔ)償?shù)睦鄯e色散增加，進(jìn)而加重子載波間的走離，影響FWM所需要的相位匹配，減輕了系統(tǒng)的非線性損傷。由圖可見，色散系數(shù)越大，非線性損傷越小，系統(tǒng)的非線性閾值（使系統(tǒng)Q因子大于10 dB的最大允許傳輸功率）、最大Q因子等都得到了顯著的提高。因此，對(duì)于CO-OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，鏈路采用色散系數(shù)為16 ps/(nm·km)的普通單模光纖要好于采用低色散系數(shù)的光纖。
3 在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)的殘余色散的影響
雖然無(wú)在線色散補(bǔ)償鏈路是CO-OFDM系統(tǒng)最優(yōu)的選擇，但是目前已有的骨干網(wǎng)都是采用DCF在線補(bǔ)償?shù)墓饫w鏈路。考慮到基于當(dāng)前鏈路的CO-OFDM技術(shù)升級(jí)，需要研究DCF光纖鏈路的對(duì)CO-OFDM的影響[9]。有DCF在線色散補(bǔ)償鏈路如圖5所示。
DCF光纖的纖芯直徑通常比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖小很多（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖9 mm，DCF的只有4 mm），損耗也比較大，必須附加放大器來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。DCF本身的小芯徑必然導(dǎo)致其中傳輸?shù)男盘?hào)在高功率的時(shí)候容易受到非線性的影響[10-12]；引入附加EDFA，系統(tǒng)中的放大自發(fā)輻射(ASE)噪聲增加，使得信號(hào)低功率時(shí)系統(tǒng)性能也將下降。針對(duì)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)，下面先研究DCF光纖入纖功率對(duì)非線性效應(yīng)的影響。當(dāng)SSMF光纖與DCF光纖入纖功率不同時(shí)，Q因子與首段光纖入纖功率的關(guān)系如圖6所示，在線色散補(bǔ)償，激光器線寬為0，ZP比例為 50%, CP比例為 25%，距離為 800 km。圖中的差值 0、4 dBm 和 8 dBm 表示 DCF比 SSMF所少的功率值，同時(shí)也繪出了無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真結(jié)果。首先，有DCF的系統(tǒng)性能比無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)要差很多，分析原因有三:1) DCF的小芯徑導(dǎo)致非線性效應(yīng)增強(qiáng)；2) DCF附加EDFA引入ASE噪聲;3) DCF補(bǔ)償了系統(tǒng)的色散，減低了鏈路的累積色散，使得非線性效應(yīng)增強(qiáng)[7]。當(dāng)SSMF入纖功率低時(shí)，在DCF入纖功率比SSMF降低的情況下，附加的EDFA的ASE噪聲作用增強(qiáng)，使得系統(tǒng)性能降低；當(dāng)SSMF入纖功率高時(shí)，在DCF入纖功率比SSMF降低的情況下，DCF中的非線性損傷越小，增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。對(duì)于有DCF的系統(tǒng)，當(dāng)SSMF光纖與 DCF光纖入纖功率之差越來(lái)越大時(shí)，也即同樣的 SSMF入纖功率下 DCF的入纖功率越來(lái)越小，使得曲線整體向右移動(dòng)。
圖7為SSMF與DCF光纖入纖功率之差對(duì)系統(tǒng)最大Q因子的影響，其他條件與圖6相同。隨著功率之差的增加，同樣SSMF功率下進(jìn)入DCF的功率降低，最大Q因子首先增大，然后降低，出現(xiàn)一個(gè)峰值（約為4 dBm）。
Q因子先增大的原因是，差值增大則DCF的入纖功率降低，非線性效應(yīng)降低；后降低的原因是，差值進(jìn)一步增大使得入DCF的功率更低，附加的EDFA的ASE噪聲效應(yīng)增強(qiáng)。因此，系統(tǒng)有一個(gè)最優(yōu)的功率差值，對(duì)于本系統(tǒng)，最優(yōu)的功率差值為4 dBm，即DCF的功率總要比SSMF的功率低4 dBm，才能保證系統(tǒng)的性能最好。因此，后續(xù)的仿真研究中都采用4 dBm的功率差。
色散斜率的存在使得DCF很難和SSMF的色散完全匹配進(jìn)行精確補(bǔ)償，鏈路殘余色散在所難免。下面將研究殘余色散對(duì)CO-OFDM系統(tǒng)的影響。由前面的研究可知色散是對(duì)非線性損傷有很大影響的，DCF系統(tǒng)亦是如此。圖8是不同殘余色散下Q因子與入纖功率的關(guān)系。在功率較低時(shí)（小于-7 dBm）,非線性效應(yīng)不明顯，所以殘余色散對(duì)系統(tǒng)性能影響很小；當(dāng)功率大于-7 dBm時(shí)，系統(tǒng)中存在很強(qiáng)的非線性損傷，此時(shí)殘余色散是有益的因素，隨著殘余色散的增加，非線性損傷得到抑制，Q因子得到提高。當(dāng)殘余色散等于1200 ps/nm時(shí)，此時(shí)的DCF系統(tǒng)幾乎和無(wú)在線色散補(bǔ)償系統(tǒng)性能相同。
圖 9為最大 Q因子和非線性閾值與殘余色散的關(guān)系。由圖中可見，殘余色散對(duì)系統(tǒng)是非常有益的因素。隨著殘余色散的增加，最大Q因子和非線性閾值都得到了顯著提高，當(dāng)殘余色散為1200 ps/nm時(shí)，性能幾乎和無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)相同。從0到1200 ps/nm，最大Q因子提高了4 dB，非線性閾值提高了4 dBm。信道中所存在的殘余色散，對(duì)CO-OFDM來(lái)說(shuō)不僅不是問(wèn)題，反倒是有利因素。因此可以這樣說(shuō)：即使采用COOFDM升級(jí)現(xiàn)有鏈路，雖然性能與無(wú)DCF補(bǔ)償?shù)逆溌废嗖钶^大，但是現(xiàn)有鏈路不需要做復(fù)雜而精細(xì)的色散補(bǔ)償和管理，大大節(jié)省了人力、財(cái)力和維護(hù)成本。
4 結(jié) 論
研究了鏈路色散分布對(duì)CO-OFDM系統(tǒng)的光纖非線性損傷以及系統(tǒng)性能。仿真研究表明，單信道 40 Gb/sCO-OFDM系統(tǒng)，無(wú)DCF鏈路比完全補(bǔ)償DCF鏈路Q因子高5.1 dB；對(duì)于DCF鏈路，當(dāng)殘余色散從0 增加到1200 ps/nm時(shí)，最大Q因子提高了4 dB，非線性閾值提高了4 dBm，性能幾乎和無(wú)色散補(bǔ)償系統(tǒng)相同。
參 考 文 獻(xiàn)
1 W Shieh, C Athaudage. Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing [J]. Electron Lett, 2006, 42(10):587-588.
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