1 引 言
在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，常采用由直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器[1]產(chǎn)生的光脈沖作為信號脈沖。隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速增長，光纖傳輸系統(tǒng)向著更快速和更大的容量發(fā)展。隨著速度和傳輸距離的增加，對于非線性[2]的影響可以通過適當?shù)乜刂迫肜w功率加以利用或者減弱，而色散[3-4]就成了光纖傳輸系統(tǒng)中主要的限制因素。因此在光纖傳輸系統(tǒng)中不僅需要補償群速度色散(GVD)[5]，還要補償三階色散(TOD)[5-6]。目前，人們已提出一些可能的技術(shù)方案來解決色散補償[7-8]問題，其中有兩種方法使用比較廣，一種是色散補償光纖(DCF)補償[9]，另外一種是啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)補償[10]。本文分析了在歸零碼(RZ)[11]調(diào)制下40、100、160 Gb/s的光纖傳輸系統(tǒng)中三階色散對系統(tǒng)的影響，同時比較分析了不同的速率、占空比和傳輸模式在傳輸高斯脈沖和超高斯脈沖時三階色散對系統(tǒng)的影響。
2 理論分析
在單模光纖傳輸系統(tǒng)中，光脈沖越短，三階色散效應(yīng)越大。光脈沖在單模光纖中傳輸演變的過程可以由非線性薛定諤方程[12]來描述：
式中E為光脈沖包絡(luò)，z為傳輸距離，β2(z) 為群速度色散，β3(z) 為三階色散，S(z) 為非線性系數(shù)，Γ(z) 為光纖損耗，g(z)為放大增益。
設(shè)光纖輸入端(z=0處)輸入的是帶有線性啁啾的高斯脈沖，則脈沖可以表示為
式中C為入射脈沖的啁啾因子，T0表示在1/e強度處的半寬，m為脈沖形狀參數(shù)。m=1為高斯脈沖，m>1為超高斯脈沖。
如圖1所示，傳輸系統(tǒng)采用啁啾光纖光柵進行色散補償，從光源出來的超短光脈沖經(jīng)過馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)調(diào)制成 40/100/160 Gb/s 光脈沖，先進入光纖光柵色散補償器，經(jīng)過 100 km 的標準單模光纖(SSMF)，用摻鉺光纖放大器(EDFA)進行功率放大，然后再進入光纖光柵色散補償器實施補償，進入環(huán)路控制，其中進行20次循環(huán)，也就是總共傳輸了2000 km，最后得到的信號通過低通濾波器(LPF)濾除高頻噪聲，再利用眼圖進行觀察。本文采用了兩種不同的色散管理模式，一種是SSMF和CFBG相結(jié)合，一種是非零色散位移光纖(NZDSF)和CFBG相結(jié)合。
3 仿真分析
仿真實驗參數(shù)如表1所示，光纖傳輸系統(tǒng)的速率從40Gb/s到160Gb/s，可以得到群速度色散和三階色散導(dǎo)致的脈沖展寬，通過改變傳輸距離、速率、占空比、輸入的脈沖形狀和色散管理模式，就可以得到脈沖中心的時域偏移量。
通過在光纖傳輸系統(tǒng)中采用不同速率的高斯脈沖和超高斯脈沖，可以得到如圖2所示的三階色散對傳輸系統(tǒng)的影響。對應(yīng)的輸入功率是1 mW，占空比是50%。從圖2中可以看出，速率從40 Gb/s增大到160 Gb/s時，三階色散效應(yīng)也隨之增大，在速率為40 Gb/s時，三階色散效應(yīng)可以忽略，而在速率為100 Gb/s和160 Gb/s時，脈沖的邊緣開始了振蕩。很明顯，三階色散影響了傳輸系統(tǒng)的群速度，使得脈沖發(fā)生了失真。
在圖3中比較了占空比為50%的高斯脈沖通過光纖傳輸系統(tǒng)后的脈沖中心時域變化，如果僅考慮群速度色散，脈沖中心位置將不會發(fā)生改變，而當考慮三階色散時，脈沖中心位置隨著傳輸距離改變。從圖中可以看出，速率為 40 Gb/s時，傳輸 2000 km 以后，高斯脈沖中心改變了 3.418 ps，而超高斯脈沖中心改變了2.825 ps，從而說明了隨著傳輸距離的改變，三階色散影響著光脈沖中心位置的變化。隨著速率的增加，脈沖中心位置變化量也在增加，并且三階色散效應(yīng)對高斯脈沖中心位置變化比對超高斯脈沖中心位置變化影響更大。
隨著速率的增大，脈沖在傳輸2000 km后，通過分析可以得到高斯脈沖的品質(zhì)因數(shù)優(yōu)于超高斯脈沖的品質(zhì)因數(shù)。分析結(jié)果如表2所示。
將占空比從20%逐漸改變到80%，三階色散引起的100 Gb/s高斯脈沖中心位置變化如圖4所示。在占空比為20%和40%時，信號傳輸2000 km后相應(yīng)的高斯脈沖中心位置變化為5.052 ps和5.061 ps。當占空比超過50%時，脈沖中心位置變化量相對變少。在占空比為60%和70%時，信號傳輸2000 km后相應(yīng)的高斯脈沖中心位置變化為4.835 ps和4.542 ps。
圖5表明了高斯脈沖中心位置的變化與占空比的關(guān)系，隨著占空比的增加，變化量明顯減少。初始脈沖的寬度是和占空比成比例的，因此隨著占空比的增加，脈沖寬度變大，同時三階色散效應(yīng)相對變小，高斯脈沖中心位置的變化量也會減小。
光纖的種類不同，由此而引起的三階色散效應(yīng)也不同。如圖6所示，同樣是100Gb/s的高斯脈沖傳輸系統(tǒng)，采用NZDSF-CFBG組合的脈沖中心時域變化量比SSMF-CFBG組合的少。
4 結(jié) 論
通過對不同的速率、傳輸距離、占空比、脈沖形狀和傳輸模式對三階色散效應(yīng)影響的分析，得出了以下結(jié)論：三階色散導(dǎo)致脈沖展寬，脈沖邊緣產(chǎn)生振蕩，同時脈沖中心會產(chǎn)生時域偏移，隨著速率的增加，脈沖中心時域偏移也會變大，脈沖中心時域偏移也受占空比、脈沖形狀和光纖類型影響。當速率是40 Gb/s時，脈沖邊緣的振蕩可以忽略，但是速率增加到100 Gb/s時，脈沖邊緣發(fā)生了振蕩，傳輸系統(tǒng)中的三階色散效應(yīng)不容忽視。當光纖傳輸系統(tǒng)采用SSMF-CFBG的時候，高斯脈沖的傳輸性能表現(xiàn)比較好。通過以上研究，為光纖傳輸系統(tǒng)往更高的傳輸速率和更長的傳輸距離發(fā)展提供了一定依據(jù)。
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