光纤非线性效应对光纤主干网dm+edfa扩容的影响

光纤非线性效应对光纤主干网dm+edfa扩容的影响

1通信系统的非线性效应中国大多数采用传统的单模g.652。零色散和最小衰减分别位于1310和1550nm的窗口。对这种光纤扩容的主要方法有两种:波分复用(WDM)方式和电时分复用(TDM)方式。采用10Gb/s以上的TDM方式,不仅受到电子器件的限制,而且受到光纤的色散、非线性效应和偏振模色散(PMD)的影响,因此,目前暂时以10Gb/s为限度。WDM技术可有效利用光纤的低损耗带宽,避免电子电路速率对通信系统容量的限制,并且可以忽略PMD,成为提高通信容量和适应市场急剧增长需求的最好办法之一。对于G.652光纤,目前几乎所有的大公司都选择N×2.5Gb/sWDM作为发展策略,在不使用色散补偿手段的情况下方便地进行扩容。用掺铒光纤放大器(EDFA)作在线放大,补偿光波损耗,大大提高了传输距离,并可利用光滤波器有效抑制EDFA存在放大的自发发射(ASE)噪声。因而,WDM+EDFA具有强大的吸引力,是今后实现大容量、长距离光纤通信的捷径之一。然而,随着光纤内传输功率的增大以及密集波分复用(DWDM)技术和EDFA的应用,光纤中的非线性效应显著增强,成为限制DWDM光通信系统性能的主要因素。光纤中的非线性效应主要有受激喇曼散射(SRS),受激布里渊散射(SBS),自相位调制(SPM),交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)等。虽然WDM系统中的各种非线性效应已进行了大量研究,并提出了降低和克服它们的各种方法,但没有系统地给出这些非线性效应对G.652光纤WDM+EDFA技术的影响[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。本文详细分析了SRS、SBS、XPM、FWM等非线笥效应对常规单模光纤WDM+EDFA系统性能的影响,计算了这些非线性效应的阈值功率与WDM中信道数和信道间隔与信道输入功率的关系,以及EDFA级联数对系统的影响,介绍了克服这些非线性效应的方法。2光纤非线性效应的影响SRS可使WDM系统短波长信道的能量转移到长波长信道,形成串扰。对于单路系统,SRS的阈值功率大约为600mW,影响不大;对于多波长系统,设SRS谱的增益轮廓是三角形状,为使每个信道损耗小于1dB(对应于SNR的0.5dB劣化),必须满足式中:Le=(1-e-αL)/α是光纤的有效长度,α是光纤的衰减系数,L是光纤的长度,M是光纤放大器的级联数,Δf是信道间隔,P是每个信道的功率,N是信道总数。从式(1)可知,对于DWDM系统,SRS将成为限制信道数的主要因素之一。同时,为了使得功率低于SRS阈值功率,每个信道的最大输入功率为式中:Aeff是光纤的有效横截面积,gR是SRS的增益系数,b是偏振修正系数,对于保偏和非保偏光纤分别等于1和2。因此,SRS受限的最大输入功率应是式(1)、(2)中的最小值。SRS过程的时间常数是亚皮秒量级,与调制速度比较,过程是瞬间完成的,因而无论是调制光,还是连续光,SRS效应都是相同的。SBS与SRS类似,但它们产生的斯托克斯光机理和频移不同,因而对系统的影响有显著的不同。由于SBS的起因是声波,因而,它对信道速率的响应不是瞬时的,对信号调制非常灵敏。对于多波长WDM系统(如信道间隔为50GHz的DWDM系统),由于SBS增益带宽ΔνB窗(<100MHz)、频移小,一个信道的作用与其它信道无关,因此,阈值功率与信道数无关,即(假设SBS增益谱是洛仑兹形状)式中:ΔνS为激光器线宽,gB是SBS的增益系数。可见SBS主要取决于ΔνS和ΔνB的相对大小。克尔效应导致光纤中的非线性效应包括SPM、XPM、FWM。光波经过长为L的光纤后,相对入射光波相位的相移为式中:n0和n2分别是线性和非线性折射率,λ是光波长,I1和I2分别为两频率的光强,等号右边第二项和最后一项分别是由SPM和XPM引起。式(4)表明,光强的任何改变都将导致相位的变化,影响光通信系统的调制。在WDM系统中,第j个信道的相位涨落δj为式中:σi表示第i个信道的功率涨落,γ是非线性系数,c是真空中的光速,ω0是光波的载频。设每个信道有相等的平均功率和相同的功率涨落,如XPM引起的功率损耗在1dB以内(相应于δj≈0.15),每个信道的功必须满足XPM与SRS一样,都是介质三阶极化引起的非线性效应,是瞬时发生的。如果信道间隔足够大,那么XPM和WDM系统的信道数无关,但当信道间隔较近时,XPM影响较大。因此,增大信道间隔能有效降低XPM的影响,但却增加了SRS效应。为了抑制XPM引起的串扰,采用G.652光纤的WDM系统的最小信道间隔Δf应满足式中:B是比特率,D是光纤色散系数。在等间隔WDM系统中,如果FWM产生的光场正好落在某预设信道的有效带宽之内,那么会和该信道串扰,降低了系统的信噪比。一旦FWM产生,就无法用任何均衡技术来消除,因而必须事先防范。FWM的效率与信道间隔及光纤色散大小有关。由于光纤的色散,相互作用信道的光波和新产生的光波具有不同的群速度,这必将破坏相互作用光波的相位匹配,使得新频率光波的功率效率降低。FWM效率随群速度失配的增加而降低。因此,大的信道间隔和大的群速度色散会降低混频效率。FWM发生在近信间耦合,并且没有XPM和SRS的频率扩展,它的影响与比特率无关。为了抑制FWM效应引起的串音代价,不同波长间的最小信道间隔应满足下式P表示每信道的平均功率。可见D越小,FWM影响越严重,在零色散区,D趋近零,各波长信号以相同的速率传播,相位匹配极好,导致极其严重的FWM效应。设每个信道功率Pi相等,频率分别为fi、fj和fk三个信道之间相互作用产生新频率fF,其输出功率PF为式中:x1111为三阶非线性极化率,A是劣化因子(degeneracyfactor),对于二波混频和三波混频时,A=3和6,无混频时,A=1。为了使FWM串扰不明显,一般要求PF/(Pine-αL)<-20dB。3不同信道描述下的非线性效应对于G.652光纤的2.5Gb/sWDM+EDFA系统中的扩容,由于PMD和色散影响可以忽略,由式(1)～(2)可知,光纤中非线性效应是影响系统信道数和信道阈值功率的主要因素。图1是非线性效应的阈值功率与信道数N的关系。图2是信道间隔Δf与每个信道输入功率的关系。图3是信道间隔Δf与EDFA级联数M的关系。计算中,假定L=1000km,EDFA间隔为100km,则M=10,α=0.22dB/km(=0.05km-1,λ=1.55μm,b=2,gR=7×10-14m/W,gB=5×10-11m/W,Aeff=50μm2,ΔνB=45MHz,ΔνS=100MHz,n2=3×10-16cm2·W-1,dD/dλ=8×10-2ps/(km·nm2),x1111=6×10-8cm3/J。由图1可知,随着信道数的增加,非线性效应明显地限制了信道的输入功率。在几十个信道内,功率约1mW。随着信道数N和信道间隔Δf的不同,各种非线性效应的影响也不同。当N和Δf较小时(如Δf=10GHz,N<12,FWM是主要的影响因素,但随着N增加,FWM的阈值功率变化不大。这是由于FWM发生在近信道间耦合,与远信道的相互影响不大,并且随着信道间隔减小,相互作用增强。当N和Δf较大时,SRS的影响最大。这是由于SRS的增益谱很宽(达30THz),并从0到13THz迅速地增大,因而,随着N和Δf增大,SRS增益谱系统数迅速增加。当N较小和Δf较大时(如Δf=50GHz,N<15),XPM是主要的影响因素,并且限制了每个信道输入功率约1mW之内。对于光纤主干网的DWDM(如Δf=0.4nm,即50GHz),XPM和SRS成为主要的影响因素(如图1(c)所示)。由式(6)和图1(c)可知,减小非线性系数γ(如增加光纤的有效横截面积)能有效减小XPM影响,因而,有效地增加信道的输入功率,这与实际系统相一致。图2表明(箭头方向表示Δf的取值范围),随着色散D的增大,最小信道间隔Δf减小,而阈值功率P增加。因而,在WDM系统,要求光纤有一定的色散大小。随着信道输入功率的增加,一方面SRS要求Δf减小,另一方面,FWM要求Δf增大,当每个信道的输入功率P增加到一定值后,无法得到Δf的取值,因而非线性效应严重影响了系统。由图3不难发现(箭头方向表示Δf的取值范围),增加EDFA级联数M能减小Δf,并且Δf的取值范围也变小。4使用不等间隔方法抑制fwm和xpm抑制SRS串扰比较容易,由(3)式可知,采用低频扰动技术,可将阈值PB提高到20dBm左右。为了抑制XPM串扰,除了降低光纤的衰减系数α外,也采用有效横截面积较大的光纤,并能提高信道的输入功率。为了有效地抑制FWM和XPM效应,使用有一定色散的光纤,能达到目的。使用不等间隔方法,也能有效抑制FWM的串扰,并可使输入功率提高约7dBm。对于高密集WDM,减小信道间隔能降低SRS的串扰,也可以选择具有一定色散的光纤。5主要非线性效应对基于常规光纤的N×2.5Gb/sWDM+EDF