波分复用光纤系统非线性效应分析

波分复用光纤系统非线性效应分析

光纤通信已成为现代通信的基本组成部分。随着语音、图像和数据等信息量的迅速增加，尤其是网络技术的快速发展，光纤通信的能力不断扩大，这是不可避免的。信息界人士认为，波分复制（sdm）和交换纤维矩阵（edf）是完全挖掘光纤带宽的最佳实现容量快速通信的最佳手段。在sdm通信系统中，由于edf的应用，影响光纤破坏系统的影响不是一个重要因素。然而，由于光纤中的光功率和通道数的增加，光纤的非线性效应已成为影响系统性能的主要因素。系统设计师应该意识到这些限制因素，并采取措施减少或消除这些有害因素。在这项工作中，我们全面分析了不同非线性效应对sdm系统性能的影响，重点是分析多个信道的非线性效应（srs、xpm、fwm），并介绍了克服这些非线性效应的方法。1非线性措施影响系统设计光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和弹性过程.由受激散射引起的非弹性过程,电磁场和极化介质有能量交换,主要有受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS).由非线性折射率(Kerr效应)引起的弹性过程,电磁场和极化介质没有能量交换,主要有自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM).这些非线性效应使得多路WDM信道间产生串音和功率代价,从而限制光纤通信的传输容量和最大传输距离,影响系统的设计参数(无中继传输距离、信道数、信道间距和信道功率).很显然,为了优化系统设计,综合考虑这些非线性效应的影响是非常必要的.1.1决策权1.1.1地下散射sb(1)基于pth的信号仿真SBS是入射光波与介质热致声波和散射波之间的一种耦合相互作用过程.由于要满足相位匹配的要求,所以光纤中SBS主要发生在后向散射.当信道间距Δω等于布里渊频移时,SBS效应能将能量从高频信道转移到低频信道而影响系统性能.因为SBS的增益线宽相当窄(MHz),要产生SBS串音,信道间距必须精确地与布里渊频移严格相等,但这种条件很难满足,因此SBS是单信道效应,通过合理信道设计完全可以避免这种串音.但是,因为SBS的阈值很低(mW级),所以它限制WDM系统的最大输入光功率和传输距离.一般阈值功率Pth定义为:在光纤输入端的后向散射Stocks功率达到输入的泵浦光功率时的泵浦光功率值.对于信道间距100GHz的WDM系统,由于SBS增益线宽ΔνB很小,因此SBS的Pth与信道数无关.假设布里渊增益系数gSBS是洛仑兹型线型,使用非抽空近似,则可得到Pth表达式为Ρth≈21bAeffgBLeff⋅ΔνS+ΔνBΔνB(1)Pth≈21bAeffgBLeff⋅ΔνS+ΔνBΔνB(1)式中,Aeff为光纤有效面积;Leff=(1-e-αL)/α为光纤有效长度;α为光纤衰减系数;gB是峰值布里渊增益系数;ΔνS为光源线宽;b为偏振系数.当输入光纤的光功率超过SBS的阈值功率Pth时,传输的信号光有很大部分被反射回输入端,形成噪声干扰.由式(1)可以看出,SBS的阈值取决于ΔνB和ΔνS相对大小.(2)低频信号调制光栅线宽虽然,SBS的阈值很低,是最容易产生的非线性效应.但由式(1)可知,SBS的阈值随着光源线宽增大而增大,因此,提高SBS的阈值、避免SBS串音的最简单有效的方法是采用低频信号调制光源以增大光源有效光谱.1.1.2非激曼散射srs(1)多信道的sdm系统信号特性SRS是入射光与分子振动之间的一种特殊宽带相互作用过程.入射泵浦光被散射后发生频率下移,产生Stocks光,所改变的光频正是分子的振动频率.在任何情况下,高频信号总是被这种过程衰减,而低频信号得到增益.光纤中的SRS和SBS都是光波被介质分子振动所调制的结果,两者对WDM系统的影响有相似之处,也有不同,见表1.在单信道光波系统中,SRS的主要影响是引起非线性损耗和功率代价.但因其阈值较高(在1550nm处约500mW),所以一般不考虑其影响.但在多信道的WDM系统中则必须考虑.因为硅光纤中拉曼散射的增益带很宽(约40THz),只要两相邻信道间的频差落在拉曼增益带内,SRS使低频信号被高频信号放大,且最短波长的信道受影响最严重,因为它转移能量给增益带内所有信道.信道的这种能量转移和放大作用导致功率起伏增大、系统信噪比减小,甚至引起串音和功率代价.图1所示为1～8信道(从低频到高频)由于SRS效应影响的强度变化,可以看出信道的两端受到的影响最严重.为了避免信道间拉曼串音,每个信道损耗要小于1dB(即信噪比的0.5dB劣化),应尽量减少信道功率,信道功率必须满足:mΡ0⋅[(m-1)Δω]⋅Leff＜1000(2)mP0⋅[(m−1)Δω]⋅Leff＜1000(2)式中,m是信道数;P0是每信道功率(单位为W);Δω是信道间距(单位为GHz);Leff为光纤有效长度(单位为km).所以mP0为总的输入功率,(m-1)Δω是系统的光纤带宽.式(2)表达了系统设计的一般要求:总功率×总带宽×有效长度必须小于1000W·GHz·km,才能使SRS效应不会对系统性能起明显的抑制.若取典型参数:λp=1.55μm,αp=0.2dB/km,Leff≈20km,Aeff=50μm,Δω=100GHz.则SRS效应对系统性能的限制可用图2表示.(2)信号/信号采集系统dwdm在单信道系统中,SRS的影响只要用滤波器就可以滤除不需要的频率成分.在目前实施的经过认真设计的WDM系统中,信道数少于500,还没有出现明显的SRS限制.但在将来的DWDM中,当信道数多于500时,SRS将成为限制系统性能的主要因素(见图1).这时既可以通过减少输入功率和增加色散来减轻其影响;又可通过采用大有效面积光纤(LEAF),降低纤芯功率密度,提高SRS阈值,改善SRS对系统的限制.1.2kerr效应涅盘效应1.2.1入射光波的相移计算ij和ij水SPM是在强光场作用下,自身产生的非线性效应而引起的非线性相移,它使光纤中传输的光脉冲前、后沿的相位相对漂移.它与群速色散(GVD)共同作用使光脉冲波形失真,光功率越高、色散越大,影响就越严重.由于SPM效应,第i信道光波经过长为L的光纤后,相对于入射光波相位的相移为ψi(L)=2πλ(n0+n2Ιj+2Ν∑i=1i≠jn2Ιj)(3)ψi(L)=2πλ(n0+n2Ij+2∑i=1i≠jNn2Ij)(3)式中,Ij是第j信道的光强;n2是Kerr系数.等式右边第2项和第3项分别由SPM、XPM引起.SPM是光强度调制伴生的一种相位调制,主要导致光脉冲频率啁啾,影响光波系统性能.但是单信道非线性效应产生的SPM一般不大,并且对于目前实际使用的强度调制直接检测(IM/DD)系统不起作用,只有在未来要求相位高度稳定的相干光波通信系统中,才会有不可忽视的影响.1.2.2交叉段xpm(1)准相移功率限制因素XPM发生在多信道WDM系统中,当多个光信号在光纤中同时传输时,某信道的相邻信道的光强变化将导致该信道相位变化,而展宽信号频谱.光纤色散进而将相位调制转化为强度调制,引起波形失真.在式(3)中第3项表明在特定的信道产生的非线性相移不仅取决于自身光强,还取决于其它信道的光强,这样总相移与所有信道的功率相关.如果每个信道有相等的平均功率,则XPM的影响是SPM的2倍,XPM已成为多信道光波系统主要的功率限制因素.在WDM系统中,第i信道的相位涨落为φi=√(γσjα)2m∑i=1i≠j(2γσjα)2(4)式中,δj表示第j信道的功率涨落;γ是非线性系数.在各信道功率相等且所有信道同时运载比特“1”的最坏的情况下,XPM相移为ψΝL=γα(2Μ-1)i(5)设每个信道有相等的平均功率和相同的功率涨落,如果XPM引起的功率损耗在1dB以内,则每个信道的功率必须满足:Ρi＜0.15αγ√4Ν-3(6)(2)最小信道间距由式(6),取上文的典型参数可得如图3所示的P～N关系图.可以看出,随着系统信道数N增加,XPM可能成为限制系统性能的主要因素之一.当信道数较少时,通过选择适当的信道间距可抑制XPM.如果信道间距足够大,可以使XPM影响忽略不计.为了抑制XPM引起的串扰,采用普通单模光纤G.652的WDM系统的最小信道间距为Δω=2αB⋅D⋅Μ(7)式中,B为比特率;D为光纤色散系数;M为联级数.另外,色散管理可以抑制XPM的影响,有文献通过理论分析和实验证实表明对每中继段分别进行色散补偿是减少XPM影响的很好的方案.但当信道间距较近,信道数较多时,XPM影响较大,而用来消除XPM影响的实用技术还没有报道过.1.2.34波混合频率fwm(1)信号的频率间距和相关系数FWM是光纤中三阶电极化率χ(3)使任意两个或三个信道的光波相互作用而产生新的光频.原则上可能产生的新光频ωN与其它三个光频的关系为ωN=ωi±ωj±ωk,但由于对任何FWM过程均要求相位匹配,所以这样的组合中很多很难发生.在WDM系统中,由于信道安排一般按等间距分布,所以ωN=ωi+ωj-ωk的频率组合在光纤传输带宽内,且最容易引起串话.特别当信道间距和光纤色散足够小而容易满足FWM所需的条件时,FWM的新光频的产生可能造成信号功率明显下降,信噪比劣化.更严重的是当混频产物直接落入信道上时产生寄生干扰,这种寄生干扰一旦发生是不可能用任何方法消除的.考虑简单的3信道的WDM系统:假设λ1=1551.7nm、λ2=1552.5nm、λ3=1553.3nm.发生FWM将产生9个新频率信号,其中有3个(1551.72、1552.52、1553.32nm)FWM信号将附加在原来信道上(如图4所示).对于IM/DD系统,考虑有M个在线放大器,每信道功率Pi相等,频率分别为ωi、ωj、ωk的3个信道相互作用产生FWM的频率ωN,其功率PN为ΡΝ(L)=1024π6n40λ2c2(ζχ(3)LeffAeff)2ΡiΡjΡkexp(-αL)ηη=α2α2+Δβ2(1+4e-αLsin2(ΔβL/2)(1-e-αL)2)(8)式中,L是放大器中继距离;D是色散系数;简并因子ζ对于二波混频和三波混频分别为3、6.而相位失配因子用频率差表示为Δβ=2πλ2c|ω1-ω3|⋅|ω2-ω3|⋅D(9)式中,D为在ω0上的光纤色散系数(ps/(km·nm)).从式(8)、(9)还可以看出,FWM的效率η与Δβ成反比,而Δβ主要取决于信号的频率间距和光纤的色散.图5给出了η和信号有效频率间距Seff的定性关系,Seff为Seff=(|ω1-ω3|⋅|ω2-ω3|)12(10)由图5可以看出:如果光纤的色散较大,例如工作波长在1.55μm波段的普通单模光纤,当信道频率间距大于10GHz时,混频效率降低到几乎可忽略;当光纤色散较小时,例如工作波长在1.55μm波段的零色散位移光纤,即使信道间距为100GHz,混频效率还相当高.由此可见如果光纤的零色散点选择在ω0上,则相位匹配条件容易得到满足,所以WDM系统的信道应避免分布在ω0附近,且光纤色散越大越有利于抑制FWM效应.因此虽然零色散位移光纤能有效地克服色散对系统的限制,但不适合作为1.55μm波段WDM系统的传输介质.(2)非等间距信道设计在WDM系统中随着信道数的增多,FWM产生的新光频以12(Ν3-Ν2)呈几何递增,FWM对系统性能的影响也越严重,必须预先防止.为了抑制FWM对系统传输性能的影响,有许多方法:①色散管理.基本思想是:在光纤链路上安装不同色散的光纤以抑制FWM,但又使光纤色散总和接近零以保证最大传输距离,这是最实用的方法.从式(7)可以看出FWM效率依赖于色散.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,这将破坏相互作用光波的相位匹配条件,使FWM效率降低.因此,大的信道间距和大的群色散会降低FWM串音.②非等间距信道设计.FWM产生的新光频ωN=ωi+ωj-ωk,当系统是以等信道间距设计时,新光频落在信道上的几率最大,产生FWM串音最严重.而通过非等间距信道设计,如图6所示,f1、f2、f3为非等间距,这样FWM产生的新光频在所有信道频率外.通常,是根据任何两信道间距都不相等来确定信道的位置.系统参数设计可以参考国际电信联盟ITU-TG.692建议.非等间距设计的代价是占用带宽太大,利用部分等间距的信道划分并使用色散位移光纤,能较好地兼顾FWM引入的信号恶化和系统占用带宽间的矛盾,又可使色散和SRS的影响小至可以忽略.③相位共轭.利用相位共轭也可以减少FWM对系统的影响,但由于相位共轭引起光谱反转而将限制其应用.2考虑各因素的相互影响在实际系统中,单信道非线性效应(SPM、SBS)对系统性能的限制不是很明显,容易克服.但多信道非线性效应(XPM、FWM、SRS)却是系统的主要限制因素.特别是WDM系统,每个信道间距很窄,各种非线性效应常交织在一起,在系统设计时应综合考虑各种因素的相互影响.例如,为了减少FWM效应,各信道间距越大越好,但是由于放大器E