高速光通訊論文：高速光通訊體系性能探究
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本文作者：張月園1張躍進2周薇2劉志偉2作者單位：1華東交通大學2華東交通大學
對NRZ、RZ、CS-RZ、DRZ、MD-RZ這幾種強度調制格式在高速單通道光傳輸系統中抗色散性能和抗非線性性能進行研究和分析，比較五種碼型調制格式在色散容限，非線性容限，傳輸距離上的優勢及不足，有利于光纖傳輸系統中選擇合適的碼型調制格式，降低系統的傳輸損傷，提高系統的傳輸性能。不同強度調制格式的抗非線性效應研究主要是通過改變入纖光功率，改變非線性效應對信號傳輸的影響，通過眼圖張開度代價和Q因子這兩個指標來評價系統性能。而研究強度調制格式的色散容忍度，則是通過增大色散系數，增強色散對信號傳輸的影響，通過眼圖張開度代價來表征抗色散能力[4]。非線性效應對高速光纖通信傳輸系統中信號傳輸的影響十分嚴重，主要是因為隨著傳輸速率的增高和傳輸距離的加長，光信號在光纖傳輸中受到的非線性效應會越顯著。調制格式的非線性容忍度在很大程度上決定了各種調制格式的傳輸性能，研究不同相位調制格式在高速傳輸系統中的抗非線性能力很重要。由于光纖的非線性效應和色散關系緊密，因此采用的色散補償方式不同，信號受到非線性效應的影響也不相同，引入較好的色散補償方式可以減小非線性效應對信號的影響。我們忽略光纖的偏振模色散和光放大器的自發輻射對信號的影響，保留色散，在色散完全補償的情況下，比較采用對稱色散補償時各種相位調制格式的抗非線性能力。利用OptiSystem光通信仿真軟件對幾種強度調制格式在高速單通道光傳輸系統中的抗非線性能力、抗色散能力進行仿真和比較，對強度調制格式的實現以及傳輸性能進行仿真分析，建立合理的光纖傳輸系統是關鍵。將幾種強度調制格式分別在40Gb/s單信道光纖傳輸系統進行傳輸實驗，具體分析NRZ、RZ、CSRZ、DRZ、MD-RZ調制格式的抗非線性效應能力、抗色散能力，具體的系統配置如圖1所示。此系統包括光發送端、傳輸線路和光接收端三部分。光發送端主要包括不同調制格式的產生裝置；傳輸線路包括50km標準單模光纖和10km色散補償光纖以及光放大器；光接收端主要包括光濾波器、PIN檢測器和分析儀。調制后的信號首先經過摻鉺光纖放大器（EDFA）進行預放大，送入一個可調的衰減器，此衰減器用來控制光纖的入纖功率。每一跨段傳輸線路傳輸50km標準單模光纖，采用10km色散補償光纖（DCF）進行色散補償。采用的是對稱補償方式，即每一跨段用到三個EDFA補償SMF和DCF的衰減，DCF位于兩段SMF之間，兩段SMF的距離相等。此系統中激光器的頻率為193.1THz，傳輸鏈路由n個跨段組成。可以通過改變跨段數目來改變光纖傳輸距離。摻鉺光纖放大器EDFA的增益指數為5dB，噪聲指數為6dB。接收端采用的濾波器有貝塞爾光濾波器和低通貝塞爾濾波器兩種：貝塞爾光濾波器是一個160GHz帶寬，0dB插入損耗，深度100dB的一階濾波器；低通貝塞爾濾波器的截止頻率為32GHz，插入損耗0dB，深度100dB，階數為4。PIN檢測器響應率為1A/W，暖電流為10nA。接收端可通過3R再生器，直接連接到誤碼率分析儀，從分析儀中可以得到仿真數據，如誤碼率、Q因子、眼圖等。
強度調制格式在高速光傳輸系統中的仿真
在高速光纖傳輸系統中，光信號會受到色散和非線性效應的雙重影響，所以合理而有效地選擇光纖參數對傳輸系統來說是非常重要的[5]。設置光纖的參數需要多次調試和完善，方可達到所需效果。通過衰減器控制光纖的入纖光功率，改變其大小引起光纖非線性的大小發生變化，然后測量受非線性影響的接收信號的眼圖張開度，與背靠背情況下的眼圖張開度進行比較，從而得到眼圖張開度代價。通過比較達到規定的1dB眼圖張開度代價時所允許的最大入纖光功率來比較NRZ、RZ、CSRZ、DRZ、MD-RZ調制格式的非線性容限。由于光纖的非線性效應和色散關系緊密，采用的色散補償方式不同，信號受到非線性效應的影響也不相同，引入較好的色散補償方式可以減小非線性效應對信號的影響。忽略光纖的偏振模色散和光放大器的自發輻射對信號的影響，保留色散，在色散完全補償的情況下，比較采用對稱色散補償的情況下各種相位調制格式的抗非線性能力。從強度調制格式的眼圖張開度代價隨入纖光功率變化的仿真結果可以看出，這幾種強度調制格式的眼張開代價都隨著入纖光功率的增大而緩慢增加，其中MDRZ和DRZ有比較良好的抗非線性效應能力，達到1dB眼圖張開度代價時，入纖光功率分別達到了5.6dBm和5dBm。這幾種強度調制格式中，MD-RZ的非線性容限最大,抗非線性能力最好；DRZ次之；RZ和CSRZ的非線性容忍度相當；NRZ的非線性容限最小?？傊瑲w零調制格式的抗非線性能力比非歸零調制格式抗非線性能力要好。因為RZ和CSRZ調制格式受色散影響會導致光脈沖快速展寬和脈沖峰值功率迅速降低,所以受非線性的影響相對于NRZ碼要小。通常用Q因子表征系統的誤碼率，來反映光傳輸系統的性能，在測試中，通過仿真比較，當入纖光功率為0dBm時，NRZ、RZ、CSRZ、DRZ和MD-RZ這五種強度調制格式的Q因子隨傳輸距離的改變而變化。從強度調制格式的Q因子隨傳輸距離變化的仿真結果顯示，各種強度調制格式Q因子都隨著傳輸距離的增加而減小，只是不同強度調制格式Q因子減小的幅度不同。入纖光功率較低，不會引起大的非線性效應，而且光纖的色散已經通過對稱補償方式完全補償，該條件下主要是由于光放大器的自發輻射噪聲限制了傳輸距離。在這幾種強度調制格式中DRZ和MD-RZ的傳輸性能最好，因為它們的Q因子隨傳輸距離的增加而下降地比較緩慢，比較適合長距離高速率系統傳輸；CSRZ調制格式的Q因子變化趨勢小于RZ的Q因子變化趨勢，說明CSRZ比RZ更適合長距離的傳輸。很明顯可以看出，NRZ傳輸距離為600多千米時，Q因子已經下降到了6dB以下，所以NRZ調制格式不適合高速率長距離傳輸。我們比較了強度調制格式NRZ、RZ、CSRZ、DRZ和MD-RZ在高速單通道光傳輸系統中抗色散性能和抗非線性性能，以及這五種調制格式在色散容忍度、非線性容忍度、傳輸距離上的優勢及不足。CSRZ、RZ抗非線性效應能力均強于NRZ碼；在單信道傳輸系統中，DRZ和改進型的MDRZ調制格式的抗非線性性能比較好，適合長距離的傳輸。RZ的色散容忍度最小，NRZ比RZ有更高的頻譜效率，因而有更好的色散容忍度。CSRZ碼比RZ碼有更高的頻譜效率，更高的色散容忍度和非線性容忍度，更適合長距離傳輸。
結束語
在高速光傳輸系統中，根據實際具體情況，選擇合適的碼型調制格式，有利于提高傳輸質量。利用光通信仿真軟件OptiSystem搭建合理的系統模型對各種調制格式的傳輸性能進行仿真研究，將系統中的一些模塊進行了簡化或理想化分析，這可能會導致仿真結果與實際的實驗數據之間存在一定的偏差。目前，對強度調制格式研究和分析都只限于單通道傳輸系統。在后期的研究中，還需針對波分復用WDM系統中各調制格式的性能進行深入的分析。
