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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

強度調(diào)制格式在高速光傳輸系統(tǒng)中的性能

對NRZ、RZ、CS-RZ、DRZ、MD-RZ這幾種強度調(diào)制格式在高速單通道光傳輸系統(tǒng)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(diào)制格式在色散容限，非線性容限，傳輸距離上的優(yōu)勢及不足，有利于光纖傳輸系統(tǒng)中選擇合適的碼型調(diào)制格式，降低系統(tǒng)的傳輸損傷，提高系統(tǒng)的傳輸性能。不同強度調(diào)制格式的抗非線性效應(yīng)研究主要是通過改變?nèi)肜w光功率，改變非線性效應(yīng)對信號傳輸?shù)挠绊?，通過眼圖張開度代價和Q因子這兩個指標來評價系統(tǒng)性能。而研究強度調(diào)制格式的色散容忍度，則是通過增大色散系數(shù)，增強色散對信號傳輸?shù)挠绊?，通過眼圖張開度代價來表征抗色散能力[4]。非線性效應(yīng)對高速光纖通信傳輸系統(tǒng)中信號傳輸?shù)挠绊懯謬乐?，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(yīng)會越顯著。調(diào)制格式的非線性容忍度在很大程度上決定了各種調(diào)制格式的傳輸性能，研究不同相位調(diào)制格式在高速傳輸系統(tǒng)中的抗非線性能力很重要。由于光纖的非線性效應(yīng)和色散關(guān)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(yīng)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(yīng)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(fā)輻射對信號的影響，保留色散，在色散完全補償?shù)那闆r下，比較采用對稱色散補償時各種相位調(diào)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(diào)制格式在高速單通道光傳輸系統(tǒng)中的抗非線性能力、抗色散能力進行仿真和比較，對強度調(diào)制格式的實現(xiàn)以及傳輸性能進行仿真分析，建立合理的光纖傳輸系統(tǒng)是關(guān)鍵。將幾種強度調(diào)制格式分別在40Gb/s單信道光纖傳輸系統(tǒng)進行傳輸實驗，具體分析NRZ、RZ、CSRZ、DRZ、MD-RZ調(diào)制格式的抗非線性效應(yīng)能力、抗色散能力，具體的系統(tǒng)配置如圖1所示。此系統(tǒng)包括光發(fā)送端、傳輸線路和光接收端三部分。光發(fā)送端主要包括不同調(diào)制格式的產(chǎn)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(diào)制后的信號首先經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA）進行預放大，送入一個可調(diào)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(tǒng)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(shù)目來改變光纖傳輸距離。摻鉺光纖放大器EDFA的增益指數(shù)為5dB，噪聲指數(shù)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(shù)為4。PIN檢測器響應(yīng)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(shù)據(jù)，如誤碼率、Q因子、眼圖等。

強度調(diào)制格式在高速光傳輸系統(tǒng)中的仿真

在高速光纖傳輸系統(tǒng)中，光信號會受到色散和非線性效應(yīng)的雙重影響，所以合理而有效地選擇光纖參數(shù)對傳輸系統(tǒng)來說是非常重要的[5]。設(shè)置光纖的參數(shù)需要多次調(diào)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(fā)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(guī)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(diào)制格式的非線性容限。由于光纖的非線性效應(yīng)和色散關(guān)系緊密，采用的色散補償方式不同，信號受到非線性效應(yīng)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(yīng)對信號的影響。忽略光纖的偏振模色散和光放大器的自發(fā)輻射對信號的影響，保留色散，在色散完全補償?shù)那闆r下，比較采用對稱色散補償?shù)那闆r下各種相位調(diào)制格式的抗非線性能力。從強度調(diào)制格式的眼圖張開度代價隨入纖光功率變化的仿真結(jié)果可以看出，這幾種強度調(diào)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(yīng)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(diào)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(diào)制格式的抗非線性能力比非歸零調(diào)制格式抗非線性能力要好。因為RZ和CSRZ調(diào)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(tǒng)的誤碼率，來反映光傳輸系統(tǒng)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(diào)制格式的Q因子隨傳輸距離的改變而變化。從強度調(diào)制格式的Q因子隨傳輸距離變化的仿真結(jié)果顯示，各種強度調(diào)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(diào)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(yīng)，而且光纖的色散已經(jīng)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(fā)輻射噪聲限制了傳輸距離。在這幾種強度調(diào)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(tǒng)傳輸；CSRZ調(diào)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(jīng)下降到了6dB以下，所以NRZ調(diào)制格式不適合高速率長距離傳輸。我們比較了強度調(diào)制格式NRZ、RZ、CSRZ、DRZ和MD-RZ在高速單通道光傳輸系統(tǒng)中抗色散性能和抗非線性性能，以及這五種調(diào)制格式在色散容忍度、非線性容忍度、傳輸距離上的優(yōu)勢及不足。CSRZ、RZ抗非線性效應(yīng)能力均強于NRZ碼；在單信道傳輸系統(tǒng)中，DRZ和改進型的MDRZ調(diào)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(jié)束語

在高速光傳輸系統(tǒng)中，根據(jù)實際具體情況，選擇合適的碼型調(diào)制格式，有利于提高傳輸質(zhì)量。利用光通信仿真軟件OptiSystem搭建合理的系統(tǒng)模型對各種調(diào)制格式的傳輸性能進行仿真研究，將系統(tǒng)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(jié)果與實際的實驗數(shù)據(jù)之間存在一定的偏差。目前，對強度調(diào)制格式研究和分析都只限于單通道傳輸系統(tǒng)。在后期的研究中，還需針對波分復用WDM系統(tǒng)中各調(diào)制格式的性能進行深入的分析。