非线性效应对海底光缆系统的影响及其优化

摘要：随着WDM系统传输距离和光纤中光功率的增加，光纤的非线性效应对系统的影响及其优化成为研究关键。本文对海底光缆传输系统中非线性效应对系统的影响及其优化进行了分析。根据海底光缆系统的实际工作情况，模拟4×2.5Gbit/s系统进行了仿真分析，得出通过优化海底增益模块中掺铒光纤长度来选择最佳入纤功率，以改善系统性能，延长传输距离。

关键词：非线性效应；入纤功率；掺铒光纤；系统冗余

中图分类号：F426.6 文献标识码：A文章编号：1007-9599(2012)01-0000-03

Affect and Optimization of Nonlinear Effects on Submarine Cable systems

Li Xue1,Yu Chunting2,He Hongye3

(1.Military Medical Sciences,Institute of Military Veterinary,Changchun130122,China;2.61068 Force,Xi'an710106,China;3.PLA Foreign Languages Institute,Luoyang471003,China)

Abstract:Nonlinearity has become a key point as the transmission distance of WDM and the power in fiber are increasing.In this paper,the influences of nonlinearity on system and optimization was analyzed.And then the transmission system performances for the 4×2.5Gbps were simulated on the platform of OptSim according the practical going of undersea optical fibre cable.Simulationn showed that transmission distence can be prolonged and system performances will be improved through optimizing the length of EDF in remote module to select the best original power.

Keywords:Nonlinearity;Original power;EDF;System margin

一、引言

随着WDM系统传输距离和光纤中光功率的增加，光纤的非线性效应越来越引起人们的重视。对于陆地上的超长距离传输系统可以通过降低入纤光功率和光放大器的输出，而增加光放段的数量来避开光纤的非线性，达到超长距离传输。而对于无中继的海底光缆传输系统，延长传输距离最直接的方法就是最大限度地增加入纤光功率和最大限度地提高光放大器的输出光功率，然而这些都将引起严重的非线性效应，从而影响系统性能。为了降低超长距离海底光缆传输系统中非线性效应的影响，延长传输距离，研究非线性效应对系统的影响及其优化成为必要。

二、非线性效应对系统的影响及仿真分析

WDM系统中的非线性效应主要分为两类：一类与折射率相关，即光纤的折射率随光强的变化而变化的非线性现象，统称克尔效应，通常包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM），引起与光强相关的相移；另一类非线性效应为受激非弹性散射，如受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS），表现为与光强相关的增益或损耗。这些非线性效应会引起系统的波形畸变、串扰噪声和功率代价。

（一）克尔效应对系统的影响及仿真

SPM对光脉冲的影响是使脉冲频谱展宽，产生频率啁啾。在普通光纤中传输的脉冲，由于色散系数为正，色散使得脉冲中低频分量向脉冲后沿移动，高频分量向前沿移动，所以脉冲展宽。考虑SPM效应后，SPM会在前沿产生低频分量，后沿产生高频分量，这样就在一定程度上延缓了纯色散效应引起的展宽。

同SPM一样，如果没有色散，XPM不会引起波形变化，只会造成传输脉冲频谱的展宽；但由于色散的作用，频谱的展宽会造成信号时域变形。每个信道都有可能受到共同传输的其他信道的影响，形成串扰。XPM的影响与各路信号的输入功率以及信道间隔有关。只有时域脉冲有交叠的情况下才会出现交叉相位调制；信道间隔越小，波形在频域上交叠的可能性越大，相互影响越严重；信道功率越大，交叉相位调制的影响越大。

四波混频效应在WDM系统中导致的结果是新的频率成分的产生、信号功率向边频分量的转移和信道之间能量的转移，从而影响系统性能。对于等间隔的WDM系统，新产生的频率很可能和已有频率一致，这样就会形成串扰；对于不等间隔的WDM系统，新产生的频率多数会落在信道之间，相当于增加了系统的噪声，降低光信噪比。FWM对系统的影响主要与光纤色散系数、信道间隔以及注入光功率有关。通过增加信道间隔以及适当保留一定的色散可以减弱FWM的影响。

在WDM系统中，SPM和XPM阈值功率相当，约为5dBm左右。SPM和XPM共同作用改变各信道光信号的相位，如果信号通过强度调制传输，并且采用非相干解调的方式，如直接强度检波，非线性相位改变对系统影响不严重。而FWM门限功率最低，在0dBm左右，光纤的色散越小，FWM的效率越高。因此克服FWM最有效的方法是采用非零色散光纤或光纤的非零色散窗口。

以4×2.5Gbit/s WDM系统为例，仿真结构的基本构成如图1所示，由光发射机单元、光纤传输链路和光接收机单元组成。图中EDFA为远泵光放大器，入纤功率设定为17.233dBm，光纤线路由75+280+113km三段光纤组成，光纤损耗为0.2dB/km，信道间隔为200GHz，波长分别为1550.12nm，1551.72nm，1553.32nm，1554.92nm。

图14×2.5Gbit/s系统仿真结构图

为了研究克尔效应对系统性能造成的影响，先关闭FWM，得到最差信道眼图如图2（b）所示，然后同时关闭SPM、XPM和FWM，得到眼图如图2（c）所示。

(a) 有SPM、XPM、FWM

(b) 不考虑FWM

(c) 不考虑SPM、XPM、FWM

图2有无克尔效应时系统最差信道眼图

图（a）为考虑SPM、XPM、FWM时的眼图，误码率为2.01×10-5，Q=12.27dB，系统冗余为4.07dB；图（b）不考虑FWM，误码率为1.05×10-10，Q=16.06dB，系统冗余为7.87dB；图（c）不考虑SPM、XPM、FWM，误码率为9.11×10-17，Q=18.31dB，系统冗余为10.12dB。由此可知，不考虑FWM时，系统可以获得3.8dB冗余的改善，系统误码率降低，眼图较为清晰；当把SPM和XPM也关闭时，系统再增加了2.25dB的冗余，误码性能提高，眼图张开度更大，信号抖动幅度减小，眼图变得更清晰。由此可以看出，克尔效应对系统的影响较大，使得系统冗余度降低6.05dB。因此，有必要对传输系统进行优化，降低克尔效应对系统性能的影响。

（二）受激散射对系统的影响及仿真

SRS对系统的影响主要有两点：一是限制波分复用的通路数，当两个相邻信道的频率差落在拉曼增益谱内，短波长信道的能量将转移到长波长信道，从而使得短波长通道产生过大的信号衰减；二是SRS效应引起串话。但对于G.652光纤，在1550nm处SRS阈值较高，约为27dBm，因此控制入纤功率可克服SRS的影响。

SBS与SRS相似，光纤中光功率一旦超过SBS阈值，将会产生大量的后向散射光波，对通信系统的影响主要有三个方面：一是消耗信号光功率；二是反向传输的斯托克斯光波将反馈给激光器，使其工作不稳定；三是如果光纤中有两个方向的传输信道，而且反向传输信道间的频率差正好满足布里渊频移时，就会引起信道间串话。SBS对系统的影响主要是附加损耗和对激光器的影响，串话可以忽略，因为只有两个信道间隔很小时（约为100MHz），才发生明显串话效应。而在此系统中，信道间隔选用200GHz，可以不用考虑SBS的影响。

根据上述理论分析，先关闭SBS，得到实验仿真眼图如图3（b）所示。

（a）有SBS和SRS

（b）有SRS无SBS

（c）无SBS和SRS

图3受激散射对系统的影响分析眼图

其中图（a）所示为完整系统（即考虑SBS和SRS）最差信道的眼图，误码率为2.01×10-5，关闭SBS后系统误码率降为3.51×10-6，而且从图（b）的眼图分析来看，SBS对系统的影响很小；再者，从传输线路功率损耗来看，75km段光纤上由于SBS损耗0.022dBm信号功率，280km段光纤上由于SBS损耗信号功率达0.769dBm，而且，入纤功率越大，传输光纤越长，SBS造成的线路损耗越大。因此，选择合适的入纤功率对减小SBS造成的功率损耗有很重要的意义。

不改变拉曼放大器中的拉曼效应，为了研究传输光纤中SRS对系统所造成的影响，系统同时关闭SRS和SBS，得到系统误码率为7.88×10-6，系统只有0.4dB的冗余，眼图清晰度基本没有改善，如图3（c）所示。与图3（a）（b）比较，系统性能并没有明显改善，所以，在此系统中，SRS对系统的影响可以忽略不计。

三、系统中抑制非线性效应的优化设计

在光纤参数固定的情况下，入纤光功率会直接影响光纤非线性效应的大小。入纤光功率增加，虽然可以增大输入端信号的光信噪比，但同时会引起非常大的非线性效应，影响系统的传输性能。出于对器件的安全以及维护人员的人身安全等方面的综合考虑，应根据系统实际设计的需要合理选择入纤功率。

由于发送端功率放大器前端的输入功率固定，故放大器的增益决定着系统入纤功率的大小。而放大器增益与泵浦强度和掺铒光纤（EDF）长度密切相关。固定泵浦功率，放大器增益随EDF长度的增加而先增加后降低，因而，存在一个对应最大增益输出的最佳EDF长度。因此，通过研究系统冗余度与光功率放大器中EDF长度（即光放大倍数）的关系来确定最佳入纤功率。当系统考虑非线性效应、色散和系统噪声时，针对图1所示模型，采用NRZ编码在有无前向纠错（FEC）技术时进行了仿真。通过改变发送端功率放大模块中掺铒光纤（EDF）的长度（即改变光放大器的增益），得到最差信道系统冗余与功放模块中EDF长度之间的关系如图4左图所示。不采用FEC技术时，系统冗余度小于0dB，系统无法正常运行；当采用FEC后，系统冗余得以改善。因此在研究入纤功率时均在采用FEC的情况下考虑。然后通过变换不同的码型得到系统最差信道（第三信道）系统冗余度变化如图4右图所示。

由图4右图分析可知，变化系统发送端功率放大模块中的EDF长度时，采用NRZ编码系统误码性能最优时对应功放模块中最佳EDF长度为5m，此时对应入纤功率为13.87dBm；RZ编码对应最佳EDF长度为6m，入纤功率为15.62dBm；CSRZ编码对应最佳EDF长度为7m，入纤功率为17.76dBm。

由此可以看出，采用前向纠错技术，可以使系统冗余大大改善。不同的编码方式对应系统最佳的入纤光功率也不相同。为此，在实验仿真过程中，可以通过选取最佳的掺铒光纤长度来改善系统性能。

图4系统冗余度与功放模块中EDF长度的关系

同理，由于系统中远泵功率放大模块的出射功率也足以引起很大的非线性效应，因此选取最佳的EDF长度成为改善系统性能的必要。将系统功放模块中的EDF长度设为上述最优值，改变远泵功率放大模块中EDF的长度，得到系统最差信道的系统冗余如图5所示。

图5采用不同编码时系统冗余与远泵功放模块中EDF长度的关系

由图5分析可得，保证发送端功放模块中的EDF长度最佳，变化系统中远泵功率放大模块中的EDF长度时，采用NRZ编码系统误码性能最优时对应远泵功放模块中最佳EDF长度为16m，此时对应入纤功率为17.87dBm；RZ编码对应最佳EDF长度为16m，入纤功率为18.24dBm；CSRZ编码对应最佳EDF长度为19m，入纤功率为19.02dBm。

由此可以看出，远泵功率放大器的出射功率很高，也会使得系统中产生很大的非线性效应，消耗系统功率，影响系统的性能。

通过上述对系统冗余度与放大模块中EDF长度之间关系的分析可以看出，采用CSRZ编码时，系统性能得以很好的改善，系统冗余度提高。因此，在对系统进行优化时，可以通过采用CSRZ编码延长传输距离。

四、结束语

本文就非线性效应对海底光缆传输系统造成的影响进行了仿真。从仿真结果分析，克尔效应对系统的影响很大；而散射效应对系统的影响较小，可以暂时忽略。为此，通过仿真对功放模块以及远泵功放模块中的EDF长度进行了优化，从而使得系统的入纤功率得到最大程度的优化，以缓解系统非线性效应的影响。但是，由于系统仿真过程中各信道的性能相差较大，还可以考虑通过优化信道波长以及信道间隔来对非线性效应进行抑制，以改善系统性能，延长传输距离，这将在后面的工作中进行研究。

参考文献：

[1]李长春,等.超长距离光传输技术基础及其应用[M].北京:人民邮电出版社,2008

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