PSA高速常规单模光纤通信系统的传输性能

    近年来提出了一种以周期配置的级联相敏光放大器（PSA）同时补偿光纤的损耗和色散的全新色散补偿技术相敏光放大器是具有相敏特性的光参量放大器。它利用光纤介质的二阶（或三阶）非线性效应来获得参量益。同时，通过控制泵浦光的相位来跟踪信号光的相位，使得信号光脉冲的中心部位得到放大，而展宽的两翼得到衰减，从而抑制光脉冲的展宽，实现色散补偿。
    相对于掺饵光纤放大器（EDFA），相敏光放大器除了具有色散补偿特点之外，还没有附加放大的自发发射（ASE）2，3噪音，因此不会由于ASE噪音的积累而使系统的信噪比劣化，从而延长了系统的无中继传输距离。另外，应用PSA可以抑制四波混频噪音强效应引起的调制不稳定1和消除孤子的定时抖动效应（Gordon-Haus限制）4‘5等。因此，相敏光放大色散补偿技术相对于其它的光放大和色散补偿技术具有一定的优势。
    本文采用计算机系统仿真方法对应用PSA补偿光纤色散的高速单模光纤（SMF）通信系统的传输性能进行了研究。仿真中考虑了光纤的群速度色散（GVD）二阶群速度色散以及自相位调制（SPM）效应。同时，也仿真了采用EDFA作为中继放大器SMF系统，并对两种系统的传输性能进行了比较。
    1相敏光放大器的构成及放大原理实现相敏光放大的物理方法是利用简并光参量放大器（DOPA）作为其核心部分。通常，典型的相敏光参量放大器都要包括三部分8：泵浦光源，光锁相环以及非线性光纤塞格纳克（Sagnac）干涉仪。和其它光放大器相同，PSA也是将泵浦光能转化为信号光能使信号光获得放大，只是其机理是利用光简并四波混频效应。光锁相环用来锁定泵浦光和信号光之间的相对相位，以使信号光获得相敏益和色散补偿效果。采用非线性光纤塞格纳克干涉仪是因为其与光纤的耦合效率较高。泵浦光和信号光在其中混合，发生简并四波混频效应，对信号光进行放大。且由于这种光放大器益的相敏特性，输出光脉冲相对于输入光脉冲脉宽得到压缩。
    相同的峰值功率且其脉宽远大于信号光脉冲的宽度。且由于zTzi，所以可忽略PSA中益光纤的损耗和色散，即T=.由此可导得光纤链路中第n个PSA的输入输出关系为由（其它）zi是参量放大器之间的距离，zt为PSA中的益光纤长度，且zz1.一阶色散参量，U是二阶色散参量方程中忽略了二阶以上色散参量），V是非线性系数，其定义为V= /cSff，n2是克尔常量，k为光载波的角频率，c是真空中光速，Sf为光纤有效纤芯截面。
    我们通过求解非线性薛定谔方程来获得A随z及T变化的函数，从而研究光脉冲在非线性光纤中的演变，以及光纤的色散和非线性效应对系统性能的影响。由于此方程中存在非线性项，因此采用分步傅里叶方法对其进行数值解。
    在计算中，脉冲码型采用非归零（NRZ）16比特伪随机序列（PRBS）码，其计算模型为这里，P为脉冲峰值功率，an是伪随机序列，Tb是脉冲周期，B（f是超高斯脉冲包络，表达式为，随着放大器间距的增大，PSA色散补偿能力的增强，ISI限制距离随之增大。但是，当放大器间距较大，即光纤残余色散量较大，PSA有限的色散补偿使得ISI限制距离的减少。因此，存在一相应于ISI限制距离的放大器间距。
    在20Gb/s系统中上述现象并不明显，而在10Gb/s系统中看不到此现象。之所以如此，我们认为是由于在相对低速率的系统中，色散引起的脉冲展宽造成的码间干扰不如高速系统显著，即低速率系统允许较大的脉冲展宽。放大器间距值相应地应该出现在大的放大器间距下。由于受现有放大器增益水平的限制，放大器间距不可能取很大的值。因此，在有限的放大器间距下（有限的光纤色散量下），这一现象并未显示出。
（b）给出以EDFA作为中继放大器的系统中，同样信号速率下ISI限制距离随放大器间距增大而变化的情况。总体上，在放大器间距相同的条件下，系统码间干扰限制距离随信号速率增大而显著减小。以放大器间距为40km为例，10Gb/s系统的码间干扰限制距离为2560km，20Gb/s系统的码间干扰限制距离为720km，而40Gb/s系统的码间干扰限制距离仅为160km.这比以PSA作为中继放大器的系统的值要小得离与放大器间距之间的关系。
    在中，我们将纵坐标换成眼图劣化为1dB时系统中所使用的放大器个数，横坐标依然为放大器间距，则系统所能允许的放大器个数随放大器间距增大呈现出规律性在（b）中，对放大器间距增大，在保证传输性能的前提下系统所能承受的放大器个数均呈减小趋势。
    级联在线光放大器光传输系统ISI限制距离是放大器间距与放大器个数的乘积。对EDFA系统，ISI限制距离由光纤残余GVD以及EDFA的累积ASE噪音所共同决定。由于我们对EDFA系统仿真中采用的是按光纤长度比例的欠补偿，放大器间距增大，放大器间残余的色散随之增大，GVD造成的码间干扰的增强导致系统性能的劣化。于是从GVD的影响色度考虑，在EDFA的间距增大的同时为保证系统性能，要求减少放大器的个数。
    对10Gb/s的系统，在放大器间距较小时，GVD的影响相对于ASE噪音要弱。因此放大器间距增大，EDFA个数减少导致累积ASE噪音的减弱的影响超过GVD增大的影响，ISI限制距离反而略有增大。而当EDFA间距较大使得GVD增大的影响超过EDFA个数减少导致累积ASE噪音的减弱的影响，ISI限制距离随放大器间距增大而减小。
    造成的码间干扰比10Gb/s系统中要强得多，因此随着EDFA间距增大，ISI限制距离便始终趋于减小。但这种减小的趋势并不十分迅猛，尤其是40Gb/s系统。这是因为在GVD影响为主时，ISI限制距离由整个线路总的残余GVD决定。
    在线路总长不变的情况下，增大放大器间距并不改变总的残余GVD.对40Gb/s的EDFA系统，即使象40km这样短的放大器间距，ISI限制距离己经很短，放大器的个数很少，其累积ASE噪音的影响可以忽略，所以ISI限制距离的变化范围也就非常小了。
    下面我们解释（a）反映的规律。对PSA系统，ISI限制距离由PSA的色散补偿能力和光纤残余GVD所共同决定。PSA的色散补偿能力随放大器间距的增大（PSA增益的增大），放大器个数的增多而增强，随信号速率的提高而减弱。
    对10Gb/s的系统，在放大器间距较小时，PSA的色散补偿能力随放大器间距的增大足以克服放大器间GVD增大的影响，ISI限制距离随放大器间距的增大而增大，允许放大器的个数也就增多。放大器个数的增多又增强了色散补偿能力。因此，对10Gb/s的系统，在有限的放大器间距下，允许放大器的个数随放大器间距的增大始终增多。
    对20Gb/s的系统，当放大器间距（放大器间残余色散）较大时，虽然ISI限制距离随放大器间距的增大而有所增大，但增大趋势减缓，允许放大器的个数反而减少。
    而对40Gb/s系统，光纤残余GVD的影响尤为显著，或者说PSA的色散补偿能力显著减弱。因此，当放大器间距（放大器间残余色散）较小，PSA的色散补偿能力随放大器间距的增大还足以克服放大器间GVD增大的影响时，虽然ISI限制距离随放大器间距的增大而增大，但允许放大间残余色散）较大，PSA的色散补偿能力不足以克服光纤残余GVD的影响时，ISI限制距离将随放大器间距的增大而减小，允许放大器的个数当然也就减少。
    为了明显地看出PSA作为在线放大器的优良性能，我们将以上两个系统进行直接对比，如所示（a）为40Gb/s系统，（b）为5结论本文采用数值系统仿真的方法，对单独应用PSA于10Gb/s常规单模光纤通信系统的传输性能，以及附加DCF色散补偿的10Gb/s 20Gb/s和40Gb/s常规单模光纤通信系统的传输性能进行了研究分析，并和相同速率的EDFA系统的传输性能进行了比较。获得以下结论：虽然PSA作为中继放大器具有一定的色散补偿效果。但由于SMF光纤的色散系数过大，单独应用PSA对其进行色散补偿的效果较差，不能满足高速率长距离信号传输的要求。要进行高速率长距离的信号传输，还必须附加其它的色散补偿方法，如DCF.光纤传输系统的信号速率传输距离均有大幅提高。放大器间距在40~ 40Gb/s系统，码间干扰限制的信号传输附加DCF的PSA常规单模光纤传输系统具有放大器间距。对信号速率为40Gb/s的系统，其放大器间距值在70km左右。
    这时系统的码间干扰限制传输距离可高达1330km.对于信号速率较低的系统，如20Gb/s和10Gb/s系统，理论上也应有码间干扰限制距离的zui大值，但对应的放大器间距较大。
    4）在SMF通信系统中，从系统码间干扰限制距离的角度考虑，使用PSA作为中继放大器的系统传输性能（传输速率和无中继传输距离）要远好于EDFA作中继放大器的系统。
之所以有以上结果是由PSA益相敏特性以及不存在ASE噪音所决定的。但是，为了获得相敏特性要求PSA中泵浦光始终能够跟踪信号光的相位变化，这就决定了PSA本身结构复杂，而且它只能进行窄带的光放大和色散补偿，所以PSA不适合应用于密集波分复用（DWDM）系统。然而，由于采用PSA作为中继放大器的光纤通信系统的传输速率可以达到很高，所以适合于光时分复用（OTDM）。