刘小磊，熊雪娟，李冰心

（河南理工大学a.物理与电子信息学院； b.电气工程与自动化学院，河南焦作 454000）

基于Optisystem的光纤传输系统的色散补偿分析

刘小磊a，熊雪娟b，李冰心b

（河南理工大学a.物理与电子信息学院； b.电气工程与自动化学院，河南焦作 454000）

为实现光信号的有效传输，研究了DCF（色散补偿光纤）和FBG（光纤布拉格光栅）的基本原理，利用Optisystem软件对基于RZ（归零）码调制格式的单信道传输系统中的两种色散补偿方法进行仿真，分别比较了前置补偿和后置补偿的色散补偿性能，并在此基础上提出了FBG中间色散补偿。仿真结果表明，采用FBG中间色散补偿后系统的Q值均高于另外两种色散补偿方式。进一步采用中间补偿的级联FBG模块作为波分复用系统的色散补偿器件，利用Optisystem软件对此补偿方法进行仿真，结果表明，该方法在长距离传输时仍能保持良好的补偿效果。

色散补偿光纤；光纤布拉格光栅；中间色散补偿；Optisystem软件

0 引 言

目前，抑制光信号高速长距离传输的主要因素是光纤的损耗、色散以及非线性效应。随着EDFA（掺铒光纤放大器）的出现，光信号在传输过程中的损耗问题得到了明显改善，实现了光信号的更远距离的传输，但随着传输距离的增加，色散问题会加剧，而由色散导致的脉冲展宽又引起了严重的码间干扰，限制了传输速率的提高和中继距离的延长，从而使色散问题更加突出［1］。

研究人员先后提出了多种解决传输过程中色散问题的方法:如虚像相位阵列法、激光预啁啾技术、中点光谱反转技术、光弧子传输技术、色散支持传输技术、DCF（色散补偿光纤）和FBG（光纤布拉格光栅）［2-5］等。文献［6］综述了这几种色散补偿方法的基本思想，并对它们进行分析比较，总结得出前5种色散补偿方法由于存在不同的缺陷，难以在实际的光纤传输系统中应用，而后两种色散补偿法却是目前补偿效果较好的方法。

本文采用DCF和FBG两种色散补偿方法来实现光通信系统的色散补偿，并在前置和后置补偿这两种方式的基础上，提出了一种新的补偿方式，即FBG中间色散补偿方式，利用Optisystem软件对传输速率为40 Gbit/s的单信道系统进行建模仿真，对比分析了这几种色散补偿方式的优劣并选取其中补偿效果较好的一种方法应用到多信道系统中。在该系统中采用级联型的FBG色散补偿模块，以较好地实现对WDM（波分复用）系统的色散补偿，为光通信系统的升级扩容提供了有力地依据。

1 色散补偿原理

在光通信系统中，主要采用DCF和FBG这两种方法来实现对光纤中积累色散的补偿。采用DCF进行色散补偿是在1 550 nm工作窗口处将具有较大负色散系数的DCF与正色散系数的SMF（单模光纤）串联，使正负色散相互抵消［7］，实现传输距离的延长。在补偿过程中，为实现完全补偿，使总链路的色散值接近于零，DCF和SMF的长度应满足D（λs）L+DDCF（λs）LDCF=0，式中，D（λs）和DDCF（λs）分别为SMF和DCF在波长λs上的色散系数；L和LDCF分别为SMF和DCF的长度。

采用FBG进行色散补偿的原理是当光脉冲通过FBG后，由于长波长分量在光纤光栅的始端被反射，而短波长分量在光纤光栅的终端被反射，因此后者比前者的时延大，从而补偿了由于正色散引起的脉冲展宽，使脉冲宽度被压缩甚至还原，这样就实现了对群速度色散效应的补偿［8］。为了使系统获得显著的补偿效果，在仿真中FBG和SMF的选择满足D（λs）L+DFBG（λs）=0，式中，DFBG（λs）为单个FBG的色散总量。

采用FBG对传输过程中的色散进行补偿时，有前置补偿、后置补偿和中间补偿3种方式，其具体结构如图1所示。基于DCF的系统结构与此类似。

图1 色散补偿方式框图

2 单信道系统不同色散补偿方式的建模仿真及结果分析

利用Optisystem软件对单信道光传输系统建模仿真，系统调制格式为RZ（归零）码，占空比为0.5，传输速率为40 Gbit/s，所采用放大器的增益均为20 d B，输入光功率均为10 d Bm，系统的仿真参数如表1所示。在传输链路中采用SMF与EDFA的组合，在每一跨段中均有一段80 km的SMF和一个EDFA，通过设置传输链路中循环控制器的循环次数n来设置整个系统的传输距离。通过观察接收端误码分析仪上的BER（误码率）图，可以得到不同色散补偿方法下采用不同补偿方式的性能参数及补偿效果，仿真结果如图2所示。

表1 系统的仿真参数

图2 基于DCF和FBG的色散补偿仿真结果图

由于系统的Q值可以表征OSNR（光信噪比）和BER［9］，且Q因子越大，BER越小，因此本文采用Q因子来实现对系统性能的估算。由图2可以看出，基于DCF和FBG的3种色散补偿方式的Q因子曲线变化趋势基本一致，各补偿方式的Q值均随入射功率（-2～6 d Bm）的增大而增大。另外，当系统传输速率为40 Gbit/s时，无论采用DCF还是FBG进行色散补偿，中间补偿方案的补偿效果均优于前置补偿和后置补偿，且后置补偿的补偿效果最差，在相同条件下得到的Q值最小。

对比DCF和FBG的中间补偿可以看出，当入射功率相同时，FBG中间补偿系统的Q值比DCF的大，且两者Q值的差值随着入射功率的增大而增大，FBG中间补偿的补偿效果更为明显。这是因为DCF的损耗较大，有效面积比普通光纤小，从而导致非线性变大，对系统的影响逐渐增强。随着系统入射功率的逐渐增大，采用DCF进行色散补偿的传输链路增加了额外的非线性效应，且非线性效应也随之增大，故其Q值相对较小。而FBG具有体积小、结构紧凑、插入损耗低和不受非线性影响、与光纤兼容性好等优点［10］。通过以上对比可知，采用FBG中间色散补偿具有较好的补偿效果，因此，我们采用该补偿方式来实现对单信道系统的色散补偿，从而改善系统的传输性能。

3 WDM系统色散补偿建模仿真分析

在传输过程中，为了实现对WDM系统中的信号色散进行补偿，借鉴文献［11］中的光纤光栅级联模型以及FBG级联原理来搭建仿真模型。依次将8个FBG串联起来，其结构如图3所示。当WDM信号通过FBG色散补偿模块时，先进入光环行器中（光环行器的一对输入输出端口被设为无效端口），沿顺时针方向依次进入每个FBG，每个FBG只反射原WDM信号中对应频率的一个分信号，这样就实现了对不同频率信号的色散补偿。最后，被反射回来的各个分信号通过功率合成器耦合，形成一个复用信号并送到光环行器中，通过光环行器的输出端口输出完整的经过色散补偿后的WDM信号。

图3 FBG级联原理图

在该系统中，光发送机分别产生8个频率信号，第一个频率为193.1 THz，信道间隔为100 GHz，经过光复用器合成一个WDM信号后进行传输。接收端接收并解复用该信号，进行判决后恢复出原信号。我们根据仿真后得到的Q值和眼图来判断色散补偿效果的优劣。为了研究方便，以第一信道的输出结果为研究对象，因为该信道易受色散和非线性效应的影响，且信号质量最容易变差［12］。

为了直观地体现级联FBG中间色散补偿模块的作用，对比分析了采用级联FBG中间色散补偿和无色散补偿时的WDM系统（其他条件均相同），两种情况下入射功率与Q值的关系如图4所示。由图可知，入射功率相同时，级联FBG中间色散补偿系统的Q值大于无色散补偿系统对应的Q值，且有色散补偿时系统的BER要低于无色散补偿时的BER，有色散补偿时系统的传输性能更好。由图5所示的第一信道的眼图也可以得到相同的结论。

图4 WDM系统Q值随入射功率变化的曲线图

图5 无色散补偿和中间补偿时的眼图

在仿真过程中还发现，系统的传输性能会随着传输距离的改变而改变，在接收端对Q值进行分析，通过控制环路控制器的环行圈数n（n=1～15）来改变整个系统的传输距离，且每个跨段的距离为80 km。图6所示为采用中间色散补偿方案、输入功率为0 d Bm时接收端Q值与传输距离的关系。从图中可以看出，Q值会随着传输距离的增加而减小。当传输距离超过1 200 km时，由于受信道间FWM（四波混频）现象和EDFA的放大自发辐射效应的影响，Q值会降低到10 d B以下，系统的传输性能明显下降，即在中间色散补偿方式下，其有效色散补偿的传输距离为1 200 km。

图6 传输距离与Q值的关系

4 结束语

本文对基于RZ调制格式、传输速率为40 Gbit/s的单信道和多信道光传输系统的色散补偿进行了仿真研究，结果表明，采用FBG中间色散补偿效果最好，其不仅能使单信道传输系统的性能得到优化，还能改善WDM系统的传输性能。其次，针对WDM系统的中间色散补偿分析了传输距离与Q值的关系，结果表明，采用中间色散补偿方案且传输距离小于1 200 km时系统的性能最好。本文的分析研究为高速率、长距离和大容量的光传输系统优化提供了有力的依据，方便了光通信系统的升级和扩容。

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Analysis of Dispersion Compensation of the Optical Fiber Transmission System Based on Optisystem

LIU Xiao-leia，XIONG Xue-juanb，LI Bing-xinb
（a.School of Physics and Electronic Information； b.School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

In order to achieve effective transmission of optical signals，the basic principle of different dispersion compensation methods（dispersion compensation fiber and fiber Brag grating）is studied.A single-channel transmission system based on RZ modulation format by Optisystem is designed and two dispersion compensation schemes（pre-compensation，post-compensation）of DCF and FBG is studied.In this paper，the intermediate dispersion compensation method based on FBG is proposed.Simulation results show that the Q value of the system is higher than the other two methods when use the FBG intermediate dispersion compensation.The intermediate cascaded FBG module is further proposed as a dispersion compensation device of WDM system.The simulation model in Optisystem is established.Simulation results show that this method can maintain good compensation effect even if the transmission distance is long.

dispersion compensation fiber；fiber Brag grating；intermediate dispersion compensation；Optisystem software

TN914

A

1005-8788（2016）05-0005-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.002

2016-05-24

刘小磊（1980-），男，河南焦作人。讲师，博士研究生，主要从事光码分多址、光载无线通信和光模块等方面的研究。