光 通 信 技 术V o l.23 O PT I CAL COMM U N I CA T I ON T ECHNOLO GY N o.1中国电信技术类核心期刊受激布里渊散射对光纤传输系统特性的影响α王晖 谢世钟 谢 涌 吴小萍 孙成城 周炳琨(清华大学电子工程系北京100084)摘要 受激布里渊散射(SB S)是光纤传输系统中一种重要的非线性效应,它限制了光纤中的光功率。
文中主要讨论了SB S的阈值特性与光源静态线宽及光源调制类型的关系,并通过实验进行了验证。
同时,还研究了SB S效应对系统误码率特性的影响。
所得结果可为系统设计工作中考虑SB S的影响提供一定依据。
关键词 受激布里渊散射 光纤传输系统Effect for Character istic of Optica l F iber Tran s m ission Syste m due to Sti m ula ted Br il-lou i n Sca tter i ng W ang Hu i,X ie Sh izhong,X ie Y ong,W u X i aop i ng,Sun Chengcheng, Zhou B i ngkun Tsi nghua Un iversity,Be ij i ng100084Abstract Sti m u lated B rillou in Scattering(SB S)one of i m po rtan t non linear op tical ef2 fects in op tcal fiber tran s m issi on system,it li m its the op tical pow er that can be tran s m it2 ted th rough fiber.In th is p aper,the relati on sh i p of SB S th resho ld characteristic w ith linew idth of ligh t sou rce and m odu lati on typ es w as talked abou t,and w as app roved by exp eri m en ts.A t the sam e ti m e,w e have investigated the effects fo r b ite ero r rate charac2 teristic of system due to SB S.Keywords Sti m u lated b rillou in scattering Op tcal fiber tran s m issi on system1 引言在长距离光纤通信系统中,大功率半导体激光器和掺铒光纤放大器(ED FA)被广泛使用,使得传输线路中的光功率提高到很高的水平,最高点可达到50甚至100mW,这就可能导致产生各种光纤非线性效应,对系统传输质量产生较大影响。
其中受激布里渊散射(SB S)因阈值较低,在窄线宽情况下可能达到仅仅几个mW的量级,而对系统的影响最大[1]。
SB S是一种在光纤内发生的非线性过程,一旦光纤中传输的光功率超过布里渊阈值,SB S将把部分输入功率转换为后向斯托克斯波,造成传输光强不稳定,从而引入噪声,影响接收灵敏度,而且SB S带来泵浦消耗,使接收端功率远小于无SB S效应时的功率,极大地恶化系统传输特性[2]。
因此,在光通信系统中,必须保证进入光纤的功率低于SB S阈值。
本文研究了光源为连续光(C W)及光源α激光器在直接电流调制、电致吸收(EA)调制器调制和铌酸锂(LN)外调制器调制等不同情况下SB S的阈值特性,着重讨论了窄线宽光源使用铌酸锂外调制器的情况,并研究了这种条件下SB S效应对系统性的影响。
2 理论分析对于连续波,SB S阈值可以由式(1)给出[3]:P C W th r=21A e Kg B L e(1)其中,A e为有效光纤芯截面积。
对于普通单模光纤来说约为80Λm2,L e为有效作用距离,,L e约为1914km;g B为峰值布里渊增益,约4×10-11 m W;K为偏振因子(1≤K≤2),普通单模光纤在随机偏振的情况下,可认为K=2。
实际上,SB S阈值与光源线宽密切相关,而式(1)仅对线宽极窄的泵浦光(∃v Pν∃v B)成立。
当两者相当时,SB S阈值为(假设单模光纤且光谱为洛仑兹线性)[1～5]:P C W th r=42A eg B L e∃v P+∃v B∃v B(2)其中,∃v B为布里渊增益带宽,对普通单模光纤其典型值为50M H z。
由于SB S阈值与光源线宽有较大关系,调制状态下,因不同类型的调制对光源线宽的展宽不同,SB S阈值也有很大差别。
对于直接电流调制和EA调制器调制的激光器来说是A SK调制,但由于啁啾的影响,其中必然伴随着PSK调制,使光源线宽展宽到GH z 的量级。
对于PSK调制,在考虑SB S效应时,其调制后的谱宽可近似等于比特率B,而且可以等效为一静态线宽为B的连续波光源[1],因此布里渊增益随比特率B以式(3)关系减小[2]:g PS KB≈∃v BB+∃v Bg C W B(3)同一光源PSK调制时的SB S阈值与连续波运转时的SB S阈值的关系可由式(4)给出[1]:P PS Kth r≈P C W th rB+∃v B∃v B(4)式中,布里渊带宽∃v B仅50～100M H z,当比特率为2.5Gb s或更高时,布里渊增益显著减小,SB S阈值将变得很高。
在一般通信系统中,当采用直接电流调制或EA调制器调制时,可以不考虑SB S效应的影响。
下面主要讨论用LN外调制器调制的情况。
这种调制是零啁啾调制,几乎不产生相位噪声,可以不必考虑PSK调制的影响,认为是A SK调制。
A SK调制即使在很高的码速下其SB S阈值也只与光源的静态线宽有关,假定调制信号为N R Z码,SB S阈值(平均功率)可表示为[4]:P A S Kth r=P C W th r1-f02∃v B(1-e-∃v B f0)(5)其中f0为调制速率,由此式可看出,当f0远大于∃v B时,P A S Kth r可近似为P C W th r的两倍,图1给出了式(2)、(5)的数值计算结果。
由图1可图1 SBS阈值与光源线宽关系数值计算曲线看出,当光源线宽小于50M H z时,SB S阈值低于12dBm,是系统设计中必须考虑的重要因素。
为抑制SB S效应,可采用线宽较宽的光源,或是控制光路中的光功率,对于线宽较窄的光源,可采取低频小信号调制(D ITH ER)的方法提高SB S阈值,其调制频率应远远低于光接收机的下限截止频率,调制幅度应为光源驱动电流的5%以下。
在光源上迭加小信号调制,相当于对光源引入了171999年第1期 王 晖等: 受激布城渊散射对光纤传输系统特性的影响 啁啾。
用这种方法可以使光源线宽展宽到数百M H z 至几GH z ,导致受激布里渊增益降到很小,甚至可使SB S 阈值提高到数百mW[4,5]。
3 实验结果及分析为研究SB S 的阈值特性,笔者采用60km 普通单模光纤为传输媒质作了几组实验。
首先,用线宽较窄的光源连续波运转,当输入光功率增加时,经60km 光纤传输后的输出光功率起初随线性增加,后出现饱和,这是因为输入光功率达到SB S 阈值以上时,部分输入光被转换为背向散射光。
图2为20M H z 及40M H z 线宽光源的实验结果,可以看出,SB S 阈值随线宽的增加而增大。
图2 不同线宽光源输入,输出光功率关系曲线为进一步研究调制状况下的SB S 阈值特性,笔者用静态线宽20M H z 的同一光源分别采用连续波运转、EA 调制器调制及LN 外调制器调制(调制速率均为2.5Gb s ),重复以上的实验。
对于LN 外调制器调制,笔者还对光源迭加10kH z 的D ITH ER 信号人为增加光源线宽后,测量此时的SB S 阈值,上述四种方式得到的结果如图3所示。
分析实验结果,可以看到EA 调制时实验过程中未出现SB S 效应,这是因为EA 调制器啁啾因子Α约为1,经2.5Gb s 的调制信号调制后光源谱宽展宽到几GH z 。
从而使SB S 阈值提高到远超出我们实验时输入光功率的水平,而连续波及LN 调制时则当功率在10mW以图3 不同调制类型光源输入、输出光功率关系曲线下就出现了SB S 效应,其阈值与上节理论计算基本相符。
此外,还可从图3看出,对光源迭加小信号调制后可以明显地抑制SB S 效应,使阈值大大提高。
为了验证SB S 效应对系统特性的影响,笔者作了如图4的实验设计。
图4 实验系统框图图4是采用铌酸锂外调制,调制后的光信号直接进入ED FA 放大,经60km 普通单模光纤传输后测量误码特性。
实验中使用了两级光衰减器:衰减器①用于控制入纤功率,使其超过或低于SB S 阈值;光衰减器②用于测量误码率曲线。
首先采用静态线宽20M H z 的光源,分别将光衰减器①和②置于0dB 及7dB 处,测量误码率曲线;然后将光衰减器①固定于0dB 处,分别采用静态线宽为300M H z 的光源,再测一条误码率曲线。
以上三条曲线与背对背误码率曲线(注:20M H z线宽光源与300M H z 线宽光源的背对背误码率曲线完全一致,故只给出一条)的关系如图5所示。
实验中光路未作其它改动,而当系27 光 通 信 技 术 1999年第1期A :背对背;B 、C 、D :传输60公里普通单模光纤 其中:B :T T 1=7d B ,HW F M =20M H zC :T T 1=0d B ,HW F M =300M H zD :T T 1=0d B ,HW F M =20M H z图5 误码率曲线统同时满足光源线宽较窄和入纤功率较大这两个条件时,系统误码率特性出现严重恶化,故可以认定这是由SB S 效应引起的。
通过实验,可以看出当光源线宽较窄时,光路中的入纤功率很容易超过SB S 阈值。
如本实验中,采用20M H z 线宽光源,光衰减器①置于0dB 时,入纤功率为11.6dBm ,已出现了明显的SB S 效应。
实际通信系统中,尤其是单路系统,在经ED FA 放大之后功率可达15dBm 以上。
一旦出现SB S 效应,系统甚至在10-3处就出现了误码率平台,根本无法正常工作。
因此,在系统设计中必须选用线宽较宽的光源,但是,也不能一味地通过加宽线宽来抑制SB S 效应。
从图5可看出,300M H z 光源传输60km 普通单模光纤后,虽然误码率可以达到10-10以下,但已有1dB 的功率代价。