受激布里渊散射对光纤传输系统特性的影响.pdf

光通信技术Vol.23OPT ICALCOMMUN ICA T I ONTECHNOLOGYNo.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(SBS)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SBS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SBS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SBS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 Characteristic of Optical Fiber Transm ission System due to Sti mulated Bril-louin Scattering?Wang Hui,Xie Shizhong,Xie Yong,W u Xiaoping,Sun Chengcheng,Zhou Bingkun?Tsinghua Un iversity,Beijing 100084AbstractStimulated Brillouin Scattering(SBS)one of important nonlinear optical ef2fects in optcal fiber transm ission system,it lim its the optical power that can be transm it2ted through fiber.In this paper,the relationship of SBS threshold characteristic w ithlinew idth of light source and modulation types was talked about,and was approved byexperiments.A t the same time,we have investigated the effects for bite eror rate charac2teristic of system due to SBS.KeywordsStimulated brillouin scatteringOptcal fiber transm ission 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(EDFA)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(SBS)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。SBS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,SBS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SBS带来泵浦消耗,使接收端功率远小于无SBS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SBS阈值。本文研究了光源为连续光(CW)及光源王晖男,1973年生,硕士生1997211210收稿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SBS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SBS效应对系统性的影响。2理论分析对于连续波,SBS阈值可以由式(1)给出3:PCWthr=21AeKgBLe(1)其中,Ae为有效光纤芯截面积。对于普通单模光纤来说约为80m2,Le为有效作用距离,对于足够长的普通单模光纤,Le约为1914km;gB为峰值布里渊增益,约410-11m?W;K为偏振因子(1K2),普通单模光纤在随机偏振的情况下,可认为K=2。实际上,SBS阈值与光源线宽密切相关,而式(1)仅对线宽极窄的泵浦光(vP vB)成立。当两者相当时,SBS阈值为(假设单模光纤且光谱为洛仑兹线性)15:PCWthr=42AegBLevP+vBvB(2)其中,vB为布里渊增益带宽,对普通单模光纤其典型值为50 M Hz。由于SBS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,SBS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GHz的量级。对于PSK调制,在考虑SBS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:gPS KBvBB+vBgCWB(3)同一光源PSK调制时的SBS阈值与连续波运转时的SBS阈值的关系可由式(4)给出1:PPS KthrPCWthrB+vBvB(4)式中,布里渊带宽 vB仅50100M Hz,当比特率为2.5Gb?s或更高时,布里渊增益显著减小,SBS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SBS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SBS阈值也只与光源的静态线宽有关,假定调制信号为NRZ码,SBS阈值(平均功率)可表示为4:PA S Kthr=PCWthr1-f02vB(1-e-vB?f0)(5)其中f0为调制速率,由此式可看出,当f0远大于 vB时,PA S Kthr可近似为PCWthr的两倍,图1给出了式(2)、(5)的数值计算结果。由图1可图1SBS阈值与光源线宽关系数值计算曲线看出,当光源线宽小于50 M Hz时,SBS阈值低于12dBm,是系统设计中必须考虑的重要因素。为抑制SBS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 ITHER)的方法提高SBS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 Hz至几GHz,导致受激布里渊增益降到很小,甚至可使SBS阈值提高到数百mW4,5。3实验结果及分析为研究SBS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SBS阈值以上时,部分输入光被转换为背向散射光。图2为20 M Hz及40M Hz线宽光源的实验结果,可以看出,SBS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SBS阈值特性,笔者用静态线宽20 M Hz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10kHz的D ITHER信号人为增加光源线宽后,测量此时的SBS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SBS效应,这是因为EA调制器啁啾因子 约为1,经2.5Gb?s的调制信号调制后光源谱宽展宽到几GHz。从而使SBS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SBS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SBS效应,使阈值大大提高。为了验证SBS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EDFA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:衰减器用于控制入纤功率,使其超过或低于SBS阈值;光衰减器用于测量误码率曲线。首先采用静态线宽20 M Hz的光源,分别将光衰减器和置于0dB及7dB处,测量误码率曲线;然后将光衰减器固 定 于0dB处,分 别 采 用 静 态 线 宽 为300M Hz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:20 M Hz线宽光源与300 M Hz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:TT1=7dB,HW FM=20 M HzC:TT1=0dB,HW FM=300 M HzD:TT1=0dB,HW FM=20 M Hz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SBS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SBS阈值。如本实验中,采用20M Hz线宽光源,光衰减器置于0dB时,入纤功率为11.6dBm已出现了明显的SBS效应。实际通信系统中,尤其是单路系统,在经EDFA放大之后功率可达15dBm以上。一旦出现SBS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SBS效应。从图5可看出,300 M Hz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。这是由于光源静态谱线中的相位噪声经传输后转化而成的强度噪声(PM2AM噪声)引起的。在对光源进行小信号调制的系统中,作者观察到了同样的现象。所以,系统设计要综合考虑两方面因素,选用宽线宽光源或进行小信号调制时应同时考虑进行色散补偿,才能保证传输距离不受影响。4结论从理论计算和实验验证两方面研究了SBS的阈值特性,得出了其与光源线宽及调制类型的关系。并证实了SBS效应对系统误码率特性的极大影响。笔者认为,SBS效应是长距离光纤通信系统(特别是采用LN调制的系统)中较易产生的非线性效应,而且会使系统特性极大恶化,在系统设计中必须着重考虑,保证入纤功率不超过SBS阈值。在应用加宽光源线宽方法抑制SBS效应的同时,应考虑进行色散补偿。参考文献1Yasuhiro Aoki,Kazuhito Tajima And Ikuo M ito.Input power lim its of single2mode optical fibersdue to Stimulated Bril2louin Scattering in optical communication system s.J.of L ightwave Technology,1988,6:7107192Agrawal.G.P非线性光纤光学.天津:天津大学出版社,19923Sm ith R G.Optical power 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