ASON傳輸系統調制特性的研究?

許文慶 余 庚

（1.福州理工學院 福州 350506）（2.福建工程學院國脈信息學院 福州 350014）

1 引言

互聯網+時代，光纖作為重要的大數據傳輸媒介在ASON中扮演著重要角色。為提高大數據傳輸的QoS［1］就不得不面對介質色散和非線性光學效應等一系列ASON傳輸特性問題。

光纖纖徑較小，當賦予光載波高功率時介質傳輸系統便呈現出較為明顯的非線性效應。隨著密集波分復用（DWDM）技術在ASON上不斷推廣應用，介質傳輸系統中的非線性效應影響日益突出。非線性對光載波業務的影響不僅引起了損耗也導致了信號脈沖展寬限制輸入服務范圍和信號功率，甚至引發頻率惆啾［2］、頻譜展寬等一系列問題。在多信道WDM系統中還會引起信道間串擾。因此強光場在介質中持續傳輸時，光場非線性［3］相移勢必使光脈沖前后沿出現相對性的漂移。如果針對兩個以上不同頻率的光載波而言，每個載頻的幅度調制都將引起介質折射率變化。變化后的介質又反過來作用于這些光載波進而產生相位調制現象，即ASON多載波傳輸系統中的XPM。此外，介質色散效應與XPM相互作用引發的頻率啁啾將直接表現為輸出光載波抖動和功率起伏，這無疑降低了傳輸網絡的QoS。同時在多波長復用系統中XPM效應導致的頻譜展寬也將引起信道間串擾。因而深入研究相位調制效應對于建設優質ASON具有深遠的意義。

2 調制機理

SPM導致ASON傳輸系統中載波自身相位出現偏移［4］的情況可量化為 ?=γ·Pin·Leff。不難看出SPM效應強弱與輸入載波功率密度呈正比，要弱化SPM影響必須最小化非線性相位偏差。對多載波復用系統而言XPM［2］效應強弱也與各信道上載波強度有關。以兩波長復用系統為例，排除色散對群速度的干擾因素，載波在傳輸過程中表現出的SPM以及XPM所引發的相位噪聲將轉化成光電檢測器的幅度噪聲輸出。這樣勢必劣化光電檢測器的工作性能引發光功率代價。假設兩個不同載頻的光波沿X方向發生偏振，當兩個載波在介質中沿著Z方向傳輸時其光強量化為

E（u，v，z，t）=Ej（u，v，z，t）expjωjt- βj0z，j=1，2

其中，ω1和ω2分別為兩列波的中心頻率以及中心頻率上的傳輸常數。假設兩個載波均為均勻平面波，于是該均勻平面波受調制效應影響引發的相位調制表示為

3 調制數學模型

本次調制的數學模型［6］以兩個信道的復用系統為例，僅考慮非線性之調制［7］效應。假設ASON傳輸系統的光波場為 E（u，v，z，t），任意信號調制下所出現的XPM對信道1的相位偏移造成的影響量化［8］為

在多信道復用系統中，假設干擾源信道與被測信道無關聯度，XPM不對載波功率電平構成影響，因此XPM總效應為單個信道作用下的累積。將光脈沖包絡 Aj（x，t）表示為

設z=0時，信道j（被測信道）的光功率表達式為Pj0，t=Aj（0，t）2=Pj0。

則相移表達式為

對于干擾信道為任意信號調制時，則信道的相移［9］為

4 調制參數設置和仿真

本次研究不考慮高階累積量，判決時刻下的光電檢測器輸出電壓的樣值為高斯變量。此時只要確定方差和均值兩個參數就能獲得概率密度函數從而得知誤判的概率，將其記為誤碼率［10］該式中 Q 為信噪比［11］，表示為其中 bmax，bmin分別為光電檢測器檢測到1碼和0碼的功率，V（bmax），σ2（bmax）和V（bmin），σ2（bmin）分別是光電檢測器檢測到1碼和0碼時的輸出電壓均值以及方差。

為了方便說明調制效應的影響程度，假設每個信道載波在整個測試過程均符合相同的偏振且偏振方向都不變。傳輸系統用到的放大器其增益與波長均無相關性，且恰好補償［12］介質損耗。在這樣的前提下每信道比特率置為40 Gbit/s，信道間隔為100 GHz，中心頻率為193.1 THz，調制速率2.0 A/s，在G.652單模光纖上傳輸，損耗系數α=0.1dB/km，波長 λ=1550nm ，色散常數 D=17ps/（nm·km），有效纖芯截面積 Aeff=5.5·10-11m2，非線性折射率n2=3.2·10-20m2/w 。通過仿真［13］運行得到圖 1 和圖2。

圖1為相同光波在2信道和4信道構成的兩個ASON非線性傳輸系統中傳輸相同的非線性距離時，兩個系統接收參考點接收到碼元1所出現的強度起伏明顯程度。

圖1 2/4系統對接收1碼的起伏程度

圖2為相同光波在2信道和4信道構成的兩個ASON非線性傳輸系統中被賦予相同功率，隨著傳輸距離增加，周邊信道對測試信道（即：信道1）的靈敏度構成影響的嚴重程度。由圖1可知，相比2信道ASON系統，4信道ASON系統受到SPM/XPM調制影響明顯增加。根據上述非線性調制理論分析，當信道數量越多對本信道愈加不利。這一點在圖2所示的仿真結果中得到了體現。從圖中4條曲線不難看出為信道數量不等的兩個ASON非線性傳輸系統賦予相同參數，隨著傳輸非線性距離的增加，測試信道的靈敏度劣化越顯著。

5 解決方案

SPM和XPM調制效應對ASON傳輸系統構建了不可忽略的影響，嚴重降低了QoS。為此提出降低調制效應代價的解決方案［14］：1）在高速ASON系統中采用RZ碼型在發射端通過色散補償方案進行少量預補償；2）配置合適的最大信道功率、最多信道數量和最小信道間隔。當XPM導致代價小于1 dB則每個信道的功率符合在多段ASON系統中盡可能采用分步式色散補償抑制XPM引發的代價；4）光纖介質損耗盡量小，有效非線性截面積盡可能大；5）傳輸系統中段合適位置處接入有一定色散的光纖并采用色散管理［15］技術使正負色散相互抵消，最終總色散為零。

6 結語

互聯網+時代在ASON上承載大數據已是一種趨勢。如何確保承載大數據波長的傳輸特性已是ASON領域研究熱點。本文從傳輸原理出發運用數學模型分析了光載波傳輸過程遇到的調制效應，并通過仿真進一步闡述調制效應造成的QoS問題。最后給出一系列克服QoS代價的解決方法。