发布时间 : 星期三 文章高功率下光纤中的非线性效应抑制方法的研究更新完毕开始阅读82ef2b53ba0d4a7302763aa1
xerf(x)?2/??ed?是误差函数， ? 式中， ?k1?Ldk1/T0表示走离效应
的相对延时。
0???2? 从上式中可以看出，SPM 和 XPM 效应对信号脉冲产生的非线性相移是时间相关的，那么其作用就可以等效于一种频率啁啾。频率啁啾?ν满足
?v(t)??1d?NL(T)/dT2?(4?5)对于不同路光波脉冲在时域上始终保持大范围重叠的情况，即不同波长由于群速度差异造成的走离延时在整个光纤长度上不太明显，那么结合方程(4-4)和(4-5)，光波1中SPM和 XPM效应造成的频率啁啾近似有
N?1Leff1T2T2T?v1(T)?exp(?2)[P1??Pk(??k1)]?T0T0T0k?2T0(4?6)在高斯脉冲中心附近较大范围内，exp(?T2T02)?1，故式（4-6）可进一步写成
N?1Leff1T2T?v1(T)?[P?P(??k1)]?1k?T0T0k?2T0(4?7)此时，式(4-7)得到的非线性 Kerr 效应所致的频率啁啾是时间线性的，其啁啾量与光纤非线性系数、脉冲宽度、有效传输距离、各脉冲的功率及走离效应有关。那么，我们可以考虑对信号脉冲人为引入某种线性啁啾，使之与式(4-7)中的啁啾刚好相反，从而使传输后的脉冲出现啁啾消除的现象，以达到抑制光纤非线性 Kerr 效应的目的。这就是预啁啾实现非线性抑制的原理。 4.2 预啁啾的实现方式
根据色散补偿的研究成果，预啁啾的引入有两种方式：一种是对发射机的激光器直接调制电信号，影响载流子的分布，进而调制激光器的输出光场相位，是一个可用速率方程研究的复杂过程[9,10]；另一种是外调制方式，采用适当电驱动信号对外调制器调相，工作原理和操作过程都比较简单[11]。另外，还可以采用全光处理方式直接对光信号进行相位调制，用特定的泵浦脉冲在非线性介质中对信号光产生强烈的 XPM 作用[12,13,14]，这里为了排除 SPM 的影响，要求泵浦光功率远大于信号光功率，同时要控制在介质中非线性作用的时间，保证由于走离效应的作用使泵浦脉冲能完全经过信号脉冲，对于技术和设备的要求较高。
对于实际的波分复用(WDM)光纤传输系统而言，色散采用色散补偿光(DCF)或电色散补偿模块基本补偿，损耗采用 EDFA分段补偿，使色散和损耗对信号
的作用效果降到很低的水平，近似满足单独考虑非线性效应的情况。同时，WDM 系统每个波长传输的都是很长的脉冲序列，尽管不同波长之间因群速度不同而存在走离效应，但是任一波长的某个脉冲与其它波长的脉冲序列之间总能保持较大的重叠，Kerr非线性作用受到走离效应的影响不大，可以忽略。那么，将式(4-7)近似简化成
其中???1Leff1??(P1?2?Pk)是线性啁啾系数。
20N?v1(T)??T(4?8)
根据南安普顿大学Ibsen教授所在的光纤布拉格光栅(FBG, fiber Bragg grating)团队的研究成果，可以设计出一种特殊折射率分布的超结构FBG实现将常规输入光脉冲整形为抛物线形的脉冲，然后作为泵浦光在高非线性光纤中利用 XPM 效应对信号光产生与时间的二次方成正比的非线性相移，即线性啁啾。这种全光处理方式对传输速率和调制格式透明，只是尚处于实验研究阶段，可以作为将来的一种发展方向。而直接调制激光器的方式产生的啁啾难以控制，也不适合 10Gbit/s 以上的光传输系统。综合考虑上述情况，我们这里采用外调制方式产生预啁啾信号。
对于典型的外调制方式，在铌酸锂(LiNbO3 )波导型相位调制器上所加的电驱动信号V（T）对信号光场产生的相移
k?2?(T)?V(T)?V?(4?9)其中V是相位调制器的半波电压，即相位调制 180 度时调制器所加的驱动电压值。预啁啾所产生的频移?v应该与Kerr非线性效应对信号施加的频移完全相反，即?v???T，结合式(4-5)中相移与频率的关系可以得到
V(T)???V?T2(4?10)
这里的啁啾调制是周期性的，因为器件的限制不可能保持驱动信号的二次曲线幅值无限增大。实际采用的是按比特对应调制的方式，那么其重复频率就应该与单信道信号传输速率相同。如果要满足更高传输速率的要求，也可以采用多个比特共享一个重复周期，只是可能会引入比特间的相关性，影响脉冲序列的随机性。驱动信号幅值则与其重复频率和光脉冲宽度有关。以载波抑制非归零码(CSRZ)强度调制-直接检测(IM-DD, intensity modulated-direct detected)的传输系统为例，对于CSRZ脉冲而言，每个脉冲的半高全宽TFWHM?2Tp3，而半高全宽与1/e宽度的关系为TFWHM?2ln2T0，那么可以得到
T0?Tp3ln2(4?11)而式(4-10)中电压幅值V max在每个周期端点处取到，即
2Vmax??V?Tp4
(4?12)结合式(4-9)和式(4-11)，可以得到
Vmax?9?1Leff1V?ln24?(P1?2?Pk)k?2N(4?13)由式(4-13)可以发现，为补偿非线性 Kerr 效应带来的线性啁啾，调相器所需的驱动电压幅值与信号传输速率无关，而与各信道发射功率之和以及有效传输距离线性相关。
确定了相位调制器的驱动信号，即可实现预啁啾的功能，如图4-1所示。数据经过光发射机调制到光场上之后，经过抛物线型电信号驱动的相位调制器，即预啁啾模块，就可以送入光纤链路中传输。根据理论推导，能实现对非线性 Kerr 效应的抑制。
图4-1 预啁啾模块配置图
五、小结
互联网用户对各种多媒体信息需求的急剧增大也对通信系统的发展提出了更高的要求。光纤通信系统，特别是波分复用技术的引入，是解决这一突出问题的根本方案。然而，随着WDM系统信道数的不断增加，信道间隔的逐步缩小，传输距离越来越长，发射功率也随之增大，信号在光纤中传输会受到色散和非线性效应的影响，极大地劣化系统的传输性能。由于色散补偿技术的研究已经比较成熟，光纤非线性的抑制成为了业界研究的重点，也取得了一些比较有效的进展。
本文主要研究非线性预处理技术：预啁啾方法。预啁啾方法从非线性薛定谔方程推导的SPM和XPM对信号的作用特点出发，采用周期抛物线型电信号驱
动的相位调制器构成的预啁啾模块，加在强度调制的WDM传输系统各信道发射端进行非线性抑制。
预啁啾方法结构简单，易于实现，对非线性效应的抑制效果较好，不过抑制能力还比较有限，也不太适合系统传输参数变化较大的系统，灵活性有所欠缺。 六、参考文献
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