CN1516363A - 一种减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法及装置，所述光传输系统包括一发射机，所述发射机包括：连续波激光器、直流偏置、光调制器及其数据信号，其中该发射机还包括一低频扰动信号及耦合电容，通过耦合电容将低频扰动信号施加到光载波激光器直流偏置点上，引起光载波激光线宽加宽，从而有效提高光纤中的受激布里渊散射效应阈值，减小其对传输系统影响。本发明的采用低频扰动信号减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法具有结构简单、易实现，稳定性好且基本不会增加系统成本等特点，因此可以广泛应用在光传输系统中。

Description

一种减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法

技术领域

本发明涉及一种减小光传输系统受激布里渊散射(SBS，StimulatedBrillouin Scattering)效应影响的方法，特别涉及一种在长距离无中继光传输系统中减小光传输系统SBS效应影响的实现方法。

背景技术

在长距离无中继光传输系统中，需要尽可能的提高入纤功率来补偿光纤损耗，从而保证接收端的光信噪比。但是，在较高的入纤功率下，光纤中的受激布里渊散射效应会将前向传输光信号的光功率转移给后向散射光和声子场，从而造成了信号光的一种损耗机制，导致接收端信噪比下降，严重地影响了光传输系统的性能。SBS效应与光纤中的其它几种非线性效应如自相位调制(Self-Phase Modulation-SPM)、交叉相位调制(Cross Phase Modulation-XPM)等非线性效应比较，SBS效应具有最低的阈值功率，一般仅有几个毫瓦(mw)。为了避免SBS效应产生，系统入纤功率只能限制在SBS阈值以下，因此，光纤中的SBS效应大大地限制了信号入纤功率的提高。

在现有技术中，可以采用自身信道的SPM效应、监控信道的XPM效应来加宽谱宽，抑制SBS效应，但这方式抑制能力有限，而且有可能引起信号波形畸变，效果欠佳。也有的通过附加相位调制器来减小SBS效应影响，效果不错，但其成本很高。还有的采用载波抑制的调制格式来加宽谱宽，但这种方式需要很大程度地更改原有发射模块配置，实现复杂困难，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传输系统中减小光传输系统SBS效应影响的方法，有效提高光纤中的SBS效应的阈值，减小其对传输系统的影响，而成本较低。

为实现本发明的目的，我们提供一种减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其包括以下步骤：将低频扰动信号施加到光载波激光器的直流偏置点上，引起光载波激光线宽加宽，然后再进行数据调制。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其中所述低频扰动信号的扰动频率ν_d应满足C/2n_fL_eff≤ν_d≤ν_L，其中C为光速，n_f为光纤有效折射率，L_eff为光纤有效长度，ν_L为放大器低频切断频率。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其中所述低频扰动信号是正弦波信号。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其中所述低频扰动信号通过耦合电容施加到光载波激光器的直流偏置点上。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其中将低频扰动信号频率设置在放大器响应及在光接收机的接收带宽外，用于降低低频调制附加的眼图闭合度及消除低频调制引起的色散代价，从而有效改善传输系统性能，而所述扰动频率为5KHz至100KHz。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其中所述低频扰动信号的调制深度应满足m_d≤5％。

根据本发明的另一方面，我们提供一种减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的装置，所述光传输系统包括一发射机，所述发射机包括：连续波激光器及其直流偏置点，光调制器，所述光调制器上加有数据信号，其特征在于还包括一耦合电容及低频扰动信号，通过所述耦合电容将所述低频扰动信号施加到光载波激光器的直流偏置点上。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的装置，其中所述光调制器为电吸外调制器或马赫曾德尔外调制器。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其中所述数据信号为非归零码(NRZ)或归零码(RZ)。

所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的装置，其中所述低频扰动信号是正弦波信号。

综上所述，与现有技术的方法相比，本发明的采用低频扰动信号的方法具有结构简单、易实现，稳定性好且基本不会增加系统成本等特点，因此可以广泛应用在光传输系统中。

附图说明

图1加有低频扰动信号的发射机模块原理框图

图2扰动信号加宽载波光谱宽度示意图

具体实施方式

受激布里渊散射是一个窄带过程，石英光纤中典型的增益谱宽在10MHz～100MHz之间，相应的Stokes频移量10GHz。

在数字通信中，信号光波一般采用具有1/2“1”的伪随机码流(PRBS)对其进行幅度调制(Amplitude Modulation-AM)，调制光信号的SBS效应在光纤中的阈值P_th ^ASK可近似表示为：

$P_{\mathrm{th}}^{\mathrm{ASK}}=\frac{P_{\mathrm{th}}^{\mathrm{CW}}}{1-\frac{B}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_B}(1-e^{-\mathrm{\Δ\νB}/B})}---\left(1\right)$

其中P_th ^CW是调制前的连续光(Continuous Wave-CW，即光载波)的SBS效应在光纤中的阈值，可近似表示为：

$P_{\mathrm{th}}^{\mathrm{CW}}=21\frac{{\mathrm{KA}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{goL}}_{\mathrm{eff}}}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_B^2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_c^2}}{\mathrm{\Δ\νB}}\right)---\left(2\right)$

式中B比特率；A_eff为光纤有效芯径面积；go为SBS效应在光纤中的增益系数；Δν_B为光纤中的自发布里渊增益谱宽度；Δν_c为CW光谱宽度；K为偏振相关因子；L_eff为光纤有效长度，当光纤足够长时，可以近似表示为L_eff≈1/α。式中L光纤长度；α为光纤损耗系数。从上述两式可以获得如下结论：(1)调制后的信号其SBS效应阈值提高，对于高比特率传输系统有 $\frac{\mathrm{\Δ\νB}}{B}\→0,$ 则调制信号的SBS阈值将近似为CW光SBS效应阈值的2倍；(2)光纤中的SBS效应主要由调制信号中的窄的载波分量(CW光分量)引起，因此可以通过适当增加载波光谱宽度，使其远远大于自发布里渊效应在光纤中的增益谱宽度ΔνB时，光纤中的SBS效应阈值将大大提高，从而减小该效应对系统性能的影响。

本发明就是根据上述分析，在CW光直流偏置点上加入小信号低频扰动，一般为正弦波，采用方波、三角波也可以，但效果不如正弦波好，使得CW光光谱宽度适当加宽，有效提高了光纤中的SBS效应阈值，从而允许大功率入纤传输。假设加入的低频正弦波信号可表示为：

I(t)＝I_dsin(2πν_d*t+₀)                       (3)

将该信号通过CW激光器偏置点施加到激光器上时，相当于对载波进行了直接低频强度调制，则低频正弦波扰动信号的扰动频率ν_d与调制深度m_d会影响对SBS效应的抑制效果及系统传输性能。

调制深度确定：对于调制深度m_d可用下式表示：

$m_d=\frac{I_d}{I_b-I_{\mathrm{th}}}---\left(4\right)$

其中I_b和I_th分别表示CW激光器的直流偏置电流及其阈值电流。根据直调激光器特性，当用上述低频正弦波信号直接调制CW激光器时，低频正弦波信号引起激光器直流偏置点的周期性变化，导致直流激光器中的载流子浓度(相当于增益介质折射率n)发生周期性变化，则根据激光器发射中心频率ν_c与增益介质折射率n的关系：

$\mathrm{\νc}\∝\frac{c}{2\mathrm{nL}}---\left(5\right)$

其中L、c分别为激光器腔长及光速。由(5)式可得出，未加扰动信号时，激光器中心频率ν_c对应于固定的偏置电流I_b，且有固定的激光线宽Δν。当加入扰动信号时，激光器中心频率将随低频正弦波调制信号在原始中心频率ν_c附近周期性抖动，引起激光器频率啁啾，使得CW激光器光谱线宽展宽。在小信号调制情况下，CW激光器光谱峰值处线宽主要由激光器中心频率相对于ν_c的偏移量决定，而这种偏移量最终决定于施加的低频正弦波峰峰值(相当于调制深度m_d)。它们有如下关系：

ν_c±Δν∝I_bμI_d              (6)

图2给出了CW激光器线宽随低频正弦波调制信号展宽的示意图。从整个时间上看，展宽后的CW激光器的光谱就是图2中的谱线展宽后的整个包络，CW激光器的有效线宽就是包络谱宽。对于低频正弦扰动信号峰峰值，即调制深度m_d大小，主要由半导体激光器的频率/电流响应及SBS效应增益谱宽决定。对于目前采用的半导体激光器，频率/电流(Δν/ΔI)响应为0.008nm/mA，即1GHz/mA。前面已讲过，SBS效应在光纤中的增益谱宽10MHz～100MHz，因此只要将CW激光器线宽向中频率两边展宽±1GHz，就足以将光纤中的SBS效应阈值提高到18dBm以上，足以满足现有通信系统入纤功率要求，相应的调制深度m_d～3％左右。当然，调制深度m_d稍大些，CW光谱宽度将越宽，则一定程度上对SBS效应抑制能力越强。但是，调制深度m_d不能太大，因为附加了小信号低频扰动，扰动信号将叠加在后面由数据信号驱动光调制器产生的光眼图上，一方面会使眼图的“1”电平变厚，导致眼图张开度减小；另一方面，CW光谱严重展宽，会给传输系统带来色散代价而给系统带来不必要的负面影响，因此对于现有传输系统，调制深度m_d一般应在m_d≤5％的范围内为宜。

扰动频率确定：对于低频正弦波扰动频率ν_d，为了使SBS效应在整个光纤有效长度范围内都能够经历较大的CW光谱线宽，从而有效抑制光纤中的SBS效应，则至少应保证低频正弦波扰动信号周期小于光信号在光纤中传输的传输时间，因此低频扰动频率ν_d存在一个下限，应满足如下关系：

$\mathrm{\νd}\≥\frac{c}{2n_f{L}_{\mathrm{eff}}}---\left(7\right)$

其中n_f为光纤有效折射率。对于现有普通单模光纤，其损耗系数典型值α～0.2dB，因此扰动频率ν_d至少应大于等于5KHz。对于现有掺铒光纤放大器EDFA或拉曼(Raman)放大器，EDFA典型的响应时间0.1ms～几个ms量级，当放大器处于深度饱和状态时，其响应时间将缩短，典型值为10us。则对于大于10KHz～100KHz范围内的强度调制信号，工作于饱和区的放大器将无法响应，对信号不失真放大。前面讲过，低频正弦扰动信号对CW将激光器调制后，将引起光信号眼图的“1”电平变厚，如果扰动频率ν_d大于10KHz～100KHz时，传输链路中的放大器将放大低频强度调制信号，使得光信号眼图张开度进一步降低，从而影响传输系统性能。因此低频扰动频率也存在一个上限，即应处于放大器低频切断频率ν_L以下，则低频扰动信号频率应满足如下条件：

$\frac{c}{2n_f{L}_{\mathrm{eff}}}\≤\mathrm{\νd}\≤\mathrm{\νL}---\left(8\right)$

根据上述分析，低频正弦波扰动信号一般选择5KHz～100KHz量级为宜。在这个频率范围，已不在光接收机的接收带宽外，因此有利于消除低频调制引起的色散代价。

图1给出了加有低频扰动信号的发射机模块原理框图，它由CW激光器101及其直流偏置点102、光调制器103(可以是电吸收(EA)外调制器，也可以是马赫曾德尔(MZ)外调制器)及其数据信号104(可以是NRZ码，也可以是RZ码格式的数据信号)和用来加宽CW光光谱的低频扰动信号105及耦合电容106组成。低频扰动信号105通过耦合电容106耦合到CW激光器101的直流偏值电流102中，对CW激光器101进行小信号直接强度调制，使得CW激光器101输出光谱线宽加宽到大于光纤中的SBS效应增益带宽，然后将展宽后的CW输出光送入后面的光调制器103，再经数据信号104驱动产生带有低频扰动信号的光信号，送入光纤链路中传输。

这种技术在我们的实验中已得到证实，在CW激光器直流偏置上加入10KHz的正弦波信号，就可以将光纤中的SBS效应阈值提高的18dBm以上，足以满足目前光纤通信系统入前功率要求。

本发明适用有线电视CATV、同步数字体系SDH及密集波分复用DWDM光传输系统，数据信号调制格式可为非归零码(NRZ)或归零码(RZ)，光传输系统可包括含有掺铒光纤放大器EDFA或拉曼放大器，传输链路由G.652\655\653传输光纤组成。

综上所述，本发明结合附图详细描述了本发明的优选实施例，然而本发明的描述，详细说明和以上提到的附图并不是用来限制本发明的。对本领域的普通技术人员来说，在本发明的教导下可以进行各种相应的修改而不会超出本发明的精神和范围，因此这种变化应包含在本发明的权利要求及其等效范围之内。

Claims (10)

1.一种减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其特征在于包括以下步骤：将低频扰动信号施加到光载波激光器的直流偏置点上，引起光载波激光线宽加宽，然后再进行数据调制。

2.如权利要求1所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其特征在于所述低频扰动信号的扰动频率ν_d应满足C/2n_fL_eff≤ν_d≤ν_L，其中C为光速，n_f为光纤有效折射率，L_eff为光纤有效长度，ν_L为放大器低频切断频率。

3.如权利要求1所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其特征在于所述低频扰动信号是正弦波信号。

4.如权利要求1所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其特征在于所述低频扰动信号通过耦合电容施加到光载波激光器的直流偏置点上。

5.如权利要求1所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其特征在于将低频扰动信号频率设置在放大器响应及在光接收机的接收带宽外，用于降低低频调制附加的眼图闭合度及消除低频调制引起的色散代价，从而有效改善传输系统性能，而所述扰动频率为5KHz至100KHz。

6.如权利要求1所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其特征在于所述低频扰动信号的调制深度应满足m_d≤5％。

7、一种减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的装置，所述光传输系统包括一发射机，所述发射机包括：连续波激光器及其直流偏置点，光调制器，所述光调制器上加有数据信号，其特征在于还包括一耦合电容及低频扰动信号，通过所述耦合电容将所述低频扰动信号施加到光载波激光器的直流偏置点上。

8.如权利要求7所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的装置，其特征在于所述光调制器为电吸外调制器或马赫曾德尔外调制器。

9.如权利要求7所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的方法，其特征在于所述数据信号为非归零码(NRZ)或归零码(RZ)。

10.如权利要求7所述的减小光传输系统受激布里渊散射效应影响的装置，其特征在于所述低频扰动信号是正弦波信号。

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