0 引言

  1 常用高速光通信系统调制格式分类

  目前，随着40Gb/s密集波分复用(DWDM)光纤通信系统研究的不断深入，系统中的传输损伤已成为限制通信容量进一步增加的瓶颈。新型调制格式是减轻这些损伤，提高频带利用率的40Gb/s系统的关键技术之一。不管是从技术实现，还是从经济可行性来看.以后的高速光传输系统将朝着大容量和长距离的方向发展.高速光传输系统未来科研的重点和发展方向将是100Gb，s光信号的传输系统。在高速光纤通信系统中码型的选择是决定系统传输质量和光谱效率的主要因素。码型的选择和信道速率、信道波长间隔、光放大器的选择、光放大器放置间隔、光纤的类型以及色散管理策略等各种因素密切相关。分析非NRZ、RZ和 CS2Rz码型的产生方式及特点对恰当的选择合适的调制格式至关重要【3】。

  目前研究的主要调制格式按照承载信息的光载波参量可以分为以下几种：①调制振幅得到的强度调制(amplitude—shift keying，ASK)，或者说是开关键控调制(on-off keying，00K);②调制相位得到的相位调制 (phase—shift keying，OOK);③调制频率得到的频率调制(frequency—shift keying，FSK);④调制偏振方向得到的偏振调制(polarization—shift keying。POLSK)。

  其中，因强度调制和相位调制两种调制方式的实现比较简单，传输性能优良，已经得到了人们的重视，于是，高速光传输系统中调制格式的研究主要侧重于这两种调制技术。强度调制是通过调制器将传输信息调制于光信号的幅度上，在接收端通过检测幅度的变化解调出所传输的信息。它包括非归零码NRz、归零码RZ和双二进制码Duobinary。归零码又包括载波抑制归零CSRZ、啁啾归零CRZ等。此外。还有Duobinarv与RZ相结合产生的DRz和MDRz等。这几种强度调制格式的解调方式都非常简单，只需要一个简单的光电检测器就可以把信号的值检测出来。光检测器由半导体材料制成。常用的有PIN光电二极管或者是雪崩光电二极管APD两种。

  2 强度调制格式在高速光传输系统中的性能

  对NRZ、Rz、CS—Rz、DRZ、MD—Rz这几种强度调制格式在高速单通道光传输系统中抗色散性能和抗非线性性能进行研究和分析，比较五种码型调制格式在色散容限，非线性容限。传输距离上的优势及不足，有利于光纤传输系统中选择合适的码型调制格式，降低系统的传输损伤。提高系统的传输性能。不同强度调制格式的抗非线性效应研究主要是通过改变人纤光功率，改变非线性效应对信号传输的影响，通过眼图张开度代价和Q因子这两个指标来评价系统性能。而研究强度调制格式的色散容忍度，则是通过增大色散系数，增强色散对信号传输的影响，通过眼图张开度代价来表征抗色散能力【41】。

  非线性效应对高速光纤通信传输系统中信号传输的影响十分严重，主要是因为随着传输速率的增高和传输距离的加长.光信号在光纤传输中受到的非线性效应会越显著。调制格式的非线性容忍度在很大程度上决定了各种调制格式的传输性能，研究不同相位调制格式在高速传输系统中的抗非线性能力很重要。由于光纤的非线性效应和色散关系紧密，因此采用的色散补偿方式不同，信号受到非线性效应的影响也不相同.引入较好的色散补偿方式可以减小非线性效立对信号的影响。我们忽略光纤的偏振模色散和光放大器的自发辐射对信号的影响，保留色散，在色散完全补偿的情况下，比较采用对称色散补偿时各种相位调制格式的抗非线性能力。

  利用0ptiSystem光通信仿真软件对几种强度调制格式在高速单通道光传输系统中的抗非线性能力、抗色散能力进行仿真和比较，对强度调制格式的实现以及传输性能进行仿真分析，建立合理的光纤传输系统是关键。将几种强度调调制格式分别在40Gb/S单信道光纤传输系统进行传输实验，具体分析NRZ、RZ、CSRZ、DRZ、MD-RZ调制格式的抗非线性效应能力，抗色散能力，具体的系统配置如图1所示：

  此系统包括光发送端、传输线路和光接收端三部分。光发送端主要包括不同调制格式的产生装置;传输线路包括50km标准单模光纤和10km色散补偿光纤以及光放大器：光接收端主要包括光滤波器、PIN检测器和分析仪。调制后的信号首先经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行预放大，送入一个可调的衰减器，此衰减器用来控制光纤的入纤功率。每一跨段传输线路传输50km标准单模光纤，采用lOkm色散补偿光纤 (DCF)进行色散补偿。采用的是对称补偿方式，即每一跨段用到三个EDFA补偿SMF和DCF的衰减，DCF 位于两段SMF之间，两段SMF的距离相等。

  此系统中激光器的频率为193.1THz，传输链路由妇个跨段组成。可以通过改变跨段数目来改变光纤传输距离。掺铒光纤放大器EDFA的增益指数为5dB，噪声指数为6dB。接收端采用的滤波器有贝塞尔光滤波器和低通贝塞尔滤波器两种：贝塞尔光滤波器是一个 160GHz带宽.0dB插入损耗。深度100dB的一阶滤波器;低通贝塞尔滤波器的截止频率为32GHz，插入损耗0dB，深度100dB，阶数为4。PIN检测器响应率为 lA/W，暖电流为10nA。接收端可通过3R再生器，直接连接到误码率分析仪，从分析仪中可以得到仿真数据，如误码率、Q因子、眼图等。

  3 强度调制格式在高速光传输系统中的仿真

  在高速光纤传输系统中，光信号会受到色散和非线性效应的双重影响，所以合理而有效地选择光纤参数对传输系统来说是非常重要的闭。设置光纤的参数需要多次调试和完善，方可达到所需效果。通过衰减器控制光纤的入纤光功率，改变其大小引起光纤非线性的大小发生变化，然后测量受非线性影响的接收信号的眼图张开度。与背靠背情况下的眼图张开度进行比较.从而得到眼图张开度代价。通过比较达到规定的1dB眼图张开度代价时所允许的最大入纤光功率来比较NRZ、RZ、CSRZ、DRZ、MD—Rz调制格式的非线性容限。由于光纤的非线性效应和色散关系紧密，采用的色散补偿方式不同，信号受到非线性效应的影响也不相同，引入较好的色散补偿方式可以减小非线性效应对信号的影响。忽略光纤的偏振模色散和光放大器的自发辐射对信号的影响，保留色散。在色散完全补偿的情况下，比较采用对称色散补偿的情况下各种相位调制格式的抗非线性能力。

  从强度调制格式的眼图张开度代价随入纤光功率变化的仿真结果可以看出。这几种强度调制格式的眼张开代价都随着入纤光功率的增大而缓慢增加，其中MDRZ和DRZ有比较良好的抗非线性效应能力，达到ldB眼图张开度代价时.入纤光功率分别达到了 5.6dBm和5dBm。这几种强度调制格式中，MD—RZ的非线性容限最大，抗非线性能力最好;DRZ次之;RZ和 CSRZ的非线性容忍度相当：NRZ的非线性容限最小。总之。归零调制格式的抗非线性能力比非归零调制格式抗非线性能力要好。因为RZ和CSRZ调制格式受色散影响会导致光脉冲快速展宽和脉冲峰值功率迅速降低所以受非线性的影响相对于NRZ码要小。

  通常用Q因子表征系统的误码率，来反映光传输系统的性能，在测试中，通过仿真比较，当入纤光功率为OdBm时，NRZ、Rz、CSRZ、DRz和MD—RZ这五种强度调制格式的0因子随传输距离的改变而变化。从强度调制格式的Q因子随传输距离变化的仿真结果显示，各种强度调制格式Q因子都随着传输距离的增加而减小，只是不同强度调制格式0因子减小的幅度不同。入纤光功率较低，不会引起大的非线性效应，而且光纤的色散已经通过对称补偿方式完全补偿，该条件下主要是由于光放大器的自发辐射噪声限制了传输距离。在这几种强度调制格式中DRZ和MD-RZ的传输性能最好，因为它们的Q因子随传输距离的增加而下降地比较缓慢，比较适合长距离高速率系统传输;CSRZ调制格式的Q因子变化趋势小于RZ的Q 因子变化趋势.说明CSRZ比RZ更适合长距离的传输。很明显可以看出，NRZ传输距离为600多千米时， Q因子已经下降到了6dB以下，所以NRZ调制格式不适合高速率长距离传输。

  我们比较了强度调制格式NRZ、RZ、CSRZ、DRZ 和MD-RZ在高速单通道光传输系统中抗色散性能和抗非线性性能，以及这五种调制格式在色散容忍度、非线性容忍度、传输距离上的优势及不足。CSRZ、RZ 抗非线性效应能力均强于NRZ码：在单信道传输系统中.DRZ和改进型的MDRZ调制格式的抗非线性性能比较好，适合长距离的传输。Rz的色散容忍度最小， NRZ比RZ有更高的频谱效率.因而有更好的色散容忍度。CSRZ码比RZ码有更高的频谱效率。更高的色散容忍度和非线性容忍度，更适合长距离传输。

  4 结束语

  在高速光传输系统中，根据实际具体情况.选择合适的码型调制格式，有利于提高传输质量。利用光通信仿真软件0ptiSystem搭建合理的系统模型对各种调制格式的传输性能进行仿真研究.将系统中的一些模块进行了简化或理想化分析，这可能会导致仿真结果与实际的实验数据之间存在一定的偏差。目前，对强度调制格式研究和分析都只限于单通道传输系统。在后期的研究中。还需针对波分复用WDM系统中各调制格式的性能进行深入的分析。

出处：《强度调制高速光通信系统传输性能研究》

作者：张月园，张跃进，周薇，刘志伟