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调顶技术及其在波分复用光纤通信系统中的应用(徐慧俊 范崇澄)

2/14/2005来源:光纤通信人气:14440

调顶技术及其在波分复用光纤通信系统中的应用(徐慧俊 范崇澄) 摘要 给出了调项技术对光纤通信系统误码特性影响的简单理论估计和实测结果:调 顶深度小于5%时,调顶对系统接收机灵敏度的影响小于0.5dB。将专门研制的实用化 调顶盘和解调顶盘用于实际的8信道WDM光纤通信系统中,能准确判断各信道的有无及 其光功率的相对变化,并据此实现了EDFA的增益籍制。 关键词 光纤通信,波分复用,信道监测,调顶技术,增益精制 0 引言 进入90年代以来,伴随着WDM技术的飞速发展,与其应用相关的技术(如信道监测技 术的研究也已展开[1-3]。目前信道监测主要采用调顶技术(Pilot tone modulation)。 它是指:在发射机端的信号上,叠加一小幅度的低频正弦调制作为标识;不同的信道采用 不同的调制频率,在各中继端通过检测各频率调制信号来判别相应的光信号的功率电平, 如图l。1996年,美国Lucen公司在其推出的8×2.5Gb/s WDM商用系统中,正式采用调项 技术以实现各信道状态的实时监测,在保证系统的安全可靠运行中发挥了关键作用。但是, 其具体技术方案及有关的实验数据上未见报道。开展这方面的研究,对发展我国的光纤通 信事业、促进我国自行研制的WDM实验传输系统的实用化和工程化具有重要意义。 1 调顶深度对系统误码特性的影响 确定合适的调项深度m对调顶技术在实际系统中的应用具有重要的意义:m太小会影响 调顶信号的准确检测;m太大会对系统的误码特性造成较大的影响。因此有必要从理论和 实验两方面大研究m对系统误码特性的影响。 1.1 简单理论估计 调顶对主信号的影响如图2所示。调顶深度m定义为光功率调制幅度的峰峰值Vpp与“1” 码平均光功率电平Vm之比。 无洞顶时,系统的误码率由下式计算[4];其中Vs、Vm、σs、σm ;分别代表无调顶 时,经光电检测后“0”码和“1”码的平均电平和方差。加有调顶时,假定:(1)“0” 码和“1”码的调制幅度一样;(2)将“1”码的正弦调制用“1”码电平的谷值 Vm(1-m /2)近似替代,“0”码的正弦调制用“0”码电平的峰值Vs+mVm/2。这样估算的结果偏于 安全;(3)不考虑调顶对“0”码和“1”码电平概率密度分布函数的影响;则用Q’代替 (1)中的Q即可算出洞顶后系统的误码率: 上或中的X为消光比,其成立的近似条件是X>>I。实际系统满足这一条件。 1.2 实测结果 测试采用一正在研制的8×2.5 Gb/s 450km光纤通信系统,其测试框图如图3。调顶信号分别加在各信道的电吸 收调制器上。将图中的A点接到B点即可测出背靠背(Bk-Bk)情况下的误码曲线。第7信道 调顶深度改变时(其余信道调顶深度不变,且均小于3%)接收机灵敏度的变化情况示于图 4。经450km传输后,无调项与有调顶时误码曲线的差别与Bk-Bk情况不同(<0.2dB,在实 验误差范围以内),不另叙。从图中可以得出以下结论: (1)调制会使误码曲线斜率改变,随着调顶深度的增大,误码曲线变得越来越平缓。 这是因为接收机接收到的信号功率较小时,噪声对系统误码的贡献大于调顶对误码的贡献; 而当接收到的信号功率较大时,情况正好相反。 (2)以 BER=10的-12次方为准,调顶深度m为5%和13%时,接收机灵敏度分别下降0.4 dB和1.0dB左右; m进一步增加时,接收机灵敏度会急剧下降,如m= 18% 时,接收机灵敏 度下降达2.3dB。 图5给出了Q=7.037(对应BER=10的-12次方)时,调项深度对系统BER影响的理论计算 结果及实测结果。可见,m<=10%时理论和实测结果较为吻合;m> 10%见后则误差较大。 另外,m< 10%时,系统BER的变化在两个数量级以内(10的-12次方~10的负十次方)。 实测结果表明:误码率从10的-12次方变化到10的负十次方时,接收机接收功率大致变化1 dB。故调项深度在5%以下时,调须对系统接收机灵敏度的影响小于0.5dB。 2 调顶技术在WDM光纤通信系统中的实际应用 采用特殊设计的、可插入标准通信机架的实用化调顶盘和解调顶盘,可在各中继端将 微弱的调顶信号检测出来,从而判断出系统中实有的信道数及各信道光功率的相对变化。 据此,可实现EDFA的增益精制和系统的信道监测。 2.1 EDFA的增益宿制 在WDM传输系统中,由于业务量的改变,信道数可能改变,故EDFA的输入信号功率是 经常变化的。由于EDFA一般工作在近饱和区,信号增益随信号功率的大小而变,即信道的 增减会造成剩余信道的功率改变。这对系统将造成两方面的影响:首先,信道减少可能使 功率高度集中,光纤的非线性效应如自相位调制、受激布里渊散射等大大增强;其次,信 道功率的大幅度变化容易超出接收机的动态范围。因此,实际系统应用时要求EDFA具有增 益籍制功能:信道的增减或某一信道功率改变时,对其它信道及自身信道的增益没有明显 影响。实现增益籍制功能的方法之一是增益电控:EDFA控制单元根据EDFA输入功率的变化 自动调节泵浦激光器电流,从而改变泵浦光功率。但信号光功率在设定阈值附近波动时, 会出现泵浦电流的跳变。若通过利用解调顶盘给出的信道数进行泵浦电流的调节,则可以 避免以上问题。 图6是根据解调顶盘(数据处理时间15ms)得到的信道数对电控增益功率放大器进行 动态增益籍制的实验结果。图中的曲线分别是第1路信号光和第7路信号光在其它信道逐渐 下路时的功率变化关系。从图中可以看出,在信道数逐渐减小的过程中,第1路和第7路信 号光的功率基本保持不变,在从7路减到2路过程中,第1路信号光功率变化为0.2dB,第7 路倍号光功率变化为0.45dB。当信道数减少到只剩1路时,由于泵浦电流已经降到阈值以 下,无法继续减小,所以此信道功率有所增高(约1dB),但并不足以引起非线性效应。 以上结果既表明了增益精制的效果,也证明了解调顶盘给出的信道数结果的正确性。 2.2 各信道光功率相对宣化的实时监测 测试利用正在研制的 8×2.5Gb/S×450km系统,实验框图如图 7所示。 将A点与B点相连,可实时监测进入功率放大器前各信道光功率情况。由解调顶盘得 出的调项信号的相对变化即代表相应的各信道光功率的相对变化。 测试结果表明:当A点功率改变时,由解调顶盘得出的各信道洞顶信号的相对变化与 多波长计显示的各信道光功率变化一致(见图8)。此结果表明解调盘能准确反映各信道 光功率的变化。 3 小结 本文对调顶技术在WDM系统中的实际应用进行了理论及实验探讨。结果表明: (1)调顶深度小于5%时,调顶对系统接收机灵敏度的影响小于0.5dB。 (2)研制成可插入标准通信机架的实用化调顶盘和解调顶盘。解调顶盘的数据处理时 间约15ms,能实时、准确判断各信道的有无,供DEFA进行泵浦电流的自动调节,实现EDFA 的增益箝制。 (3)解调顶结果能准确反映各信道光功率的相对变化情况。 致谢:EDFA的增益箝制实验由本系刘丹硕士协助完成,在此表示衷心的感谢。 参考文献 [1]Hill G R,et al.J Lightwave Technol,1993,11:667 [2]Murakami M,et al,ibid,1996,14:671 [3]Heismann F,et al. Signal tracking and performance monitoring in multi-wave- length optical networks,PRoceedings ECOC'96,paper no.WeB.2.2,1996 [4]kogelnik H.Encyclopedia of Applied Physics,1995,12:119