非线性效应及其管理(1)

　　在光通信系统中，增加入纤光功率可以在增加传输距离的同时保持足够大的OSNR。实践表明这会造成各种各样的非线性问题。通常情况下，玻璃材料中的非线性效应非常微弱。但是当光信号在光纤中传输时，由于光纤的芯径非常小，致使光纤中光信号的功率密度很高。

　　此外，传输光纤中的相互作用长度很长（对于LH为几百公里，对于ULH为几千公里），非线性效应的累积变得非常明显。在所有非线性效应中，源于克尔效应的那些非线性效应，包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等最容易造成问题。SPM是某光信道激发的光纤非线性折射率对该信道本身产生的附加相位调制，XPM和FWM是某个信道受邻近信道的非线性干扰。这些效应是造成传输代价的主要原因（前面的讨论中暂时忽略了传输代价）。事实上，这些非线性效应（特别是SPM）一直是过去几十年长距离传输研究的重心和焦点。

　　ULH传输链路的特点是具有很大的光纤跨段数NSPAN。因此了解非线性效应与NSPAN之间的定标率是非常重要的。信道间的非线性效应如XPM和FWM等，其累积与NSPAN的平方根成正比，这一点与噪声等其它随机过程类似。此外，即使对于常规的LHDWDM传输，XPM和FWM只是在小色散光纤（如G.653）中，或某些G.655光纤（如TWC）的长波处较为显著。在最常用的光纤如G.652和LEAF中它们都可以忽略不计。另一方面，作为信号的主要失真机制，SPM随NSPAN的增加呈线性增长。因此在ULH传输中SPM是最具破坏力的物理效应。定量地说，SPM可以用信号光功率密度产生的光脉冲的相位偏移来描述：ΦSPM＝γPLEFFNSPAN。

　　其中γ是非线性耦合系数，具体数值与光纤类型有关，P是入纤光功率，LEFF是非线性相互作用的有效长度。现在以G.652光纤中传输的10bps、非归零（NRZ）光信号为例说明SPM效应的危害。若NRZ信号的平均入纤光功率是0dBm，则由于SPM效应，“1”脉冲在一个光纤跨段中获得的相移为ΦSPM＝0.05弧度。对于G.652光纤中的2400km（30×80km）ULH传输，累积的相移约为π/2。对于“0”码，其光功率密度要低很多而不会产生明显的相移。因此在“0”和“1”码之间的过渡处会产生频率调制（啁啾）。假设“0”和“1”码之间的上升沿（下降沿）时间为30皮秒（1皮秒＝1×10－12秒）并忽略色散效应，则在脉冲的上升（下降）沿会产生－8GHz（＋8GHz）的啁啾。如果为了得到更好的OSNR而将入纤光功率增至3dBm，啁啾将翻倍至－/＋17GHz。若脉冲具有如此大的啁啾，经光纤色散后这些啁啾（频率调制）会转化为强度噪声，造成信号失真，并会导致色散容限窗口严重变窄。