DGE通道帶寬對(duì)非線性ULH系統(tǒng)的影響

J.M. Wiesenfeld, L. D. Garrett, M. Shtaif(1) , M. H. Eiselt, and R. W. Tkach
Celion Network公司

摘要：試驗(yàn)和模擬的結(jié)果顯示，一個(gè)動(dòng)態(tài)增益均衡器（DGE）的通道帶寬會(huì)對(duì)一個(gè)非線性ULH系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。對(duì)于一個(gè)40通道，傳輸距離為6000公里，100GHz通道間隔的DWDM系統(tǒng)而言，最佳的帶寬接近于50GHz。

1.引言

到目前為止，已經(jīng)有數(shù)項(xiàng)技術(shù)被用于陸地DWDM信號(hào)數(shù)千公里的超長(zhǎng)途（ULH）傳輸中[1]。這些技術(shù)包括了色散補(bǔ)償和色散斜率補(bǔ)償技術(shù)，先進(jìn)的EDFA設(shè)計(jì)技術(shù)（包含增益平坦濾波器），前向糾錯(cuò)（FEC）編碼技術(shù)以及動(dòng)態(tài)增益均衡技術(shù)（DGE）。在ULH網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)態(tài)增益均衡器一般每經(jīng)過(guò)6個(gè)跨距放置一個(gè)，這種器件一般扮演多種重要角色，如通道間的功率平衡，將總體非線性效應(yīng)最小化，對(duì)放大器或其他器件中的殘余增益/損耗光譜不平坦性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)�。DGE可以是連續(xù)的也可能被通道化（channelized）。另外，對(duì)于增益-斜率均衡應(yīng)用，通道化的DGE可以對(duì)偏振效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，如偏振相關(guān)損耗（PDL），而且通道化的DGE也可以作為ROADM的關(guān)鍵部件得到應(yīng)用[2]。

本文演示了通道化的DGE作為一個(gè)在線式光濾波器[3，4]給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)的重大影響。 與先前觀點(diǎn)正好相反：先前認(rèn)為濾波器的帶寬應(yīng)該盡可能地寬以最大化地降低串聯(lián)濾波器波形所帶來(lái)的影響。事實(shí)上，減少濾波器帶寬對(duì)非線性傳輸系統(tǒng)是有好處的。特別是我們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)選擇合適的濾波器帶寬可有效改善一個(gè)12.5Gb/s，100-GHz間隔的DWDM系統(tǒng)的性能，其傳輸6000公里（60個(gè)跨距）后Q值增加1.4-dB。我們?cè)囼?yàn)和模擬的結(jié)果都顯示最理想的濾波帶寬接近50 GHz (FWHM)。我們這里討論的ULH DWDM工作在非線性區(qū)，在這些區(qū)域可實(shí)現(xiàn)色散圖譜與非線性之間的小心平衡。先前的模擬結(jié)果認(rèn)為串聯(lián)濾波器給DWDM傳輸造成的影響是assuming線性[5]或接近線性[6]傳輸。在上述工作中[5，6]，濾波器波形的影響被歸因于一個(gè)濾波器函數(shù)（個(gè)別濾波器函數(shù)的產(chǎn)生物）造成的。而這里的模擬則顯示，濾波器間的跨距是可以實(shí)現(xiàn)完全非線性傳輸?shù)�，因此濾波器的響應(yīng)函數(shù)并非必定是某一個(gè)別濾波器響應(yīng)函數(shù)的簡(jiǎn)單產(chǎn)品。而用在孤子系統(tǒng)中的guiding濾波器對(duì)非線性傳輸?shù)挠绊懸彩潜娝�周知的[3，4]，不過(guò)FP濾波器用在這種場(chǎng)合的影響或作用就微弱的多了。

2.試驗(yàn)

本次試驗(yàn)是通過(guò)一個(gè)再循環(huán)環(huán)路系統(tǒng)完成的，詳細(xì)資料可參考文獻(xiàn)[7]。簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們采用了40個(gè)DFB激光器，波長(zhǎng)范圍從1570.01 nm到1603.17 nm，波長(zhǎng)間隔為100-GHz，采用兩個(gè)級(jí)聯(lián)LiNbO3  MZ調(diào)制器對(duì)12.5Gbps信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，最終產(chǎn)生占空比（duty-cycle）為50%的RZ數(shù)據(jù)流。12.5Gbps的數(shù)據(jù)速率相當(dāng)于用在10Gbps數(shù)據(jù)通道上商用FEC總體開銷占25%。FEC編碼所需的最小接收Q參數(shù)值要達(dá)到7.8 dB，才能糾正低于10-15誤碼率（BER）。這個(gè)再循環(huán)環(huán)路包含了6個(gè)由康寧eLEAF光纖組成的跨距（每個(gè)100公里）和6個(gè)基于更高階模（HOM）光纖組成的色散補(bǔ)償單元。這些跨距平均2.5%欠補(bǔ)償(undercompensation)。我們?cè)诃h(huán)路中的第三和第四個(gè)跨距間放置了一個(gè)通道化的DGE。

我們通過(guò)兩階、增益平坦 EDFA來(lái)提供光增益。每通道的注入功率為2.5 dBm，這些功率將進(jìn)入傳輸光纖中，而進(jìn)入HOM色散補(bǔ)償裝置中的功率為0 dBm。而環(huán)路的輸入輸出段則是由50公里長(zhǎng)的SMF光纖組成，全部得到標(biāo)準(zhǔn)色散補(bǔ)償光纖（DCF）的補(bǔ)償，這樣做的目的是仿效城域光纖網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。而發(fā)射器進(jìn)行了–90 ps/nm的預(yù)補(bǔ)償，接收器則沒(méi)有進(jìn)行后補(bǔ)償。

為了測(cè)量輸出端的BER和Q值，我們利用一個(gè)0.55 nm-帶通濾波器來(lái)挑選出一個(gè)通道，經(jīng)過(guò)預(yù)放大，被一個(gè)具有8-GHz 電子帶寬的針腳接收器檢測(cè)。6個(gè)不同的通道化DGE器件被部署在再循環(huán)回路中。所有的器件都基于液晶技術(shù)。帶通波形則是通常我們常見的帶有陡峭邊緣的平坦頂部，本文中濾波器的波形通過(guò)FWHM描述。帶通值范圍從41GHz到90 GHz，并被分成兩個(gè)子范圍，如40 – 50 GHz和85 – 90 GHz。試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)6000公里（10次環(huán)路，60個(gè)跨距）傳輸后的所有40個(gè)通道的平均Q值作為濾波器帶通函數(shù)而展現(xiàn)在圖1中。Q值在50 Ghz處的大小為10 dB，在90 GHz處的大小為8.6 dB。所有結(jié)果都超出了FEC所需的7.8 dB底限。

圖1 一個(gè)40通道，12.5Gb/s，6000公里長(zhǎng)系統(tǒng)的試驗(yàn) (¨)與模擬(¨) Q值，與濾波器帶寬的函數(shù)關(guān)系。

3.模擬

模擬計(jì)算采用分階傅立葉轉(zhuǎn)換方法，模擬計(jì)算盡可能地采用試驗(yàn)中的參數(shù)：2.5 dBm的入纖功率，每跨距平均2.5%欠補(bǔ)償，–100 ps/nm的預(yù)色散，14dB的消光比，放大器噪音指數(shù)為7dB，每6個(gè)跨距放置一個(gè)DGE。HOM色散補(bǔ)償器件假設(shè)是線性的。而計(jì)算模擬Q因子的值要分幾個(gè)步驟。

我們模擬了系統(tǒng)終端噪音增加的情況，分單通道和5個(gè)通道兩種情況，并對(duì)中心通道進(jìn)行Q值計(jì)算。這些模擬情況的差別是多通道Q值代價(jià)的出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，我們對(duì)單通道情況進(jìn)行了數(shù)次模擬，如增加每個(gè)放大器的噪音、并沿著信號(hào)一起傳輸?shù)那闆r，總的模擬Q值等于后續(xù)模擬與所減多通道代價(jià)之間的平均數(shù)，Q值就按照這種方法計(jì)算，并具有0.4dB的不確定性。

在模擬過(guò)程中我們使用了兩個(gè)濾波波形，第一次采用了個(gè)帶有平坦頂部的梯狀波形，其通過(guò)波形寬度變化來(lái)改變FWHM，邊緣則是以2 dB/GHz的速率下降。第二種波形則采用標(biāo)準(zhǔn)的濾波波形，這種波形在3dB的帶寬內(nèi)與梯形波形匹配的很好，只不過(guò)陡峭的趨勢(shì)不是那樣明顯而已。使用這兩種波形的差別比模擬的不確定性要小許多，除非是35 GHz FWHM。在這種情況下，采用梯狀波形的模擬Q值一般比采用第二種波形的Q值大1 dB。模擬過(guò)程中也嘗試沒(méi)有采用濾波器的情況，當(dāng)時(shí)FWHM為100 GHz。

為了將模擬的結(jié)果與再循環(huán)環(huán)路試驗(yàn)的結(jié)果直接進(jìn)行數(shù)量大小的對(duì)比，模擬Q值被減少4.5dB。這是一種評(píng)估環(huán)狀和拓?fù)渚�性系統(tǒng)差別的簡(jiǎn)單方法，包括所有通道詳細(xì)的功率偏移，超過(guò)5個(gè)通道交叉作用所帶來(lái)的影響，以及最壞情況下的比特校正和噪音統(tǒng)計(jì)。模擬Q值與試驗(yàn)Q值的結(jié)比較果展現(xiàn)在圖1中。

4.結(jié)果與討論

圖1顯示試驗(yàn)的結(jié)果與模擬的結(jié)果基本上是相符的，特別是最合適的濾波器帶寬都指向50 GHz。但是模擬的結(jié)果也過(guò)高估計(jì)了帶寬影響的量級(jí)，預(yù)計(jì)沒(méi)有使用濾波器（100 GHz）的情況會(huì)比采用最佳化的濾波器多4 dB的代價(jià)。單通道效應(yīng)展現(xiàn)在圖2中，圖中顯示了噪音隨著信號(hào)傳輸時(shí)的單通道模擬結(jié)果。Q值的變化是戲劇性的，峰值接近50 GHz。

 
  圖2 單通道效應(yīng)。圖中顯示噪音隨著信號(hào)傳播時(shí)的Q值模擬結(jié)果。

多通道效應(yīng)請(qǐng)參看圖3。圖3a對(duì)比了單通道傳播和5通道傳播模擬的代價(jià)結(jié)果，噪音在終端被增加。多通道代價(jià)在通道間隔為100GHz的情況下，會(huì)隨著濾波帶寬的增加而呈現(xiàn)單遞增趨勢(shì)。

而試驗(yàn)也展示了類似的結(jié)果。圖3b展示的是在兩種不同DGE濾波器帶寬的情況下，對(duì)一個(gè)特定通道（20）在周圍鄰近通道關(guān)閉和開啟的時(shí)候Q值測(cè)試結(jié)果，這里指的鄰近通道指19和21通道（± 100 GHz）。而其他37個(gè)通道也在本次試驗(yàn)中運(yùn)行。對(duì)于87-GHz帶寬濾波器而言，100GHz領(lǐng)近通道的影響是將Q值減少2dB（在6000公里距離內(nèi)）。對(duì)于43-GHz帶寬濾波器而言，多通道代價(jià)顯得無(wú)關(guān)緊要，幾乎可以忽略。而在每次試驗(yàn)中OSNR并沒(méi)有因?yàn)?9和21通道狀態(tài)的改變而出現(xiàn)變化。

當(dāng)濾波器變的很窄的時(shí)候，信號(hào)光譜開始變得嚴(yán)重扭曲，模擬眼圖表現(xiàn)出嚴(yán)重的抖動(dòng)。如圖1所示，當(dāng)一個(gè)濾波器帶寬達(dá)到35 GHz的時(shí)候Q值出現(xiàn)戲劇性的衰減。

在模擬過(guò)程中我們也嘗試采用稍微不同色散圖、功率等級(jí)和不同的DGE/ span比率，但結(jié)果都是類似的，Q值與濾波器帶寬的依存關(guān)系是差不多的，而對(duì)于12.5 Gb/s系統(tǒng)而言，最適合的濾波帶寬在50 GHz附近。

我們對(duì)一個(gè)通道間隔為100 GHz的DWDM系統(tǒng)進(jìn)行3000公里的模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果顯示濾波器帶寬都展現(xiàn)出類似的效應(yīng)，只不過(guò)量級(jí)更小一些，最優(yōu)值在45 – 50 GHz附近。

圖3 （a）左邊是多通道代價(jià)，主要表現(xiàn)的是單通道和5通道傳輸時(shí)模擬Q值的區(qū)別。（b）右展示的是在兩種不同DGE濾波器帶寬（43 和87 GHz）的情況下，對(duì)一個(gè)特定通道（20）在周圍鄰近通道關(guān)閉（正方形）和開啟（圓形）的時(shí)候Q值試驗(yàn)觀察結(jié)果。

總之，一個(gè)DGE通道帶寬的選擇正確與否會(huì)對(duì)ULH系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。我們已經(jīng)通過(guò)對(duì)一個(gè)通道間隔為100GHz的L波段DWDM系統(tǒng)進(jìn)行6000公里的模擬和試驗(yàn)的手段了解了單通道和多通道效應(yīng)。當(dāng)中得出的結(jié)論也適合其他ULH系統(tǒng)，盡管傳輸距離不同，色散圖以及功率等級(jí)都不同。

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