DGE通道带宽对非线性ULH系统的影响

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

摘要：试验和模拟的结果显示，一个动态增益均衡器（DGE）的通道带宽会对一个非线性ULH系统的性能产生重大影响。对于一个40通道，传输距离为6000公里，100GHz通道间隔的DWDM系统而言，最佳的带宽接近于50GHz。

1.引言

到目前为止，已经有数项技术被用于陆地DWDM信号数千公里的超长途（ULH）传输中[1]。这些技术包括了色散补偿和色散斜率补偿技术，先进的EDFA设计技术（包含增益平坦滤波器），前向纠错（FEC）编码技术以及动态增益均衡技术（DGE）。在ULH网络中，动态增益均衡器一般每经过6个跨距放置一个，这种器件一般扮演多种重要角色，如通道间的功率平衡，将总体非线性效应最小化，对放大器或其他器件中的残余增益/损耗光谱不平坦性进行补偿等。DGE可以是连续的也可能被通道化（channelized）。另外，对于增益-斜率均衡应用，通道化的DGE可以对偏振效应进行补偿，如偏振相关损耗（PDL），而且通道化的DGE也可以作为ROADM的关键部件得到应用[2]。

本文演示了通道化的DGE作为一个在线式光滤波器[3，4]给整个系统带来的重大影响。 与先前观点正好相反：先前认为滤波器的带宽应该尽可能地宽以最大化地降低串联滤波器波形所带来的影响。事实上，减少滤波器带宽对非线性传输系统是有好处的。特别是我们在试验中发现选择合适的滤波器带宽可有效改善一个12.5Gb/s，100-GHz间隔的DWDM系统的性能，其传输6000公里（60个跨距）后Q值增加1.4-dB。我们试验和模拟的结果都显示最理想的滤波带宽接近50 GHz (FWHM)。我们这里讨论的ULH DWDM工作在非线性区，在这些区域可实现色散图谱与非线性之间的小心平衡。先前的模拟结果认为串联滤波器给DWDM传输造成的影响是assuming线性[5]或接近线性[6]传输。在上述工作中[5，6]，滤波器波形的影响被归因于一个滤波器函数（个别滤波器函数的产生物）造成的。而这里的模拟则显示，滤波器间的跨距是可以实现完全非线性传输的，因此滤波器的响应函数并非必定是某一个别滤波器响应函数的简单产品。而用在孤子系统中的guiding滤波器对非线性传输的影响也是众所周知的[3，4]，不过FP滤波器用在这种场合的影响或作用就微弱的多了。

2.试验

本次试验是通过一个再循环环路系统完成的，详细资料可参考文献[7]。简单的说，我们采用了40个DFB激光器，波长范围从1570.01 nm到1603.17 nm，波长间隔为100-GHz，采用两个级联LiNbO3  MZ调制器对12.5Gbps信号进行调制，最终产生占空比（duty-cycle）为50%的RZ数据流。12.5Gbps的数据速率相当于用在10Gbps数据通道上商用FEC总体开销占25%。FEC编码所需的最小接收Q参数值要达到7.8 dB，才能纠正低于10-15误码率（BER）。这个再循环环路包含了6个由康宁eLEAF光纤组成的跨距（每个100公里）和6个基于更高阶模（HOM）光纤组成的色散补偿单元。这些跨距平均2.5%欠补偿(undercompensation)。我们在环路中的第三和第四个跨距间放置了一个通道化的DGE。

我们通过两阶、增益平坦 EDFA来提供光增益。每通道的注入功率为2.5 dBm，这些功率将进入传输光纤中，而进入HOM色散补偿装置中的功率为0 dBm。而环路的输入输出段则是由50公里长的SMF光纤组成，全部得到标准色散补偿光纤（DCF）的补偿，这样做的目的是仿效城域光纤网络环境。而发射器进行了–90 ps/nm的预补偿，接收器则没有进行后补偿。

为了测量输出端的BER和Q值，我们利用一个0.55 nm-带通滤波器来挑选出一个通道，经过预放大，被一个具有8-GHz 电子带宽的针脚接收器检测。6个不同的通道化DGE器件被部署在再循环回路中。所有的器件都基于液晶技术。带通波形则是通常我们常见的带有陡峭边缘的平坦顶部，本文中滤波器的波形通过FWHM描述。带通值范围从41GHz到90 GHz，并被分成两个子范围，如40 – 50 GHz和85 – 90 GHz。试验中经过6000公里（10次环路，60个跨距）传输后的所有40个通道的平均Q值作为滤波器带通函数而展现在图1中。Q值在50 Ghz处的大小为10 dB，在90 GHz处的大小为8.6 dB。所有结果都超出了FEC所需的7.8 dB底限。

图1 一个40通道，12.5Gb/s，6000公里长系统的试验 (¨)与模拟(¨) Q值，与滤波器带宽的函数关系。

3.模拟

模拟计算采用分阶傅立叶转换方法，模拟计算尽可能地采用试验中的参数：2.5 dBm的入纤功率，每跨距平均2.5%欠补偿，–100 ps/nm的预色散，14dB的消光比，放大器噪音指数为7dB，每6个跨距放置一个DGE。HOM色散补偿器件假设是线性的。而计算模拟Q因子的值要分几个步骤。

我们模拟了系统终端噪音增加的情况，分单通道和5个通道两种情况，并对中心通道进行Q值计算。这些模拟情况的差别是多通道Q值代价的出现。当时，我们对单通道情况进行了数次模拟，如增加每个放大器的噪音、并沿着信号一起传输的情况，总的模拟Q值等于后续模拟与所减多通道代价之间的平均数，Q值就按照这种方法计算，并具有0.4dB的不确定性。

在模拟过程中我们使用了两个滤波波形，第一次采用了个带有平坦顶部的梯状波形，其通过波形宽度变化来改变FWHM，边缘则是以2 dB/GHz的速率下降。第二种波形则采用标准的滤波波形，这种波形在3dB的带宽内与梯形波形匹配的很好，只不过陡峭的趋势不是那样明显而已。使用这两种波形的差别比模拟的不确定性要小许多，除非是35 GHz FWHM。在这种情况下，采用梯状波形的模拟Q值一般比采用第二种波形的Q值大1 dB。模拟过程中也尝试没有采用滤波器的情况，当时FWHM为100 GHz。

为了将模拟的结果与再循环环路试验的结果直接进行数量大小的对比，模拟Q值被减少4.5dB。这是一种评估环状和拓扑线性系统差别的简单方法，包括所有通道详细的功率偏移，超过5个通道交叉作用所带来的影响，以及最坏情况下的比特校正和噪音统计。模拟Q值与试验Q值的结比较果展现在图1中。

4.结果与讨论

图1显示试验的结果与模拟的结果基本上是相符的，特别是最合适的滤波器带宽都指向50 GHz。但是模拟的结果也过高估计了带宽影响的量级，预计没有使用滤波器（100 GHz）的情况会比采用最佳化的滤波器多4 dB的代价。单通道效应展现在图2中，图中显示了噪音随着信号传输时的单通道模拟结果。Q值的变化是戏剧性的，峰值接近50 GHz。

 
  图2 单通道效应。图中显示噪音随着信号传播时的Q值模拟结果。

多通道效应请参看图3。图3a对比了单通道传播和5通道传播模拟的代价结果，噪音在终端被增加。多通道代价在通道间隔为100GHz的情况下，会随着滤波带宽的增加而呈现单递增趋势。

而试验也展示了类似的结果。图3b展示的是在两种不同DGE滤波器带宽的情况下，对一个特定通道（20）在周围邻近通道关闭和开启的时候Q值测试结果，这里指的邻近通道指19和21通道（± 100 GHz）。而其他37个通道也在本次试验中运行。对于87-GHz带宽滤波器而言，100GHz领近通道的影响是将Q值减少2dB（在6000公里距离内）。对于43-GHz带宽滤波器而言，多通道代价显得无关紧要，几乎可以忽略。而在每次试验中OSNR并没有因为19和21通道状态的改变而出现变化。

当滤波器变的很窄的时候，信号光谱开始变得严重扭曲，模拟眼图表现出严重的抖动。如图1所示，当一个滤波器带宽达到35 GHz的时候Q值出现戏剧性的衰减。

在模拟过程中我们也尝试采用稍微不同色散图、功率等级和不同的DGE/ span比率，但结果都是类似的，Q值与滤波器带宽的依存关系是差不多的，而对于12.5 Gb/s系统而言，最适合的滤波带宽在50 GHz附近。

我们对一个通道间隔为100 GHz的DWDM系统进行3000公里的模拟和现场试验的结果显示滤波器带宽都展现出类似的效应，只不过量级更小一些，最优值在45 – 50 GHz附近。

图3 （a）左边是多通道代价，主要表现的是单通道和5通道传输时模拟Q值的区别。（b）右展示的是在两种不同DGE滤波器带宽（43 和87 GHz）的情况下，对一个特定通道（20）在周围邻近通道关闭（正方形）和开启（圆形）的时候Q值试验观察结果。

总之，一个DGE通道带宽的选择正确与否会对ULH系统的性能产生重大影响。我们已经通过对一个通道间隔为100GHz的L波段DWDM系统进行6000公里的模拟和试验的手段了解了单通道和多通道效应。当中得出的结论也适合其他ULH系统，尽管传输距离不同，色散图以及功率等级都不同。

5.参考文献
1. J. L. Zyskind, R. Barry, G. Pendock, M. Cahill, and J. Ranka, "High-Capacity Ultra-Long-Haul Networks," in Optical Fiber
Telecommunications IVB. I. Kaminow and T. Li, eds., (Academic Press, San Diego, 2002), Chap. 5.
2. I. Tomkos, et al., "80x10.7 Gb/s Ultra-Long-Haul (+4200 km) DWDM network with reconfigurable ‘Broadcast & Select’ OADMs," in Technical Digest OFC 2002, (Optical Society of America, Washington, DC, 2002), post-deadline paper FC1.
3. A. Mecozzi, J. D. Moores, H. A. Haus, and Y. Lai, "Soliton transmission control, " Opt. Lett., 16, 1841-1843 (1991).
4. L. F. Mollenauer, J. P. Gordon, and P. V. Mamyshev, "Solitons in High Bit-Rate, Long-Distance Transmission," in Optical Fiber
Telecommunications IIIA. I. P. Kaminow and T. L. Koch, eds., (Academic Press, San Diego, 1997), Chap 12.
5. I. Roudas, et al., "Error Probability of Transparent Optical Networks with Optical Multiplexers/Demultiplexers," IEEE Photonics Tech. Lett., 13, 1254-1256 (2001).
6. J. D. Downie and A. B. Ruffin, "Analysis of Signal Distortion and Crosstalk Penalties Induced by Optical Filters in Optical Networks," J. Lightwave Tech., 21, 1876-1886 (2003).
7. L. D. Garrett, et al., "ULH DWDM Transmission with HOM-based Dispersion Compensation," ECOC-IOOC 2003 Proceedings, Vol. 3 (Rimini, Italy, 2003), paper We4.P.98.