关键字 |
| 受激拉曼散射(SRS)、放大自发发射噪声(ASE)、交叉相位调制(XPM)、自相位调制(SPM)、四波混合(FWM)。 |
介绍 |
| 传输网络结构对大带宽的需求导致人们接受光网络作为核心传输功能的技术选择。光纤作为光网络中的介质，可提供超过40 THz的可用带宽，可通过波分复用(wavelength division multiplexing, WDM)有效利用[1,2]。在波分复用中，整个光带宽被划分为以不同波长[3]为中心的若干通道。WDM网络作为光传输网络运行，承载来自现有网络技术(例如SONET/SDH、ATM、IP)的流量，并使用光路进行传输。因此，WDM基础设施由通过WDM环连接的接入网络组成，并借助光交叉连接(OXC)连接到WDM网状网络[4,5]。全光波分复用网络的典型配置如图1所示。非线性损伤对传输质量(QoT)的影响强烈依赖于累积功率和在同一光纤上并行传输的其他光通道的单个功率，而线性损伤的影响与在同一光纤上传输的每个光通道的功率无关。在线性损伤的情况下，对于共享同一光纤的不同光通道，QoT可以单独评估。 |
| 当考虑非线性损伤时，光纤上传输的每个光通道的QoT取决于同一光纤上同时传输的其他通道的数量和功率。非线性损伤包括自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混合(FWM)、受激布里因散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)，线性损伤包括edfa产生的放大自发发射(ASE)噪声、光纤偏振模色散(PMD)、色散(CD)和OXC串扰。由于非线性和线性损伤，某些中间节点的信号质量可能会退化到无法识别的程度。在这种情况下，再生器必须放置在中间节点。 |
| 全文组织结构如下。第二节讨论了光网络的非线性损伤。在第三节中，讨论了光网络的线性损伤。第四节讨论了8通道和16通道通信系统中基于q因子与发射功率的ffm - xpm、SRS-FWM、SRS-XPM和SRS-XPM- ffm - ase非线性光通信性能评估的仿真结果。我们在第五节对文章进行了总结，并讨论了几个有待解决的研究问题。 |
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非线性损伤 |
| 这些损伤是由于光纤中的非线性效应，可能是由于介质折射率随光强(功率)的变化或由于非弹性散射现象而引起的。下面简要解释非线性效应。 |
A.自相位调制(spm) |
| SPM是由于光脉冲自身在光介质中的强度引起的非线性相位调制而产生的。当光脉冲沿光纤向下传播时，脉冲的前缘导致光纤的折射率增加，造成蓝移，而脉冲的下降边降低折射率，造成红移。这些位移在每个边缘上引入了频率啁啾，信号在频域被拓宽了一个给定的量 |
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| 其中dp/dt是脉冲功率的时间导数，γ是非线性系数，leff是有效长度。SPM的主要作用是使脉冲在频域变宽，保持时间形状不变，而色散使脉冲在时域变宽，保持频谱内容不变。因此，只有当频率啁啾引入的位移与光纤色散相互作用时，脉冲才会变宽。SPM和色散产生的效应在本质上是相反的，通过选择合适的脉冲形状和输入功率，一种效应会补偿另一种效应，从而在时域和频域上都没有畸变。在间距为100 GHz的DWDM系统中，SPM是克尔效应中最强的，啁啾取决于输入脉冲的形状。 |
交叉相位调制 |
| XPM源于折射率的强度依赖，当信号在光纤中传播时，折射率的强度依赖导致相移。当有多个光信号通过光纤(如多路波分复用)时，信号的非线性相移不仅取决于其自身的功率，还取决于其他信号的功率[23]。例如，如果有四个信号，第一个信号[22]的非线性相移是由Pi i =1到4是四个信号的幂，Leff是光纤的有效长度。上面方程中的第一项是由于SPM，而其他项是由于XPM，它表示相位调制(PM)过程。在存在群速度色散(GVD)时，这种PM被转换为IM(强度调制)，这降低了信号的质量。只有当两个脉冲在时间上重叠时，xpm诱导的相移才会发生，由于强度依赖的相移和随之而来的啁啾被增强，导致不对称的光谱展宽和脉冲形状的扭曲。 |
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| 其中Pi i =1到4是四个信号的幂，Leff是光纤的有效长度。上面方程中的第一项是由于SPM，而其他项是由于XPM，它表示相位调制(PM)过程。在存在群速度色散(GVD)时，这种PM被转换为IM(强度调制)，这降低了信号的质量。只有当两个脉冲在时间上重叠时，xpm诱导的相移才会发生，由于强度依赖的相移和随之而来的啁啾被增强，导致不对称的光谱展宽和脉冲形状的扭曲。 |
四波混合(fwm) |
| 在波分复用系统中，由于折射率的非线性特性，当频率为fi、fj、fk的信号在光纤中传播时，非线性相互作用将在频率(fi±fj±fk)处产生新的分量[23]。因此, |
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| 例如，如果i=1, j=2和k=3，则生成的FWM分量(不包括i=k和j=k的情况)为f 321f 231, f 312, f 213, f 332, f 331, f 223, f 221, f 113和f 112。这些产生的FWM组件中的一些位于传输载波上，造成干扰[24]。产生的信号功率表示为 |
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| 在频率f x处产生的FWM总功率由[37]给出 |
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| FWM引起的串扰是长距离基于DSF的WDM系统的主要非线性效应。如果信道是等间隔的(称为等间隔信道分配方案(ESCA))，生成的FWM组件的数量会随着信道数量的增加而迅速增长。 |
受激拉曼散射(srs) |
| SRS是由于入射光波与二氧化硅分子振动模式的相互作用，即如果将两个或两个以上不同波长的光信号注入到光纤中，SRS会导致低波长通道的能量转移到高波长通道。这反过来又降低了低波长信道的信噪比，并在高波长信道上引入了串扰，从而降低了系统的信息承载能力。SRS情况下的阈值功率可估计为[22] |
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| 其中gR为拉曼增益，Leff为光纤的有效长度。如果纤维足够长，则Leff≈1/α。这样的话 |
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| 对于λ =1550 nm的二氧化硅，gR值为1 x 10-13 m/W。α为0.2 dB/km, Aeff为55 2 μm，得到的Pth为570 mW。因此，在单通道情况下，SRS的影响不显著。 |
线性缺陷 |
A.色散(cd) |
| 光源产生的信号波长间隔紧密。由于光纤的折射率是波长的函数，这些波长以不同的速度穿过光纤。它在接收端引起脉冲展宽，从而导致符号间干扰(ISI)。CD是折射率随波长变化的量度，用ps/nm.km表示。 |
B.放大的自发发射(ase)噪声 |
| 光放大器在长距离光通信网络的设计中起着重要的作用。EDFA是长路WDM网络中常用的光放大器。它具有同时放大多个波长的能力。放大器可以放在' a '位置(作为升压放大器)，也可以放在' b '和' c '位置(作为直列放大器)，或者放在' d '位置(作为前置放大器)，如图3所示。 |
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| 放大器产生放大的自发发射(ASE)噪声。放大自发辐射(PASE)的平均总功率由 |
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| 其中hv为光子能量，G为放大器增益，B0为光纤的光带宽。在上式中，参数nsp表示总体反演因子，等于N2/(N2 -N1)，其中N2和N1分别为激发水平和较低水平的总体。nsp的典型值为1.4 ~ 4。在设计光波分复用网络时，寻找光放大器的最佳位置变得非常重要，因为这不仅增加了网络的成本，而且还会导致ASE噪声的累积，从而导致信噪比降低/性能下降。 |
结果与讨论 |
| 仿真结果分析了光纤中存在的线性和非线性效应，重点分析了导致光通信系统性能下降的因素。讨论了FWM和SRS的集体效应以及FWM和XPM的组合效应对光通信性能的影响。结果表明，在8通道和16通道通信系统中，基于q因子与发射功率的分析是由FWM-XPM、SRS-FWM、SRSXPM、SRS-XPM-FWM-ASE非线性综合效应引起的。分析了8通道和16通道光通信系统中ffm - xpm、SRS-FWM、SRSXPM、srs - xpm - ffm - ase非线性共同作用下的q因子。图:3显示了使用8通道的ffm - xpm, SRS-FWM, SRS-XPM, SRS-XPMFWM- ASE非线性的q因子与发射功率的分析。图4显示了使用16通道的ffm - xpm、SRS-FWM、SRS-XPM、SRS-XPM- ffm - ase非线性的q因子与发射功率分析。 |
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结论 |
| 本文综述了光纤中存在的非线性和线性损伤对光通信系统性能的影响。由于光放大器产生的噪声会影响光通信系统的性能，因此放大器的布置是设计全光通信系统的一个重要问题。本文的研究结果表明，在不同通道数下，基于q因子的ffm - xpm、SRS-FWM、SRS-XPM、SRS-XPM- fwmase的非线性组合效应。 |
参考文献 |
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