光纤传输系统非线性损伤补偿抑制技术研究

发布时间：2020-03-23 18:56

【摘要】：光纤传输系统在光纤制导武器、通信、工业控制、光控飞行和远程监测等领域得到广泛应用。然而,随着传输容量的不断增加和传输距离的日益增大,光纤非线性克尔效应(Kerr nonlinearity effect)也越来越严重,并成为了目前限制光纤传输系统性能的主要因素。因此,研究如何减少克尔效应引起的非线性损伤对下一代高速大容量和灵活光纤传输系统意义重大。光纤传输系统可划分为单载波和多载波系统。单载波光纤传输系统中应用最广泛的两种调制为正交相移键控调制(QPSK)和16进制正交幅度调制(16QAM)。正交相移键控调制技术被应用于目前商用100 Gb/s系统,16进制正交幅度调制技术因其高频谱效率而被应用于下一代200/400 Gb/s传输系统,但比正交相移键控受到更严重的非线性损伤。多载波正交频分复用调制技术(OFDM)可灵活地配置每个子载波并适应不同应用场景,被认为是下一代灵活光传输的备选方案。但正交频分复用调制信号因高峰平比(PAPR)而受到严重的非线性损伤,同时其传输性能也受限于光电器件带宽限制所引入的高频衰落。本文围绕高速大容量和灵活光纤传输系统中的非线性损伤补偿抑制技术这一主题,从以下三方面展开具体研究:一、对于单载波正交相移键控系统,传统共轭双波算法可很好地补偿非线性损伤,但牺牲了一半频谱效率,本文将研究如何提升共轭双波算法的频谱效率。二、对于单载波16进制正交幅度调制系统,本文将研究如何提升系统非线性容忍度来缓解非线性损伤;三、对于多载波正交频分复用调制系统,本文将研究如何降低信号峰平比来减少非线性损伤。论文的具体工作如下:1.针对传统共轭双波算法频谱效率减半的问题:1)提出一种改进型共轭双波算法。证明当共轭信号E_x~*上调制一个单位信号E_a,E_x仍然能像传统共轭双波算法那样补偿非线性损伤,并证明携带额外信息的E_a是限制系统性能的主要因素,进而通过纠错码降低E_a的误码率来消除该性能瓶颈。该算法在保持传统共轭双波算法相类似性能的同时,大幅提升频谱效率。通过25 Gbuad偏振复用正交相移键控系统传输15200 km的数值仿真结果表明,该算法具有与传统共轭双波算法相类似的非线性补偿性能,并能将归一化频谱效率从50%提升到80%。进一步,将该算法推广至高阶调制系统,拓宽该算法在光纤传输系统中的应用范围。2)通过改进传统偏振选择正交相移键控调制格式的编码/解码模块,提出一种改进型偏振选择正交相移键控调制格式。改进型共轭双波算法应用于偏振复用正交相移键控系统时,具有和改进型偏振选择正交相移键控相类似的结构,但传输性能更优,再次验证改进型共轭双波算法对非线性损伤的补偿作用。2.针对单载波16进制幅度调制系统中的非线性损伤缓解技术进行研究:1)首先提出一种多维调制格式的星座点选择策略,通过优化星座点的分布概率来提升非线性损伤容忍度。为提升16进制幅度调制系统的传输性能,基于该选择策略,结合四维偏振选择128进制幅度调制格式,提出频谱效率为3 bit/s/Hz的四维64进制幅度调制格式和频谱效率为3.25 bit/s/Hz的八维8192进制幅度调制格式。仿真结果表明,与偏振复用8进制幅度调制格式相比,四维64进制幅度调制格式在具有相同的频谱效率的情况下,能大幅提升系统非线性容忍度。八维8192进制幅度调制格式很好地平衡了频谱效率和非线性容忍度,在点对点传输系统中,该调制格式具有与偏振复用8进制幅度调制格式相类似的传输性能;在含可重构光分插复用器(ROADM)的传输系统(ROADM-enabled)中,与四维64进制幅度调制格式、偏振复用8进制幅度调制格式和四维偏振选择128进制幅度调制格式相比,该调制格式能通过更多的光节点并具有更优的传输性能。2)验证对称色散链路对ROADM-enabled传输系统的非线性损伤缓解作用,提出采用对称色散链路提升系统传输性能。3.针对多载波正交频分复用信号中高峰平比引入的非线性损伤问题和器件带宽限制引入的高频衰落问题:1)提出基于离散菲涅尔变换扩频的正交频分复用调制技术,将数据信息同时扩展到频域和时域进行传输。仿真结果表明,该技术比传统正交频分复用调制技术具有更强抗频率选择性衰落性能,比基于离散傅里叶变换扩频的正交频分复用调制技术具有更优的抗码间串扰性能。因此,该技术可通过减少时域保护间隔长度(CP)或者高频保护间隔大小提升系统传输容量。2)设计一种稀疏正交循环矩阵,并基于此矩阵,提出一种低复杂度的稀疏正交循环变换复用调制技术。推导理论误码率表达式,证明该技术能均衡频率选择性衰落;由于编码矩阵的稀疏特性,该技术减少了子载波叠加程度,仿真结果表明稀疏正交循环变换复用信号比正交频分复用信号和正交啁啾复用信号具有更低峰平比和更优非线性容忍度。与基于离散傅里叶变换扩频的正交频分复用调制技术相比,该技术具有更强的抗码间串扰能力。因此,稀疏正交循环变换复用信号不但对线性损伤(高频衰落和码间串扰等)容忍度高,而且具有低峰平比和高非线性容忍度,适合下一代光纤传输系统。
【图文】：

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图 1.1 入射功率与频谱效率关系Fig 1.1 Spectral efficiency as a function of lauch power非线性克尔效应概述纤非线性效应种类很多且机理非常复杂，目前一般认为非线性克尔效应是限制光系统性能的主要因素[25]。如图 1.2 所示，非线性克尔效应可分为信道内非线性效道间非线性效应。其中信道内非线性效应包括：自相位调制(Self-PhaseModulation，信道内交叉相位调制(intra-channelCross-PhaseModulation，intra-channelXPM)和四波混频(intra-channel Four Wave Mixing，intra-channel FWM)。信道间非线性效：信道间交叉相位调制(inter-channel XPM)，交叉偏振相位(Cross-Polarizationlation，XPolM)和信道间四波混频(inter-channelFWM)。信道间的 XPM 和 FWM 一称为 XPM 和 FWM，而信道内的 FWM 和 XPM 分别称为 IFWM 和 IXPM。SPM道内 XPM 和信道间非线性效应：信道入射功率(dBm)

频谱效率,入射功率

图 1.1 入射功率与频谱效率关系Fig 1.1 Spectral efficiency as a function of lauch power尔效应概述种类很多且机理非常复杂，目前一般认为非线性克主要因素[25]。如图 1.2 所示，非线性克尔效应可分为效应。其中信道内非线性效应包括：自相位调制(Self-相位调制(intra-channelCross-PhaseModulation，intratra-channel Four Wave Mixing，intra-channel FWM)。叉相位调制(inter-channel XPM)，交叉偏振相位(C)和信道间四波混频(inter-channelFWM)。信道间的 FWM，，而信道内的 FWM 和 XPM 分别称为 IFWMSPM信道间非线性效应：间 XPM 和信道间 F
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.11

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