光纤通信非线性补偿的文献综述

光通信系统中非线性补偿算法的综述摘要：文章第一部分一方面引出本文所要讲述的重要的光纤通信系统：相干光正交频分复用系统(CO-OFDM)、波分复用系统(WDM)，然后对两者当中存在的多种干扰以及各自的长处进行分析，最后根据分析成果得出：非线性损伤是亟待解决的主流问题。第二部分针对这两种系统当中的非线性损伤的补偿问题简介一下国内外的研究现状。第三部分根据国内外对非线性损伤的补偿的研究现状做出大胆的预测，并预测将来光通信系统的发展趋势。核心词：CO-OFDM；WDM；非线性损伤；补偿算法；Abstract: The first part of the artical leads to about the main optical fiber communication systems: coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM), wavelength division multiplexing system (WDM),and then analyze various kinds of interference and their respective advantages existent in the two systems .,at last know that nonlinear damage is a mainstream problem to be solved.The second part of the issue introduced the research about the nonlinear compensation for these two systems .The third part of the artical make a bold prediction about the nonlinear compensation and forecast the development trend of future optical communication systems.Key words: CO-OFDM; WDM; nonlinear damage; compensation algorithm;一 前沿目前，人们对通信容量的需求急剧增长，光纤通信技术以其超高速、大容量、长距离、高抗电磁干扰性和低成本等无可比拟的长处，成为解决骨干网络容量压力的最佳选择。由于目前商用的光传播系统重要是以10Gbit/s为主的波分复用(Mavelength Division Multiplexing，WDM)系统1，为了提高波分复用(WDM)长距离光纤传播系统的容量，可以通过三种途径来解决：(1)增长波长通道数，减小信道间隔；(2)扩展新的频带；(3)提高单信道信号速率。目前在某些大容量WDM链路上，传播容量已经达到Tbit/s，如果想采用上述技术继续扩容就会产生诸多限制因素：一方面继续增长波长通道数，增长频谱效率，会使得通道间隔变窄，从而使光纤非线性效应特别是信道间的串扰的克制变得更加困难，同步对信道的复用/解复用器的规定也更加严格；另一方面，目前波长已应用了C和L波段，继续扩展新的频带来增长信道数量，将会向S、xL波段进而全波段发展，但相应波段的光放大器还不成熟。因此如果要继续提高系统的传播容量和带宽，就必须提高单信道传播速率，即将单信道速率从目前10Gbit/s提高至40Gbit/s甚至100Gbit/s，产生单信道高速光传播系统。但是随着单信道传播速率的大幅度提高，老式的强度调制/直接检测(IM/DD)系统面临着许多极限性的挑战：难度极大的色度色散(CD)以及色散斜率的补偿和管理；随机性的偏振模色散 (PMD)，PMD极大的限制着系统的容量和传播距离，并被觉得将是高码率IM/DD传播的最后限制因素2。文献研究表白，当光纤传播系统速率达到40Gbit/s及以上时，光纤的非线性损伤成为克制系统传播性能的最重要因素之一3。光纤中的非线性效应涉及：受激非弹性散射(涉及受激布里渊散射和受激喇曼散射)、非线性折射率(Kerr)效应。光Kerr效应涉及自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)等4。近来，无线通信领域中成熟的正交频分复用(OFDM)技术成为高速光传播中的一种研究热点。相干光正交频分复用（CO-OFDM）由于使用的数百个子载波均采用高阶调制格式，其频谱效率高，并对光纤色散和偏振模色散具有较好的鲁棒性而正在引起明显的关注5-9。OFDM技术不需要光链路做任何色散补偿管理，仅仅采用电域补偿算法就可以非常有效的补偿CD和PMD。特别是相干光OFDM技术(CO-OFDM)融合了OFDM技术和相干光通信的长处，具有高传播速率、高抗色散能力、高频谱效率等优势。研究表白，CO-OFDM系统可以在既有光传播系统的基本上构建出高速率、低成本、长距离的光传播网络，是实现下一代超高速长距离光传播系统的十分有竞争力的技术之一2。但是，OFDM固有的缺陷之一是它的高峰平均功率比(PARR)，这就需要高动态范畴的线性功率放大器，DA / AD转换器，光调制器/解调器。在CO-OFDM系统中，高PAPR增长的克尔效应引起光纤的光纤非线性损伤。因此，它使得信号通过传播之后的光信噪比(OSNR)很低，并最后限制了传播的最大化10。目前，补偿线性损伤涉及CD和PMD的技术日渐成熟11-12，非线性损伤成为CO-OFDM通信系统容量的限制因素。在WDM系统中，信道数目的增长和信道间隔的减小导致了较高的非线性损伤13。提高频谱效率和增长传播距离规定增长光信噪比，但是对于一种给定的噪声水平的通信系统OSNR的增长需要增长信号功率，这反过来又产生更严重的非线性损伤14。通过以上分析可知，减少或补偿非线性损伤，成为一种棘手的问题。二 非线性损伤的补偿在国内外的研究现状除非是系统信道中光功率刻意的保持很低，否则非线性损伤会影响所有长距离光传播系统15，对于有很高PAPR的CO-OFDM系统更是如此。由于光OFDM信号是由一系列的子信道信号重叠起来的，因此很容易使时域信号具有高的PAPR。与无线通信系统相比，光纤通信系统属于非线性媒质传播，由于光OFDM系统各子载波之间频谱间隔小，这使得子载波间的走离效应很弱，很容易满足非线性FWM互相作用产生的条件，形成串扰；由于子载波间隔一般为数十MHz或几百MHz，与WDM系统不同样，各子载波间的数据有关性也会通过交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)非线性效应互相影响2。在CO-OFDM系统中的重要的非线性损伤是FWM，子载波的SPM和XPM产生的固定相移不会有明显损伤16-20。文献16从频域单个子载波的角度，运用藕合波方程，具体分析了CO-OFDM系统中非线性损伤的作用机理，重要研究FWM损伤。M. Nazarathy，J. Khurgin，R. Weidenfeld等人分析研究了在OFDM多带系统当中色散和FWM的综合效应，得到色散可以有效减少FWM的影响21。伦敦大学的Yannis Benlaehtar等用实验证明11Gbit/sOFDM系统传播1600公里时自相位调制(SPM)对光OFDM信号的损伤22。有人从每一种子载波产生非线性噪声角度研究分析了CO-OFDM系统信道的非线性损伤23。在OFDM系统当中，由于高的PAPR会产生严重的非线性损伤，因此可以从减少PAPR的方面入手来削弱非线性损伤的影响。某些措施已经被研究用于减少OFDM系统的PAPR。例如限幅技术24 、预编码25、部分传播技术26、选择性映射27、光学相位调制器28。限幅技术是最简朴也是在实时解决系统中广泛采用的技术，但是它会引入限幅噪声从而影响系统的性能。其他措施增长了额外的复杂度、编码开销、额外增长光学器件等。在，Hwan Seok Chung，Sun Hyok Chang，Kwangjoon Kim等人29证明了在CO-OFDM传播系统当中，-律压扩变换对光纤非线性克制。这种措施基于时域盲信号解决操作。其中对压扩参数对噪声的变化和PAPR的影响进行了研究。研究过程中数模转换器、色散图、发射功率的公差等因素都被考虑在内。误比特率的测量成果表白-律压扩变换使得光信号通过SMF传播1040km之后OSNR可以达到超过5.5dB。测量成果也表白-律压扩变换在减少光纤非线性损伤时对限幅技术有较好的效果。近来，离散傅里叶传播扩展的正交频分复用（discrete-Fourier-transform spread OFDM ，DFT-S OFDM ）作为一种具有吸引力的代表被用于老式的CO-OFDM系统中替代原始的OFDM调制方式30，其在每一种OFDM子带内都具有较低的PAPR。和老式的OFDM相比较，DFT-S OFDM 优越的非线性性能已经通过仿真得到了较好的证明30。Xi Chen，An Li，Guanjun Gao， William Shieh等人对DFT-S OFDM的优越的非线性性能用实验进行了验证，一种密集间隔为855.1 Gbit / s的DFT-S OFDM信道在通过1120km传播后被成功接受，其频谱效率达到了3.5 bit/s/Hz31。在后向传播的系统中通过使用DSP技术，那些拟定的线性和非线性噪声可以得到补偿，但是由于放大自发辐射（ASE）噪声和系统中的光纤克尔非线性效应一起导致的非线性相位噪声，又称G-M影响32，不能使用数字后向传播技术得到补偿。Xianming Zhu，Shiva Kumar等人在推导出一种合用于计算CO-OFDM系统中，由于ASE噪声和系统中的光纤克尔非线性效应一起导致的非线性相位噪声的解析公式33。Liang B. Y. Du and Arthur J. Lowery等人在提出一种多步的非线性补偿的措施，该措施用在采用数字后向传播技术的系统当中可以对这种技术进行有效的改善34。单步措施在觉得光纤中的色散是可以忽视的条件下而进行的非线性补偿，该措施具有高的计算效率，但是她们只适合低色散的光纤或者色散被定期补偿的光纤链路35。Liang B. Y. Du，Arthur J. Lowery等人在证明基于试点的非线性补偿（Pilot-based nonlinearity compensation ，PB-NLC）可以有效地补偿当系统中的SPM一方面被补偿之后由XPM导致的非线性损伤36。PB-NLC技术由于可以被DSP技术完全实现，因此其不需要额外的硬件，但是该技术补偿效果并不是很明显，在一种km的没有色散管理的链路当中该技术只提高非线性的阈值0.5dB37，在有色散管理的链路当中该值会更小38。 针对CO-OFDM系统的非线性损伤的电域补偿，部分载波填充电域补偿算法(PCF)可以减少FWM损伤39；文献40中采用时域非线性相位的前补偿算法，文献41研究了时域非线性相位的前补偿、后补偿和前后同步补偿算法。针对偏振复用CO-OFDM系统，文献42提出采用时域相位的双偏振前补偿算法。不管是前补偿、后补归还是前后同步补偿，它们的基本原理都是类似的：基于相反的非线性致时域相位移动。目前CO-OFDM系统的光域补偿文献较少，但是可以借鉴一下单载波传播系统的补偿算法，文献43于1996年初次提出采用品有负非线性系数的材料补偿信道的非线性损伤。近来，文献44分别研究了基于相反的非线性及色散参数的预非线性补偿。同步也可以采用光学相位共扼(OPC)补偿光纤传播系统的非线性损伤，OPC可以用来补偿OOK系统的色散45，非线性损伤46，或者同步补偿色散和非线性损伤47；信道内非线性损伤48；DQPSK传播系统中补偿信道的SPM和G-M损伤49，光孤子传播系统的G-M噪声50；RoF的色散和非线性损伤51。上述多种措施是在CO-OFDM系统当中对非线性损伤的补偿，但是有些措施还是可以应用在WDM系统中进行非线性损伤的补偿，由于在WDM系统当中也较多的采用了OFDM的调制方式。目前，WDM系统是商用的比较多光通信系统，非线性损伤也成为了限制多种WDM系统的重要因素，下面就在WDM系统当中的非线性损伤的措施进行某些简介。在WDM系统当中有诸多典型的补偿措施例如：优化色散和色散图措施52、新的调制格式53、偏振交错54、先进的扩增措施55、光学相位共轭56、后解决57-58等。在上述措施当中除了光学相位共轭和后解决措施以外，其他所列举的措施都是设计一种具有高的非线性容限的系统。近来，一种集总的非线性后解决措施被提了出来，该措施是在假设系统当中的色散比较低的基本之下形成的59。近年来，随着相干光通信的发展60，全电信号在数字域可以进行访问。随着全电信号的介入，虽然在光纤中的色散很大的状况下也可以进行非线性的补偿，这就导致信号在传播时的波形变化是不可以忽视的61-62。此外，信道间的非线性损伤例如XPM、FWM也可以得到补偿。在这些补偿技术当中数字后向传播技术（Digital backward Propagation ,DBP）技术被看做是最有前程的。在WDM系统中使用DBP技术补偿非线性在技术上具有挑战性。在WDM系统中，作为一种整体的系统遇到大量的非线性和色散，它是不也许通过单一的环节来补偿非线性损伤的。相反，所有WDM信道的电场作为一种整体必须沿光线进行后向传播。与只需要补偿线性损伤的WDM系统相比，这显然需要更多的计算63。因此，先进的技术还要继续发展，使DBP在补偿非线性损伤的同步可以有一种可以容忍的计算量64。美国中佛罗里达大学的李桂芳专家所带领的课题组，在DBP技术进行非线性损伤的补偿的方面做出了大量研究。在，该课题组提出了在WDM光传播系统当中通过使用耦合的非线性薛定谔方程，采用一种先进的分步措施来减少DBP技术对信道间的非线性损伤进行补偿时的运算负荷65。同年，她们通过实验验证了通过采用解耦合的非线性薛定谔方程进行分布式XPM补偿的DBP技术的可行性66。在，她们又提出了一种改善的分步措施（split-step method，SSM）用于偏振复用的波分复用（PDM-WDM）系统中。在该系统当中，一种由Manakov方程所推导出的耦合系统的非线性偏微分方程被用在DBP技术的计算过程当中67。同年，在PDM-WDM系统当中，提出了一种选择性的后补偿（Selective post-compensation）的措施，该措施由Manakov方程所推导出的耦合系统的非线性偏微分方程被用在DBP技术的计算过程当中而得到。同步她们还在具有不同的信道粒度（channel granularities）的WDM系统当中进行了仿真以估计该措施在不同的信道内或者信道间采用DBP技术进行非线性损伤的补偿时的性能和计算负荷方面的实用性68。在，李桂芳专家的课题组，提出了一种色散折叠（dispersion-folded）的DBP技术用来减少在进行非线性补偿时产生的庞大的计算量69。由上面的分析可以懂得，无论是在纯净的CO-OFDM系统还是在WDM系统中，非线性损伤都是一种核心的因素，必须进行进一步进一步的研究。上述研究只是开始，随着光通信的迅猛发展，以及技术的日新月异，更有效的技术将会越来越多的应用于光通信系统当中进行高效简朴的非线性损伤的补偿。三 结论一方面，OFDM技术由于其高效的抗色散性能、高的频谱运用效率的独特优势，同步随着着先进的DSP技术的发展，其必将受到越来越多的关注。同步CO-OFDM系统也会成为研究的焦点，同步该系统当中的非线性损伤也会得到更为广泛的研究，新的补偿算法也必将会用于该系统当中进行非线性损伤的补偿。另一方面，目前对于如何解决高速传播链路中的残存色散问题，尚未达到共识，也没有成熟的解决方案70。因此残存色散对非线性损伤的克制作用是一种值得深思的东西，将来势必引起巨大的关注。此外值得注意的是电均衡技术可以同步补偿链路残存色散和光纤非线性，也势必受到较多关注。由于在电域对信号进行解决，具有灵活以便的优势。基于DSP技术的相干检测系统可提高系统敏捷度和谱效率，并且具有强大的电信号解决能力，为电均衡技术的发展和应用提供了新平台，成为近来的研究热点。最后，WDM系统是目前商用的重要系统，随着业务流的日益增多以及人们规定的不断调高，既有的WDM系统已经越来越不适应现实生活的需要，更大容量的系统将会应运而生。但是，只能在既有的通信网络的基本之上进行升级才可以保证更好的性价比，因此OFDM这种调制格式在WDM系统当中的应用已经成为了势不可挡的趋势。结合之后的OFDM-WDM系统的通信容量将会得到飞速的提高，并且频谱运用效率也会得到很大的改善。但是，由于系统当中的通道内、通道间的非线性损伤与此前纯净的系统相比只会有过之而无不及，因此对该系统信道内外非线性损伤的补偿算法的研究将会受到越来越多的关注。参照文献：1李炉焦.高速光传播中调制格式的核心技术研究.北京邮电大学大学,11月2刘学君.CO-OFDM的核心技术及非线性损伤的研究.北京邮电大学大学,11月3顾碗仪.WDM超长距离光传播技术，北京邮电大学出版社.4Govind P.Agrawal.非线性光纤光学原理及应用.电子工业出版社.5W. 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