什么是纤维非线性?

纤维非线性源于 Kerr效应:硅玻璃的折射指数随穿过它的光的强度而略有变化. 在密集的波长 ⁇ 分多轴(DWDM)网络中,几十或数百个光学通道共用单一纤维,合并光学功率很容易超过非线性阈值. 这种强度 ⁇ 依赖折射指数产生三个主要效果:自相调制(SPM),跨相调制(XPM)和四相波混合(FWM).

  • 自相调制(SPM): 单个通道通过自身脉冲的强度来改变自己的相. SPM拓宽了脉冲谱,在与色谱散射相结合时,会导致时差和脉冲扭曲.
  • 交叉相调制(XPM): 一个信道的强度调制邻接信道的相调制. 在密集格子中,XPM引入了相相相相噪声,使脉冲的到达时间发生扭动,SNR降低.
  • 四波混合(FWM): 当三个光学频率相互作用时,它们通过第三 ⁇ 序非线性易感性产生第四频率. FWM产生假声,直接落在信道频率上,起到无波段对讲的作用,并严格限制可用信道的数量.

虽然SPM和XPM主要是基于相位的减值,但FWM是一种功率的转移效应。当每道功率超过标准单倍径纤维(SSMF)的0 dBm左右,当信道间距小于50 GHz时,所有三种功率都变得占优势。 理解哪个效应占主导地位是选择正确的缓解策略的关键。

对接收者信号质量的影响

纤维非线性会降低接收器以几种可测量的方式回收传输的位点的能力。 网络工程师依赖于诸如 的度量衡 、位误率(BER)和开眼惩罚来量化这种降解。

信号扭曲和闭眼

在光学眼图中,非线性效应导致“眼” — — 上下逻辑水平之间的空隙 — — 关闭。 SPM扩大了信号谱,信号谱与纤维散射相互作用,将脉冲能量分散到相邻的位点(间弦干扰 ) 。 XPM诱导时序偏移,在直接检测后,在升降边缘上产生振动噪声。 结果,垂直眼开口较小,时间颤抖增加,使决策电路更容易出错。

交叉聊天和噪音

FWM 生成与现有信道重叠的新频率。 在100%的DWDM 系统中,50%GHz间隔,产生数千个FWM产品;许多完全落在信道中心,起到决定性的对讲作用。 同样,XPM 将一个信道的强度噪声转移到另一个信道的相位,当通过分散转换成振幅噪声时,光学信号的QQTOXNOIS比(OSNR)降低。 这些效果在长弦链中特别有害,因为放大器会增加自己的ASE噪声,使总噪声层升高。

位错误率和%% 1

扭曲、交叉交谈和增加噪音的综合影响直接提高了位误率。 将眼开与噪声标准偏差联系起来的“ 因素” , 由于典型密集网络的非线性而下降了2-6 dB。 “因素”中的1 +dB 下降大致相当于BER 的十倍。 对于针对前FEC BER 10 + (与现代软决定前方错误校正相同) 的系统, 任何额外的非线性惩罚都会减少链接比值并缩短最大范围。

情网的缓解战略

任何单一技术都无法完全消除纤维的非线性。 有效的缓解结合了物理层管理、高级调制和数字处理。 下面是生产网络中最实用的方法。

电力管理和发射条件

最简单的策略: 将发射的每个信道功率降低。 因为非线性效应的强度比 , 将功率降低 2 dB 就可以将SPM 和 XPM 的罚则减半。 然而, 这也降低了 OSNR , 所以工程师必须找到[ [FLT: 0]] 最佳发射功率 [[[FLT: 1] , 平衡非线性与放大器噪声。 重新配置的光学加载多路器(ROADM) 中的智能功率平衡算法可以维持这种平衡, 并跨动态流量负荷。

分散管理

分散和非线性相互作用。通过仔细设计散射图(使用正负散射纤维的交替间或散射-补偿模块),增加了通道之间的相位不匹配,抑制了FWM。 现代网络经常部署[大有效区纤维[(LEAF]]或非零散射-(NZDSF),以减少核心的强度,并修改散射坡,进一步最大限度地减少非线性产品产生。

高级模块格式

协同检测与高级格式结合,如]双极化四极化阶段 交替键键[(DPXQPSK)或16 AM 提供了抵御非线性相噪声的韧性。这些格式编码信息在相位和极化中可以使接收器分离并补偿某些非线性减值。平均功率比较低的格式(如概率成型星座)也较少受到SPM的影响。设置通道间隔到非单体格可以避免最差的 case FWM反响。

数字非线性赔偿

在一致接收器的数字信号处理器中,像back ⁇ propagation[这样的算法可以逆向解决非线性施罗德定格方程,有效取消SPM和XPM。 更近的基于机器的学习方法(例如非线性 ⁇ aware等)可以学习频道的非线性传输功能并实时应用补偿。 虽然计算成本昂贵,但这些方法可以回收QQ因素的2-4 dB,直接扩展覆盖范围或增强容量。

网络设计考虑

网络的网络从精心规划中获益:使用具有较大有效面积的纤维,避免在发射机上做过度的放大,并使用分散图来保持局部脉冲鸣声的低水平。 软件的定型网络控制器可以动态调整调制格式、动力和路由,避免在高峰交通时出现非线性“热点 ” 。

展望未来:未来网络中的非线性

随着工业向每个通道和通道以外1.6Tb/s推进,纤维非线性仍然是长轴链路中的主要容量限制。研究few ⁇ mode纤维[和多轴纤维[希望不增加每条通道的功率而增加容量,但这些新的纤维引入了“代码”和“核心非线性交叉”的中间线性。同样,非线性Fourier变换 (NFT))的传输目的是将数据编码在纤维的非线性“精益值”上,从而完全减轻非线性。在这种技术成熟之前,网络运营商将继续依赖上述分层的缓解策略。

结论

纤维非线性是限制密集光学网络中接收器信号质量的关键因素。 自相调制、跨相调制和四波混合扭曲脉冲、创造对讲机、提高误差率。 通过谨慎的电力管理、先进的纤维设计、强力调制格式和数字补偿,工程师可以克服这些缺陷,建立可靠、高容量的链接。 理解和管理非线性对于设计或优化现代电信骨干来说至关重要。

进一步阅读时,探索光学中的克尔效应,在四波混合上的RP光子百科全书条目,以及 Optics &光子新闻-非线性在纤维通信中的导读.