CN101848036B - 光ofdm系统中基于si的光纤非线性损伤补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计涉及一种基于频谱反转(Spectrum Inversion，SI)的光正交频分复用(OpticalOrthogonal Frequency Division Multiplexing，O-OFDM)系统光纤非线性损伤的补偿方法及装置，属于光通信领域，应用于O-OFDM系统中进行光纤非线性损伤补偿。整个补偿模块位于O-OFDM系统的接收机前面，由SI单元和位于其后的一定长度的高非线性光纤(highlynonlinear fiber，HNLF)组成，其中SI是由半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)基于四波混频(four wave mixing，FWM)效应实现的。本方法及装置能明显提高系统的抗光纤非线性损伤的能力，改善O-OFDM系统的整体性能。

Description

光OFDM系统中基于SI的光纤非线性损伤补偿方法及装置

技术领域

本发明设计涉及一种基于频谱反转(Spectrum Inversion，SI)的光正交频分复用(OpticalOrthogonal Frequency Division Multiplexing，O-OFDM)系统的光纤非线性损伤的补偿方法及装置，属于光通信领域，应用于O-OFDM系统中进行非线性补偿。

背景技术

随着社会信息化程度的不断提升，以及网络中一些新数据业务的不断成熟与发展(例如：网络中P2P，IPTV，视频点播(VOD)等)，人类社会对于信息传输带宽的需求以惊人的速度高速增长，超高速、超大容量已成为信息传送追求的主要目标。通过WDM技术再继续扩容就会产生很多限制因素：首先继续增加波长通道数，会使得通道间隔越窄，从而使光纤呈线性效应的抑制变得更加困难；其次目前波长已应用了C和L波段，继续扩容将会向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。所以如果要继续提高系统的传输容量和带宽，就必须提高单信道传输速率，即将单信道速率从10Gbit/s提高至40Gbit/s甚至100Gbit/s，产生单信道高速的光传输系统。但是，将传统的10Gbit/s单信道传输系统提高到40Gbit/s或者100Gbit/s，也将会面临到很多挑战：1)在传统10Gbit/s传输系统中，主要采用的是强度调制-直接检测方案(IM-DD)，当采用此方案来传输40/100Gbit/s的数据时，其频谱宽度变大，色度色散容忍度变为原来的1/16(1/100)，PMD容忍度变为原来的1/4(1/10)，系统非线性容忍度也急剧恶化；2)由于速率变高，电子器件的设计开发难度加大，光器件的要求也会提高，这都将使得系统的成本变大；3)由于频谱变宽，原有的DWDM系统不能和此单信道兼容。

为了解决这些问题，近年来研究者们逐渐开始研究是否可将无线中存在的技术引入到光通信领域，以解决这些问题，光的正交频分复用(O-OFDM)技术正是基于此目的而提出来的。自从2006年O-OFDM技术提出以来，O-OFDM技术迅速成为高速光通信领域的研究热点和重点。OFDM技术是一种多载波调制(MCM)技术，是在无线通讯中被IEEE 802.11G等通讯标准广泛采用的高速传输技术，是目前已知的频谱利用率最高的一种调制技术。它基本原理是：将高速的串行数据流分解成若干并行的低速的子数据流同时传输；且在频域上可描述为：在频域内将给定信道分成许多正交的且相互重叠的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子信道载波互相正交，并行传输。如果将OFDM技术引入到40/100Gbit/s系统中，由于其基本原理和本质特性，将会给高速传输系统带来很多的优点：1)较强的抗色度色散和抗偏振模色散的能力；2)较高的频谱利用率。这两点刚好克服了在传统的10Gbit/s系统中传输100Gbit/s高速数据时所产生的上述主要限制条件，所以光的OFDM技术可望在下一代光通信系统中占据重要地位。

但是O-OFDM也有很多需要解决的问题。在OFDM的传统无线应用领域中，它的非线性主要是因为放大器的非线性引起的，而对于光OFDM系统来说，其主要面对的非线性媒质----光纤。首先，由于光OFDM系统各子载波之间频率相差很小，这使得子载波间的走离很弱，很容易满足光纤非线性相互作用产生的条件，形成串扰；子载波间隔一般为数十MHz，与WDM系统不一样，子载波间的数据相关性也会通过交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)非线性效应相互影响。其次，由于OFDM信号是由一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成高的PAPR。高的PAPR不仅会增加信号DAC/ADC的复杂度、降低RF功率放大器的效率、增加对MZ调制器线性度的要求、增加发射机功放的成本和耗电量，最重要的是高PAPR会使得光OFDM系统比其他光通信系统对光纤非线性损伤和相位噪声更敏感。光纤非线性损伤导致系统性能下降，系统非线性容限降低。光纤非线性损伤是O-OFDM系统的主要决定因素之一，也是必须解决的问题，同时也是O-OFDM系统的研究的一个难点。

发明内容

本发明针对O-OFDM系统提出一种新的补偿方法及装置，基于频谱反转(SpectrumInversion，SI)原理进行光纤非线性损伤补偿。整个补偿模块位于O-OFDM系统的接收机前面，由SI单元和位于其后的一定长度的高非线性光纤(highly nonlinear fiber，HNLF)组成，其中SI是由半导体光放大器(SOA)基于四波混频(FWM)效应实现的。本方法能明显提高系统的抗光纤非线性损伤的能力，改善O-OFDM系统的整体性能。

本发明如下：

O-OFDM系统包括发射机，光纤链路和接收机三个部分。在O-OFDM系统的发射机部分，发送的比特序列经过M-PSK(M-Phase Shift Keying)或者M-QAM(M-Quadrature AmplitudeModulation)等调制码型的映射以后，再经过补零，IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)、加循环前缀(cycle prefix，CP)，插入训练序列后，采用IQ调制器分别调制到光载波上去。系统的接收机部分，采用光电检测器进行直接检测或者本振激光器进行相干解调，然后经过A/D变换后，去CP，再经过色散补偿算法(Electrical Dispersion Compensation，EDC)、信道估计、调制码型的映射后得到初始发送数据序列。

频谱反转(SI)，也称为光学相位共轭，是由Yariv在1979年为了补偿光纤色散而提出来的。经过试验研究，这个理论不仅用可以来补偿色散，而且对系统的非线性也有很好的补偿效果。一般情况下，SI都放置在链路的中间位置，在SI的前后光谱发生反转，使得传输方向上及其任意对应位置上CD系数β₂和非线性系数γ发生反转，SI之后的CD和非线性效应刚好补偿之前的损伤。但是，由于SI位于链路中间，需要把链路断开然后插入，这就限制了SI的应用。

为了补偿O-OFDM系统中的非线性，同时考虑装置的可实现性，本发明提出一种新的基于SI的位于接收机的补偿方法及装置，具体见图1。整个补偿模块位于O-OFDM系统的接收机前面，由SI单元和位于其后的一定长度的高非线性光纤(highly nonlinear fiber，HNLF)组成，具体结构见图1。HNLF作为补偿光纤，具有很高的非线性系数来补偿传输链路的非线性损伤。SI是由半导体光放大器(SOA)基于四波混频(FWM)效应实现的。由于SOA具有高非线性系数，易于系统集成，且制造技术已经成熟，因此在光信号处理中得到广泛的研究。目前利用SOA实现SI的方案有：交叉增益调制(XGM)，交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)。FWM是目前唯一能够实现严格比特率和调制格式透明、并能对一组WDM信号的多个波长同时进行转换的技术，同时有高达100Gb/s的变换潜力。因此本发明利用SOA的FWM机理实现SI，具体SI实现见图2。

要采用SI补偿O-OFDM系统的光纤非线性损伤，需要满足如下条件

${\mathrm{\γ}}_1\stackrel{\‾}{P_1}{L}_1={\mathrm{\γ}}_2\stackrel{\‾}{P_2}{L}_2$

其中，γ_j(j＝1，2)是SI之前和之后的光纤非线性系数，单位W^-1km^-1。在本发明中，γ₁指的是传输链路光纤的非线性系数，而γ₂指的是位于SI后的补偿光纤HNLF的非线性系数；L_j(j＝1，2)是SI之前和之后的光纤总长度，单位km。在本发明中，L₁指的是传输链路的总的长度，L₂指的是补偿光纤HNLF的长度；

是SI之前和之后的光路平均光功率，单位W。

是传输链路的平均功率，在图1中与入纤功率P_in有关，

是补偿光纤中的平均功率，在图1中与进入HNLF光纤功率P_com有关。

为了满足上式，补偿光纤中的Kerr效应应该近似等于传输链路中的Kerr效应的L₂/L₁倍。但是作为补偿光纤HNLF，一般长度L₂仅有几十公里，而对于长距离O-OFDM系统来说，传输距离L₁一般都在上千公里，因此有L₁＞＞L₂。这样，就要求HNLF中具有很大的非线性效应为了提高补偿光纤中的非线性，首先HNLF中非线性系数要很大，γ₂＝15.6W^-1km^-1约是普通光纤系数的6倍(γ₁＝2.6W^-1km^-1)。其次，采用比传输链路更高的入纤功率P_com。通过上述两个方法，可以近似满足SI补偿非线性条件。

本发明中SI的实现是基于SOA的FWM效应，见图2。信号光ω_s和泵浦光ω_p首先通过光耦合器耦合在一起，然后，当泵浦光的光强度大于信号光的强度时，在SOA中相互作用，产生角频率为Ω＝2ω_p-ω_s的FWM效应变频光。与进入的信号光相比，变频光具有反转的频谱。图3是信号光波长1554nm，泵浦光1552nm时，1mm的SOA的输出频谱，其中位于1550nm处的为FWM光。在SOA之后，首先采用带通滤波器(bandpass filter，BPF)滤掉信号光和泵浦光，然后，使用光放大器(Erbium-doped fiber amplifier，EDFA)和BPF放大和滤波FWM变频光。

附图说明

图1：采用本发明的补偿方案的40Gb/s CO-OFDM系统总体框架示意图；

图2：基于SOA中FWM效应的SI实现示意图；

图3：SI单元中SOA后的频谱图；

图4：CO-OFDM系统中一定的传输链路入纤功率(P_in)条件下，不同的补偿光纤HNLF的入纤功率(P_com)对系统性能的影响(800km)；

图5：本补偿方法采用最优的补偿光纤入纤功率P_com条件下，不同的传输链路入纤功率P_in下系统性能的影响；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例也仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例适用于40Gbit/s相干OFDM(CO-OFDM)调制解调系统。

图1为采用本发明补偿装置的40Gbit/s CO-OFDM系统的结构示意图。

40Gbit/s的二进制数据序列首先经过QPSK调制，然后进行数据补零(Zero-Padding)形成频域保护间隔同时插入导频(Pilots)，然后经过反傅立叶变换(IFFT)和加循环前缀(CP)运算得到电域OFDM信号后，在时域数据序列的前面插入一定数目的训练序列，经过数字/模拟转换(D/A)、IQ调制器(IQ Mod.)后调制到光域，得到相干光OFDM信号。发射机发送的相干光信号传输到光纤链路，由标准普通标准光纤(Standard Single Mode Fiber，SSMF)和光放大器(Erbium-doped fiber amplifier，EDFA)，光路色散补偿组成。其中色散补偿采用DCF光纤进行完全补偿，同时入DCF光纤的功率比SMF光纤低6dBm。光纤链路后，信号光首先进入本发明非线性补偿模块进行补偿，然后再到系统相干接收机中。然后电信号在模拟/数字转换(A/D)后，经过同步、去CP、傅立叶变换(FFT)、去除补零值(zero-padding)、初步的色散补偿算法(Electrical Dispersion Compensation，EDC)、信道估计后，经过激光器相噪补偿算法(Pilot Assisted Common Phase Error Compensation，PA-CPEC)和QPSK解调得到初始传输的二进制序列。

整个方法和装置如下：

图1是包含本补偿方案的CO-OFDM系统框图，其中本发明提出基于SI的O-OFDM系统非线性补偿方法位于接收机的前面，具体如图1所示。补偿方法由SI单元和位于其后的一定长度的高非线性光纤(highly nonlinear fiber，HNLF)组成。信号光首先经过SI单元实现SI，然后再由补偿光纤HNLF补偿传输链路中的非线性损伤。其中P_in为传输链路中首段光纤的入纤功率，P_com为进入补偿光纤的入纤功率。

SI是由半导体光放大器(SOA)基于四波混频(FWM)效应实现的。具体SI实现见图2。在本实例中，SOA的长度为1mm，输入电流为300mA。信号光波长ω_s采用1554nm，SI中的泵浦光ω_p波长为1552nm，首先通过光耦合器将两个光信号耦合在一起，其中泵浦光的光强度为11dBm，远大于信号光的强度-1dBm。在SOA中FWM效应下，产生角频率为Ω＝2ω_p-ω_s＝1550nm的FWM效应变频光。与进入的信号光相比，1550nm变频光具有反转的频谱。图3是本实例的SOA的输出频谱，其中信号光波长1554nm，泵浦光1552nm时，位于1550nm处的为FWM光。在SOA之后，首先采用带通滤波器(bandpass filter，BPF)滤掉信号光和泵浦光，然后，使用光放大器(Erbium-doped fiber amplifier，EDFA)和BPF放大和滤波FWM变频光，其中BPF都采用1nm带宽。

在SI单元后，依次为一个EDFA和一段80km补偿光纤HNLF，如图1所示。其中EDFA是用来控制进入HNLF的功率。HNLF是用来实现SI补偿O-OFDM系统的光纤非线性损伤的，要求

为了补偿传输光纤中的非线性损伤，需要满足HNLF中的Kerr效应

近似等于传输链路中的Kerr效应

的L₂/L₁倍的条件。但是作为补偿光纤HNLF，在本实例中长度采用80公里，而对于上千公里以上的长距离O-OFDM系统来说，L₁＞＞L₂。这样，就要求HNLF中具有很大的非线性效应

为了提高补偿光纤中的非线性，本发明采用两种手段。首先HNLF中非线性系数很大，γ₂＝15.6W^-1km^-1约是普通光纤系数的6倍(γ₁＝2.6W^-1km^-1)。其次，采用比传输链路入纤功率P_in更高的入纤功率P_com。通过上述两个方法，可以近似满足SI补偿非线性条件。

为了验证本方法和装置的效果，仿真研究了40Gbit/s CO-OFDM系统(图1)。基本的CO-OFDM系统参数设置如下：比特率为40Gbit/s，调制码型为QPSK，采用的子载波数目为2048，频域插零为50％，CP为25％，发射机和接收机的激光器发射功率均为10mW，线宽为300kHz。图3是本实例的SOA的输出频谱，其中信号光波长1554nm，泵浦光1552nm时，，位于1550nm处的为FWM光。

图4为系统传输800km后，在一定的首段传输光纤入纤功率P_in下，不同的HNLF入纤功率P_com的仿真结果。链路共计10段，每段光纤包括80km的SMF(色散系数16ps/nm/km，非线性系数2.6×10^-20m²/W)和EDFA(放大系数为16dB，噪声参数NF＝6dB)，光路色散补偿组成。其中色散补偿采用DCF光纤(色散系数-90ps/nm/km，非线性系数5.4×10^-20m²/W)进行完全色散补偿，进入DCF光纤的功率比SMF光纤低6dBm。仿真考虑了链路中的色散、非线性和ASE噪声。

由图4可见，随着传输链路入纤功率P_in的增加(从-3dBm增加到+1dBm)，传输链路中的非线性效应

在增加，所需的补偿光纤的非线性效应更大，因此所需的HNLF最优补偿功率P_com也在增加(从-1dBm增加到+3dBm)。其次，随着传输链路入纤功率P_in的增加，采用最优HNLF补偿功率P_com后系统的Q因子的提高值也在增加，在P_in＝-3dBm时，Q从14.9dB提高到16.7dB，提高了1.8dB；当P_in＝+1dBm时，Q因子从9.3dB提高到13.6dB，提高了4.3dB。

图5为采用本补偿方法，在最优的HNLF入纤功率P_com条件下，不同的传输链路入纤功率P_in系统性能的影响；由图5可见，对于不同的传输距离(800km，1600km和2400km)本方法都有很好的补偿非线性的效果，尤其是对于高的传输传输入纤功率(P_in＞-6dBm)。本方法既提高了系统的最大Q因子，同时也提高了系统非线性阈值。例如，对于800km传输距离，最大Q从补偿前的15.6dB提高到16.7dB，提高了1.1dB；2400km时，最大Q值从9.9dB提高到11.3dB，提高了1.4dB。如果把P_max定义为满足Q＞10dB的最大传输功率，则P_max可以表征系统的非线性阈值。由图可见，当1600km时，P_max补偿前为-2.5dBm，补偿后约为0dBm，提高了2.5dB。本方法大大提高了系统的性能。

以上是采用本发明方法及装置补偿光纤非线性损伤的一种O-OFDM系统的具体实施例的详细介绍和仿真，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

主要技术优势

光OFDM系统融合了无线OFDM技术和光通信的优点，具有高传输速率、高抗色散能力、高频谱效率等优势。研究表明，光OFDM系统可以在现有光传输系统的基础上构建出高速率、低成本、长距离的光传输网络，是实现下一代超高速长距离光传输的潜在技术之一。

本发明针对光OFDM系统中的关键影响因素---光纤非线性损伤，提出一种新的基于SI的补偿方法及装置，具有如下特点：首先本补偿方法及装置不需要断开传输链路，只需要设置在O-OFDM系统接收机的前端即可，这样即有利于实现，又可以适应动态光网络；其次本方法及装置实现简单，对O-OFDM系统光纤非线性补偿效果明显。

Claims (3)

1.一种基于频谱反转(Spectrum Inversion，SI)的光正交频分复用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，O-OFDM)系统的光纤非线性损伤的补偿方法，其特征在于，所述的方法包括以下内容： 

整个补偿模块位于O-OFDM系统的接收机前面；补偿模块由SI单元、一个EDFA和一定长度的补偿光纤(HNLF)组成；其中EDFA是用来控制进入HNLF的功率，HNLF是用来实现SI补偿O-OFDM系统的光纤非线性损伤；其中SI是由半导体光放大器(SOA)基于四波混频(FWM)效应实现的：信号光ω_s和泵浦光ω_p首先通过光耦合器耦合在一起，然后，当泵浦光的光强度大于信号光的强度时，在SOA中相互作用，产生角频率为Ω＝2ω_p-ω_s的FWM效应变频光；与进入的信号光相比，变频光具有反转的频谱；在SOA之后，首先采用带通滤波器(bandpass filter，BPF)滤掉信号光和泵浦光，然后，使用光放大器(Erbium-doped fiber amplifier，EDFA)和BPF放大和滤波FWM变频光；要实现SI补偿O-OFDM系统的光纤非线性损伤，HNLF需要满足：

其中，γ₁是SI之前传输链路光纤非线性系数，γ₂是SI之后补偿HNLF光纤非线性系数，单位W^-1km^-1；L₁是SI之前传输链路光纤总长度，L₂是SI之后补偿HNLF光纤光纤总长度，单位km；

是SI之前传输链路的光纤中平均光功率，

是SI之后补偿HNLF光纤中平均光功率，单位W，其中

P₁(z)为沿着传输链路的光纤中各点Z的瞬时功率，P₂(z)为沿着补偿HNLF光纤中各点Z的瞬时功率；补偿光纤(highly nonlinear fiber，HNLF)中的Kerr效应

等于传输链路中的Kerr效应

的L₂/L₁倍；由于传输链路的长度L₁远远大于补偿光纤长度L₂，HNLF中具有很大的非线性效应

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HNLF中具有很大的非线性效应

的具体实现： 

为了提高补偿光纤中的非线性，采用非线性系数很大的HNLF，其非线性系数γ₂是传输链路中普通光纤非线性系数γ₁的6倍；其次，采用比传输链路入纤功率P_in更高的HNLF入纤功率P_com。 

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的具体内容包括： 

γ₂＝15.6W^-1km^-1，γ₁＝2.6W^-1km^-1。 

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