[发明专利]用于高速光传输系统的非线性抑制方法及高速光传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种用于高速光传输系统的非线性抑制方法及一种高速光传输系统。

背景技术

随着光传输速率以及传输距离的增加，光纤的色散以及非线性效应对光传输网络的影响也越来越大。特别是对于超高速(大于100GBits/s速率)的光传输系统，对于色散以及非线性损伤容限提出了更高的要求，需要使用特殊技术来降低传输光纤线路上传输光信号的比特率来提升损伤容限。例如，采用高阶的编码调制技术，如QPSK(Quadrature Phase ShiftKeying，四相相移键控)、8PSK、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)等，并结合偏振复用技术。

通常，对于超长距离单通道100G光传输系统，相位调制技术已经成为一种主流调制技术。采用相位调制格式进行传输，如QPSK、DQPSK(Differential Quadrature ReferencePhase Shift Keying，四相相对相移键控)、PSK(Phase Shift Keying，相移键控)等，可以获得较好的接收灵敏度、OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)容限，从而实现长距离的传输。近年来，国内外各研究机构利用相移键控调制技术进行了超高速的系统传输实验，特别是以QPSK调制技术，结合相干传输接收的方案得到高度重视，并在理论以及实验中取得了一些进展。例如：Jeremie Renaudier等人在文章“Linear FiberImpairments Mitigation of 40-Gbit/s Polarization-Multiplexed QPSK by DigitalProcessing in a Coherent Receiver，”(Journal of Lightwave Technology，Vol.26，Issue 1，pp.36-42，Jan.2008)中，实验报道了在PDM-QPSK(Pulse-Delta ModulationQuadrature Phase Shift Keying，脉波增量调变-四相相移键控)的调制格式下，通过在接收端采用电信号处理的方式，对光传输过程中的色散(CD)、偏振模色散(PMD)等线性损伤进行补偿，将40Gb/s的光信号传输4080km。2009年，Gabriel Charlet等人在文章“Transmission of 16.4-bit/s Capacity Over 2550 km Using PDM QPSK ModulationFormat and Coherent Receiver，”(Journal of Lightwave Technology，Vol.27，Issue 3，pp.153-157，Feb.2009)中，通过对相干接收装置的优化，将164路、每一路100Gb/s的光信号传输了2550km。实验测得，164个光通道的平均Q²因子为10.2dB。可见，相移键控调制，尤其是QPSK结合相干接收装置已成为100Gb/s光传输系统的首选方案。然而，要想使得100Gb/s的传输系统在性能上以及传输距离达到现有的10Gb/s的光传输系统，还有很多制约因素，其中非线性效应是最主要的因素。为了让光信号传输更远的距离，通过增加发射光功率以提高接收端的OSNR是最直接的手段。然而，随着光功率的增大，光纤的非线性效应也随之增强，光信号反而会逐渐恶化。S.Bigo等人在文章“OverlayingCoherent-Detection Channels over Direct-Detection Channels in Multi-Bit-RateSystems，”(in Optical Fiber Communication Conference，OSA Technical Digest(CD)(0ptical Society of America，2009)，paper OTuD1)中，实验说明了对于40Gb/s，80 Gb/s以及100Gb/s的光传输系统，在PDM-QPSK的调制格式下，单通道传输以及多通道传输时的非线性影响。实验结果反应出，对于单通道系统，自相位调制(SPM)引起的非线性效应对100Gb/s系统的影响最大。当入纤功率为2dBm，传输距离为1600km时，非线性引起的Q²代价达到了6dB。可见，对于此类调制格式下的超高速光传输系统，传输过程中的非线性效应仍然是制约传输性能的主要因素。目前，国外各研究机构对于此类传输系统中的色散，PMD等线性损伤以及非线性效应引起的非线性损伤，采用的大都是在传输过程中不做任何处理，而在接收端采用相干接收(Coherent Receiver)外加电数字信号处理(DSP)的方式来解决，即用电补偿的方式来修复光信号的损伤。也有的采用在链路部分进行色散补偿的方式，但色散补偿精度达不到100G传输系统的要求，还需要在接收端加上电信号处理来补偿色散余量并对非线性进行抑制。如上文提到的“Transmission of 16.4-bit/s Capacity Over2550km Using PDM QPSK Modulation Format and Coherent Receiver”，采用的就是这样的方式。这种方式在链路中虽然加入了色散补偿模块，但由于色散补偿精度不够，随着传输距离的增长，光纤的色散与非线性效应相互作用，使得光信号不断恶化，因此还需要在接收端加入电信号处理来弥补光信号的损伤，增加了系统的成本，并且传输性能也受到抑制。而对于完全电补偿的方式，例如：2009年Guifang Li在文章“Recent advances in coherentoptical communication，”(in Proc.Advances in Optics and Photonics，Vol.1，Issue 2，2009，pp.279-307)中，对现有的超高速100G光通信系统采用的相干探测技术进行了综述，里面采用的方式都是前面提到的相干接收外加DSP处理的方式。具体实现手段是，在接收端先通过相干探测方式接收传输过来的光信号，经过相位解调装置之后通过光探测器将光信号转化为电信号，由于传输过程中光纤的色散影响以及非线性效应并没有得到抑制，此时接收到的电信号质量是非常差的，必须经过后续的电信号处理。DSP的处理分为两个部分，一部分是线性部分的补偿，即对光纤色散进行补偿，这一部分是通过求解光纤在色散影响下的光传输方程来得到的。而另一部分，则是非线性部分，即对光纤非线性效应带来的损伤进行修复，是通过对多通道非线性薛定尔方程简化近似用DSP求解。这种方式虽然能在一定程度上对信号进行修复，并满足光传输系统的性能要求，但仍存在以下4个方面的缺陷：1、由于DSP处理时是对光传输方程进行近似求解，难以抑制非线性效应并对色散进行精确补偿；2、当传输距离过长或者传输速率过高时，在传输过程中积累的色散以及非线性非常大，在接收端需要更高的OSNR才能满足DSP处理的范围，M.Kuschnerov等人在文章“Adaptive Chromatic Dispersion Equalization for Non-Dispersion Managed CoherentSystems”(in Optical Fiber Communication Conference，OSA Technical Digest(CD)(Optical Society of America，2009))，paper OMT1中，阐述了在不同的色散补偿量下所需要的OSNR代价。比如在普通的G652光纤上传输2000km，总共积累的色散将达到34000ps/nm，对于这样的色散，需要大于6dB的OSNR代价。因此随着传输距离的增加，DSP的处理能力难以满足系统的需求；3、随着光传输速率的增加，电子的处理速度难以满足要求，用电信号处理的方式来解决光传输损伤将变得更加困难；4、高速率的DSP处理芯片价格昂贵，难以满足市场的需求。