使用恒定功率放大器的海底光纜系統(tǒng)信噪比建模及實(shí)驗(yàn)分析

  2020年6月，美國康寧研發(fā)公司和康寧科學(xué)中心的研究人員，在國際知名期刊Journal of Lightwave Technology，針對(duì)具有恒定輸出功率放大器系統(tǒng)建立了廣義下垂的SNR模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該模型對(duì)具有恒定功率放大器的海底光纜鏈路中廣義信號(hào)下垂模型進(jìn)行了擴(kuò)展和增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有很好的精度。

  全球光通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，促使業(yè)界迫切尋求增加傳輸容量的方法。但是，海底光纜系統(tǒng)相比于地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在電學(xué)特性上有幾個(gè)不同的特點(diǎn)。為了增加光纜的總?cè)萘?，最近的行業(yè)研究趨勢(shì)集中在通過更多的光纖路徑分配可用的電功率，以較低的發(fā)射光功率傳輸各個(gè)光信道，從而降低了接收到的SNR值。除了電學(xué)特性的不同，海底光纜系統(tǒng)另一個(gè)特點(diǎn)是通常會(huì)使用EDFA，這個(gè)可看作是恒定輸出功率(COP)系統(tǒng)。在海底典型的長(zhǎng)鏈路系統(tǒng)中，實(shí)際信號(hào)功率會(huì)被EDFA所產(chǎn)生的ASE噪聲所代替，即出現(xiàn)信號(hào)下垂現(xiàn)象。為了獲得傳輸路徑的最大值，需要準(zhǔn)確的對(duì)低通道功率和低SNR的系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，尤其是針對(duì)恒定功率放大器的海底光纜系統(tǒng)。

  擴(kuò)展和增強(qiáng)了具有恒定輸出功率的光放大器的系統(tǒng)信號(hào)下垂SNR模型，在原有的高斯噪聲(GN)模型基礎(chǔ)上，引入了ASE噪聲項(xiàng)和非線性噪聲項(xiàng)，解決了信號(hào)下垂或者廣義的信號(hào)下垂現(xiàn)象。模型可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的SNR、信號(hào)功率和噪聲功率的情況，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有較好的精度。

  海底光纜具有容量大、通信質(zhì)量高、低成本和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)取代了原有的海底通信電纜，成為了重要的國際通訊手段。基于恒定功率放大器海底光纜系統(tǒng)進(jìn)行SNR建模分析，對(duì)建設(shè)大容量、長(zhǎng)距離海底光纜系統(tǒng)提供了理論依據(jù)，有利于高效建設(shè)全球性的數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)加強(qiáng)國際間經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和文化交流，起著十分重大的作用。

  研究人員指出了光纖的類型對(duì)SNR模型差異有一定的影響，即具有較高衰減和/或較高非線性損傷的光纖具有較低的性能，因此在鏈路的末端具有低SNR。此外較低的SNR也會(huì)造成更大的模型差異。該結(jié)論對(duì)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建模分析都有一定的參考價(jià)值。

圖1 在不同光纖類型和不同的鏈路長(zhǎng)度下，GD模型和AWGN模型在三個(gè)方面的SNR差異

  研究人員擴(kuò)展和增強(qiáng)了傳統(tǒng)的模型，使得所建立的模型具有更好的普適性。研究人員通過蒙特卡洛模型分析，對(duì)比評(píng)估了模型在不同16QAM和QPSK兩種調(diào)制格式的情況下的模型的精度，模型SNR和傳輸數(shù)據(jù)的一致性較好。

圖2 蒙特卡洛數(shù)值傳輸建模與GD和AWGN模型相比，在10,020 km處的PM-QPSK信號(hào)和在6000 km處的PM-16QAM信號(hào)

  在同類模型預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比中，研究人員所建立的模型和實(shí)驗(yàn)的吻合度最高。這說明可以有效預(yù)測(cè)系統(tǒng)的SNR、信號(hào)功率和噪聲功率。有力的推動(dòng)了此類理論研究的工作的進(jìn)程。

圖3 傳輸距離為10302公里時(shí)，模型和實(shí)驗(yàn)的SNR-通道功率曲線對(duì)比

圖4 發(fā)射功率為-7dBm時(shí)，模型和實(shí)驗(yàn)SNR-距離曲線的對(duì)比

  本文出處

  該研究成果的文章題目為：“SNR Model for Generalized Droop With Constant Output Power Amplifier Systems and Experimental Measurements”

  發(fā)表于：Journal of Lightwave Technology，論文鏈接(DOI)：10.1109/JLT.2020.2996061

  作者 | John D. Downie, Xiaojun Liang, Viacheslav Ivanov, Petr Sterlingov, and Nikolay Kaliteevskiy

  撰稿人 | 楊世雄