幾種信道間隔方案對四波混頻效應的抑制研究

申靜 邵立蓉

摘 要：為了抑制四波混頻FWM效應，根據其產生機理和主要影響因素，結合信道的合理分布，文章設計了3種基于傳統(tǒng)信道等間隔系統(tǒng)的改進方案，并與傳統(tǒng)方案進行了比較，分析了每種改進方案的性能特點，以及在每種方案下傳輸距離對系統(tǒng)性能的影響。文章采用optisystem軟件搭建系統(tǒng)信道模型，并進行了仿真研究。結果表明改進方案都能很好地抑制FWM效應，且后兩種方案的效果更好，能有效提高系統(tǒng)的性能。

關鍵詞：光傳輸;四波混頻;抑制;信道間隔

0 引言

光傳輸系統(tǒng)在傳輸的速率、傳輸的容量以及傳輸的距離長短等方面發(fā)展迅速，為了使信道傳輸的速率更高、信道之間的間隔更小以及傳輸的中繼傳輸距離更長，光纖的色散和非線性效應成為了限制長距離光傳輸系統(tǒng)的主要因素。因此，光傳輸系統(tǒng)需要設計恰當的色散補償方案來綜合考量色散、非線性對系統(tǒng)的影響。在光波分復用（Wavelength-Division Multiplexing，WDM）系統(tǒng)[1]中，各種光纖非線性會對系統(tǒng)產生不同的影響，尤其是四波混頻（Four Wave Mixing，FWM）效應。FWM效應會損耗信號的功率，新光波所產生的非線性串擾也會對系統(tǒng)產生一定的影響，因此會限制傳輸系統(tǒng)信號的傳輸容量，尤其會對長傳輸距離以及大容量的系統(tǒng)產生更大的影響。因此，研究在WDM傳輸系統(tǒng)能夠有效抑制FWM的方法尤其重要。不同信道間隔抑制四波混頻的效果不同，同時隨著傳輸距離的變化，抑制四波混頻的效果也會有變化。

文中首先介紹了FWM效應產生的物理機制，并得到了影響 FWM效率的因素。在理論研究的基礎上，將FWM理論分析和數值模擬相結合，利用Optisystem平臺軟件仿真分析了關于信道間隔方案以及傳輸距離對FWM效應的影響。

1 FWM效應產生的物理機制

FWM效應是指兩個或三個不同波長的光波相互干擾作用從而導致在其他波長上產生混頻產物或邊帶的新光波效應。發(fā)生四波混頻效應是由于入射光中的某一個波長上的光使光纖的折射率發(fā)生變化，會改變入射光在不同頻率上的光波相位，則會產生不同的新的波長的光波。當光纖的數據傳輸速率、傳輸距離的長度、所使用的波長數量以及光功率大小等因素增長時，光纖的非線性抑制的研究十分必要[2]。在這種非線性效應中，3個光場通過光纖傳播將產生1個新的光場，這取決于3個光場[3]。

FWM效應與比特率無關，而主要取決于光纖的信道間距。隨著WDM系統(tǒng)所需的傳輸信息容量的加大和傳輸速率的提升，信道的間隔也越來越小，WDM系統(tǒng)中的FWM成了影響系統(tǒng)傳輸系能的主要原因之一，因此必須降低系統(tǒng)中FWM效應所產生的影響。而FWM對WDM傳輸系統(tǒng)的影響主要在于系統(tǒng)傳輸的信道數量以及單個信道的入纖功率，所以可以通過適當調整信道的間隔來抑制四波混頻效應。

2 系統(tǒng)模型的建立

本文利用Optisystem平臺進行搭建光纖傳輸系統(tǒng)模型，并對其進行設置。仿真系統(tǒng)模型為一個8信道的 WDM光纖傳輸系統(tǒng)，通過仿真結果對各個信道傳輸性能進行分析。系統(tǒng)傳輸由50 km的單模光纖、10 km的DCF以及一個理想的摻餌光纖放大器組成。在本次仿真中，傳輸信號采用歸零碼RZ調制格式[4]，占空比0.6，輸入功率為0 dBm，放大器增益為15 dB。通過調節(jié)信道間隔，比較Q值來分析各個信道間隔的性能特點。

按照上述模型搭建傳統(tǒng)等間隔信道模型，信道間隔設置為0.1 THz。在第一種方案的基礎上，對間隔進行調整，分別為0.05 THz，0.1 THz，0.15 THz，0.2 THz，0.25 THz，0.3 THz，0.35 THz，同時保證其他參數不變。但由于增大了信道間隔，因此占用大量帶寬，會使得系統(tǒng)帶寬利用率降低。基于此問題，提出部分等間隔抑制方案，間隔為0.2 THz，0.2 THz， 0.1 THz，0.1 THz，0.1 THz，0.2 THz，0.2 THz，呈現兩頭大中間小的帶寬分布。并在此信道分布基礎上，再次對信道間隔參數進行調整，同時還要保持帶寬利用率不變，嘗試調整為兩頭小中間大的信道間隔分布，同時保證其他的參數不變，此時信道間隔分別調整為0.1 THz，0.1 THz，0.2 THz，0.2 THz，0.2 THz，0.1 THz，0.1 THz。

3 系統(tǒng)仿真結果及分析

按照上述系統(tǒng)模型及各信道參數的設置，可得出4種方案下各個信道的Q值，結果如圖1所示。

對于信道等間隔分布的光傳輸系統(tǒng)，由于產生FWM效應，坐落于中間位置的信道其Q值比兩端的信道Q值略低。而對于不等間隔信道分布方案，由于信道的間隔變大，將原本FWM效應所產生混頻分量改變原來的位置，使其新產生的混頻分量不落在原始信道上，以此來提高系統(tǒng)的性能。相比不等間隔方案，部分等間隔方案由于中間信道分布略密集，FWM所引起的串擾將發(fā)生在中間信道，導致Q值降低，但此方案提高了帶寬利用率。除此之外，采用兩端小中間大的信道分布方案，中間信道的Q值有明顯的提高，兩端信道分布略密集，因此兩端信道將會產生更多的混頻分量影響，導致兩端信道的Q值降低。從圖1可以看出，當采用不等間隔或部分等間隔方案時，Q值明顯比等間隔方案有所提高。當適當調整信道間隔時，四波混頻所產生的新頻譜雖然會對光信噪比產生一定的影響[5]，但是這種頻譜能夠通過濾波器濾掉，因此，調整信道間隔的抑制方法可以有效地提高系統(tǒng)性能。

4 ? 結語

對于WDM系統(tǒng)中的四波混頻效應，搭建8信道傳輸系統(tǒng)，通過對信道間隔參數進行調整，對抑制FWM效應進行分析。通過對傳統(tǒng)等間隔方案及部分等間隔方案比較，本研究得出了部分等間隔方案對四波混頻效應抑制效果更突出。結果表明：采用相同系統(tǒng)參數的兩種部分等間隔信道時，由于四波混頻所產生的新頻譜會落在各信道之間，系統(tǒng)Q值和帶寬利用率等改善明顯增大，且系統(tǒng)的傳輸質量也得到了提升。

[參考文獻]

[1]田浩.波分復用系統(tǒng)研究進展[J].中國新通信，2020（1）：86.

[2]楊奇明，郭淑琴，徐博.波分復用系統(tǒng)中色散系數選擇優(yōu)化設計[J].光通信技術，2010（2）：61-62.

[3]SINGH S P，SINGH N. Nonlinear effects in optical fibers： origin，management and applications[C]. Mumbai：Progress in Electromagnetic Research，2007.

[4]王曉艷，徐高魁.通信系統(tǒng)中的色散管理與設計[J].中國新通信，2018（4）：30-31.

[5]孫嚴智，胡勁松，劉宇明，等.基于長距離光傳送網的光信噪比計算[J].光通信研究，2018（2）：14-17.

（編輯 王永超）