基于wdm的160 Gbps无线光纤系统及色散补偿光纤和光纤光栅的应用

简介

随着时间的推移，对超高速数据传输速度的需求越来越大。如今，很难想象没有视频通话、在线高分辨率视频流、生物医学传感器数据聚合、在线游戏、虚拟现实体验、人工智能(AI)的生活，这个清单还在继续。所有这些技术都要求高带宽、高传输速度和尽可能小的干扰。光纤通信在现代通信系统中起着至关重要的作用。

在射频of技术中，经过调制的射频信号在中心站(CS)和基站(BS)之间通过上行和下行链路传输[1，2］．这些数据通过光纤链路传输。然而，光纤在传输数据时引入了各种非线性[3.］．这些非线性在通信系统中产生了生成和退化效应。非线性效应也提高了纤维的性能;因此，他们提供了创新的应用，如光纤激光器，多路复用器，解复用器等。另一方面，非线性效应的缺点是它们限制了光纤通信。在RoF中，BS的集中化和减小的小区大小提供了不间断的高数据速度，为最大数量的客户提供服务。它还降低了系统的安装成本、运行成本和维护成本，因此，系统安装的整体固定成本降低了[4］．Dahiya等人讨论了偏振分复用(PDM-QAM)系统中PMD的作用，并使用了混合光放大器来实现增强容量[5］．

Jia等人提出了一种在RoF系统中实现40公里链路距离和2.5 Gbps数据速率的新方法。下行链路采用载波抑制技术，上行链路使用该载波，避免了对BS端光源的要求。然而，这种方法表现出1.2 dB的功率损失[6］．Lin等人使用零偏MZM将光调制成中央载波抑制的双面带(CCS-DSB)，中央载波添加了DSB (CCA-DSB)主载波和双模无色激光二极管，以便在光纤系统上建立基于5g的39-GHz毫米波，实现光纤和毫米波的完美融合，以提供36 Gbps的基带和4 Gbps自由空间传输。对不同的注入锁定主器件进行了比较，发现CCS-DSB主器件注入锁定从器件无色激光二极管的背对背性能优于CCA-DSB和双分布反馈激光器(DFBLD) [7］．

RoF与WDM技术的结合提高了即使在偏远地区的蜂窝通信可用性。在波分复用(WDM)中，不同的波长携带不同的信号，许多波长通过一根光纤传播。因此，不同波长的不同信号被组合在一起，然后通过一根光纤传输，然后在末端分离[8］．这导致了高数据速率，系统容量更大，更灵活，成本降低和简单的网络设计，从而增强了各种形式的光通信系统。Kim等人评估了WDM RoF应用，使用SOA并通过FWM效应实现了频率上转换;他们观察到同时实现了8个信道的上转换，几乎可以忽略不计的串扰，并且没有错误。这证明了WDM RoF技术肯定是宽带无线接入网的更好选择[9］．

中描述了一个基本的波分复用RoF系统图1．从单个传感器接收的电气数据被馈送到发射器(存在于CS)，发射器由射频调制器、连续波(CW)激光器和MZM组成。然后，它被馈送到多路复用器;同样，所有发射机馈电λ₁…λ_n进入多路复用器。然后，多路复用器将所有这些波长组合在一起，然后通过光纤传递到多路复用器。解复用器分离所有波长并将它们传递给接收器BS。BS由一个光电二极管和一个滤波器组成。然后信号通过天线传送到其他移动站。

目前的研究工作包括设计一个16/160 Gbps的WDM-RoF系统，利用DCF和FBG的混合组合来缓解非线性。传播路径中的非线性是指路径链路中发生的非线性以及对系统质量的影响。所设计的仿真方案在仿真设计一节中进行了说明，并给出了所选择的参数值。结果与讨论部分包含了结果与讨论，结论部分对全文进行了总结。

传播路径中的非线性

光纤非线性基本上可以细分为两类。第一个与折射率有关，其中包括由于光纤折射率的强度依赖差异而发生的非线性，广泛地称为“克尔效应”。克尔效应被进一步细分为不同的非线性，称为“SPM”，“XPM”和FWM。第二类与散射非线性有关，由于非柔性受激散射，进一步分为SRS和SBS [10］．

spm -它基本上是自诱导相移，当光信号通过光纤传输时，在光纤中观察到这种相移。换句话说，由于光强的变化，这种现象也可以被称为光的“相位调制”。它导致信号频谱的拓宽。当光信号在光纤中传播时，它会在核心处产生高强度的光，这进一步导致更高的折射率。折射率随时间的变化是由于光信号强度的变化而发生的，这进一步导致相变，这是纯粹依赖于时间的。Nain等研究了RoF系统中MZM和光相位调制器(OPM)在SPM效应下的性能[11］．

XPM -在XPM非线性中，一个波长的光可以影响另一个波长的光的相位。在这里，一个光信号的折射率非线性不仅取决于它自己的强度，而且还受到其他光信号光束强度的影响，而这些光束正在传播到光纤中。它导致功率变化从一个波长通道转换到另一个通道的相位变化。Nain等人评估了XPM串扰在基于scm的RoF系统中的影响。人们观察到，传输距离越大，调制频率越高，串扰就越大[12］．

当信道间距相对较小时，即波长信道彼此放置得非常接近时，就会观测到ffm。通道间距和光纤类型导致FWM效应的变化。这些波长同时在光纤中传播，同时创建另一个新的波长，由于FWM的影响，该波长被命名为“惰波”。这个新的波长与所有其他波长完全不同，都是作为系统的输入[13］．

在哪里f_xf_yf_z=输入信号的频率和f_xyz=合成信号的频率。

下式用Taylor级数表示FWM的高阶色散参数，用传播常数' b'表示;

现在,$\frac{db}{d\omega }＝\delta$，其中δ为每光学长度的传播延迟。我们将替换式(2)中的值;

因此，由4，二阶色散由

三阶色散由

△在哪里f=通道间距和F₀纤维色散

所得FWM信号的功率表示为

在哪里l=纤维长度;

λ =波长;

c=光速;

D=有辱人格的因素;

X=非线性敏感性;

P_xP_yP_z=输入信号频率为f的功率_xf_y，和f_z分别;

一个_英孚=光纤芯的有效面积;

α =损失系数;而且

n折射率

当输入通道增加时，FWM边带积也增加。当给所有信道的输入功率相等且保持相位匹配时，则下式成立:

其中γ为非线性系数，P_我是输入功率，和D_F是2表示每个信道有不同的频率。

随着光功率级的增加，FWM效应得到了显著的观察。波长转换和多路解复用是FWM的基本应用。Kathpal和Garg对所研究的8/32 rff - bf系统进行了仿真，发现当功率水平降低和信道间距增大时，FWM效应较小[14］．

SRS在WDM光纤通信系统中起着重要的作用。光信号的光子与光纤的分子振动相互作用，这些分子振动也与其他光信号的光子相互作用，同时使用同一根光纤进行光的传播。由于这些相互作用，产生了散射光。还得出结论，合成光的波长相对而言比所有其他光信号都长[15］．Nain等人观察到srs诱导的串扰水平因调制频率和光功率的变化而变化。我们还注意到，串扰几乎不随传输链路长度的变化而变化[16］．

sbs——据观察，光的散射是向后的。为了降低SBS效应，可能的解决方案是将输入功率保持在SBS的阈值以下或增加源本身的谱线宽度。SBS效应与输入光信号的带宽和光纤的类型有关[17］．

色散——它使光脉冲在通过光纤时扩散。色散是限制RoF链路性能的功率惩罚的主要因素之一。Li等人提出了两个阶段，毫米波RoF系统中的外差，一个在毫米波混频器，另一个在BS中的FBG。系统总体表现良好，抑制了冗余频率音，并且没有因色散而导致功率下降[18］．Li等人在RoF系统中提出了载波相移DSB调制，以在不使用额外RF或光学元件的情况下实现高线性度，并减少由于色散造成的功率衰落影响。RoF系统已在25公里和39公里范围内的最大频率移至10和15 GHz, SFDR为111.3 dB Hz^2／3，比传统的SSB调制大10 dB [19］．

Cui等人提出了一种电光相位和强度调制器的并行配置，以减少在0-18 GHz宽带宽的34公里链路上的色散(CD)影响。通过适当调整光功率和不同调制器信号之间的时延，充分补偿了cd引起的功率衰落。此外，该链路与基于dsb的链路进行了比较，增强高达31 dB Hz^2／3在伪自由动态范围(SFDR)中观测到[20.］．Tsai等人在一个基于40 Gbps 256- qam的OFDM系统中使用了一个注射锁定的无色激光二极管，传输距离为25公里。通过仔细调整偏置电流和预调平调制吞吐量，在传输之前色散引起的衰落已经减少[21］．Tsai等人通过直接调制双模激光二极管(DMLD)提出了一种60 ghz mm-WoF系统，该系统具有抑制三阶互调色散，可在4公里光纤和3米无线距离上以6Gbps传输16- qam调制的OFDM数据。通过改进的误码率和1.1 dB的功率惩罚，抑制了功率衰落效应[22］．在本系统设计中引入了线性啁啾衰减光纤光栅(LCFBG)，以适当降低群延迟响应中的副瓣水平和波纹。由于高斯衰变函数具有最大反射率和减少旁瓣的特性，因此采用了高斯衰变函数。

仿真设计

我们设计了一个16通道160 Gbps WDM-RoF系统，每个通道的工作速率为10 Gbps，使用Optisystem 16.1[位于加拿大渥太华的M/s Optiwave系统公司(Optiwave)]。表示16/160 WDM-RoF设置的图如图所示图2一个．发射机部分包括16个RF信号，这些信号使用WDM多路复用器组合在一起，并通过光纤在60公里的传输距离上传输。

图2 b描述发射机子系统。每个发射器包括一个伪随机位序列(PRBS)发生器，以10gbps的数据速率生成二进制数据，该数据速率被交给归零(RZ)脉冲发生器用于生成基带信号。RZ编码格式已被使用，因为它增加了对光纤非线性效应的公平性。然后在射频正弦源上进行多路复用。MZM提供光调制，使用由连续波激光产生的高频光载波信号。

来自所有连续波激光器的不同波长的光信号被调制，然后使用WDM多路复用器进行组合，以增强数据传输能力。这种多路复用信号通过单模光纤(SMF)传输。之所以使用SMF，是因为与多模光纤(MMF)相比，SMF能够在更大的链路长度上以更高的数据速率传输光信号，尽管由于高阶色散和非线性，光信号也会受到影响，这可能会限制传输距离。在目前的网络模拟中，掺铒光纤放大器(EDFA)被包括在内，因为它可以在产生最小内部噪声的同时提供必要的光信号放大。

放大器被插入到SMF之后，作为一个在线放大器。因此，EDFA提供了对弱输入信号的放大，并将其带到一个精确的水平，以补偿传输损失。此外，为了补偿链路损耗和色散效应，在网络系统设计中还引入了DCF和FBG。放大后的信号通过DCF。在这里，DCF以−80 ps/nm/km的速率提供相等和相反的色散，从而使色散几乎为零。光纤光栅是通过将光纤芯暴露在高强度紫外线下设计的。这导致光纤芯的折射率增加，从而产生一个固定的调制指数，称为“光栅”[23］．发现这种结构采用了低成本的滤光片来降低色散，也可以作为波长选择器。在系统设计中引入了线性啁啾衰减光纤光栅(LCFBG)，可适当降低群时延响应中的旁瓣电平和波纹。由于高斯衰变函数具有最大反射率和减少旁瓣的特性，因此采用了高斯衰变函数。

由于来自生物医学传感器的数据必须具有非常高的质量和最小的误码率，因此，为了提高接收机灵敏度和所需的信噪比，在接收机之前使用前置放大器。信号经过WDM解复用器后，被16个远端站接收。

接收子系统显示在图2 c该系统包括一个雪崩光电二极管探测器(APD)，用于光到电转换，一个四阶低通贝塞尔滤波器用于噪声去除，3R再生器用于再现原始电信号，以及误码率分析仪用于结果可视化。光功率计也被用于检测非线性的影响。表1下面显示了设计布局中使用的仿真参数。

结果与讨论

模拟的16通道WDM-RoF光通信网络已经分析，随着输入传输功率的变化，使用性能指标:Q因子，误码率和眼睛图。此外，利用眼图对结果进行了验证。考虑了两种不同的网络配置——(i)简单光纤链路(ii)光纤，在50和100 ghz的两种不同通道间距场景下组合DCF-FBG。

图3上图显示了在信道间距为50 GHz时，三个不同信道(信道1、8和16)的Q因子随输入功率的变化。输入功率为5dbm ~−15dbm，步长为5dbm。

从图3，对于某一输入功率，随着输入通道数的增加，Q因子值呈减小趋势。此外，当输入功率从5 dBm变化到−15 dBm时，通道1、8和16的Q因子值分别从5 dBm时的7.42、7.20和6.41增加到−5 dBm时的8.58、8.19和8.13。当输入功率从−5 dBm下降到−15 dBm时，通道1、8和16的Q因子分别下降到5.21、5.1和5.06。随着输入功率的降低，q因子增加到−5 dBm的光功率;低于此值，系统性能会下降。随着功率的进一步减小，FWM功率对现有信道功率的贡献减小，从而导致信噪比降低。

图4为输入功率变化时的误码率曲线。误码率的变化与Q因子的变化同步。随着输入功率的变化，误码率的值首先下降到−5 dBm，然后增加，从而限制了性能。

从上面的q因子和误码率图可以清楚地看出，在输入功率为−5 dBm时获得了最佳值，在输入功率为−15 dBm时获得了q因子最小值和误码率最高值。这可以通过分别观察通道1、8和16在−5(良好和最佳)和−15 dBm(最差)处的眼图来证明。图5图中给出了50 GHz信道间距下基于wdm的常规RoF系统的眼图。

通道1、通道8和通道16在−5 dBm处的眼高分别为5.82 2e−5、5.66E−5和5.55E−5。它随后随着通道数量的增加而减少。当功率降低到−15 dBm时，观测到的眼高度分别为1.12E−5、1.05E−5和1.01E−5。随着输入功率的减小和通道数量的增加，眼的开口大大减小。

图6描述了一个柱状图，显示了在100 GHz信道间距下三个不同信道Q因子的变化。

可以观察到，对于特定的输入功率值，随着输入通道数的增加，Q因子减小。此外，当输入功率从5到−15 dBm变化时，通道1、8和16的Q因子值分别从5 dBm时的7.56、7.33和6.88增加到−5 dBm时的9.68、9.59和8.04。当输入功率从−5 dBm进一步减小到−15 dBm时，通道1、8和16的Q因子分别减小到6.25、5.16和5.06。

图7为误码率随输入功率的变化。随着信道间距的增加，信道1的误码率从2.23E−18下降到5.41E−23，因此，其他信道在最佳功率水平为−5 dBm时也是如此。从图6，9时，当信道间距从50 GHz增加到100 GHz时，Q因子值在输入功率某一特定值时增大。当输入功率为−5 dBm时，Q系数提高了16.51%。

图8所示为100 GHz信道间距下基于wdm的常规RoF系统的眼图。

当输入功率为−5 dBm时，通道1、8和16的眼高度分别为0.018、0.0017和0.00056。可以观察到，在−15 dBm处，各通道的眼高分别为1.36E−4、1.22E−5和1.12E−5。随着信道间距增加到100 GHz，在更大的眼界下观察到更清晰的眼图。

图9下面给出了一个柱状图，显示了DCF-FBG混合组合在信道间距为50 GHz时，信道1、8和16的Q因子值的变化。输入功率范围为5dbm ~−15dbm。通道1、通道8和通道16的Q因子值分别从5 dBm时的7.52、7.41和6.71增加到−5 dBm时的11.32、11.13和10.21。当输入功率从−5 dBm进一步减小到−15 dBm时，通道1、8和16的Q因子分别减小到8.02、7.23和7.21。

图10为误码率随输入功率的变化。误码率的变化与Q因子的变化是同步的。误码率随输入功率的变化先减小后增大。

采用DCF和FBG的基于wdm的RoF系统在50 GHz信道间距下的眼图如图所示图11．

在通道1、通道8和通道16处，−5 dBm处的眼图高度分别为2.12、1.91和1.22;在通道1、通道8和通道16处，−15 dBm处的眼图高度分别为0.18、0.16和0.13。在设计的模型中使用混合DCF-FBG组合，获得了更好的定性性能。

图12描述了一个柱状图，显示了在100ghz信道间距下三个不同信道Q因子的变化。从图11， Q因子值随通道数的增加而减小。此外，当输入功率从5 dBm变化到−15 dBm时，通道1、通道8和通道16的Q因子值分别从5 dBm时的7.81、7.72和7.59增加到−5 dBm时的12.21、11.59和11.48。当输入功率从−5 dBm进一步减小到−15 dBm时，通道1、8和16的Q因子分别减小到8.42、7.51和7.49。

图13显示100 GHz信道间距下的误码率与输入功率的关系。误码率的变化与Q因子的变化是同步的。误码率随输入功率的变化先减小后增大。

从图9，12，当信道间距从50 GHz增加到100 GHz时，在某一输入功率下，Q因子值增大。当输入功率为−5 dBm时，Q因子提高了10.42%。

基于wdm的RoF系统，DCF和FBG在100 GHz信道间距下的眼图如图所示图14．

在−5 dBm时，较大的眼开口高度为2.15、2.09和2.07，与−15 dBm时的0.18、0.14和0.12相当，分别对应于通道1、8和16。从眼图中可以清楚地注意到，在我们设计的布局中加入了DCF和FBG后，传播路径中的非线性(如三阶谐波、FWM等)的影响得到了缓解。从上面的讨论，可以得出这样的结论:图的开口越宽越清晰，表明接收到的信号的质量对于进一步处理是最佳的。

从图形结果可以看出，DCF-FBG混合组合可提高Q因子，改善误码率。可以进一步得出结论，DCF-FBG的混合组合成功地缓解了高阶色散谐波，从而限制了FWM的影响。此外，数值计算表明，在通道间距为100 GHz时，与传统的基于wdm的RoF系统相比，使用DCF-FBG混合组合，在输入功率为−5 dBm时，Q因子值提高了41.52%，从而证明了仿真参数的选择可以在网络设计中提供最佳结果。参数已随规定的设计值变化，并在表中选择了最佳性能值，以给出所需的和可能的最佳结果。

结论

在目前的工作中，已经评估了一个16通道，160 gbps WDM-RoF系统的最佳性能，使用Q因子和误码率，在信道间距为50和100 GHz的不同输入功率下，并与传统RoF系统进行了比较。必须捕获、传输和交付来自生物医学传感器的数据，并且目的地必须具有最佳质量。为了缓解非线性，采用了DCF-FBG混合组合。从定性分析来看，随着输入功率的降低，Q因子首先增加到输入功率的−5 dBm，然后随着输入功率的进一步变化而降低，而误码率首先下降到−5 dBm，然后随着输入功率的进一步变化而增加。结果还表明，在给定的输入功率下，随着信道间距从50 GHz增加到100 GHz, Q因子增加，最高可提高16.51%。采用DCF-FBG混合组合的WDM-RoF系统在输入功率为−5 dBm时高效运行，并提供最佳的误码率性能，在时间上提高了41.52%vQ因子的值，与传统的基于wdm的RoF系统进行比较。在进一步分析眼图时，DCF-FBG的混合组合提供了更大的眼口，通道1、8和16的眼高分别为2.15、2.09和2.07。在设计的系统中，随着信道间距的显著增加(50至100 GHz)和信道输入功率的同时降低，非线性的影响已在−5 dBm的最佳功率下得到充分缓解。

数据可用性声明

支持本文结论的原始数据将由作者提供，毫无保留地提供。

作者的贡献

SD提出了这个想法，并监督了整个工作。SK和SS进行了解析计算和数值计算。所有作者都对手稿的写作做出了贡献。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

参考文献