几种信道间隔方案对四波混频效应的抑制研究

申静 邵立蓉

摘 要：为了抑制四波混频FWM效应，根据其产生机理和主要影响因素，结合信道的合理分布，文章设计了3种基于传统信道等间隔系统的改进方案，并与传统方案进行了比较，分析了每种改进方案的性能特点，以及在每种方案下传输距离对系统性能的影响。文章采用optisystem软件搭建系统信道模型，并进行了仿真研究。结果表明改进方案都能很好地抑制FWM效应，且后两种方案的效果更好，能有效提高系统的性能。

关键词：光传输;四波混频;抑制;信道间隔

0 引言

光传输系统在传输的速率、传输的容量以及传输的距离长短等方面发展迅速，为了使信道传输的速率更高、信道之间的间隔更小以及传输的中继传输距离更长，光纤的色散和非线性效应成为了限制长距离光传输系统的主要因素。因此，光传输系统需要设计恰当的色散补偿方案来综合考量色散、非线性对系统的影响。在光波分复用（Wavelength-Division Multiplexing，WDM）系统[1]中，各种光纤非线性会对系统产生不同的影响，尤其是四波混频（Four Wave Mixing，FWM）效应。FWM效应会损耗信号的功率，新光波所产生的非线性串扰也会对系统产生一定的影响，因此会限制传输系统信号的传输容量，尤其会对长传输距离以及大容量的系统产生更大的影响。因此，研究在WDM传输系统能够有效抑制FWM的方法尤其重要。不同信道间隔抑制四波混频的效果不同，同时随着传输距离的变化，抑制四波混频的效果也会有变化。

文中首先介绍了FWM效应产生的物理机制，并得到了影响 FWM效率的因素。在理论研究的基础上，将FWM理论分析和数值模拟相结合，利用Optisystem平台软件仿真分析了关于信道间隔方案以及传输距离对FWM效应的影响。

1 FWM效应产生的物理机制

FWM效应是指两个或三个不同波长的光波相互干扰作用从而导致在其他波长上产生混频产物或边带的新光波效应。发生四波混频效应是由于入射光中的某一个波长上的光使光纤的折射率发生变化，会改变入射光在不同频率上的光波相位，则会产生不同的新的波长的光波。当光纤的数据传输速率、传输距离的长度、所使用的波长数量以及光功率大小等因素增长时，光纤的非线性抑制的研究十分必要[2]。在这种非线性效应中，3个光场通过光纤传播将产生1个新的光场，这取决于3个光场[3]。

FWM效应与比特率无关，而主要取决于光纤的信道间距。随着WDM系统所需的传输信息容量的加大和传输速率的提升，信道的间隔也越来越小，WDM系统中的FWM成了影响系统传输系能的主要原因之一，因此必须降低系统中FWM效应所产生的影响。而FWM对WDM传输系统的影响主要在于系统传输的信道数量以及单个信道的入纤功率，所以可以通过适当调整信道的间隔来抑制四波混频效应。

2 系统模型的建立

本文利用Optisystem平台进行搭建光纤传输系统模型，并对其进行设置。仿真系统模型为一个8信道的 WDM光纤传输系统，通过仿真结果对各个信道传输性能进行分析。系统传输由50 km的单模光纤、10 km的DCF以及一个理想的掺饵光纤放大器组成。在本次仿真中，传输信号采用归零码RZ调制格式[4]，占空比0.6，输入功率为0 dBm，放大器增益为15 dB。通过调节信道间隔，比较Q值来分析各个信道间隔的性能特点。

按照上述模型搭建传统等间隔信道模型，信道间隔设置为0.1 THz。在第一种方案的基础上，对间隔进行调整，分别为0.05 THz，0.1 THz，0.15 THz，0.2 THz，0.25 THz，0.3 THz，0.35 THz，同时保证其他参数不变。但由于增大了信道间隔，因此占用大量带宽，会使得系统带宽利用率降低。基于此问题，提出部分等间隔抑制方案，间隔为0.2 THz，0.2 THz， 0.1 THz，0.1 THz，0.1 THz，0.2 THz，0.2 THz，呈现两头大中间小的带宽分布。并在此信道分布基础上，再次对信道间隔参数进行调整，同时还要保持带宽利用率不变，尝试调整为两头小中间大的信道间隔分布，同时保证其他的参数不变，此时信道间隔分别调整为0.1 THz，0.1 THz，0.2 THz，0.2 THz，0.2 THz，0.1 THz，0.1 THz。

3 系统仿真结果及分析

按照上述系统模型及各信道参数的设置，可得出4种方案下各个信道的Q值，结果如图1所示。

对于信道等间隔分布的光传输系统，由于产生FWM效应，坐落于中间位置的信道其Q值比两端的信道Q值略低。而对于不等间隔信道分布方案，由于信道的间隔变大，将原本FWM效应所产生混频分量改变原来的位置，使其新产生的混频分量不落在原始信道上，以此来提高系统的性能。相比不等间隔方案，部分等间隔方案由于中间信道分布略密集，FWM所引起的串扰将发生在中间信道，导致Q值降低，但此方案提高了带宽利用率。除此之外，采用两端小中间大的信道分布方案，中间信道的Q值有明显的提高，两端信道分布略密集，因此两端信道将会产生更多的混频分量影响，导致两端信道的Q值降低。从图1可以看出，当采用不等间隔或部分等间隔方案时，Q值明显比等间隔方案有所提高。当适当调整信道间隔时，四波混频所产生的新频谱虽然会对光信噪比产生一定的影响[5]，但是这种频谱能够通过滤波器滤掉，因此，调整信道间隔的抑制方法可以有效地提高系统性能。

4   结语

对于WDM系统中的四波混频效应，搭建8信道传输系统，通过对信道间隔参数进行调整，对抑制FWM效应进行分析。通过对传统等间隔方案及部分等间隔方案比较，本研究得出了部分等间隔方案对四波混频效应抑制效果更突出。结果表明：采用相同系统参数的两种部分等间隔信道时，由于四波混频所产生的新频谱会落在各信道之间，系统Q值和带宽利用率等改善明显增大，且系统的传输质量也得到了提升。

[参考文献]

[1]田浩.波分复用系统研究进展[J].中国新通信，2020（1）：86.

[2]杨奇明，郭淑琴，徐博.波分复用系统中色散系数选择优化设计[J].光通信技术，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]王晓艳，徐高魁.通信系统中的色散管理与设计[J].中国新通信，2018（4）：30-31.

[5]孙严智，胡劲松，刘宇明，等.基于长距离光传送网的光信噪比计算[J].光通信研究，2018（2）：14-17.

（編辑 王永超）