[论文解读] Coherent WDM Systems Using in-Line Semiconductor Optical Amplifiers

Amirhossein Ghazisaeidi|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2017

Optical Network Technologies参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文基于时域一阶微扰理论，首次提出了采用内置于光纤中的半导体光放大器（SOA）的相干波分复用（WDM）系统中非线性信号传输的严格理论框架。该理论推导出采样光电流信噪比（SNR）的解析表达式，同时考虑了光纤引起的非线性失真和SOA引起的非线性失真，从而能够在高噪声系数和增益动态特性条件下，实现对SOA基相干WDM系统性能的预测与优化。

ABSTRACT

A theory of nonlinear signal propagation in multi-span wavelength division multiplexed coherent transmission systems that employ the semiconductor optical amplifier as in-line amplifiers is presented for the first time. The rigorous derivation, based on time-domain first-order perturbation theory, is developed in detail. The end result is the expressions for the signal-to-noise ratio of the received sampled photocurrent, including contributions from noise, fiber-induced nonlinear distortions, and amplified-induced nonlinear distortions.

研究动机与目标

• 开发一种针对采用内置于光纤中的半导体光放大器（SOA）的相干WDM系统中非线性信号传播的严格理论模型，该系统此前未被研究，原因在于其高噪声系数和非线性增益动态特性。
• 将EDFA系统中使用的时域微扰方法扩展至SOA系统，调整其形式以适配SOA增益动态特性和噪声的独特性。
• 计算在SOA放大条件下，采样接收信号中总非线性信号失真方差，包括信号-信号（SS）和噪声-信号（NS）非线性失真贡献。
• 通过提供关键系统指标（如SNR）的解析表达式，实现对未来SOA基相干WDM传输系统性能的评估与优化。
• 为超宽带SOA（增益带宽超过100 nm）作为EDFA在高容量光网络中可行替代品的部署奠定理论基础。

提出的方法

• 将EDFA系统中使用的时域一阶微扰理论适配至SOA系统，修改其形式以反映SOA的动态增益响应特性。
• 提出一种改进的SOA模型，以捕捉增益动态特性和非线性效应，用SOA特有的参数替代EDFA特有的增益与噪声项。
• 利用$χ$-系数形式化方法推导非线性失真方差的积分表达式，通过修改后的$H'$和$r'$函数将该方法适配至SOA增益动态特性。
• 定义新的系数$χ_{ω,s,s'}$和$χ_{ω,s,s'}^{(1)}$，以表示在SOA放大下发生的非线性相互作用，其显式依赖于通过$f(z)$和$d(z)$表示的SOA增益动态特性。
• 通过使用包含SOA特定相位和增益依赖性的新$ r' $函数，对频率空间中的积分进行总非线性失真方差计算，结合$χ$-系数及其共轭项。
• 通过在$d^3\omega$、$d^4\omega$等空间上对积分进行求值，推导出最终的SNR表达式，使用包含SOA特异性相位与增益依赖性的新$r'$函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统EDFA相比，半导体光放大器（SOA）的动态增益响应如何影响相干WDM系统中的非线性信号失真？
• RQ2 在SOA放大的相干WDM系统中，采样光电流的信噪比（SNR）的解析表达式是什么？该表达式是否包含了光纤和SOA引起的非线性失真贡献？
• RQ3 时域微扰理论如何被调整以建模使用内置于SOA而非EDFA的系统中的非线性信号传播？
• RQ4 SOA特有的参数（如增益动态特性和噪声系数）对多跨度WDM系统中总非线性失真方差有何影响？
• RQ5 为EDFA系统开发的理论框架能否足够准确地扩展至SOA系统，以实现系统性能的预测？

主要发现

• 本文首次基于时域一阶微扰理论，提出了采用内置于SOA的相干WDM系统中非线性信号传播的解析理论框架。
• 推导出的采样光电流SNR表达式包含了光纤引起的非线性失真和SOA引起的非线性失真贡献，从而支持系统性能的预测。
• 总非线性信号失真方差通过包含SOA特异性增益动态特性和相位依赖性的修改后$r'$函数进行计算。
• 该理论考虑了在SOA放大下发生的信号-信号（SS）和噪声-信号（NS）非线性相互作用，其积分表示形式扩展至多维频率空间。
• 该框架通过涉及$ r'_{\vec{\omega},m,s,s'} $的积分实现对非线性失真方差的评估，其依赖于SOA增益动态特性与频率失谐。
• 研究结果为优化SOA基WDM系统提供了理论基础，尤其在近期实现增益带宽超过100 nm的超宽带SOA的背景下具有重要意义。