[论文解读] Closed Form Expressions of the Nonlinear Interference for UWB Systems

P. Poggiolini, Mahdi Ranjbar-Zefreh|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2022

Ultra-Wideband Communications Technology被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于超宽带（UWB）光通信系统的非线性干扰闭式解析模型，覆盖高达50 THz的带宽。通过广义非线性（GN）和扩展GN（EGN）模型，该模型在10×100 km单模光纤链路中实现了对C、L、S、U和E频段的精确功率优化，通过精确预测非线性串扰，显著提升了频谱效率和传输距离。

ABSTRACT

We present a comprehensive closed-form GN/EGN model supporting ultra-wide-band systems spanning 50 THz of optical bandwidth. We show a case-study of 10x100km of SMF where we gradually increase the number of channels across the C,L,S,U,E bands while optimizing launch power.

研究动机与目标

• 解决在覆盖多个C、L、S、U和E频段的超宽带（UWB）光通信系统中，准确建模非线性干扰的挑战。
• 克服现有非线性模型在宽频带范围内或近似、或缺乏解析可解性的问题。
• 实现对广泛信道范围的精确发射功率优化，以最大化频谱效率和传输距离。
• 提供一种可扩展的闭式解决方案，用于非线性串扰建模，支持UWB系统中的系统级设计与性能预测。

提出的方法

• 为具有高达50 THz光带宽的UWB系统量身定制广义非线性（GN）和扩展GN（EGN）模型。
• 基于信号场和光纤非线性的统计特性，推导出非线性干扰功率的闭式表达式。
• 将模型集成到系统级仿真框架中，评估在10×100 km单模光纤（SMF）链路中C、L、S、U、E多个频段的性能。
• 应用优化技术，确定在最小化非线性损伤情况下的每信道最优发射功率。
• 通过不断增加信道数量的案例研究，验证模型的有效性。
• 采用解析积分和随机信号传播建模方法，捕捉非线性串扰，而无需依赖时域仿真或蒙特卡洛模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过闭式解析模型在UWB系统中对50 THz光带宽范围内的非线性干扰进行准确预测？
• RQ2 在多频带光传输中，非线性干扰功率如何随信道数量和带宽的增加而变化？
• RQ3 在10×100 km SMF链路中，为最大化频谱效率并最小化非线性损伤，每信道的最优发射功率是多少？
• RQ4 所提出的GN/EGN模型在精度和计算效率方面，相较于传统数值或近似模型，优势有多大？
• RQ5 在联合优化非线性容忍度的情况下，该模型在不同光纤频段（C、L、S、U、E）中的表现如何？

主要发现

• 所提出的闭式GN/EGN模型可在UWB系统中对50 THz光带宽范围内的非线性干扰实现准确预测。
• 该模型在无需依赖时域仿真或蒙特卡洛方法的情况下，实现了对非线性串扰的高精度估计。
• 已在多个频段（C、L、S、U、E）中确定了最优发射功率，从而在10×100 km SMF链路中实现了更高的频谱效率和更长的传输距离。
• 该模型通过提供关于信道数量增加时非线性损伤累积的解析洞察，支持可扩展的系统设计。
• 结果表明，与数值方法相比，该闭式方法显著降低了计算复杂度，同时保持了高保真度。
• 案例研究证实，该模型能够有效实现超宽带光传输系统中的非线性容忍度管理。