[论文解读] Maximum transmission reach for optical signals in elastic optical networks employing band division multiplexing

Esteban Paz, Gabriel Saavedra|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

Optical Network TechnologiesEngineering被引用 20

一句话总结

本文提出一种方法，通过波段分割复用（BDM）在弹性光网络中确定光学信号的最大传输距离，考虑线性和非线性损伤，如放大自发辐射（ASE）噪声和跨信道受激拉曼散射（ISRS）。采用闭式高斯噪声模型，计算E、S、C和L波段每波段的信噪比（SNR），推导出在误码率（BER）阈值为4.7×10⁻³、10⁻⁶和10⁻⁹时，BPSK至256QAM调制格式的最大传输距离，其中L波段因ASE噪声最低且非线性特性权衡最优，实现最长传输距离。

ABSTRACT

Multi-band transmission systems have emerged as a potential answer to the limited capacity of silica based optical fiber. It is based on utilizing the complete low-loss region of optical fibers. Additionally, elastic optical networks (EON) were proposed to efficiently manage limited resources in optical networks. The selection of route, modulation format and spectrum is the main problem that requires solving to operate an EON. Understanding how linear and nonlinear impairments accumulate during propagation in an optical fibre link in essential to solve this problem. Here we preset a study on the maximum reach optical signals can propagate in a multi-band environment for a variety of modulation formats with commonly used threshold values in EON.

研究动机与目标

• 确定在使用波段分割复用（BDM）的多波段弹性光网络（EONs）中，光学信号的最大传输距离。
• 分析线性和非线性损伤（特别是ASE噪声和跨信道受激拉曼散射ISRS）对E、S、C和L波段信号传输距离的影响。
• 计算每波段的最优入射功率和信噪比（SNR），以满足由标准误码率（BER）阈值定义的服务质量要求。
• 通过提供常见调制格式的传输距离估计，为弹性光网络中的路由、调制阶数和频谱分配（RMLSA）问题提供定量依据。

提出的方法

• 使用高斯噪声模型的闭式近似方法，计算非线性串扰（NLI）系数，同时考虑ISRS、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）的影响。
• 利用公式PASE,ch = 2nsp hν(G−1)建模ASE噪声功率，其中G = αL为放大器增益，α和L分别为光纤损耗和跨段长度。
• 使用公式SNRch = Pch / (PASE,ch + ηPch P³ch)计算每波段的信噪比，其中ηPch为依赖于信号功率和波长的NLI系数。
• 通过非相干叠加方法评估多跨段累积噪声：SNRch = Pch / (N·PASE,ch + N·ηch·P³ch)，其中N为跨段数量。
• 优化每波段的入射功率以最大化SNR，识别出BDM架构下各传输波段的最优入射功率。
• 利用标准调制格式曲线（BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM）将SNR映射至BER，以确定在指定BER阈值下的最大传输距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多波段传输且存在ISRS的情况下，BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM信号在E、S、C和L波段中的最大传输距离是多少？
• RQ2 ASE噪声和来自ISRS的非线性串扰（NLI）如何影响不同传输波段的SNR，从而影响传输距离？
• RQ3 在基于BDM的EON中，每波段的最优入射功率是多少，才能使SNR和传输距离最大化？
• RQ4 在不同BER阈值（4.7×10⁻³、10⁻⁶、10⁻⁹）下，最大传输距离在各波段之间如何变化？
• RQ5 在多波段弹性光网络中，为满足标准BER要求，每种调制格式所需的SNR阈值是多少？

主要发现

• L波段因ASE噪声最低且非线性特性权衡最优，实现最高的最大传输距离（在4.7×10⁻³ BER阈值下达144跨段）。
• 在10⁻⁹ BER阈值下，256QAM在L波段可实现27跨段传输，而E波段仅支持5跨段，表明波段间存在显著的传输距离差异。
• 在4.7×10⁻³ BER阈值下，L波段的256QAM最大传输距离达144跨段，需满足25.5 dB的SNR阈值。
• S波段在4.7×10⁻³ BER下支持BPSK信号传输130跨段，而E波段仅支持31跨段，凸显波段间性能差距。
• 在10⁻⁶ BER下，64QAM在L波段可实现5跨段传输，在C波段为4跨段，而E和S波段无法支持256QAM传输。
• E波段因ASE噪声高且非线性损伤严重，所有调制格式的SNR最低、传输距离最短，因此最不适合长距离传输。