基于光孤子通信的超高速光纖傳輸技術(shù)研究

中圖分類號：TN913 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)和新型電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電力公司通信網(wǎng)絡(luò)正面臨前所未有的數(shù)據(jù)傳輸挑戰(zhàn)。光孤子通信因其獨(dú)特的自維持傳輸特性，成為突破這一瓶頸的重要技術(shù)。然而，實(shí)際研究中，群速度色散（GVD）導(dǎo)致脈沖展寬，高階色散如三階色散（TOD）引發(fā)波形畸變，而自相位調(diào)制（SPM）和交叉相位調(diào)制（XPM）進(jìn)一步惡化信號質(zhì)量[1-2]。如何實(shí)現(xiàn)高效的色散補(bǔ)償和非線性均衡，成為當(dāng)前研究的核心問題。本文在光孤子通信的理論基礎(chǔ)上，提出了一種超高速光纖傳輸技術(shù)，構(gòu)建了光孤子色散補(bǔ)償控制模型和非線性均衡模型，實(shí)現(xiàn)光孤子信號動(dòng)態(tài)優(yōu)化及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

1光孤子色散補(bǔ)償控制模型

在光孤子通信系統(tǒng)中，色散效應(yīng)是影響信號傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。光纖的群速度色散（GVD）會導(dǎo)致脈沖不平整，三階色散（TOD）會導(dǎo)致光孤子不對稱展寬[3-4]，須采用預(yù)啁啾高階色散補(bǔ)償方法。控制的NLSE包含TOD項(xiàng)：

通過優(yōu)化 β₃ 或引入非線性啁啾，可減少TOD對光孤子的影響。

通過設(shè)置基本色散控制模型，生成基態(tài)光孤子，采用色散補(bǔ)償光纖（DCF）和啁啾光纖光柵（ChirpedFiberBraggGrating，CFBG）進(jìn)行局部色散控制，再通過高階色散補(bǔ)償控制，改變光孤子由于色散現(xiàn)象產(chǎn)生的展寬不對稱的問題。

2光孤子非線性均衡模型

上文通過光孤子色散補(bǔ)償控制模型，改善了光纖傳輸信號的展寬不對稱問題，但在超高速光孤子通信中，由于多信道的電磁干擾等，存在信號非線性擾動(dòng)問題（如自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM），會引入信號畸變[5]，故此須采用非線性均衡技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

2. 1 自相位調(diào)制（SPM）補(bǔ)償

SPM會導(dǎo)致頻譜展寬，影響信號質(zhì)量。其相位變化可表示為：

其中， L_eff 為有效作用長度。采用數(shù)字反向傳播（DBP）算法，在接收端反向求解NLSE，可部分補(bǔ)償SPM效應(yīng)：

A_coup（z，T）=A（z，T）e^{-iφSPM（T）}

2.2非線性均衡模型

在多信道系統(tǒng)中，XPM會導(dǎo)致信道間串?dāng)_[6]作者簡介：文濤（1985—），男，高級工程師，學(xué)士;研究方向：電力通信，網(wǎng)絡(luò)安全。

信道之間的串?dāng)_會影響電力公司光纖傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量，導(dǎo)致傳輸信號失真，信號特征模糊，故此，本文結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，設(shè)置了非線性均衡器，可有效抑制XPM：

至此構(gòu)建自光孤子非線性均衡模型結(jié)構(gòu)為：

其中， θ 為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)優(yōu)化，可顯著提升光孤子信號的恢復(fù)質(zhì)量。

3基于光孤子信號動(dòng)態(tài)優(yōu)化的電力通信傳輸

3.1光孤子脈沖信號動(dòng)態(tài)優(yōu)化

在上述內(nèi)容中，采用了光孤子色散補(bǔ)償控制模型和光孤子非線性均衡模型，補(bǔ)償、均衡了色散信號，恢復(fù)了非線性擾動(dòng)下的信號質(zhì)量，但為了滿足光孤子脈沖信號的動(dòng)態(tài)變化，達(dá)到對電力公司的光纖傳輸信號的實(shí)時(shí)控制，本文采用非線性傅里葉變換（NFT）域數(shù)據(jù)處理方法[7]，實(shí)現(xiàn)光孤子參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。傳輸信號在NFT域表示為：

其中 ηk，ξk 分別表征光孤子幅度和頻率，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)信號波形的自適應(yīng)整形。引入梯度下降算法實(shí)時(shí)優(yōu)化光孤子參數(shù)：

該技術(shù)使信號峰均比降低 40% ，有效提升傳輸功率效率。

3.2保護(hù)傳輸機(jī)制

拓?fù)溥吔鐟B(tài)滿足體邊對應(yīng)原理[8]，對隨機(jī)缺陷和微擾具有天然免疫力。傳輸保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，光孤子傳輸保護(hù)系統(tǒng)采用雙環(huán)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，主備通道實(shí)時(shí)同步機(jī)制滿足電力通信 30ms 快速倒換要求。保護(hù)切換觸發(fā)條件由以下判據(jù)決定：

通過引入陳數(shù)（Chernnumber）表征傳輸系統(tǒng)的拓?fù)涮匦裕?/p>

其中 F（K） 為Berry曲率， Bz 表示布里淵區(qū)。當(dāng)C≠0 時(shí)，系統(tǒng)存在拓?fù)溥吔鐟B(tài)，為光孤子傳輸提供抗干擾通道。

3.3空分復(fù)用光纖傳輸關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

為了給本文光孤子通信模型提供運(yùn)行保障，本文采用空分復(fù)用技術(shù)，在空間維度上構(gòu)建并行傳輸通道，突破傳統(tǒng)單模光纖的容量極限。其中，多芯少模光纖（Multi-coreFew-modeFiber，MCF-FMF）可以通過堆疊芯層的方式，增加傳播波段總?cè)萘浚移洫?dú)立信道預(yù)測較多，傳輸過程中具有信噪較低的優(yōu)勢。

本文設(shè)置的空分復(fù)用多芯光纖的核心參數(shù)包括芯間距（ ?40μm ）和串?dāng)_水平， （lt;-50db/100km） 。采用溝槽輔助折射率分布設(shè)計(jì)時(shí)，芯間耦合系數(shù) k 隨距離 d 呈指數(shù)衰減 χ≈0.2μm^-1 。

4實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的基于光孤子通信的超高速光纖傳輸技術(shù)的電力公司光纖通信的實(shí)際應(yīng)用效果，采用傳統(tǒng)IM-DD通信技術(shù)和相干通信技術(shù)與本文技術(shù)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，選取50組光纖傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集大小標(biāo)配準(zhǔn)值設(shè)置為 3000b 。

分別觀察光纖信號色散波形補(bǔ)償情況、非線性干擾狀態(tài)下信號波形的恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：

根據(jù)圖1（a）可知，原始數(shù)據(jù)由于光纖的群速度色散導(dǎo)致脈沖波形不平整，在設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值為 3000b 大小的情況下，數(shù)據(jù)在 1800～3000b 之間存在不對稱展寬。圖1（b）中，采用傳統(tǒng)IM-DD通信技術(shù)對光纖信號進(jìn)行色散補(bǔ)償，在數(shù)據(jù)組數(shù)1～21，存在補(bǔ)償數(shù)據(jù)展寬超過標(biāo)準(zhǔn)的問題，信號波形仍然不夠平整，存在數(shù)據(jù)串?dāng)_情況。根據(jù)圖1（c）中，采用的相干通信技術(shù)對光纖信號進(jìn)行色散補(bǔ)償，在數(shù)據(jù)組數(shù)1～23，存在明顯的補(bǔ)償數(shù)據(jù)展寬超標(biāo)問題，補(bǔ)償效果不夠理想。根據(jù)圖1（d）可知，采用本文方法對光纖信號進(jìn)行色散補(bǔ)償，其補(bǔ)償結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值高度擬合，數(shù)據(jù)波形平整，展寬對稱。由此說明本文方法對光纖信號進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)男Ч^好。

為了更好地觀察出在多信道擾動(dòng)狀態(tài)下本文所研究的光孤子非線性均衡模型的性能，本文進(jìn)行了非線性干擾狀態(tài)下信號波形均衡控制對比，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2（a）可知，在非線性干擾發(fā)生時(shí)，輸出電流在15A以下時(shí)，傳統(tǒng)IM-DD通信技術(shù)對光纖傳輸信號的波形均衡控制效果不明顯，波形畸變幅度較大。根據(jù)圖2（b）可知，在非線性干擾發(fā)生時(shí)，輸出電流在 20A 以下時(shí)，相干通信技術(shù)對光纖傳輸信號的波形均衡控制效果較差，波形畸變幅度較大，沒有得到有效的均衡控制。根據(jù)圖2（c）可知，在非線性干擾發(fā)生時(shí)，輸出電流在從0A到20A之間，本文所研究的光孤子非線性均衡模型對光纖傳輸信號的波形均衡控制效果明顯，波形畸變幅度小，能夠有效地實(shí)現(xiàn)非線性干擾下光纖傳輸信號波形輸出均衡控制。

圖2非線性干擾狀態(tài)下信號波形均衡長曲線對比

5結(jié)語

本文提出了一種基于光孤子通信的超高速光纖傳輸技術(shù)，通過周期性色散補(bǔ)償和預(yù)啁啾技術(shù)有效抑制了GVD和TOD的影響，使補(bǔ)償后的光孤子波形對稱性顯著提升。在非線性均衡方面，結(jié)合DBP和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，成功降低了SPM和XPM引起的信號畸變，實(shí)驗(yàn)證明其在強(qiáng)干擾下仍能保持穩(wěn)定傳輸。此外，基于NFT的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。

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（編輯戴啟潤）

Research on ultra high speed optical fiber transmission technology based on optical soliton communication

WEN Tao， LI Xia， ZHOU Haipeng， WANG Shisong，HE Rongrong （State Grid Anhui Electric Power Co.， Ltd.， Xuancheng Power Supply Company， Xuancheng 242O00，China）

Abstract：Thearticle proposesanultra high speedopticalfiber transmissiontechnologybased onsoliton communication.It adopts dispersion compensation fiber （DCF）and pre chirping technologyto suppress group velocity dispersion （GVD）and third-order dispersion （TOD）. Combining digital backpropagation （DBP）and machine learning to construct a nonlinear equalizer，it compensates for self phase modulation（SPM）andcross phase modulation （XPM）.It dynamically optimizes soliton parameters using nonlinear Fourier transform （NFT）and designs a topology protection architecture to enhanceanti-interference capability.The experiment shows that when nonlinear interference occurs，the output current is between OA and 2OA.The proposed method improves the waveformsymmetry after dispersioncompensation and has a significant efect on waveform equalization control offiber optic transmision signals. Key words：optical soliton communication； pre chirping technique; dispersion compensation; nonlinear equalizer