使用恒定功率放大器的海底光缆系统信噪比建模及实验分析

  2020年6月，美国康宁研发公司和康宁科学中心的研究人员，在国际知名期刊Journal of Lightwave Technology，针对具有恒定输出功率放大器系统建立了广义下垂的SNR模型，并进行了实验验证。该模型对具有恒定功率放大器的海底光缆链路中广义信号下垂模型进行了扩展和增强。实验结果表明，该模型具有很好的精度。

  全球光通信网络中数据流量的强劲增长，促使业界迫切寻求增加传输容量的方法。但是，海底光缆系统相比于地面网络系统，在电学特性上有几个不同的特点。为了增加光缆的总容量，最近的行业研究趋势集中在通过更多的光纤路径分配可用的电功率，以较低的发射光功率传输各个光信道，从而降低了接收到的SNR值。除了电学特性的不同，海底光缆系统另一个特点是通常会使用EDFA，这个可看作是恒定输出功率(COP)系统。在海底典型的长链路系统中，实际信号功率会被EDFA所产生的ASE噪声所代替，即出现信号下垂现象。为了获得传输路径的最大值，需要准确的对低通道功率和低SNR的系统进行建模分析，尤其是针对恒定功率放大器的海底光缆系统。

  扩展和增强了具有恒定输出功率的光放大器的系统信号下垂SNR模型，在原有的高斯噪声(GN)模型基础上，引入了ASE噪声项和非线性噪声项，解决了信号下垂或者广义的信号下垂现象。模型可以预测系统的SNR、信号功率和噪声功率的情况，经实验验证具有较好的精度。

  海底光缆具有容量大、通信质量高、低成本和安全可靠等优点，目前已经取代了原有的海底通信电缆，成为了重要的国际通讯手段。基于恒定功率放大器海底光缆系统进行SNR建模分析，对建设大容量、长距离海底光缆系统提供了理论依据，有利于高效建设全球性的数字通讯网络，对加强国际间经济、技术和文化交流，起着十分重大的作用。

  研究人员指出了光纤的类型对SNR模型差异有一定的影响，即具有较高衰减和/或较高非线性损伤的光纤具有较低的性能，因此在链路的末端具有低SNR。此外较低的SNR也会造成更大的模型差异。该结论对实际系统设计和建模分析都有一定的参考价值。

图1 在不同光纤类型和不同的链路长度下，GD模型和AWGN模型在三个方面的SNR差异

  研究人员扩展和增强了传统的模型，使得所建立的模型具有更好的普适性。研究人员通过蒙特卡洛模型分析，对比评估了模型在不同16QAM和QPSK两种调制格式的情况下的模型的精度，模型SNR和传输数据的一致性较好。

图2 蒙特卡洛数值传输建模与GD和AWGN模型相比，在10,020 km处的PM-QPSK信号和在6000 km处的PM-16QAM信号

  在同类模型预测结果和实验进行对比中，研究人员所建立的模型和实验的吻合度最高。这说明可以有效预测系统的SNR、信号功率和噪声功率。有力的推动了此类理论研究的工作的进程。

图3 传输距离为10302公里时，模型和实验的SNR-通道功率曲线对比

图4 发射功率为-7dBm时，模型和实验SNR-距离曲线的对比

  本文出处

  该研究成果的文章题目为：“SNR Model for Generalized Droop With Constant Output Power Amplifier Systems and Experimental Measurements”

  发表于：Journal of Lightwave Technology，论文链接(DOI)：10.1109/JLT.2020.2996061

  作者 | John D. Downie, Xiaojun Liang, Viacheslav Ivanov, Petr Sterlingov, and Nikolay Kaliteevskiy

  撰稿人 | 杨世雄