WDM系统中降低非相干串扰的OADM研究及性能分析

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）205www.elsevier.com/locate/icte一种降低WDM系统非相干串扰的OADM的研制马里兰州马希丁吉大港国际伊斯兰大学计算机科学工程系，孟加拉国接收日期：2019年11月6日;接收日期：2020年7月1日;接受日期：2020年7月30日2020年8月8日网上发售摘要波分复用（WDM）系统的性能很大程度上取决于系统中所使用的光分插复用器（OADM），它是WDM系统中最重要、应用最广泛的光分插复用器之一。由于光分插复用器（OADM）的不完善而产生的各种串扰影响了波分复用系统的性能。低串扰的发展具有重要意义或无串扰的OADM来增强系统性能。本文提出了一种基于隔离器耦合器和光纤光栅的低相干串扰OADM。我们还推导了误码率（BER），相对强度噪声（RIN）和功率代价的解析表达式。从结果中还观察到，所提出的OADM具有更好的性能，具有更低的BER和更低的功率代价比现有的模型，而WDM系统的性能可以显着提高。c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：误码率;耦合器;光纤光栅;非相干串扰; OADM1. 介绍波分复用（WDM）技术是提高数据传输速率的新兴技术之一。由于器件的缺陷，各种类型的器件损伤限制了WDM系统的性能。串扰是干扰原始信号的一种损伤。串扰可以产生于WDM系统中使用的任何组件，包括光滤波器，OADM等，这是一个技术挑战，以减少WDM组件的串扰。光分插复用器（OADM）是波分复用系统中用于对信号信道进行选路、增加、分出或复用的器件。OADM中产生的串扰可以分为信道间串扰和信道内串扰。通道内可以是不相干的或相干的。串扰是由于来自不同信号源的相同波长的信号而产生的，称为非相干。在这篇文章中，我们开发了一个有效的OADM的基础上耦合器，光纤光栅和隔离器具有低非相干串扰。在过去的几十年里，人们对WDM系统的串扰和性能进行了大量的研究。如在文献[1]中，作者描述了非相干串扰和功率波动对信号的不良影响。它电子邮件地址：mmuict@gmail.com。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.07.005的结果表明，在网络中使用MZI耦合器的OADM在成本和小尺寸方面提供了机会[2]。信道内串扰的影响已经基于光开关网络中信号退化的频率进行了研究[3]。文献[4]对阵列波导光栅路由器引起的线性串扰对WDM系统性能的影响进行了理论根据我的知识和最新的技术水平，它表明，一些工作已经做了开发用于WDM系统中的无串扰或低串扰的OADM。本文从误码率、功率损失和RIN三个方面分析了基于耦合器、光纤光栅和隔离器的OADM的非相干串扰。分析表明，该OADM比现有的OADM更有效2. 系统模型基于耦合器和光纤光栅的典型OADM的非相干串扰分析在[ 5 ]中有广泛的描述，也在图中显示。1.一、本文提出了一种基于耦合器、光纤光栅和隔离器的光分插复用器。隔离器用于允许前向光以最小的损失通过，并以最大的损失阻挡后向光。所提出的OADM的模型和操作在图1A和1B中描绘。2和3一个信号加到ADD端口并传递到耦合器，反射到布拉格光栅并返回到OUTPUT端口。由于隔离器的作用，2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。206M. Mahiuddin/ICT Express 7（2021）205nnn√ √n（）j··+（）下一页）j+esinkl coskl1122∑{}）j+esinkl coskl1122∑{}）·coskl∑{}（）×+22 22（）下一页图1.一、 典型的OADM基于两个耦合器和两个FBG。图二、 描绘了附加信号的流程。图3.第三章。 说明输出端口的非相干串扰。在DROP端口中没有添加信号的泄漏，并且没有串扰发生（如图所示）。2）的情况。与此同时，一个具有n个通道的信号和相同波长的附加信号在输入端口输入，该信号传递到耦合器，反射到FBG并返回到DROP端口。由于FBG的不完美性，输入信号的一部分被传输到布拉格光栅和隔离器，这部分传递到OUTPORT端口并引起非相干串扰（如图3所示）。但这种非相干串扰比图1中的非相干串扰小得多。1，因为传输的输入信号传递到两个布拉格光栅。在这里，我们分析在输出端口的非相干串扰。3. 非相干串扰耦合系数是耦合系数。P是信号功率。dx（t）的值为0或1。虚单位是j。β是相位常数。L是每个臂的路径长度。载波频率为fc。φx（t）是载波在时间t的相位。相位失配。k1L1和k2L2分别是第一和第二耦合器在INPUT端口输入具有n个通道并且与ADD端口处的相加信号波长相同的信号;它被传递到耦合器，被光栅反射并返回到DROP端口。输入信号的分数传输到光栅并在OUTPORT端口处引起非相干串扰的n通道的数目可以写为如下。Sin=（−j）<$（1− 2R）<$2P·e−jβL（ cosk1l1 sink2l2·φεidi（t）cos [2πfct+φi（t）]（2）i=1具有非相干串扰的OUTPUT端口处的光的电场可以解释为：E（ t）=<$R<$2Pdx（ t）·e−jβLcos [2πfc t+φx（t）]Sink l cosk l 1ej+（−j）<$（1− 2R）<$2P·e−jβL（ cosk1l1 sink2l2·φεidi（t）cos [2πfct+φi（t）]（3）i=1这里εi是串扰信号的功率与相加信号的功率之比。假设k1l1= k2l2= kl，等式（3）可以表示为E（ t）= R2Pdx（ t）·e−jβL cos [2πfc t+φs（t）]sinkl coskl1e+（−j）<$（1−R）<$2Pe−jβL（ coskl· sinkl+e j<$ sinklφεidi（t）·cos [2πfc t+φi（t）]（4）i=1光电探测器在OUT-PUT端口产生的接收功率P的计算公式如下.P=RP·dx（t）·e−2jβLsin2（kl） cos2（kl） 1+ej <$2+（−j）2（1− 2R）·P·e−2jβL sin2（kl） cos2（kl）·（ 1+ej）2×∑{di（t）εi}在本节中，我们从理论上分析了Incoher-i=1√√输入串扰的BER，RIN和功率惩罚建议OADM。波长为λ的信息信号在WDM系统中被添加到ADD端口，该信号通过+（−j）·2R·（1+ej）2n1−2R·P·dx（t）·e−2jβL sin2（kl）· cos2（kl）耦合器，反射与布拉格光栅和回到输出端口（如图所示）。（2）可以写成：i=∑1，i=s[φεi·di（t）·cos [φx（t）−φi（t）]]（5）Sadd=<$R<$2Pdx（ t）·e−jβLcos [2πfc t+φx（t）] sink1l1×cosk2l2 1+ej（1）其中，光栅反射率，R（ l，λ）=tanh2（λl）由方程式第一项表示信号功率，第二项表示信号功率。术语表示非相干串扰功率，最后一个是我们更感兴趣的信号非相干串扰拍频噪声现在我们将推导出RIN、功率惩罚和BER的理论模型。M. Mahiuddin/ICT Express 7（2021）2052070×× ==0n[n=-i=1（）下一页（∑）−−PP=−10log1−ε（9）i−2jβL22（10）+3.1. 相对强度噪声（RIN）信号在OUTPUT端口的波动是由于串扰导致的强度噪声。RIN是由总的单个噪声除以信号功率得出的。对于所提出的模型，RIN可以计算如下。3.3. 误码率位错误意味着计数位0而不是位1，反之亦然。存在热和散粒噪声电流时的BER模型如下。BE R=1[Q（I1）+Q（I1）]（10）（（−j）<$R<$1−2R·P·e−2jβ L·sin2（kl）·cos2（kl）·（1+ej<$）2）2∑n22σ12σ0RP·e·sin（kl）·cos（kl）· 1+eni=1位1的值如下所示。2σ2=（−j）（1−2R）∑ε（六）σ1=（4kB T Be/ R+ 2e I1Be）（11）RI NRii=1和方差的总噪声电流在0位传输的推导为。3.2. 功率代价由于非相干串扰引起的RIN，信号在OUTPUT端口波动和失真。需要额外的功率来维持OUTPUT端口的相同误码率。这种额外的权力被称为权力惩罚。功率惩罚（PP）可以计算如下。 （P′−P′）σ2=（4kB T Be/ R+ 2e I0Be）（12）在方程式中，在公式（11）和（12）中，玻尔兹曼常数是kB，值是1。38 10−23 J/K。T是温度。R是电阻，Be是频率范围。e是电荷，其值等于1。6 10−19C。I1RP1和I0RP0，R是接收器处光电探测器的响应度。Eqs的第一项 （11）和（12）是热噪声电流P1−P0这里，P1′和P0′表示在非相干串扰期间在输出端口处存在非相干串扰的情况下的接收光功率。方 差 ，第 二 项 是 散 粒噪 声 电 流 方差 。 对 于 所提 出 的OADM，在1比特传输期间噪声电流的总方差可以写为：分别传输1比特和0比特P1和P0σ2=（4kB T Be/ R+ 2e I′Be+σ2（13）分别表示在1比特和0比特传输期间在OUTPUT端口处没有串扰的接收光功率T1其中，I1′=RP1′1RI N1对于我们提出的OADM，现在我们得到P1′，P0′，P1，P0从等式（五）、P1′=RP·e−2jβLsin2（kl） cos2（kl）（ 1+ej）20位传输期间噪声电流的总方差与σ2相同，因为在这种情况下RIN为零。因此，我们提出的OADM在输出端口的BER为衍生为。+（−j）2（1− 2R）·P·e−2jβL sin2（kl） cos2（kl）·（ 1+ej）2×∑{εi}1BE R=2 QI1′Q2σT1I1′2σ0（十四）i=14. 结果和讨论+（−j）·2R·（1+ej）2n1−2R·P·e−2jβL sin2（kl）· cos2（kl）4.1. OADM的性能分析i=∑1，i=s[φεi·di（t）·cos [φx（t）−φi（t）]]（8）根据这一理论，绘制了一组图表第3节讨论的理论分析。 从图 4、显示假设εi≥1，忽略εi项，还假设cosθ=−1，考虑到最坏情况，方程：（8）推导为：P1′=R P·e−2jβLsin2（kl）cos2（kl）（1+ej）2对于固定的串扰，功率损失随着信道数量（N）的增加而增加。信道的数量取决于WDM系统中的链路。为了便于分析，我们使用不同的N值。例如，功率惩罚对于−68dB的固定串扰，-（−j）·2R1−2R·P·e−2jβL sin2（kl）· cos2（kl）·（1+ej）2·∑εiP0′=0，P1=RP·e−2jβLsin2（kl） cos2（kl） 1+ej <$2P0=0最后，我们提出的OADM的功率代价的理论模型被写为：σ（（2RI N =（（j）2）2传输期间总噪声电流的方差{2εi}P P=−10log（七））]208M. Mahiuddin/ICT Express 7（2021）20512R通道数N15和N20分别。功率对于固定的RIN水平，随着干扰信道数量的增加，损失很大（如图所示）。5）。图6描述了BER与接收功率的关系，的渠道。结果表明，在一定的误码率下，随着信道数的增加，接收功率将增加例如对于10−3的BER，接收功率为−14.5dBm，−13 dBm，N分别等于3和4。从图7（j）2个月EURRi=1结果表明，串扰随布拉格波长的变化最小。例如，对于作为布拉格波长的1556波长，串扰为124 dB。M. Mahiuddin/ICT Express 7（2021）205209- -图四、 串扰和功率损失的影响。图五、 功率损失与凛。图六、 不同信道数的BER 。见图7。 串扰与波长。图8.第八条。与 OADM的BER 比较[5]。图9.第九条。与 OADM 的串扰比较[5]。4.2. 性能比较人们对不同类型的OADM进行了理论分析、实验分析和仿真等不同类型的研究。基于耦合器和光纤光栅的OADM在RIN、功率代价和BER方面进行了理论分析[5]。在这里，我们展示了这些OADM之间的性能比较。从图8中可以看出，具有隔离器的OADM的BER随着不同数量的隔离器的增加而降低。例如，在BER为10−3的情况下，对于带和不带隔离器的OADM，接收功率分别为14.5 dBm和12dBm，N等于3。对于我们提出的用于固定数量的信道的OADM，串扰也是最小的（如图9所示）。图10描绘了具有不同数量信道的所提出的OADM和现有OADM的RIN。在[5]中，RIN随着N的增加比OADM增加得非常缓慢。表1还比较了与现有OADM在RIN和串扰方面的性能。从表1可以看出，所提出的OADM在RIN和串扰方面获得了更好的性能4.3. 讨论我们研制了一种有效的光分插复用器来降低波分复用系统中的非相干串扰.通过理论和实验方法对所提出的模型进行了验证和分析。分别推导了RIN、功率代价和BER的理论公式基于这些理论210M. Mahiuddin/ICT Express 7（2021）205表1与已发表的16个通道的相关研究进行比较基质AWG OADM3 dB MMI OADM环行器、隔离器、FBG OADM拟议的OADMRIN0.028 mW [6]不可用0.002毫瓦[7]0.001毫瓦串扰−33至−23 dB[8]<−49 dB[9]−83 dB[7]−97dB图10个。不 同 通道数的RIN比较。模型，我们用matlab编程绘制了一组图形。从RIN、功率代价和误码率三个方面分析了不同信道数下OADM的性能。将所提出的模型与[5]关于BER和串扰进行比较，其中针对BER考虑两个不同的信道，即，两个和三个误码率和串扰的比较结果如图2和3所示。分别为8和9该模型还与基于RIN的[6]和[7]进行了比较，并与基于串扰的[7，8]和[9这些结果示于表1中。5. 结论波分复用系统是最有希望实现大带宽、大数据量传输的系统之一。由于波分复用系统中使用的器件存在不同类型 的缺 陷 ，使 得 系 统性 能 急剧 下 降。 光 分插 复 用 器（OADM）是波分复用（WDM）系统中最重要、应用最广泛的器件之一，主要用于信号的路由。WDM系统的性能在一定程度上取决于OADM的效率。为了保证信号的无差错传输，需要研制高效的OADM。在这项研究中，我们推导了OADM的非相干串扰的分析模型，耦合器，光纤光栅和隔离器，并评估性能。实验结果表明，该OADM大大降低了系统的串扰，提高了系统的性能本文的分析结果，对于设计波分复用系统的人员，如何改善系统设计，以获得更好的性能，具有一定的参考价值。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作引用[1] S.D.多德Tucker，光分插复用器零差串扰特性的比较，J. LightwaveTechnol. 19（12）（2001）1829-1838。[2] Huiye Qiu等人，基于多模光栅辅助耦合器的硅模复用/解复用器。Express 21（15）（2013）17904[3] S. 山本T.Yoshimatsu，H.Takara，T.Komukai，Y.哈希什，H.久保田，H. Masuda，M. Jinno，A.高田，光交换网络中信道内串扰对信号衰减的影响，IEEE J。光波技术27（24）（2009）5716[4] M. Yasin，M. 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