超越数字反向传输的光纤非线性补偿技术研究

National broadband strategy requires continuous updates on the transmission capacity and distance of the incumbent backbone optical fiber networks based on single-mode fibers. One key bottleneck is fiber nonlinearity on which the international academic and industrial researchers work hard for a solution. The performance benchmark of fiber nonlinearity compensation is based on digital backpropagation, but the cutting-edge research is to investigate how to surpass the performance of DBP and the associated transmission capacity limit. This project is based on the inter-discipline of signal and communication system and fiber optics, and utilize the signal detection, Bayesian theorem in communication system to model the nonlinear fiber channel, complete the digital signal detection, and investigate the fiber nonlinearity compensation techniques surpassing DBP. This project first sets up the nonlinear fiber channel model based maximum a posteriori probability (MAP) criterion and factor graphs, and then realize the near MAP receiver in single-channel transmission. We also propose a hybrid optoelectronic phase conjugator for the inter-channel fiber nonlinearity during the multi-channel transmission. Our main innovations: establish the stochastic characteristics of signal-noise nonlinear interaction; establish the sub-optimum conditions of DBP; demonstrate the fiber nonlinearity compensation in multi-channel transmission surpassing DBP.

不断提升传输容量和传输距离才能满足国家宽带战略对已铺设的基于单模光纤的骨干传输网络的需求。其中最主要的技术瓶颈是光纤非线性效应，国内外学术界和工业界都在大力研究相关的解决方案。非线性补偿性能一般以数字反向传输(DBP)作为基准，目前最前沿的研究是能否超越DBP的光纤非线性补偿能力和相应的传输容量极限。本项目在信号与通信系统和光纤光学的学科交叉基础上，利用信号检测、通信理论中的贝叶斯检测理论来分析光纤非线性通道并进行数字信号的检测，开展超越DBP性能的光纤非线性补偿技术研究。本项目首先建立基于最大后验概率准则和因子图的光纤信道模型，然后在单通道传输上实现近似后验概率(MAP)接收机。针对多通道传输时的通道间非线性串扰，提出基于光电混合的相位共轭方案。主要的创新工作：明确信号-噪声非线性相互作用的统计特征；明确DBP变成次优解的条件；在多通道中传输实现超越DBP的非线性补偿能力。

光纤传输的容量受到光纤非线性的影响，当入纤光功率过大时，系统传输性能反而下降，形成传输容量瓶颈。利用非线性补偿技术可以改善这一容量瓶颈，因此国内外的学术界和工业界都在大力研究相关的解决方案。目前业界认为使用数字反向传输（DBP）可以补偿确定性的非线性效应，因此使用数字反向传输后的最大容量来描述光纤非线性效应导致的容量瓶颈。理论上，当光纤传输中的确定性的非线性信号-信号相互作用被完全补偿后，随机的非线性信号-噪声相互作用就成为了主要的噪声来源。本项目研究了单模光纤中的非线性信号-噪声相互作用，并分析了在光纤链路和数字反向传输中的演变过程；理论分析了数字反向传输的性能极限，寻求进一步超越传统数字反向传输的方案和改善程度；搭建了单通道传输和多通道光纤传输系统，实现了离线数据采集和处理，以验证超越传统数字反向传输性能的方案。本项目的核心研究成果是提出了以下两个方案：（1）非平衡数字方向传输方案，打破虚拟链路和实际链路的镜像对称，通过联合优化非线性信号-信号、信号-噪声相互作用来降低总体的非线性噪声；（2）全可解释神经网络的接收机解调方案，对多跨段补偿时的非线性因子进行分布式优化，降低了非线性噪声的分布式积累。这些方案都实现了超越传统数字反向传输的性能，并得到了理论和实验验证。相关成果已通过同行评议发表在高水平国际期刊上。同时，我们还围绕光纤非线性进行了一系列研究，拓展了对光纤非线性效应的理解。本项目发表了9篇高水平SCI期刊论文和7篇会议论文，并申请了4件国家发明专利，其中2件已经授权。本项目成功地完成了既定的研究目标和成果要求。所提出的超越数字反向传输的非线性补偿方案在理论上提高了光纤中的非线性香农极限，在实践中给出了进一步优化非线性补偿算法的新思路。