IM-DD传输与大啁啾脉冲DAS共存：非线性干扰分析与系统设计指南

《Journal of Lightwave Technology》：Experimental and Simulative Study on IM-DD Transmission and Large Chirped-Pulse DAS Coexistence

本文研究了在单模光纤中实现大带宽啁啾脉冲分布式声学传感（CP-OTDR）与强度调制直接检测（IM-DD）数据传输共存的关键问题。研究人员通过实验和仿真分析了调制不稳定性（MI）引起的非线性串扰对10 Gbit/s数据信号的影响，系统性地评估了频率间隔、DAS峰值功率和接收滤波器带宽等参数对系统性能的影响。研究结果表明，通过优化系统参数（如采用反向传输或200 GHz以上频率间隔）可有效实现两者共存，为未来电信网络与传感功能一体化提供了重要设计依据。

　　

随着光纤网络在全球范围内的密集部署，如何利用现有电信基础设施实现高精度传感功能已成为学术界和工业界的热点课题。分布式声学传感（DAS）技术能够将普通通信光纤转化为分布式传感器，实现对地震、管道泄漏等事件的实时监测。然而，在已承载数据传输的光纤中引入DAS系统面临严峻挑战：DAS系统需要注入高功率脉冲信号，而这些脉冲会通过非线性效应干扰共传的数据信道，导致通信质量恶化。特别是在大带宽啁啾脉冲DAS与强度调制直接检测（IM-DD）系统共存的场景下，非线性串扰机制更为复杂，此前缺乏系统性研究。

为解决这一问题，由意大利都灵理工大学和西班牙CSIC光学研究所组成的联合研究团队在《Journal of Lightwave Technology》上发表了最新研究成果。他们通过精心设计的实验和数值模拟，深入分析了调制不稳定性（MI）对数据传输的影响机制，并提出了可行的系统共存方案。

研究团队采用的核心技术方法包括：1）搭建基于I/Q马赫-曾德尔调制器（MZM）的啁啾脉冲生成系统，产生80 ns脉宽、5 GHz带宽的DAS信号；2）构建10 km标准单模光纤（SSMF）传输链路，模拟城域接入场景；3）使用密集波分复用（DWDM）设备实现DAS与10 Gbit/s NRZ数据信号的可变频率间隔（50-400 GHz）传输；4）通过误码率（BER）测试和光谱分析量化非线性串扰影响；5）采用分步傅里叶法进行数值仿真验证。

实验设置与非线性效应分析

研究团队建立了包含DAS脉冲生成和数据传输的完整实验系统。DAS信号采用中心波长1550 nm的超稳激光器，通过任意波形发生器（AWG）驱动I/Q MZM生成4阶超高斯形状的啁啾脉冲，频率从-1 GHz扫频至-6 GHz。数据信号采用10 Gbit/s NRZ调制格式，通过DWDM设备与DAS信号合并后注入10 km SSMF光纤。

研究发现，调制不稳定性（MI）是影响数据信道的主要非线性效应。当DAS脉冲峰值功率（P_DAS）超过一定阈值时，会在光纤中产生参数增益，导致DAS信号频谱展宽和噪声增强。理论分析表明，MI增益最大值对应的频率位置与脉冲峰值功率的平方根成正比，这解释了为什么高功率DAS脉冲会对邻近频率的数据信道产生严重影响。

-1/km, β₂=-22 ps²/km and a 10 km SSMF fiber. b) Received spectra obtained after fiber propagation versus different P_DAS, when the chirped pulse alone is propagated. The graph is normalized to the maximum value among all the measured spectra.'>

数据信号的频谱和时域测量

当DAS与数据信号同向传输时，MI引起的串扰对数据信道产生两种不利影响：一是DAS发射机固有噪声被MI显著增强，降低了数据信道周围的光信噪比（OSNR）；二是MI对数据信号产生非线性放大，导致时域波形失真。

DAS.'>

研究团队通过测量光电二极管电流强度I的时间演化，量化了MI串扰对数据信号的影响。结果显示，当频率间隔Δf=50 GHz时，P_DAS=23.5 dBm即开始出现明显失真；而Δf=100 GHz时，需要P_DAS提高约3-4 dB才会产生类似程度的串扰。值得注意的是，由于啁啾脉冲的中心频率随时间线性变化，MI串扰在脉冲持续期内呈现明显的不对称性。

rx=14 GHz when a) Δf=50 GHz, b) Δf=100 GHz and c) Δf=200 GHz, versus P_DAS. Different colors are only used to provide contrast between lines and enhance readability. Inset in a) represents the non-averaged intensity I evolution for the case with Δf=50 GHz, B_rx=14 GHz and P_DAS=23.5 dBm.'>

误码率评估

误码率（BER）测量进一步证实了MI串扰对系统性能的严重影响。研究团队开发了"时间分辨"BER评估方法，发现在DAS脉冲持续期内，瞬时BER（BER_i）可能急剧上升至0.5，导致数据传输完全中断。

rx=14 GHz, when a) Δf=50 GHz and b) Δf=100 GHz, versus P_DAS. Different colors are only used to provide contrast between lines and enhance readability.'>

系统参数优化研究表明，频率间隔和接收滤波器带宽（B_rx）对系统性能有显著影响。当Δf=50 GHz时，即使采用最窄的B_rx=14 GHz滤波器，最大允许P_DAS也仅为21.2 dBm；而Δf=100 GHz时，P_DAS可提高至23 dBm以上。当Δf≥200 GHz时，串扰影响大幅减弱，P_DAS可达28 dBm以上而不影响数据传输。

DAS values when co-propagating data and chirped pulse, for Δf=50 GHz and Δf=100 GHz. Four different optical filter bandwidths have been tested for both cases.'>

反向传输实验结果显示，当DAS与数据信号反向传输时，非线性效应基本消失，BER性能与无DAS时相当。这为系统设计提供了重要指导：在可能的情况下，应优先采用反向传输架构。

DAS obtained in numerical simulations, when employing narrower optical filter bandwidths B_txat the transmitter side, around the DAS channel. The yellow curve refers to the reference 100 GHz wide noise bandwidth employed to emulate the experimental DWDM.'>

数值仿真验证

研究团队通过详细时域分步数值仿真验证了实验结果，并进一步探索了更广泛的参数空间。仿真结果表明，降低DAS发射端的噪声水平可提高系统对高功率DAS脉冲的容忍度。此外，在DAS信道周围使用更窄的发射端滤波器（B_tx）可有效限制MI的起始，减少对数据信道的串扰。

仿真还分析了不同调制格式（PAM-2和PAM-4）下的系统性能，发现PAM-4对DAS引起的串扰更为敏感，其BER开始恶化的P_DAS阈值比PAM-2低1-2 dB。这一发现对未来高速IM-DD系统与DAS共存具有重要指导意义。

研究结论与意义

本研究系统性地分析了大带宽啁啾脉冲DAS与IM-DD数据传输共存的关键问题，得出以下重要结论：首先，调制不稳定性（MI）是同向传输场景下的主要损伤机制，其影响程度强烈依赖于频率间隔、DAS峰值功率和光学滤波器带宽；其次，反向传输可有效避免非线性串扰，是首选的系统架构选择；第三，当必须采用同向传输时，频率间隔应不小于100 GHz，最佳选择为200 GHz或以上；最后，优化发射端和接收端的光学滤波可显著改善系统共存性能。

这项研究为未来电信网络中实现感知功能一体化提供了重要的理论依据和实用设计指南。随着对网络智能化监控需求的增长，DAS与数据传输共存技术将在 metropolitan单跨段、数据中心互联等场景中发挥关键作用。研究结果不仅适用于当前的IM-DD系统，也为未来与相干传输系统的共存研究奠定了基础。