相干光通信系统中的色散特性研究

摘要 着通信系统中信息量的剧增，基于强度调制的波分复用系统将受到有限的传输窗口、色度色散和偏振模色散等的限制。而相干光通信系统使用多进制调制格式，能够提高频谱效率和增加色散容限，最终达到高速、大容量传输的目的。相干光通信系统的性能将受到色散，非线性效应以及相位噪声等的影响，其中由色散引入的信号间干扰最为严重。本文从调制格式提高色散容限、在线光学补偿色散、接收端电学均衡色散等三个方面分析相干光通信系统中的色散特性，其主要工作如下： 使用 真软件分析了相干光通信系统发射端不同调制格式的频谱效率和色散容限。研究结果表明，除调制方式（如相移键控，频移键控，幅移键控等）外，脉冲形状对系统的色散容限也有很大的影响。 首次提出基于半导体光放大器的脉冲形状可调的主动锁模激光器，详细分析了各个参数对脉冲质量的影响。该激光器采用光纤环形腔结构，能产生波长范围、占空比、频谱宽度可调的高重频光学矩形脉冲，具有十分广泛的应用前景。 分析了强度调制及目前常用的在线补偿方案在相干光通信系统中的适用性。通过仿真比较了负色散光纤和啁啾光纤光栅两种在线色散补偿方案。结果表明，啁啾光纤光栅补偿效果不如负色散光纤。进一步用传输矩阵法数值模拟分析其原因，发现是因为啁啾光纤光栅的相位敏感性不适合补偿相干光通信系统色散。 设计基于最小均方值算法的自适应数字滤波器。通过析数字滤波器补偿计25阶滤波器成功补偿40s 关键词：光纤通信，色散容限，光纤激光器，在线色散补偿，相干接收，电域均衡， of be by of is a to as of to a of at D, of In we of of on is as of We of A of is to an of in of CF is of is We a MS to D MD We to D MD 0s ER 要.录.一章 绪论.二章 相干光通信技术及色散理论基础.系统结构.常用调制格式.相干解调方式.色度色散.色散容限.三章 不同调制格式对色散的影响.高色散容限的光脉冲产生装置.现有形状可调的脉冲的产生方法.高重频、色散容限可调的光源设计.实验结果及分析.四章 适用于相干光系统的在线补偿色散方法研究.录 .色散补偿光纤补偿.啁啾光纤光栅补偿.结.五章 自适应数字滤波器色散补偿方法研究.于数字信号处理的色散补偿方法.数字锁相环.反向传输法.时域滤波器.六章 总结与展望.考文献.读硕士学位攻读期间发表论文目录.谢.一章 绪论 1 第一章 绪论 信网络自问世以来日渐成为现代人们工作生活所不可缺少的一部分。根据调查，因特网的流量年增长率基本保持75%两年能够翻一番。在商务领域，电子商务、视频点播等众多领域中高带宽应用逐渐增多；在家庭应用中，高清晰电视 （频分享、在线游戏等的应用也在占用系统大量的带宽资源。现代通信面临海量信息、高速传输和高带宽信号等巨大的挑战。 与传统的电通信相比，光纤通信是以高频率的光波作为载波，以光纤为传输介质的通信。由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，自其出现以来就备受业内人士的青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传输容量在1980年到2000年这20年间增加了近一万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。 目前光纤通信骨干网中使用基于强度调制波分复用（统。系统中每个通道速率为10s，复用最多可达160个通道，s。如果传输量进一步增加，则需要增加通道数或提高单通道的传输速率。然而光纤的低损传输窗口（1530限，对应于波分复用通道数有限。而且，增加通道数将提高发射端和接收端的成本。另一方面，提高单通道速率将受到色度色散和偏振模色散的限制。为了克服强度调制一步提高传输量，人们重新关注相干光通信系统。 在相干光通信中主要利用了相干调制和相干检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不像强度检测那样只是改变光的强度)，这就需要光信号有确定的频率和相位，即应是相干光。激光就是一种相干光。所谓相干检测，就是利用一束本地振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。 相干光通信系统的优点主要体现在以下四个方面1： 1) 能够达到散粒噪声极限的探测灵敏度。本振为信号提供增益，使本振的相干光通信系统中的色散特性研究 2 散粒噪声超过接收器的热噪，因此能达到散粒噪声极限的探测灵敏度。 2) 中频（或基频）的高频谱分辨率能很好地分开电域中的波分复用通道。 3) 相对强度调制干系统具有相位探测能力，能够提高接收器灵敏度。因为在复平面相图（星座图）中，加入的相位信息能增加符号之间的距离。 4) 相干系统中使用多进制调制格式，能有效提高频谱效率。比如加入相位信息的四相位键移调制。 其中相干光通信系统的最后一个特点多进制调制格式是进一步提高传输量的有效手段。由于相干接收能探测出信号的全部信息，包括强度、相位和偏振态，使多相位调制等多进制调制格式成为可能。相干光通信系统的多进制调制格式使一个符号能加载数个比特信息，极大地提高了频谱效率。 随着近几年相干光系统研究的兴起，一些研究热点也相继出现。其中包括码型的研究，例如包括接收装置的研究，例如时延相干、滤波器、本振光和混频器等等；还包括电域均衡中各种算法的研究。几乎所有的研究热点都围绕如何处理系统中的损伤，包括色散、偏振模色散和非线性相位噪声等。其中色散导致脉冲展宽，严重影响系统性能，是首先需要补偿的损伤。码型的研究是为了寻找频谱效率高且色散容限大的调制格式；在线光学补偿色散是为了增加信号的传输距离；接收装置的研究是为了从已经畸变的信号中提取相位和振幅信息，其中电域均衡的算法是为了恢复畸变的信号达到补偿传输中产生的色散的目的。 过不同的调制格式，相干光通信系统能用10干系统不仅在光纤通信中具有很大的应用前景，在空间光通信中也引起了人们的关注2。影响相干光系统性能的主要有色度色散，偏振模色散和相位噪声。其中，色散对系统性能影响尤为严重。在相干光通信系统中，新的调制格式对色散补偿提出了新的挑战。由于相干光的传输信号不仅具有幅度信息，还有相位信息，这就使得传输的信号对线路中的色散更为敏感。传统的色散补偿方法，例如啁啾光纤光栅和中点频谱反转法都已经不能很好的补偿传输产生的色散。负色散光纤的非线性性也影响相干正交频分复用系统的色散第一章 绪论 3 补偿。然而，数字接收机的电域补偿方案具有同时补偿色散和偏振模色散的特点，是未来研究色散补偿的重点。研究相干光通信系统中的色散特性对提高系统性能有重要的意义。本论文的研究为利用相干光通信技术实现超远距离、超高速率传输奠定基础。 通信一直是光学很重要的一个分支，近年来随着通信事业的发展，相干光通信系统备受人们的关注。相干光通信根据信道不同可以分为光纤中的相干光通信和自由空间中的相干光通信。光纤通信中相干技术主要用于提高传送速率，而自由空间通信中的相干技术主要用于提高接收灵敏度，如星际间的激光通信。近年来围绕着相干光通信中的色散问题，人们进行了很多研究。2002年光纤通信会议上（种调制格式有3此由于微波领域的相干通信技术十分成熟，相干光通信的发展很大部分继承了微波领域的技术。比如多进制调制格式（同相Q），正交频分复用（最小频移等（的继承和使用，接收端的混频解调方案，以及数字相干接收中数字滤波器的设计等。虽然相干光通信很大程度上继承了微波领域的技术，但光纤通信中的损伤和无线通信中的损伤不尽相同。 早在1988年，埃及人. 计算机模拟相干光系统中的色散极限。100光纤在 2功率代价下只能传输5s 的信号，具体速率跟调制格式有关3，而且调相的信号功率代价比调幅的高，因为接收到的相干光信号跟电场成正比，幅度调制的信号跟电场的平方成正比。基于这样的关系，19881990 年日本 究人员用电域的方法补偿相干系统的色散4, 5，用电域均衡器补偿平衡探测器收到的中频信号中的色散。在考虑色散和克尔效应时，通过优化选择中频滤波器，来提高1989 年，微波波导来提高相干系统的速率L），此方法提高了系统的色散容限6。1990年 他用电学延迟的方法补偿外差和零差探测的色散，因为相干系统中的色散与探测得到的电信号都是线性变化的7。2004年 振模色散和相位噪声8。 相干光通信系统中的色散特性研究 4 2005年，德国0G 。2006年，G. 光双二进制的色散容限从21310。2008年，S. J. 1。2009年，M. 用频域均衡器补偿相干系统的色散12。 国内近几年也展开了相干光通信的研究。2008年，华中科技大学，北京交通大学开始研究3,14。2010年，天津大学徐天华等用5。 国内外的相关工作没有系统地介绍相干光通信系统中的色散特性。 文主要通过模拟和仿真分析了相干光通信系统中的色散特性，并且搭建提高色散容限的脉冲光源，为进一步实验论证色散特性打下基础。第二章简单介绍了相干光通信技术以及色散理论。第三章主要分析相干系统发射端对色散的影响。通过仿真工具 析不同的调制格式对系统色散的影响。并且实验搭建高重频，波长和占空比可调的主动锁模激光器。该激光器具有色散容限可调的特点，在未来的相干光通信以及光逻辑门等方向有广阔的应用前景。第四章介绍了目前通信系统用的色散补偿方法，并分析在线色散补偿方案在相干光通信系统中的适用性。通过 真分析了具有色散管理的负色散光纤对色散的补偿效果以及啁啾光纤补偿相干系统色散的特性。通过对比负色散光纤和啁啾光纤光栅两种补偿方案，发现啁啾光纤光栅补偿效果不佳。用现补偿效果不佳的原因是其相位敏感性。第五章设计自适应数字滤波器。通过滤波器成功补偿40s 进一步实现六章总结全文工作以及对下一步的工作提出建议。第二章 相干光通信技术及色散理论基础简介 5 第二章 相干光通信技术及色散理论基础 本章主要介绍相干光通信的基本结构，以及色散理论基础。首先介绍相干光通信系统的结构，包括发射装置和接收装置以及相干光通信技术中的关键技术如调制格式，数字相干检测等。然后介绍色散以及色散容限的理论知识。 干光通信的理论和实验始于二十世纪八十年代。因相干光通信系统具有高灵敏度的优势，各国研究人员在相干光传输技术上做了大量研究工作。其中美国和日本进行了相干光通信实验。s 输距离为35公里，6。同年，s 长431公里17。但是不久后，由于得相干光通信技术的发展缓慢下来。然而，直接检测的输速率的提高受阻使得相干光传输技术再次引起人们的重视。 要由发射端，信道和接收端三部分组成。发射端包括电学编码和电光调制部分；信道一般为传输光纤和放大器等中继结构；接收端主要分为相干探测和数字处理部分。图中左边虚线方框代表发射端，右边虚线方框代表接收端。图中虚线箭头表示电信号，实线箭头表示光信号。 干光通信系统结构图 相干光通信系统中的色散特性研究 6 （1）发射端 发射部分先将信息进行电信号编码，再通过电光调制将信息加载到光脉冲上。为了说明相干系统的发射端编码特点，首先介绍星座图（将 列出了三种相移键控调制格式的星座图，图中横坐标为光振幅的实部，纵坐标为光振幅的虚部。图中点到原点的距离为光振幅，而点到实轴正半轴的夹角反映相位信息。星座图是通过探测器光电转换后得到的电信号画出的，反映的是接收时刻光的振幅，相位信息。图上每一个点表示一次探测得到的信号光的信息，我们称其为一个符号（上文提到的提高频谱效率（一个符号表示数个比特）2.2（a）（d）为二相移键控（一阶），（b）（e）为四相移键控（二阶），（c）（f）为八相移键控（三阶）。在这种 2M（M 阶）相移键控中，一个符号表示M（M=1，2，3）位的比特信息。图2.1（d），（e），（f）中每个符号（点）代表的比特信息是由编码决定的。通常使用格雷码来保证由编码导致的误差最低。因为在采用格雷码编码的星座图中，相邻两个符号代表的比特信息（如011，111）之差最小（只一位比特信息不同）。另外，如果发射端使用前向纠错编码（术，则系统需要的误码率将降至310。 在仅调相的调制格式（2M（移键控）中每个符号都有同样的光振幅。（d） （e） （f） 0 1011000100110101001010 11101001011（a） （b） （c） 移键控调制格式的星座图 第二章 相干光通信技术及色散理论基础简介 7 进一步提高频谱效率的调制格式是对相位以及振幅都进行调制，称为光同相常见的实现方法是用推挽型马赫尔样能调制产生星座图上的任何一个点，即用此装置能实现多种调制格式，包括调幅（如开关键控调相（如差分相移键控同相 光双二进制 。续光（马赫曾德尔调制器调制成为光脉冲，然后光脉冲经过同相通过后面180和90调相装置后能得到分布于四个象限中的光脉冲。从上图中可以看出，调制光的电信号需要进行编码处理，同时电光调制器有四个，正交调制的复杂度是其难点所在。为了减少电光调制器的个数，实现用二个调制器完成同相需要精确控制调制电平，大大增加了电学处理的复杂度。同相要根据实际情况进行选择。 （2）接收端 相干探测根据本振光的频率分为外差法和零差法。外差法是指本振光频率与信号光频率不同，两者之差为一中频信号。零差法指本振光和信号光频率一致，即差频为零。在外差法中，总的相位噪声是随时间变化的，需用电学同步解调处理，估计相位噪声，从而得到信号的相位。在零差法中，本振光的相位必须跟随信号的相位变化而变化，保证相位差为零，从而精确解调信号，此方法称为光锁射机结构图 相干光通信系统中的色散特性研究 8 相环技术（然而，在实际中，此方法复杂，执行困难。 相位相干探测器 接收端最常用的探测结构为多相位相干探测器，见图 结构包括一个本地振荡光源（LO 一个90度光混频器（90 以及若干耦合器和两对平衡探测器。当调节偏着控制器（信号光和本振光偏振方向相同时，平衡探测器的输出为： 1 21 2( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( )I I I s F Q s F OI t I t I t R P t P t t tI t I t I t R P t P t t t ( ) ( ) ( ) ( ) ( )c I Q s LO s nI t I t jI t R PP j t t (其中平衡探测器的作用是抑制直流部分，将信号光电流最大程度地提取出来。别是信号光和本振光的功率，IF s 是信号光和本振光的频率差，又称中频，和分别是信号光和本振光的相位。( )II )QI 0光混频器能将本地振荡光分为两束。其中一束时延90后与入射光信号相干，即可得到复振幅的虚部（即 ( )II t 部分）。 为了保证信号光和本振光能有效地相干，对信号光和本振光的偏振方向的精确控制也很重要。由于传输光纤的双折射是随机变化的，相干探测的灵敏度依赖入射信号的主偏振方向（若入射光的主偏振方向正交于本振光的偏振方向，则无法探测信号。为了克服以上问题，人们提出多偏振方向的探测结构，第二章 相干光通信技术及色散理论基础简介 9 偏振方向相干探测器 上图是在图 相位相干探测器的基础上增加了偏振分束器（主偏振方向在任意方向的入射光通过理，将本振光进行分束。然后可以得到： 1 23 4( ) ( )( ) ( ) D D t jI t jI t(虽然多偏振方向探测器的结构更加复杂，但是偏振复用技术能在正交的两个偏振方向上调制不同的信息，因此可以传输量提高一倍。 为了得到光信号的全部信息，数字相干接收十分重要，其中包含两个关键技术：一是相位估计，二是高速数字信号处理（相位估计是估计相位噪声随时间的变化并保持相位信息。高速数字信号处理需要在 核里运算出相位噪声，并估计相位噪声。这个实时处理的系统能帮助本振光通过光锁相环探测信号光的相位。数字相干接收还有一个优点就是能在后端对信号进行处理，利用 法处理传输中的各种损伤：色散、偏振模色散和相位噪声等等。5。首先是用有限冲击响应滤波器（衡色散，然后用自适应滤波器均衡偏振模色散，用载波相位估计补偿相位噪声，用自适应技术均衡残余色散，最后判决符号。以上五部分算法构成是由于运算量大，电子设备速度不够等原因，大部分工作还是用计算机离线补偿。目前s，实时处理的速度达到数相干光通信系统中的色散特性研究 10 常用调制格式 上文介绍了相干系统的结构，包括发射端和接收端。发射端通过电光调制能产生各种调制格式。目前常用的调制格式主要有相1）相移键控分相移键控图 可以看出，最简单的调相格式，可直接用单臂的调制器第二章 相干光通信技术及色散理论基础简介 11 实现。其中用和0相位表示1和0。于两个符号在星座图中的距离与探测灵敏度呈相反的变化趋势，这就解释了相干探测比强度探测高出3要注意的是，用的是差分编码的方式，用前后两个脉冲的相位差表示信号0和1。由于差分编码的信息来自本符号与前一个符号的差，故而能有效地克服相位噪声。 （2）四相移键控号间相移为 /2 。该码型调制和解调比较容易。用两个电平调制双臂马赫曾德尔调制器即可实现码型频谱效率是目前最常用的相干调制码型。 （2）正交幅度调制文提到，制能实现任何位置的星座图。制通过控制两路电平，分别调制光脉冲的同相和正交部分。该方案发射机和接收机都比较复杂。值得注意的是图中的16形分布和正方形分布。由于星座图中的点离得越远，误码率就越低，所以正方形分布比圆形分布误码率低。这就是调制复杂的（有3个光强度的）正方形分布的原因。 相信号接收装置结构可以分为非相干检测，差动相干检测，非相干和差动相干混和检测和相干检测。 （1） 非相干检测 样的探测基于信号能量探测，相当于只有一个自由度。图2.8（b）是探测含两个窄带滤波器，其中心频率分别为I Cf f f 和Q Cf f f ，其中f=。，其中探测方法又称为窄带滤波器法18。因为无本振光的两种方法能探测的相位有限，这将导致低的频谱效率和功率效率。而且这样的探测方法将丢失由损伤引起的相位信息。虽然最大似然序列检测（够找到传输序列的相干光通信系统中的色散特性研究 12 最佳估计，但性能不如利用整个电域的光学或电学均衡19。 （a） （b） 相干检测a）b） （2）差动相干检测 在差动相干探测结构中，接收的判决时刻是基于探测符号与参考符号的相位差。在考相位由前一个符号来提供；在考相位由该信号在相邻偏振方向的相位提供。 *,1( ) ( ) ( )2 i s s sI t R E t E t T (然在误差率为910时，是在每个载波每个偏振方向上还是只有一个自由度。从（中可以看出光电流与振幅是呈线性关系。故而线性损伤如色散和偏振模色散在电域不能被完全补偿。 3）非相干和差动相干的混合检测 非相干和差动相干的混合检测用于接收幅度和差分相位都调制的信号。例如，偏振移键控（这种调制格式的信息在斯托克斯参量上，第二章 相干光通信技术及色散理论基础简介 13 果振幅在两个偏振方向上分别为： ( )( )( ) ( ) , ( ) ( ) tj tx x y yE t a t e E t a t e(那么斯托克斯参量分别为2 21 2, 2 )x y x yS a a S a a 和32 )x yS a a 。其中( ) ( ) ( )x yt t t 。相位噪声容限依赖于相位差 ( )t ，而( ) ( ) ( )x yt t t 中的( )( )时被发射激光的相位噪声所恶化，所以相位差 ( )t 不受发射器相位噪声影响。实际上，光电探测器的带宽限制了容忍激光器线宽为 20（速率为数s），是相干8十激光器线宽的要求小于100就弱化了（4）相干检测 相干检测由于包括振幅和相位信息，能在电域能恢复调制光脉冲的全部信息，并估计判决时刻。载波的虚部和实部信息都能被解码，所以相干检测允许调制格式拥有最大的灵活性。相干检测要求接收器能探测载波相位，主要仪本振光提供的绝对相位作为参考。相干探测根据本振光的频率分为外差法和零差法。外差法得到的中频信号（IF s ）远高于调制载波带宽的一半，故而零差法最为常见。通常，载波跟信号同时送入锁相环（光学系统用光锁相环将本振光的频率和相位与发射激光器同步，或者用电学锁相环，也就是用同步的模拟（或数字）电信号调制本振光。用电学锁相环能将一个激光器用作发射源和本振光源。锁相环对反馈路径的传播延迟很敏感，而且其对延迟的要求也很难满足。前向载波同步能克服这个问题。另外，由于前向同步器用过去与当前的符号估计载波相位，所以其性能比只能用反馈符号估计相位的系统好。 相干光通信系统中的色散特性研究 14 干检测的实现装置 图 发射端用马赫曾德尔调制器调制光学载波信号以及脉冲形状21的相干检测的实现装置图。如果偏振复用，则需用偏振分束器将光源分为两束偏振正交光，并分开调制。一个偏振方向上的光复振幅表示为： ,1( ( ),2( )( ) ( )( ) E xs t t k b t kT eE t (其中 )b 如归零码和不归零码），s和( )别是发射器的频率和相位噪声。1, 2, , Tk k xx xx 是2 1 的复矢量，表示第设符号有归一化的能量21 x 。 以上四种解调结构各有优缺点。非相干探测结构的优点是结构简单，但是探测相干调制信号的能力有限。差动相干探测结构的优点是结构比较简单和探测相干信号能力较强，但由于不是线性探测，导致色散和偏振模色散等线性损伤不能用电域的方法完全补偿。非相干和差动相干混合探测结构优点是能探测振幅和相位调制信号，但是结构比较复杂而且不是线性探测。相干探测具有线性探测的优点，不足之处在于需要本地振荡光源和锁相环，使得系统结构复杂。 第一节简单介绍了相干光通信系统的组成部分。相干光通信重要的特点是利用光的振幅，相位，偏振态等多种信息提高频谱效率；利用且一般应用前向纠错编码技术，使误码率的要求降低至310。但是该系统也有不足之处，比如发射和接收装置都很复杂，同时需要进行电学和光学的设计；而且且该系统需要保证相位信息在传输过程没有变化，使得部分全光技术受到限制，例如基于相位调制的码型转换，波长变换和组播技术。相干光通信还需要与各种现存的通信相结合，如些技术的结合将进一步推进光通信的发展。 第二章 相干光通信技术及色散理论基础