硕士学位论文-40Gbs_光纤通信系统设计及其仿真.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 高速光纤通信系统传输特性研究 姓名：徐晓庚 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：张新亮 20060116 i 摘 要 随着信息爆炸性的高速发展，人们对信息传输速度的要求越来越高。40gb/s 高速 光纤传输系统已成为近年来研究的一个热点。40gb/s 高速光纤传输系统中有以下几项 关键技术是目前研究的重点：低噪声及宽带宽的光放大器；前向纠错码（fec） 技术；高效的信号复用及解复用技术；对光噪声及光纤的非线性效应有着更高容 忍度和更高光谱效率的码型。本文在在国家 863 计划和武汉市重大科技攻关项目的资 助下，围绕着 40gb/s 高速光纤传输系统特性研究问题，开展了较为深入广泛的研究工 作，取得了一些研究成果。概括全文，在研究中开展的工作及取得的主要成果有： （1）在查阅国内外文献的基础上，论述了 40gb/s 高速光纤传输系统涉及的关键技 术以及发展的现状。对码型选择的意义以及现今在高速光纤传输系统中主要使用的几 种码型进行了讨论。 （2）分析了马赫-泽德调制器（mzm）和电吸收调制器（eam）的优缺点。基于 mzm 的理论分析模型， 得到非归零码 （nrz） 、 归零码 （rz） 和载波抑制归零码 （cs-rz） 及相应差分相移键控码（dpsk）的理论解析表达式，并给出了各种码型的光谱分析。 同时利用 matlab 软件，数值模拟了各种码型的产生，并利用傅立叶变换的方法得到了 各种码型的光谱。数值模拟的结果与解析结果相吻合。 （3）利用 optisystem 软件进行模拟，得到各种码型的波形、眼图和光谱，与前面 数值模拟结果相吻合。针对色散补偿光纤的不同放置方案，进行了不同距离比的模拟 实验，可知，对称补偿方案的色散补偿效果最佳。针对不同的传输码型，分别进行了 背靠背、色散容忍度和各种色散管理方案的模拟实验，比较了不同色散管理方案中各 种码型的最大传输距离。 （4）利用实验室现有的实验条件进行了 40gb/s 高速光纤通信传输实验，进行了 背靠背、加纤长距离传输、各种码型色散容忍度和不同距离比的实验。可知 cs-rz 的 传输性能最佳，nrz 的色散容忍度最大。 关键词关键词：高速光纤通信系统 传输码型 光谱分析 色散管理方案 ii abstract with the information explosion, the requirement of speed and bandwidth are more serious and urgent. up to now, the large capacity and long-haul optical fiber communication technologies have been rapidly developed. the 40gb/s high speed optical fiber communication transmission system is becoming one of hottest topic recently. the follow technologies are the key issue for 40gb/s high speed optical fiber communication transmission system: low noises and wide bandwidth optical amplifier; high speed fec technology; efficient mux/demux technology; the signal modulation formats with higher optical noises, nonlinear effect tolerance and higher spectral efficiency. sponsored by national 863 projects and wuhan technology innovation project, the 40gb/s high-speed optical fiber communication transmission system is comprehensive investigated in this thesis. the main achievements and conclusions are listed as follows: (1) researches on 40gb/s high-speed optical fiber communication transmission system and its last developments are reviewed; the meaning of choosing optical signal modulation formats is discussed. (2) introducing the mach-zender modulator (mzm) and electronic-absorb modulator (eam)s goods and flaws. based the theoretical analysis models of mzm, the theoretical express of nrz, rz, cs-rz and the dpsk modulation formats are given. the spectrums of these modulation formats are analyzed. numerical simulations of these modulation signals are done with the matlab software, and get the spectrums via fourierism transform method. the numerical simulation results are accord with theoretical analysis. (3) the stimulated transmitter models of these optical signal modulations formats are established via optisystem software. their waveforms, eye diagrams, and spectrums are stimulated; the results are accord with the others. when the dispersion compensate fiber locations is fixed in the middle, different smf distance ratios stimulations experiments are done. the result shows that the symmetry dispersion management map has the best transimision performance. the experiments stimulations of back to back, dispersion tolerance and different dispersion management with different modulations are done, and the longest distance of different dispersion managements are compared. iii (4)the experiments of back to back, long-haul transmission, dispersion tolerance and different distance ratio with different modulation signals are carried out. it is shows that the cs-rz modulation has the best transmission performances; nrz modulation has the biggest dispersion tolerance. key words: high-speed optical fiber communication system modulation format spectrum analysis dispersion management 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 引言 从 20 世纪 90 年代初以来，全球向信息化的工作方式和生活方式的转变，社会对信 息需求的爆炸性增长推动了通信行业的发展1-3。在近 10 年内，数据客户的数量急速增 长。从模拟方式到占主流通信模式的数字传输方式的转变使历来孤立而又不相关的系 统转变为共享同一网络的 “服务”成为可能。随着经济全球化和社会信息化的进一步 深入，不断涌现出了许多新的通信业务，如视频点播、视频通信、传感数据和科技数 据的传送、视频远程会议等都对通信网络带宽以及速率提出了严峻的挑战。有线电视 服务提供商可以通过传统的终端设备，如电视机、电脑、手机提供视频服务、互联网 服务和电话服务。以致各类终端设备之间的差别也开始变得模糊不清，因为任何人都 可用手机阅读电子邮件、拍照和打电话。最终用户能够在任何时间、任何地方使用各 种服务。这些要求给传统电信网带来巨大冲击，也给电信网提供了新的发展机遇，促 使通信技术向宽带化、数字化、综合化、智能化、个人化和全球化的方向发展。 从电信的演进历史来看，运营商对网络容量和传输速率的需求一直以螺旋式向上提 升。传输速率每提高 4 倍，每比特传输的成本大约下降 3040，因而高比特率系统 所带来的经济效益也呈几何倍数规律增长2。目前商用光纤传输系统速率已达到了 10gb/s，短短 20 年，它的增长速度甚至超过了由摩尔定律定义的微电子技术集成度的增 长速度。尽管如此，10gb/s 的光传输系统带宽仍然有限。人们对带宽的追求是永无止境 的， 扩大带宽需求依然是光传输系统需要解决的主要任务之一。 随着数据通信设备的发展， 诸如高端路由器，千兆以太网交换机的接口速率已经提高到 10gb/s，为了容纳数据设备 输出的以太网信号，在传输网络中实现更高效的传输，骨干网层面需要更大的传输颗粒， 就要用更快的速度传输数据。所以，对更高速率的光传输系统的要求在很长一段时间内都 是存在的。 光纤通信系统从研究到应用，发展非常迅速。技术上不断更新换代，传输速率与中 继距离之积不断提高，应用范围不断扩大。光纤通信的发展主要分为以下四个阶段： 第一阶段(1966-1976 年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期， 实现了短波长低速率的多模光纤通信系统，无中继传输距离约为 10km。 第二阶段(1976-1986 年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标，大力 2 推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长发 展到长波长，实现了工作波长为 1310nm，传输速率为 140-565mb/s 的单模光纤通信系 统，无中继传输距离为 50-100km。 第三阶段(1986-1996 年)，这是以大容量长距离为目标、全面深入开展新技术研究 的时期。在这个时期，实现了 1550mn 色散位移单模光纤通信系统。采用外调制技术， 传输速率可达 2.5-10gb/s，无中继传输距离可达 100-150km。掺饵光纤放大器 edfa 成 熟并商业化。光孤子通信被广泛研究3。 第四阶段(1996-)，这个时期是以密集波分复用 dwdm 技术为主要研究对象，追求 的目标是超大容量超高速率和超长距离47。利用光放大器延长传输距离，利用电的时 分复用 etdm4提高单波长的传输速率，利用 dwdm6，7提高单根光纤的传输容量， 不断地改进光纤的设计，采用一些新技术如新型调制格式、纠错编码和各种色散管理 技术等来克服传输损伤，利用光电集成和光子集成来提高设备的性能并使之小型化， 有力地推动了各种光纤通信系统的更新换代。 1.2 高速光纤传输系统涉及的技术 在 40gb/s 高速光纤传输系统中，需要采用一些关键技术。其中涉及的技术主要有 光源、调制技术、放大技术、光纤技术、fec 技术和色散管理技术。正是有了这么多 技术的发展才使 40gb/s 高速光纤传输系统的实用化成为可能。 1.2.1 光源 40gb/s 高速光纤传输系统中所用的光源，一般要求它们发光波长精确，所以在应 用时要有相应的波长监测和稳定技术。用于光通信的激光器从腔的结构可分为法布里 珀罗 f-p 激光器、分布反馈激光 dfb 和分布布拉格反射激光器 dbr8，9。f-p 激光 器的激光振荡是通过两个端面的反射镜形成的 f-p 腔来实现，dfb 是通过沿纵向等间 隔分布的光栅来实现，dbr 的结构与 dfb 基本相同，不同之处在于光栅在有源区两端 的外面，这样便于制作并减小在制作时因晶格损伤而引起的损耗。dfb 和 dbr 激光器 的优点是波长稳定性好和动态单纵模窄线宽。 量子阱 qw 激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生 长的半导体激光器，其优点是阈值电流低和频率啁啾小等。通常用于半导体激光器的 qw 结构有:多量子阱 mqw，渐变折射率波导限制型单量子阱 grin-sch-sqw 和带有 3 超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱 slb-grin-sch-sqw。目前高速光纤 通信系统中主要使用的是多量子阱结构的 dfb 激光器。 1.2.2 调制技术 光纤通信中的调制方式有两种：直接调制和外调制，如图 1.1 所示。直接调制简单 方便，但对激光器直接调制时，其产生的啁啾与调制频率成正比，在光纤色散的作用 下，将导致脉冲展宽，直接限制了系统的中继距离。传输速率 2.5gb/s 在常规单模光纤 g.652 上，用直接调制色散受限距离仅为 120km，而用外调制则可达 600km, 其原因是 采用外调制方法可以减小激光器的输出啁啾。因此，在单个波长上传输速率超过 l0gb/s 的系统中，一般需要使用外调制方法。 图1.1 光纤通信中的两种调制方式(a)直接调制;(b)外调制 外调制器主要有两种1012:马赫一泽德(mach-zehnder)干涉仪型调制器和电吸收(ea) 调制器。m-z 调制器既可用半导体材料制作，也可用电光材料如 linb03 制作。dfb 激光器和 linbo3材料制作的 m-z 调制器组合具有非常好的消啁啾特性10，适合于高 速率系统的超长距离传输。但这类调制器的插入损耗较大，难以与光源集成，且对偏 振敏感11。ea 调制器易与激光器集成在一起，形成体积小的单片集成组件，但它的频 率碉啾比 m-z 调制器大12，不适合传输距离特别长的高速率海底光缆系统。 1.2.3 光调制码型的选择 随着长距离传输系统容量的快速增长，光纤通信已经发展到高速率和密集波分复用 的阶段。为了提高系统的容量和减小由传输损伤所引起的系统劣化，系统工程和最优 化就显得极为重要13 -15。为了提高系统的容量，系统设计和优化的时候必须考虑以下 所有的因素：信道速率、传输距离、信号光功率、放大器的噪声指数、信道波长间隔、 光放大器间隔、光纤色散和非线性参数、色散管理策略、接收器带宽等。对其它因素 产生影响的是光码型。单个信道的基带信号宽度决定了色散代价14，15。现在通常使用 的是 nrz 码，其调制简单，理论也比较成熟。随着传输速率增大到 40gb/s 光纤传输 驱动器 电信号输入 激光器 光信号输出 驱动及控制 激光器调制器 电信号输入 光信号输出 (a) (b) 4 系统和 dwdm 系统的应用，光纤的色散容限大大降低，非线性效应也严重影响系统的 性能。nrz 码已不能满足要求，需要使用其它新的调制格式。尽量窄的调制信号光谱， 且具有高的光谱效率。从而提高群速度色散容限，非线性容限，输入功率，并使发射 机和接收机的结构尽量简单，降低成本，促使 40gb/s 高速光纤传输系统商用化。 针对40gb/s高速光纤传输系统人们提出了很多码型16-27，如归零码（rz）16、载 波抑制归零(cs-rz)17、非归零差分相移键控码(nrz-dpsk)18、归零差分相移键控码 (rz-dpsk)19，20、载波抑制归零差分相移键控码（cs-rz-dpsk）2123。随着研究的 深入，近来又出现了各种四相相对相移键控（dqpsk）24码型、强度调制差分相移键 控码（im-dpsk）25和预滤波载波抑制归零码（prefiltered cs-rz）26等各种新型码型。 nrz-dpsk、rz-dpsk和cs-rz-dpsk是利用相邻码元的相位变化来表示“0” 、 “1”信 号。它们的光谱很平滑且没有线状谱。im-dpsk则是为了减小相邻码元相位变化处的 光强，从而减小此处引起的啁啾和非线性。dqpsk码型是对两个比特的码元进行相位 变化。prefiltered cs-rz则对cs-rz进行滤波，进一步减小光谱宽度，提高光谱效率。 1.2.4 放大技术 限制光纤传输系统的两个主要因素是损耗和色散，而光放大器的研制成功和应用， 解决了损耗问题。40gb/s 高速光纤传输系统及其 dwdm 技术这几年之所以发展迅速， 主要得益于光放大器的研制成功和应用27，28，迄今为止，几乎所有的 dwdm 系统， 无论商用还是实验系统，都使用了光放大器。光放大器主要分为三类：掺稀土离子放 大器，包括掺饵光纤放大器 edfa、氟化物 edfa，碲化物 ldfa、掺铥光纤放大器， 掺镨光纤放大器 pdfa。非线性光纤放大器，包括离散拉曼放大器和分布拉曼放大器 dra。半导体光放大器 soa，包括传统的半导体光放大器，增益钳制的半导体光放大 器 gc-soa 和线性光放大器 loa。 为了保证 dwdm 的传输质量，dwdm 系统中使用的光放大器应具有足够的带宽、 平坦的增益、 低噪声系数和高输出功率。 目前商用的 edfa 在 1550nm 处的带宽为 40nm 左右，如果波长间隔为 0.8nm，能够满足 50 个左右的波长使用。如果要进一步增大带 宽以利用光纤低损耗波长资源，就必须开发新的光放大器。 dwdm 传输系统对光放大器的一个特殊要求就是增益平坦29，一般的 edfa 在它 的工作波段内有一定的增益起伏， 而且各个 edfa 的增益谱形状极为相似， 当多个 edfa 级联使用时，则带内的增益起伏就有可能变得不能容忍了。克服 edfa 增益不平坦的 5 措施有增益均衡技术，研制增益平坦放大器等。 图1.2 edfa的结构 在 c 波段和 l 波段，可以用 edfa、增益移位的 edfa 和混合的 edfa/拉曼放大器。 这些放大器都是成熟的技术。在 s 波段，tdfa、增益移位的 tdfa 和混合的 tdfa/拉曼 放大器正在研制中。在 1300nm 波段，pdfa、拉曼放大器和半导体放大器是未来的选择。 图1.3 后向泵浦的分布拉曼放大 使用 edfa 会引入较大的光噪声和非线性。 分布拉曼放大 dra 如图 1.3 所示。 dra 具有以下优点: (1)采用后向泵浦可以使沿光纤的任意一点上保持较低的功率，减少了非线性的同 时获得了增益。 (2)dra 也适用各个波段，使得 dwdm 向其它波段扩展成为可能。图 1.4 是各种 光放大器适用的波长范围。 图1.4 各种光放大器适用的波长范围 e-band s-band c-bandl-band u-band 144014601480150015201560154015801600 162016401660nm 14401460148015001520 1540156015801600 16201640 1660nm tdfa 37nm tdfa 36nm raman+tdfa 63nm raman 18nm raman 132nm raman 100nm raman 40nm raman+edfa 83nm edfa 47nm edfa 52nm 隔离器 复用器 输出 泵浦激光器 输入 传输光纤 光隔离器光隔离器 输出信号 泵浦 6 1.2.5 光纤技术 己标准化的光纤类型有 g.651、 6.652、 g.653、g.654、g.655 和 g.6563032。g.651 光纤属多模渐变型光纤，在光纤通信初期广泛用于中小容量、中短距离的通信系统。 g.652 光纤是常规单模光纤，其特点是在波长 1310nm 处色散为零，在 1550nm 处损耗 最小，目前世界上已敷设的光纤线路 90%是这种光纤31。g.653 光纤是色散位移光纤， 其特点是在波长 1550nm 处色散为零且损耗最小，由于四波混频严重，这种光纤不适用 于 dwdm 系统，目前基本上已停止生产和使用32。g.654 光纤是截止波长位移光纤， 主要用于海底光缆通信。g.655 光纤称为非零色散位移光纤 nz-dsf，其特点是零色散 波长不在 1550nm，而在 1525nm 或 1585nm。在 1550nm 处有微量色散，其值大到足已 抑制密集波分复用系统的四波混频效应33，小到允许信道传输速率达到 l0gb/s 以上。 g.656 光纤是针对 40gb/s 光传输系统的 dwdm 而提出的，它改进了光纤的偏振摸色散 pmd 和色散斜率的特性，更适合于高速光传输系统。表 1.1 为 g.652 和 g.655 光纤的 些参量的典型值。 g.655 光纤的研究重点就是优化色散系数、色散斜率、有效面积和工作波长范围。 为了更加适应 dwdm 系统的传输速率、信道间隔、工作波长的不断变化需要，国际电 信联盟第 15 研究组于 2003 年 1 月将 2000 年版的 itu-t g.655 a、b 两种光纤，进一步 细分为 itu-tg.655a、b、c 三种光纤31，32。这是因为 g.655a 光纤只支持 200ghz 及 其以上间隔的 dwdm， 10gb/s 系统传输 400km 在 c 波段的应用， 也可以支持以 10gb/s 为基础的 dwdm 系统。g.655b 光纤支持 100ghz 及其以下间隔的 dwdm 在 c 和 l 波段的 10gb/s 系统传输 3000km 的应用。g.655c 光纤消除了 1385nm 附近的水峰，系 统可以在 13601530nm 工作，能满足 100ghz 及其以下间隔的 dwdm 在 c 和 l 波段 的应用要求。 表1.1 g.652和g.655的参数性能 参量smf (g.652) tw-rs (g.655) e-leaf (g.655) teralight (g.655) 有效纤芯面积（m 2）80507060 色散（ps/km/nm）174.54.27.7 色散斜率（ps/km/nm）0.0580.0450.090.058 衰减（db/km）0.230.230.230.23 偏振模色散（ps/km1/2）1003022 损耗（db/km）0.150.190.230.27 在此处，我们仍然采用对称色散补偿方式如图3.14所示，每个跨段长度为40km， 保证每种码型进入光纤各处的功率一样。改变环形控制器的环形圈数，得到q与l之 间的关系图如3.15所示。当传输400km后，cs-rz的q值为30.0，rz的q值为19.7， nrz的q值为6.3。cs-rz在传输1200km后其q值为6.3，rz在传输800km后其q 值为6.3。可知cs-rz传输性能最佳，rz其次。nrz性能劣于rz。 图 3.14 ee-pdf+scdcf 色散管理实验装置图 cs-rz rz nrz 42 图 3.15 各种码型 q 与 l 的关系图 (4) smf+fbg 除了常规的色散补偿光纤进行色散补偿以外，还可以通过啁啾光纤光栅进行补 偿。啁啾光纤光栅的色散补偿原理如图3.16所示。对于标准单模光纤,在1550nm处,色 散值为正,处于反常色散区,蓝移分量较红移分量传播得快,光通过一段标准通信光纤后, 则发生脉冲展宽,脉冲展宽可导致码间干扰,引起误码。由于啁啾光栅的不同反射点有不 同的反射波长, 则在1550nm负色散区,蓝移分量快于红移分量。若使光栅周期大的一端 在前,即使红移分量在光栅前端反射, 蓝移分量在光栅的末端反射, 则蓝移分量比红移分 量多走了2l 距离。这样就在红蓝移分量间产生一时延差, 经光栅后, 滞后的红移分量 便会赶上蓝移分量, 通过对脉冲进行压缩来达到色散补偿的目的。 图 3.16 啁啾光纤光栅的色散补偿原理如图 我们仍然采用对称色散补偿方式如图3.17所示，每个跨段长度为100km，保证每 种码型进入光纤各处的功率一样。改变环形控制器的环形圈数，得到q与l之间的关 系如图3.18所示。当传输700km后，cs-rz的q值为14.1，rz的q值为5.5，nrz 的q值为9.2。此时rz的传输性能不如nrz。 输入脉冲 标准单模光纤 整形脉冲 光环形器 啁啾布拉格光纤光 1 2 43 图 3.17 实验装置图 cs-rz rz nrz 图 3.18 各种码型 q 与 l 的关系图 总结上面的几种色散管理方式，可以看出不同的方案可以得到类似的结论，即传输 性能上，cs-rz优于rz，rz优于nrz。不同色散管理方案中各种码型传输的最远距离 如表3.3所示。从表中可以看出在高速光传输系统中最有优势的是ee-pdf+scdcf和利 用fbg两种色散管理方案。在fbg方案中，因为没有采用普通的色散补偿光纤进行补偿。 而色散补偿光纤是产生各种非线性的最主要原因，因此fbg的传输距离是最大的。在各 种色散管理方案和没有进行色散管理的方案进行相比，可知进行了色散管理的传输方案的 传输距离更大且传输性能更优。因此色散管理在高速传输系统中是极其重要的。 表 3.3 各种色散管理方案中，各种码型传输的最远距离 色散补偿方案码型传输长度q 值 cs-rz6006.0 rz5405.8smf+dcf nrz3005.9 cs-rz10006.4 rz8655.3lcf+nz-dsf nrz7205.8 cs-rz12006.3 rz8006.3ee-pdf+scdcf nrz4006.3 cs-rz14006.2 rz12006.8fbg+smf nrz7005.5 cs-rz6006.2 rz6005.4 不加色散管理 nz-dsf+dcf nrz6004.1 44 3.7 本章小结 本章主要是采用optisystem 软件对各种码型的相关实验进行了模拟分析。利用 optisystem得到了各种码型的产生模块，并对其的传输波形、眼图和光谱进行了模拟。 对各种码型的背靠背、色散容忍度、最佳色散补偿方式以及各种色散管理方案进行了 模拟分析，并比较各种色散管理方案中不同码型的传输最远距离， 可知fbg进行色 散管理效果最佳。 45 4 实验及结果分析 利用由211工程支持的40gb/s光纤传输系统设备进行了相关的实验。由于实验室 还不具备dpsk的接收能力，所以只进行了ask的三种码型的灵敏度、传输性能、色 散容忍度和不同距离比的传输实验。 4.1 40gb/s 光传输系统实验装置介绍 整个系统由光源、频率时钟源、电码型产生器bpg 44e、调制器dpsk 5003、接 收机、误码分析仪ea 44和时钟恢复模块组成。整个系统由德国shf公司生产。bpg 产生的电数据信号和时钟信号，输入到调制器。通过控制调制器的两个mzm来产生 各种码型，第一个用于加载数据，第二个用于产生脉冲序列。当产生nrz码型时，只 使用第一个mzm。接收机将光信号变为电信号后，将一部分数据信号输入到时钟恢复 模块。时钟恢复模块通过数据来恢复时钟，得到的时钟和接收到的数据输入到ea中， 进行误码测量。ea需要精确调整延时和判决门限两个参数，但所设定的参数有精度限 制：延时的步长为0.5ps，门限步长为1mv。ea对40gb/s信号解复用为410gb/s信 号，测量每个10gb/s信号的误码再相加起来。这就需要对4路10gb/s信号进行精确同 步。同步涉及到bpg、dpsk 5003和ea的参数设定。 整个系统中需要设置的参数主要有bpg、dpsk和ea。下面具体介绍这些设备的 参数设置。bpg中输入的时钟分为内部时钟和外部时钟两种。当采用外部时钟时，由 频率时钟源提供时钟，并可产生连续的244gb/s的信号输出。当采用内部时钟时， 可以产生2.5gb/s、5gb/s、10gb/s、20gb/s和40gb/s的信号输出。在bpg中还有一个 码型格式的设置参数，它主要涉及的参数有伪随机码级数有7，13，25，31四种，极 性有ccitt和反转两种。其中用户还可进行256位的自定义编码。对于触发信号有两 种触发形式，一种为bit,一种为wordframe。bpg的面板提供比特速率的1/2,1/4,1/16 和1/32的时钟输出。 dpsk5003是系统中的主要器件，主要用于产生各种码型。它涉及到的参数有脉 冲放大（pulse ampl） 、脉冲偏压（pulse bias） 、数据增益（data gain）和数据偏压（data bias） 。其中的脉冲放大是对脉冲信号进行放大，脉冲偏压是指第二个mzm的偏置电 压。数据增益指的是输入数据信号的放大，数据偏压是指第一个mzm的偏置电压。 其中脉冲偏压有最大点（car.max）和最低点（car.sup） 。car.max用于产生nrz和rz 46 码型，car.sup用于产生cs-rz码型。数据偏压有nonlinvert、invert、dpsk和具体电 压值四项，具体的含义在码型产生一章中已有具体的叙述。dpsk还采用了一个自动 电压偏置控制 （abc） 系统， 来对各种偏压设置进行了自动控制。 时钟延时 （clock delay） 主要是用于控制时钟的延时，对四路信号进行延时控制。 ea用于误码测量，它对最终的传输结果进行检验测量。它涉及到伪随机序列级数 和极性这两个参数，它们必须和bpg中的参数设置对应起来，才能正常工作。ea也 需一个输入时钟，此时钟由时钟恢复模块提供。在进行误码测量时选取的误码测量时 间参数决定了检测误码的时间长短并且决定了误码的精度。在进行误码测量时最重要 的两个参数是门限(threshold)和延时（delay） 。延时的步长为0.5ps，门限步长为1mv。 在进行这两个参数设置时，可以首先使用自动搜索功能进行初步的参数设定，并在此 基础上做进一步的参数设定。 4.2 背靠背传输系统实验 将实验系统中的输出信号不进行光纤传输，直接利用信号分析仪及光谱分析仪对 信号进行分析，得到nrz、rz和cs-rz在误码率为10e-12时的接收灵敏度。 4.2.1 实验装置 采用1550nm光源，23级伪随机码，信道速率为40gb/s，不带前向纠错码。误码 测量时间取为100秒。实验装置图如图4.1所示，由于设备输出的信号功率太小，因此 利用一个edfa进行放大，并通过改变衰减器来改变接收功率。通过此种背靠背方法 来测量各种码型的灵敏度，并得到各种码型的波形、眼图和光谱。 图 4.1 背靠背实验系统图 4.2.2 码型的波形、眼图及光谱 激光器（ld）产生的连续光经马赫泽德调制器（mzm）调制，输出nrz光信 号。控制mzm的为40gb/s电nrz信号。实际得到的nrz光信号光谱和眼图如图4.2 ld att1edfa rx clk data modulator mzm mzm data clk bpg ea clk recover 47 所示。可见其输出光谱是很紧凑的。从输出光信号眼图可知它的脉冲宽度是三种码型 中最宽的。 产生rz时，第一个mzm输出的nrz信号被第二个mzm调制为rz信号。驱 动第二个mzm的是振幅为v2， 频率为40ghz的正弦波。 此时调制器被偏置在mzm 传输曲线强度零点与强度极大点的中点上，这种偏置方法得到的信号没有相位变化。 实际得到的rz光信号光谱和眼图如图4.2所示。由光谱图可知，在载波的两边出现了 线状谱，且其间隔为80ghz。 产生cs-rz码时，也需用到两个mzm。但第二个mzm的输入时钟及偏置电压 和产生rz时完全不同。输入电时钟信号为tvtvin 0 sin)( =，偏置电压为 v，其时钟 频率为产生信号的一半。当产生40gb/scs-rz时，输入时钟频率为20ghz。得到信号 光谱在载波处无线状谱，且为归零码，因此被称为载波抑制归零码。 cs-rz是为了提高rz脉冲宽度，减小光谱宽度而提出来的。它的占空比为2/3比 rz大。实际得到的cs-rz光信号光谱和眼图如图4.2所示。由光谱图可知其载波被抑 制掉了，两边线状谱间隔为40ghz。其光谱比rz的要窄。由输出端光信号眼图。可 以看出其脉冲宽度比rz宽。 图 4.2 各种码型的波形、眼图和光谱上为 nrz 中为 rz 下为 cs-rz 48 4.2.3 nrz、rz 和 cs-rz 的接收灵敏度 背靠背系统中不同码型的接收功率与误码率的关系如图4.3所示。可见当误码率为 1.0e-12时，nrz接收功率为-3.8dbm，rz和cs-rz接收功率为-13.2dbm。nrz接收 功率比cs-rz和rz大9.4dbm。而入纤功率过大会引起自相位调制（spm） 、受激布 里渊散射（sbs） 、受激拉曼散射（srs）和四波混频（fwm）等非线性效应。因此nrz 并不适合于40gb/s的高速传输系统。rz和cs-rz由于相邻的光脉冲之间的光功率会 回到零，时钟信号比nrz容易提取。而且还可以减小由连“1”高功率码所引起的码 型效应，平均功率小，它们更适合于高速传输系统。 -16-14-12-10-8-6-4-2 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 received power(dbm) log10(ber) + nrz o rz * cs-rz 图 4.3 nrz、rz 和 cs-rz 接收功率与误码率的关系图 4.3 加纤传输系统实验 将产生的信号进行100km光纤的传输，得到了各种码型的实验结果并进行分析， 可知cs-rz的传输性能最佳。 4.3.1 实验装置 长距离传输实验图如图4.4所示。调节第一个衰减器att1来改变入纤功率。第二 个衰减器att2控制进入色散补偿光纤dcf的光功率，在这个实验中我们使进入dcf 的光功率保持为-0.5dbm。通过第三个衰减器att3来改变接收光功率。 线路上使用100km的g.652光纤，它的衰减为0.22db/km，在1550nm处的色散为 16.8ps/kmnm， 零色散斜率为0.092ps/kmnm2， 偏振模色散pmd为0.5ps。 系统中的dcf 模块对100km光纤进行色散补偿。其1550nm处的色散补偿量为-1677ps/nm，插入损 接收光功率(dbm) 49 rx clk data g.652 edfaedfaatt1 dcf att2att3 l d mzmmzm modulator dataclk b p g 耗为7.09db，pmd为0.48ps。 图 4.4 长距离传输实验图 4.3.2 各种码型接收端的眼图 与前面的输出端的光信号眼图进行比较，可以看出接收端的眼图上部产生了主要 由spm所引起的畸变。由于cs-rz相邻码元有相位差，这个相位差的存在抑制了 spm，所以cs-rz眼图畸变最小。 图 4.5 各种码型加纤后接收端的眼图（a）为 nrz（b）为 rz（c）为 cs-rz 4.3.3 入纤功率与功率代价的关系 改变入纤功率测得各码型的功率代价如图4.7所示。 -6-4-2024681012 5 10 15 20 25 30 launched fiber power(dbm) power penalty(db) + nrz o rz * cs-rz 图 4.6 nrz、rz 和 cs-rz 入纤功率与功率代价图 从图中可以看出各曲线存在一拐点。这是因为光信噪比（osnr）和由于光功率增 大引起的非线性有个平衡。 拐点所对应光功率即为最佳入纤功率。 图中的cs-rz在1dbm ea clk recorver 入纤功率（dbm） 功 率 代 价 50 -10-5051015 10 -15 10 -14 10 -13 10 -12 10 -11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 launched fiber power(dbm) ber + nrz o rz * cs-rz 和7dbm处起伏比较大，这是因为在此处进行误码测量时所设定延时和判决门限两参 数精度不够。又由于误码测量时间 为100s，因此cs-rz功率代价存在一定的起伏。从图中可知，nrz最佳入纤功率为 2.5dbm，rz为6dbm，而cs-rz为9dbm。这是由cs-rz的特性所决定的。cs-rz 光谱比rz的紧凑，因此它对色散容忍度更大，更容易找到最佳色散补偿;它作为一种 rz码，性能又优于nrz码;因相邻脉冲有的相位变化，则平均光场为0；所以cs-rz 比rz和nrz有更优的非线性容忍度。 4.3.4 入纤功率与 ber 的关系 改变入纤功率，调节衰减器att3使接收功率保持为1.21dbm。得到各种码型在不 同入纤功率下的误码率如图4.6所示。当入纤功率为-1dbm时，nrz误码率为5.9e-08， rz误码率为1.9e-10，cs-rz误码率为1.8e-12。nrz的最小误码率为8.9e-10,由于系 统参数设定的原因，rz和cs-rz在一定范围内误码率为1.0e-14。rz和cs-rz最小 误码率远小于nrz。在误码率小于1.0e-12条件下，cs-rz的入纤功率范围为0.5dbm 到10.3dbm，rz的入纤功率范围为0.2dbm到9.5dbm。三种码型中，nrz的入纤功 率范围最小。 cs-rz入纤功率范围稍大于rz。从以上分析可知rz和cs-rz抗非线 性优于nrz，cs-rz抗非线性优于rz。 图 4.7 nrz,rz 和 cs-rz 的入纤功率与 ber 关系图 4.4 nrz、rz 和 cs-rz 色散容忍度实验 不同的码型有不同的光谱紧凑程度，这决定了各种码型的色散容忍度。在光纤传 输系统中由于色散斜率的存在使不同的波长有不同的色散容忍度。通过测量不同波长 的信道代价来判断各种码型的色散容忍度。 入纤功率（dbm） 51 4.4.1 实验装置 对ask的三种码型进行了100km标准单模光纤的传输实验,实验装置图如图4.8 所示。由可调激光器提供波长范围为1544nm1555nm光源。电图案产生器bpg所产 生的数据和时钟信号输入到调制器，调节两个mzm得到不同的码型。经100kmssmf 传输后经掺铒光纤放大器edfa放大进入色散补偿光纤dcf，最后进入接收机分成两 路，一路恢复时钟从而进行误码测量。光纤参数和上述的实验所用光纤参数一样。 图 4.8 实验装置图 4.4.2 实验结果及分析 在光纤传输中，传输波长的差异会产生不同的残余色散。通过调节波长，得到不同 波长条件下的信道代价。 图 4.9 波长和功率代价图 为了使传输性能最佳，保证nrz入纤功率为2dbm，cs-rz和rz的入纤功率为 5dbm，进入dcf的功率为5dbm。得到nrz在误码率为1.0e-7条件下，rz和cs- rz误码率为1.0e-9条件下的不同波长的信道代价图如图4.9所示。在1546.32nm 1549.52nm的范围内观察信道代价的平坦度，nrz的信道代价最为平坦，最大和最小 代价的差值为0.68db；cs-rz其次，rz平坦性最差。nrz的光谱最为紧凑，因此平 坦度最佳。cs-rz其次。从图可知，nrz的传输性能最差，cs-rz传输性能最优。rz 和cs-rz码在相同输入功率的情况下， 其消光比优于nrz， 眼图开眼度大于nrz。cs-rz rx clk data g.652 edfaedfaatt1 dcf att2att3 mzmmzm modulator dataclk b p g tld ea clk recover 波长（nm） 代价 (db) 52 由于相邻码之间存在着相位变化，能抑制传输中产生的非线性，传输性能优于rz。综 合考虑cs-rz码更适合于40gb/s光纤传输系统。 4.5 nrz、rz 和 cs-rz 不同距离比传输实验 利用实验室的40gb/s光纤传输系统进行了不同码型的不同传输距离比的实验。实 验结果表明在相同的条件下，对称补偿是系统色散的最佳补偿方式，可得最佳的传输 性能。 实验装置如图4.10所示，通过改变两段g.652光纤的长度，并对它们进行传输实验， 得到最终的实验结果。实验中需控制各处的光功率，它决定各处光纤中的非线性效应。 图 4.10 传输距离比实验装置图 4.5.1 距离比为 0：4 时所得结果 当距离为0：4时，需要控制的是进入第一段smf和dcf的功率，各种码型此两 处的最佳功率和误码率的关系如图4.11所示。nrz码进入第一段smf和dcf的最佳 功率为-1和2dbm。rz码进入第一段smf和dcf的最佳功率为2dbm和3dbm。cs- rz码进入第一段smf和dcf的最佳功率为4dbm和0d