（光学工程专业论文）高速率密集波分复用系统中受激拉曼散射效应的研究.pdf

南京l i | l ；i u 大学硕l ：研究生学位论义 中史摘要 中文摘要 因特网业务的迅速发展和各种信息量的爆炸式增长，要求光纤通信系统的容量不断扩 大，密集波分复用( d w d m ) 技术、掺铒光纤放大器( e d f a ) 和拉曼光纤放大器( r f a ) 是 挖掘光纤宽带能力，实现超高速、超大容量和超长距离通信的最佳方式。通过合理设计波 分复用系统，可以有效的消除或降低诸如受激布旱渊散射( s b s ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) 等非线性效应对系统的影响，而波分复用系统的性能将主要受到受激 拉曼散射( s r s ) 的限制，尤其是在系统复用信道数较多以及信道i 白j 隔小的情况下，严重 影响波分复用系统的性能。这就需要我们研究s r s 效应对d w d m 系统产生的影响以及寻找 消除拉曼串扰的方法。在高速率的密集波分复用系统中可以传输不同的线路码型，其中的 归零码( r z ) 和非归零码( n r z ) 以及载波抑制归零码( c s r z ) 的调制技术及其对s r s 效应的 影响也值得我们去探讨和研究。 论文在分析受激拉曼散射原理的基础上，建立了分析d w d m 系统中s r s 效应的计算模 型，在引入色散的条件下分析色散对d w d m 系统中s r s 效应的抑制作用，对利用频谱反转 技术消除拉曼串扰问题进行了验证，仿真不同的线路码型对系统中s r s 效应的影响。 在研究中取得了一些研究成果： 1 、利用分步插入法分析了色散条件下d w d m 系统中s r s 效应。 2 、利用建立的计算模型仿真了s r s 效应与系统各参数的关系，为合理设计系统参数、 消除拉曼串扰有参考意义。 3 、分析了不同线路码型对系统中s r s 效应的影响，得出最适合在系统中传输的码型， 对码型的选取有参考价值。 关键词：密集波分复用受激拉曼散射拉曼串扰 频谱反转线路码型 南京邮电人学硕i ：o i l s , 生学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e tb u s i n e s sa n dt h ee x p l o s i v eg r o w t ho fa l lk i n d s i n f o r m a t i o na s kf o rb r o a d e nt h ec a p a c i t yo ft h ef i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e n s e w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c h n o l o g y ，e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) a n dr a m a nf i b e ra m p l i f i e r ( r f a ) a r et h eb e s tw a y st oe x c a v a t ef i b e r - o p t i cb r o a d b a n d c a p a b i l i t ya n da c h i e v eu l t r a f a s t ，s u p e r - c a p a c i t yu l t r a l o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n t h r o u g ht h e r a t i o n a ld e s i g n i n go fw d m s y s t e mt h a tc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t eo rr e d u c es u c ha ss t i m u l a t e d b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ( s b s ) 、c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) a n df o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) ， a n do t h e rn o n l i n e a re f f e c t so nt h es y s t e m ，f i n a l l yw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m p e r f o r m a n c ew i l lb em a i n l yr e s t r i c t e db ys t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，e s p e c i a l l yi nt h e m u l t i p l e x i n gs y s t e mw i t hm a n yc h a n n e l sa n ds m a l lc h a n n e ls p a c i n g ，t h e r ew i l lb es e r i o u si m p a c t o nt h ep e r f o r m a n c eo fw d m s y s t e m s t h i sr e q u i r e st h a tw es t u d ys r se f f e c t so nt h ei m p a c to f d w d m s y s t e m s ，a n dt of i n dw a y st oe l i m i n a t er a m a nc r o s s t a l k i nt h eh i g h s p e e dd w d m t r a n s m i s s i o ns y s t e mt h e r ec a ne x i s td i f f e r e n tl i n kc o d e s ，t h en o n - r e t r u n t o - z e r o 州r z ) ，r e t u r n - t o z e r o ( r z ) ，a n dc a r r i e rs u p p r e s s i o nr z ( c s r z ) t h e s em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h e i r e f f e c t so nt h es r sa r ew o r t h yt oe x p l o r ea n ds t u d y t h ea r t i c l e ，e s t a b l i s ham o d l et oa n a l y z et h es r se f f e c ti nt h ed w d m s y s t e mo nt h eb a s i s o fs r sp r i n c p l e ，c o n s i d e rt h ed i s p e r s i o n si n h i b i t i n ge f f e c to nt h es r si nt h es y s t e m ，g e ta v e r f i c a t i o no fe l i m i n a t es r se f f e c tu s i n gt h es p e c t r u mr e v e r s i o n ，f i n a l y ，s i m u l a t et h ed i f f e r e n t l i n kc o d e sw h i c hh a v ed i f f e r e n ti n f u l e n c eo ns r se f f e c t s t u d yr e s u l t s ： 1 、a n a l y z et h es r se f f e c to nd w d ms y s t e mw i t hd i s p e r s i o ne x s i t e n c e 2 、s i m u l a t et h er e l a t i o no fs r se f f e c ta n ds y s t e m p a r a m e t e r s ，t h e r ei s ar e f e r e n c e s i g n i f a c a n c et od e s i g nt h es y s t e mp a r a m e t e r sr e a s o n a b l ea n dt oe l i m i n a t et h es r s e f i f e c t 3 、a n a l y z et h ed i f f e r e n tl i n kc o d e sw h i c hh a v ed if f e r e n ti n f u l e n c eo ns r se f f e c t 南京邮电人学硕1 ：研究生学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n g ( s r s ) r a m a nc r o s s t a l k l i n kc o d e s p e c t r u m i n v e r s i o n d w d m e d f a r f a s b s x p m s r s r z n r z c s r z s p m i m d d i t u t w c s o a c g m d p s k p c s r z d q p s k i m - d p s k 缩略词 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u t i p l e x i n g e r b i u m d r o p e df i b e ra m p l i f i e r r a m a nf i b e ra m p l i f i e r s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g c r o s s p h a s em o d u l a t i o n s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g r e t u r n t o z e r o n o n r e t u r n t o z e r o c a r r i e rs u p p r e s s i o nr e t u r n - - t o - z e r o s e l f - p h a s em o d u l a t i o n i n t e n s i t ym o d u l m i o n d i r e c td e t e c t i o n 密集波分复用 掺铒光纤放大器 拉曼光纤放大器 受激布里渊散射 交叉相位调制 受激拉曼散射 归零码 非归零码 载波抑制归零码 自相位调制 强度调制一直接检测 i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m m u n i c a t i o n su n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d i z a t i o ns e c t i o n w a v e l e n g t hc o n v e r t e r s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r c o s s g a i nm o d u l a t i o n d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g 国际电信联盟标准部 波长变换器 半导体光放大器 交叉增益调制 差分移相键控 p r e f i l t e r e dc a r r i e rs u p p r e s s i o nr e t u r n t o z e r o预滤波载波抑制归零码 d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g四项相对移相键控 i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g 强度调制一差分移相键控 l v 南京邮电大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生躲避日期坐墨：堡! 乡 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：趁簸导师签名： 日期：矽呀仁1 7 南京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文 绪论 1 1 光纤传输技术的发展 第一章绪论 随着人类社会信息化时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势，为了满足带宽 和容量的需求，大容量通信系统的建立成为必然。2 0 世纪9 0 年代后，光纤通信因为其传 输损耗低、容量大、尺寸小、利于敷设、抗电磁干扰性能好、制造原料蕴藏丰富、串话干 扰小等一系列的优点，加之密集波分复用( d w d m ) 和掺铒光纤放大( e d f a ) 技术的迅速实用 化，已经成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断涌现的领域，其发展的方向有两个， 一是在单信道上提高传输信息的速率，二是采用波分复用( w d m ) 技术。现如今，在单信道 上发展速度的势头受到了电子器件响应速率的限制，4 0 g b i t s 以上的传信率系统，电子 器件很难实现，而w d m 技术以其较低的成本，成倍地扩大单根光纤的传输容量，使其成 为宽带通信网的主导技术。 波分复用( w d m ) 、密集波分复用( d w d m ) 都是光纤通信中采用的复用方法，它们将多路 独立信号经过取不同波长进行调制，将它们复用成为个群路信号，在一根光纤中进行传 输，在接收端通过解复用，分路恢复出原来的各路信号，从而达到扩大传输容量的目的。 所不同的是，复用信道的波长间隔不同。上个世纪8 0 年代，复用信道的波长间隔一般在 几十到几百纳米( 如1 3 m 和1 5 a m 波分复用) ，9 0 年代后，e d f a 技术实用化，d w d m 技 术发展起来，波长间隔为n m 级。i t u t 已建议标准的波长间隔为0 8 n m ( 在1 5 t m 波 段对应i o o g h z 频率i 白j 隔) 的整数倍，如：o 8h m ，1 6n m ，2 4n m 等。 低损耗石英光纤的传输衰耗曲线 2 1 如图卜l 所示，从图上可以看出，光纤有两个低 损耗的窗口，分别在1 3 a m 和1 5 a m 附近，每一个窗口带宽超过i o t h z ，表明总的传输 容量超过l o t b i t s 。 波分复用系统框图如图1 - 2 所示，从左到右，n 路独立的信号通过n 个不同的波长 的光信号调制到不同的信道上，经复用合波器被合成一路群信号，该群信号经过光导纤维 线路的传输，到达接收端，再经过分波器，将收到的群信号分成原来的n 路信息，经解 调抵达信宿，由此达到波分复用的目的。 伴随着大容量光纤通信的快速发展，在低复用的w d m 系统中可以忽略的非线性光学效 1 南京邮电人学硕上研究生学位论文 绪论 应问题，在高复用的d w d m 光纤通信系统中；成为影响传输质量的新的重要因素，这促使 人们加紧对它们的深入研究。 言 粤 ￥ 8 = 三 芷 w a v e l e n g t h ( 1 【，m ) 图1 1 石英光纤的损耗一波长曲线1 2 1 i 光发射机il ， 飞1、l 、 r 一 光接收机l 彳一 3 八八 二l 1 m 上丌 l 光发射机2 一z 尢 乃 rr 7 ： 兀蚀忧口lz s m 石英光纤 以 i 光l 发射机nl - 叫光接收机n 合波器分波器 幽l 一2n 信道单向波分复用单模彳i 英光纤传输系统 1 2 光纤非线性对通信系统的影响 在d w d m 光纤通信系统中，当光纤中的场强较弱时，光纤的特性表现为线性媒质，光 纤中的各特征参量随场作线性变化。但是在高强度的电磁场中，任何电解质都会表现出非 线性，光纤也不例外。在单信道光纤传输中，电场强度弱，非线性问题可以忽略，但在d w d m 系统中，几何光学中已经证明，通过一根截面积很小，距离较长的光纤时会产生非常严重 的非线性效应。 2 南京邮电大学硕i ：i i j f 究生学位论义绪论 光波在介质中传播时，介质中的电子在电磁场作用下偏离平衡位置形成偶极子j 它们 将在原来的电场之上加上新的光场，导致介质的非线性极化。宏观上表现为介质在外场作 用下的极化可写为： = 氏 z ( 1 1 西+ z ( 2 ) ：云豆+ z ( 3 ；否面面+ ( 1 2 o ) 式中第一项为线性极化项，第二项、第三项为非线性极化项，z 7 为j + 1 阶极化率张 量，e 为电场强度，e o 为真空介电常数。由于石英分子材料中的分子结构的对称性，其z ( 2 ) 为0 ，又由于高阶非线性极化一般都比较小，可以忽略不计。因此我们仅考虑三阶非线性 极化项。光纤中极化强度矢量为： 一p = 瓦+ 瓦= 6 0 z ( n 面+ z ( 3 ；五否西 ( 1 2 1 ) 其中瓦为线性极化，瓦为非线性极化。 假定当光场较强时，为沿x 方向的线偏光，那么光纤中实际的光场就可以写成： 西= 丢三( e + e ) ，则非线性极化写为：岛肌e 其中占肌= 丢璧le 1 2 ，其中恐为z ( 3 ) 的x 分量，s 舭为介质非线性极化所引起的与光功率密度有关的非线性介电常数，此时介 质的电位移矢量可以表示为： 一d = e o e + 一p = ( + g 肌) 否= e o e e ( 1 2 2 ) 其中的s ，为线性介电常数，记为： q ：1 + ：( 门+ 娑) 2 ( 1 2 3 ) 其中互1 为z ( f ) 的傅立叶变换，同理占也可以写成这种形式： g ，+ = ( 磊+ 罢) 2 ( 1 2 4 ) 其中，z 为线性极化引起的折射率系数，口为线性极化所引起的衰减系数，；为加上非 线性极化所引起的折射率系数，占为加上非线性极化所引起的衰减系数，c 为光速。 由上面两式可以得到：二= 7 + ：ie1 2 ，= 口+ 口2e1 2 ： 其中删+ 圭r e ( 】，口= i wim(z)】伤=rce ( 艘) 心= 笔i m ( 恐) ；胛：为z门 4 甩c 一 介质的非线性折射率系数，为介质的非线性损耗系数。石英光纤口，较小，常被忽略掉。 南京邮电大学硕l 研究生学位论文绪论 此处的坞不可与包层折射率混淆，这时的就是光纤非线性的量度。 光纤的三阶非线性极化项可导致克尔效应、双光子吸收、光波的自相位调制( s p m ) 、 以及受激散射( s r s 和s b s ) 等现象。这些正是影响光通信的主要非线性效应。 从物理机制上来分非线性光学效应可以分为两大类：一类为参量过程，是指光场与物 质相互作用后，介质中的原子还停留在它们的初始状念，非线性介质本身的本征频率不与 光场频率耦合，只是一种催化剂，促使光场之间的相互作用而本身保持不变，如f w m 、s p m 、 x p m 等。另一种是非参量过程，指的是参与作用的介质中的原子的终态和初态是不同的， 这时不仅存在入射光场相互之间的耦合，也存在入射光场与物质之间激发态之间的耦合， 如s r s 、s b s 等。 1 2 1 受激拉曼散射对通信系统的影响 1 、受激拉曼散射的物理概念 拉曼散射可以看成是介质中的分子对入射光的调制，即分子问的相对运动导致分子电 偶极矩随时间的周期调制，从而对入射光产生散射作用。设入射光( 被称为p u m p ) 的频率 为彳，介质分子的振动频率为z ，则产生的散射光的两频率分别为z = 石一工，称为斯 托克斯光( s t o k e s ) 、厶= z + 工，称为反斯托克斯光( a n t i s t o k e s ) ，工只与组成介质 的分子结构有关，与入射光波长无关。 上述两类散射的现象可以用图l 一3 所示的能级图来说明。图1 3 ( a ) 中，介质分子 原来处于基态( v = 0 ) ，如其吸收一个频率为z 的入射光子就会跃迁到一个虚能级( 图中 虚线所示) 上，经过亚皮秒时l 日j 后，该分子又从虚能级跃迁到较低的v - - l 能级上，同时 发射一个频率为f = 彳一z 的s t o k e s 光子。根据能量守恒，这时分子被激发到了一个能量 为蜕( h 为普朗克常数) 的能级上。这就是一个频率为石的光子被吸收而激发出一个斯托 克斯光子z 和一个频率为工振动声子的过程。 另一方面，如果分子原来就处在激发态v = l 上时，如图1 3 ( b ) 所示，吸收一频率 为z 的入射光子后跃迁到一个虚能级上，经过约亚皮秒时间后，该分子又从虚能级跃迁到 低能级v = 0 上，激发一个a n t i s t o k e s 光子，使分子回到基态。 此后，将s t o k e s 光子和a n t i - - s t o k e s 光子视为输入光子，又产生z z = 彳一2 z 和 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 厶+ 工= 彳+ 2 l 的二阶s t o k e s 光子和a n t i - - s t o k e s 光子，其频谱分布如图1 3 ( c ) 所 示，更高阶的以次类推。我们称z = 石一工为一阶s t o k e s 频率，厶= 石+ z 为一阶a n t i s t o k e s 频率。 a n t i - - s t o k e s 散射光强度与处于激发态的分子数有关。热平衡状态下，激发态的粒子 数远小于基态的粒子数，因此，一阶s t o k e s 散射光总是首先被激励，且比a n t i s t o k e s 散射光强e x p ( 一h f , k t ) 倍，式中k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度。a n t i - - s t o k e s 散射光 强也依赖于温度，在低温下，它几乎完全消失。因此，在一般的s r s 研究中常常忽略a n t i - - s t o k e s 散射光和高阶拉曼散射光，把研究的重点放在一阶s t o k e s 散射上。 j 奶 r 蛳 r i ： 石磊五 ( a ) v - - 1 萨0 l 蛳 i 蛳 1 1 ：2i a 持南 ( b ) 图l 一3 拉曼散射原理图 删 蚶 r n 求 七 垛 描 ( c ) ( a ) 斯托克斯散射光( b ) 反斯托克斯散射光( c ) 频谱图 2 、受激拉曼散射对光通信系统的影响 在低强度的普通光强照射下，介质的拉曼散射较小，散射光非常弱，但当激光作为入 射源时，介质的拉曼散射过程具有了受激辐射的性质，故称为受激拉曼散射( s r s ) 。受激 拉曼散射只有在入射光强超过一定的阈值才会出现，这种散射光具有与激光辐射同样的特 点：高方向性、高强度和高相干性。在光纤通信中s r s 会对传输信号产生非线性的影响。 s r s 对光纤通信系统的影响主要表现： ( 1 )s r s 限制了光纤中的最大传输功率，限制了传输通道数：功率越大受到s r s 的 影响越大，系统传输质量下降，因此必须限制功率。 ( 2 )s r s 引起了信道i 训的拉曼串扰，产生了r a m a n 噪声，降低输出信噪比：短波长 信道成为了泵浦光，诱发了强的s r s ，使其上的功率向长波长信道上转移，造成复用信道 之间的串扰。 3 、s r s 效应对光纤传输系统传输功率的限制 信道功率小的时候，s r s 效应可以被避免，拉曼放大在整个光纤长度上可以忽略，在 5 南京邮电人学颂卜研究生学位论文 绪论 信道数目大、输入功率很大时则不能，因此估计信道功率的闽值就变得至关重要。在最坏 的情况下，即信道同时传输“1 ”码，考虑最短波长的损耗情况。泵浦波长乃2 1 op m 的 熔石英光纤的s r s 增益谱特性如图l 一4 所示。 1 2 1 0 图1 - - 4 泉涌波长乃5 l o 肌的烙彳l 英的拉曼增益谱 如上可以看出拉曼增益的范围可以达到1 5 t h z 。其它泵浦波长的s r s 增益系数为： 如( 丑，) ：掣 。 j p 定义斯托克斯功率和泵浦功率相等时的入射功率为拉曼闽值p 。拉曼阈值满足： 1 6 a ， p c 莉 其中：4 为光纤的有效截面积，厶=l 竺吐业是光纤的有效长度。 口 可以从图l 一5 看出，在信道数目很大时，s r s 成为通信系统中最主要的非线性干扰。s r s 对d w d m 系统的 影响是最大的。 6 娄t0一x 1)瓣嵫甥鍪烈罾 南京邮电大学顺= l j 研究生学位论文绪论 n u m b e ro fc h a n n e l s 图1 5四种1 | 线性效应发生的阂值功率( 系统l ：作在1 5 5 m 波长附近， 光纤损耗为0 2 d b k m ) 1 2 l 1 2 2 受激布里渊散射( s b s ) 对光纤通信系统的影响 当信道间隔处于b r i ll o u i n 频移范围内时，受激布罩渊散射s b s ( s t i m u l a t e d b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 也可以从一个高频率的信道向低频率的信道转移能量。然而，它 与s r s 不同的是，这样的能量转移借助于适当的多信道系统，是可以避免的。原因是 b r i l l o u i n 增益的带宽( 大约5 0 m h z ) 相对于r a m a n 增益的带宽( 大约1 5 t h z ) 窄得多。 因此，信道白j 隔必须几乎精确匹配b r i1 l o u i n 频移才会出现s b s 。此外，要获得 b r i l l o u i n 放大，两信道必须反向传输。因此，在实际的前向传输的d w d m 系统中，更多 的是研究s r s 非线性对通信系统的影响。 尽管当所有信道作前向传输时，s b s 不会引起信道| 白j 的串话，但是它仍然限制了信道 中的功率，因为当满足阈值条件时，一部分信道功率可以转移到反向传输s t o k e s 波上作 为噪声。每个信道的b r i l l o u i n 阈值大约是2 3 m w ，如图1 - 5 所示。当一根长光纤 以= 5 0 “聊2 ，口= o 2 d b k m ，利用公式： (、e)j匕c晒cu ja；o口3e爱仃至 南京邮电火学硕十研究生学位论文绪论 g p c l 。 | a e 2 1 取2 1 c z a 。9 8 ，g | ! 5x1 0 一m w ，阈值功率仅仅是2 4 m w ( 此估计中忽略了信号 调制的影响) 。该阈值在小信道数目下，远远低于s r s 效应需要的阈值。 一般情况下，b r i l l o u i n 阈值不仅取决于落入b r i l l o u i n 带宽的比特速率，还取决 于调制方式。考虑到这个因素，阈值可以被提高达到l o o m w ，通过用0 。2 0 5 g h z 频率来 调制光载波的相位，扩大了激光器的线宽，因此可以有效的抑制s b s 。 相对于s r s 而言，s b s 有如下特点： ( 1 )以后向散射为主，这不同于s r s 是以前向散射为主 ( 2 ) 增益系数较大 ( 3 ) 阈值低，常规单模光纤，阈值功率约为4 m w ( 4 ) 频移小，仅有数十兆赫兹 ( 5 ) 增益系数与泵浦激光器的谱线宽度有关 1 2 3 非线性折射率调制引起的非线性光学效应 三阶极化率z 3 引起了折射率与光强有关的问题，光纤的折射率表示为： ，z = n o + n 2 p 如，其中，n o 是线性折射率，门：是与z 。有关的非线性折射率，p 为光功率。 由于折射率随功率变化，引起相位被调制，产生交叉相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 的信 道间串话。 1 、自相位调制( s p m ) 和交叉相位调制( x p m ) 因为当光场较强时光纤折射率将随光场的幅度而变化，这种变化使得传播常数随光 功率变化，：竺，则光场传输相位也就随着光场幅度的变化而变化。也就是说在光波被 c 调制后随时间变化时，相应的相位也随时间而发生瞬时变化。同时这种瞬时变化的相位也 就说明了光脉冲中心频率的两侧有不同的瞬时光功率，从而也就引起了频谱的展宽。光场 幅度的调制将自发引起对光场相位的调制。这种现象称为自相位调制( s p m ) 。 s p m 会导致频谱展宽，这称为频率啁啾。当在光纤的反常色散区时，这种啁瞅和g v d 之间的相互作用，将导致光纤内形成孤子传输，可以进行孤子通信。由于s p m 随着传输距 离的积累，因而对于采用g 6 5 2 光纤的单波系统，s p m 是基本的非线性损耗，其闽值约为 1 8d b m 【2 0 j 。 南京邮i 乜大学硕十研究生学位论文绪论 当两个和多个不同频率光波在非线性介质中传播时，每一频率光波的调制都将引起光 纤折射率的变化，这一变化使得其它频率的光波产生了相位变化，也就是说其它频率的调 制将同时产生对其它光场相位的调制，称为交叉相位调制( x p m ) 。x p m 是伴随着s p m 产生 的，这里光场所产生的相位变化不仅与自身的光强有关还与其它频率的光强有关。x p m 与 调制方式有关，当采用a s k 调制时，引起的x p m 最大：其次信道的数目越多x p m 所造成的 影响越大。 2 、四波混频( f o u r w a v em i x i n gf w m ) 对通信质量的影响 另一个光纤中的非线性现象是四波混频。当信道i 日j 隔和光纤色散小的足以满足相位匹 配条件时f w m 成为非线性串话的主要来源。它对于相干多信道系统的影响是最严重的，典 型的信道间隔是i o g h z ，对于非相干w d m 系统，当信道波长接近光纤的零色散，f w m 是 主要考虑的因素。而实际上我们多采用色散管理，使f w m 对信道的串话足够小 3 1 。 f w m 引入的串话的物理原因可以被理解为，当频率在c o j ，彩，q 的三个波同时在光 纤中传输时，f w m 系统会产生一个新的波，在频率q ，。= c o , + 缈厂q 处，对于一个n 信道 的系统，i ，j 和k 可以从1 变到n ，由f w m 导致大量新组合的频率，在等间隔的信道 中，大部分的f w m 成分落在信道中间，导致串话。系统存在两种性能损害，一是信道功 率衰减，另一个，也是更严重的一个是相干串话对系统性能的损害。由于这个原因，w d m 系 统有时被设计为不等的信道间隔，以使f w m 产生的所有频率落在信号频谱的外面。通常可 以采用色散管理、不等间隔频道安排等来消除f w m t 2 如果我们假设信道功率相等，均为尸，f w m 效应随着尸3 而变化。通过相位匹配的要求， 它也取决于信道间隔。对于一个己知的信道间隔，尸应该被减小到某个值以下，以消弱f w m 效应对系统性能的影响。图1 - 5 显示了这个限制对于i o g h z 信道间隔的情形。一个类似 的限制出现在采用色散位移的光纤，具有i o o g h z 的信道间隔的w d m 系统中。典型的f w m 限 制信道功率在l m w 以下，除非采用不等信道间隔。由于实际中许多w d m 设备采用相等的 信道间隔，一种可以选择的方法是利用色散管理技术。 1 3 光纤中s r 8 效应研究的进展 受激拉曼散射( s r s ) 是非线性光纤光学中的主要内容之一，也是本课题研究的对象。 从光纤非线性效应产生的机理来看，可以从微观和宏观两个角度对这一问题进行研究。从 9 南京邮l 乜人学硕l 研究生学位论文绪论 微观角度来看，光纤的非线性效应可以看成是由光子与介质分子、原子间发生相互作用， 产生能量交换的过程，因此可以利用量子光学理论来分析非线性光学效应。从宏观角度来 看，光纤的非线性效应，可以认为是光波与物质发生相互作用的波耦合，并伴随能量的交 换，因此，可以利用耦合波方程来描述和分析光纤中的s r s 效应。 1 9 6 9 年c h e n - s h o ww a n g 【4 1 建立了经典s r s 理论。1 9 7 0 年a h o r d v i k 【5 1 研究了一 阶、二阶、三阶斯托克斯光和一阶反斯托克斯光的时间特性。1 9 7 2 年，r g s m i t h 6 1 第一 次从光子转换理论分析了单模玻璃波导中受激拉曼散射( s r s ) 的稳态过程，给出了小信号 解。1 9 7 3 年，r h s t o l e n 【7 1 首次用非线性耦合波方程对光纤中的小信号s r s 、$ 8 s 效应 进行了描述，但是他所得到的耦合波方程并不是非线性过程的普遍表达式，而且描述尚不 够完善。1 9 7 8 年，a y a r i v 等人 8 1 在r g s m i t h 小信号理论的基础上，从光子转换理论 的角度细致地研究了忽略泵浦损失的前向受激拉曼散射的能量转换过程。1 9 8 3 年a r c h r a p l y v y l 9 1 研究了波分复用系统中由于s r s 带来的性能影响。1 9 8 4 年，d c o t t e r 【1 0 1 首 次应用s r s 小信号理论，探讨了由s r s 引起的波分复用光纤通信系统中两信道i b j 的串话 问题。同年，a r c h r a p l y v y 】还探讨了多信道波分复用系统中s r s 对系统功率的限制。 1 9 8 6 年r h s t o l e n 1 2 1 第一次试验证实了光纤色散对s r s 的影响。 1 9 9 8 年，张侃、徐安士等人【2 2 1 研究了s r s 效应在双向波分复用系统中的单向等效， 提供了简化双向波分复用中s r s 效应分析的方法。同年j i n s o nw a n g 2 3 1 研究了光纤色散走 离对s r s 效应的影响，得到了在忽略泵浦光损害时的色散走离条件下的系统的s r s 串话。 1 9 9 9 年至2 0 0 1 年，巩稼民等【”h ”1 在研究密集波分复用光纤中的受激拉曼散射问题时，给 出了受激拉曼散射耦合方程组的解析解，并从石英光纤具有线性拉曼增益的假设出发，即 拉曼增益曲线近似看作三角形函数，考虑受激拉曼散射的一阶斯托克斯效应，给出了等信 道问隔、等初始输入光子通量条件下8 信道前向受激拉曼散射稳念光子转换方程的解析解。 2 0 0 3 年t y a m a m o t o 【1 6 1 研究了多段光纤，在小信号、色散管理的情况下r a m a n 串话的统 计特性。2 0 0 5 年k r u m m r i c h0 7 研究了多信道光纤系统中由于s r s 引起的功率瞬变；j v i l l a r r o e lu s 用较完善的统计方法研究了r a m a n 串话的统计特性，给出了在小的信道数 目、不长的传输距离和较低的输入功率的情况下，受s r s 影响的输出功率的概率分布符 1 0 南京i l i f f t1 2 人学硕i ：j i j d z 生学位论文 绪论 合高斯分布的结论。 从上面的分析可以看出，目前对多信道光纤通信系统中s r s 效应的研究与迅猛发展的 密集波分复用( d w d m ) 系统是不相适应的，因为在d w d m 系统中，信道数目大，总的输入 功率大，传输的距离很长，使信号光之间的s r s 相互作用异常强烈，任何不合理的忽略都 是对研究对象的不完整的分析。伴随着光调制技术的快速发展，不同线路码型对s r s 效应 的影响有所不同，哪种码型更适合在d w d m 系统中传输还有待进一步研究。 1 4 本论文的主要工作 本文在分析受激拉曼散射的产生原理的基础上，通过m a t l a b 仿真工具，对l o g b p sd w d m 系统中的s r s 效应进行了研究。 第一章为绪论部分，对光通信的发展做了概述，简要分析了光纤非线性对光纤通信系 统的影响以及s r s 研究进展。 第二章首先说明了已有成果中建立的分析计算模型，然后建立色散限制条件下的s r s 效应分析计算理论模型。 第三章首先利用基于时域的分步插入法仿真光脉冲的传输功率，然后介绍了s r s 效应 引起的拉曼串话以及s r s 效应和色散引起的波形失真，讨论了s r s 效应与输入功率和信道 数目的关系，最后给出s r s 效应对通信系统质量的影响。 第四章利用波长变换技术消除d w d m 系统中s r s 的影响。首先引入波长变换技术的发 展现状，然后利用频谱反转技术建立消除多信道d w d m 系统s r s 的数学模型，最后分析得 到的仿真结论。 第五章先分析了n r z 和r z 码的产生原理及传输特性，然后对不同线路码型的s r s 效 应进行分析，在每信道码率为l o g b p s 情况下仿真光脉冲的传输功率变化，最后得出3 3 r z 码更适合于高速d w d m 系统。 最后在第六章是对本文研究成果和一系列结论进行了简明总结。 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第二章建口色散限制条件下的s r s 效应分析计算理论模型 第二章建立色散限制条件下的s r s 效应分析计算 理论模型 j 掣去掣= - c t p i ( z , t ) + 套努俐州慨n z l p f ( 圳b2 p ，( ) ，川，2 ( 2 0 1 ) l 信道问的色散走离，口是信道的衰减系数，厂，是第i 信道的光信号频率，0 ，是第 j 信道对第i 信道产生的拉曼增益，它与信道波长、光的偏振系数膨、光纤的有效截面积 4 ，五是各信道的平均波长以及拉曼增益系数g 有关，可以表示为： ，2 荪万i i 2 。 ，l j y j n ( 2 0 2 ) 图卜4 给出了泵浦波长为乃= 1 0 , u m 时熔石英的拉曼增益系数与频移的变化关系 g 舆( 乃= 1 ，o , u m ) 川。对于不同的泵浦波长乃，拉曼增益系数与乃成反比。 舒( 旯) 2 万1 繇( 以= 1 0 , u m ) ( 2 。3 ) 1 2 南京邮电大学硕t ：i i o f 究生学位论文第一二章建伊色散限制条件下的s r s 效应分析计算理论模型 从图卜4 可以看出，石英光纤中拉曼增益的最显著特征是带宽很宽( 达4 0 t h z ) ，并 且在1 3 t h z 附近有一个较宽的主峰，这些性质是由于石英玻璃的非晶特性所致。在诸如 熔石英等非晶材料中，分子的振动频率展宽成频带，这些频带交叠并产生连续态。结果与 大多数介质中在特定频率上产生的拉曼增益情况相反，石英光纤中的拉曼增益可在一很宽 的范围内连续地产生。 2 1 对已有成果中建立的计算模型的总结 2 1 1 稳态分析 降i 磐n m ( z ) 户1 2 汜， 南京邮电大学硕：卜研究生学位论文第二章建口色散限制条件下的s r s 效心分析计算理论模型 图2 1 熔石英拉曼增益谱的近似计算模型一矩形和二角近似 有关数值分析方法也有相应的研究，数值分析方法的计算结果精确，但是它的物理作 用过程不明显，利用它很难进行物理分析。当信道数目很大时，计算分析费时费力。 2 1 2 瞬态分析 稳态分析是假定输入为连续的恒定光功率信号，这种假设有助于s r s 问题本身的研究， 也适于将来有望投入实用的相干光光纤通信系统中的相位调制和频率调制的系统。但在现 行的强度调制直接检测( i m d d ) 系统中稳态分析有很大的局限。因为作为被传送信息的 调制信号都是随机的二进制数字信号脉冲，用这样的信号去对光信号进行强度调制，使光 纤中传输的都是强度随信息信号变化而变化的脉冲，而稳态模型输入的均是连续功率的恒 定信号光，这与i m d d 的光纤通信系统中传输的信号并不相同，在大频率范围、长距离传 输的波分复用光纤通信系统中，由于光纤散射，不同波长信道的传输速率不同，各信道的 脉冲信号问的位置在发生变化，因此，各信道的s r s 耦合效应的作用也在随时间变化。这 种系统中我们要研究s r s 的瞬态过