（光学工程专业论文）高速孤子系统中的定时抖动研究.pdf

卜 f 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：- 1 - 学光学工程 研究方向：光纤通信与光波技术 作 指导教师：诸波副教授 题目：高速孤子系统中的定时抖动研究 1 1 1 11 111 1 11 11i i i ii iiil y 17 5 5 4 5 5 英文题目：t h er e s e a r c ho nt i m i n gj i t t e ro ft h eh i g h s p e e ds o l i t o n s y s t e m 主题词：光孤子，高阶色散，拉曼散射，自频移，定时抖动，时域频域复合控 制法，变分法 k e y w o r d s ：o p t i c a ls o l i t o n ，h i g h e r - o r d e rd i s p e r s i o n ，r a m a ns c a t t e r i n g ， s e l f - f r e q u e n c ys h i f t ，t i m i n gj i t t e r , t i m ed o m a i nf r e q u e n c y d o m a i n c o m p l e xc o n t r o lm e t h o d ，v a r i a t i o n a lm e t h o d 南京邮电人学硕i ：研究生学位论文 摘要 摘要 光孤子通信系统经过十余年的研究，已建立了比较完整的光孤子通信理论体系，基本 解决了各种实验系统方案和系统设计方法以及各种关键技术，但是随着复用信道的增加和 速率的提高，脉冲宽度将越来越窄，直到运用飞秒( f s ) 级的光脉冲运载信息，三阶色散和 高阶非线性效应增大了定时抖动，影响孤子通信系统性能。本文针对高速孤子传输系统中 的定时抖动现象做了一系列的研究工作： 首先，分别介绍了超高速光孤子传输系统和定时抖动的概念、特性，对国内外现有的 研究工作做了总结和比较。其次，分别讨论了孤子通信系统和定时抖动的理论模型，重点 介绍了两种主要的定时抖动引起因素，包括g 。h 效应和高阶效应，详细介绍了定时抖动的 控制方法。再次，采用时域和频域复合控制方法，建立了光脉冲的传输方程，研究了高阶 效应条件下短皮秒光孤子系统中抑制孤子自频移( s s f s ) 和定时抖动影响的可行性和有效 性；采用变分法分析了高速啁啾高斯准孤子在三阶色散、自陡峭效应和自频移条件下的传 输演化特性，总结出调制器通带带宽f 。、滤波器通带带宽曰r 、插入调制器和滤波器的距 离间隔三。对定时抖动起控制作用，得出高阶效应引起的定时抖动的计算方法和高速孤子系 统所要求的容差，并对系统的稳定性做了数值分析；在考虑三种高阶效应( 三阶色散、自陡 峭效应和受激r a m a n 散射) 的条件下，对一个典型的时频复合控制孤子系统进行仿真，得 到了一种理想的系统定时抖动控制方法：用导频滤波控制方法抑制高阶效应导致的定时抖 动，用时域控制技术抑制其它因素导致的定时抖动。该法数值模拟表示为：系统控制强度 较强时，结构参数b 厂、l 。、a r 婀较小，从而定时抖动方差值亦较小，控制作用明显，系 统性能指标较高，但控制强度不宜过强，以免导致孤子能量损失过大。最后，设计了一个 时频复合1 6 0 g b s 高速孤子传输系统并进行数值模拟，验证了系统的稳定性，再对系统的 定时抖动进行数值模拟，对仿真结果进行分析，得出本文采用的方法对孤子传输系统的定 时抖动现象的控制作用是有效的。 关键词：光孤子，高阶色散，拉曼散射，自频移，定时抖动，时域频域复合控制法，变分 法 -ii 、 一 一 ，i i 南京邮t 乜人学顺十研究生学位论史 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a ls o l i t o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e dar e l a t i v e l yc o m p l e t et h e o r y t h r o u g ht h er e s e a r c hf o rm o r et h a nt e ny e a r s ，i ti sab a s i ce x p e r i m e n t a ls y s t e mt os o l v eav a r i e t y o f p r o g r a m sa n ds y s t e m sd e s i g nm e t h o d sa n dav a r i e t yo fk e yt e c h n o l o g i e s b u tw i t ht h ei n c r e a s e i nc h a n n e lm u l t i p l e x i n ga n di m p r o v e m e n t o fr a t e ，t h ep u l s ew i d t hw i l lb e c o m ei n c r e a s i n g l y n a r r o w , u n t i lt ot h eu s eo ff e m t o s e c o n d ( f s ) 一l e v e ll i g h tp u l s e st r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o n ， h i g h e r - o r d e rd i s p e r s i o na n dh i g h e r - o r d e rn o n l i n e a re f f e c t se n h a n c et h et i m i n gj i t t e r , a f f e c t i n g s o l i t o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t i m i n gj i t t e rh a sd o n eas e r i e so fs t u d y w o r k a tf i r s t ，i n t r o d u c e dt h eu l t r a - h i g h - s p e e do p t i c a ls o l i t o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mc o n c e p ta n d c h a r a c t e r i s t i c so ft i m i n gj i t t e r , d i das u m m a r ya n dc o m p a r i s o nt ot h ee x i s t i n gr e s e a r c hw o r ka t h o m ea n da b r o a d s e c o n d l y , d i s c u s s e dt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs o l i t o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n dt i m i n gj i t t e rr e s p e c t i v e l y h i g h l i g h t i n gt w om a i nf a c t o r so ft h et i m i n gj i t t e r , i n c l u d i n go ft h e g - he f f e c t sa n dh i g h - o r d e re f f e c t s ，i n t r o d u c e dt h ec o n t r o lm e t h o d so ft i m i n gj i t t e ri nd e t a i l t h i r d l y , e s t a b l i s h e dat r a n s m i t te q u a t i o no fl i g h tp u l s eb yu s i n gt i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i nc o m p l e xc o n t r o lm e t h o d s ，s t u d i e df e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fs u p p r e s s i o ns o l i t o n s e l f - f r e q u e n c ys h i f t ( s s f s ) a n dt i m i n gj i t t e ra f f e c tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fh i g h e r - o r d e re f f e c t s s h o r t - p i c o s e c o n do p t i c a ls o l i t o ns y s t e m ，a n a l y s e de v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲一s p e e dc h i r p h i g hq u a s i - s o l i t o n su n d e rt h ec o n d i t i o n so f h i g h e r - o r d e rd i s p e r s i o n 、s e l f - s t e e pa n ds e l f - f r e q u e n c y s h i f te f f e c t sb yv a r i a t i o n a lm e t h o d ，s u m m e du pt h ep a r a m e t e r sp a s s b a n db a n d w i d t ho ft h e m a d u l a t o ra r 。、f i l t e rp a s s - b a n db a n d w i d t hl 。、d i s t a n c eb e t w e e nt h em o u d u l a t o r sa n df i l t e r s b fa r et h em a i nf a c t o r so ft i m i n gl i t t e r r e s u l t i n gi n d i f f e r e n c em e t h o do fc a l c u l a t i o no ft h e t i m i n gj i t t e ra n dt o l e r a n c e sr e q u i r e db yt h eh i g h s p e e ds o l i t o ns y s t e m ，t h es t a b i l i t yo f t h es y s t e m h a sd o n ean u m e r i c a la n a l y s i st o o t a k i n gi n t oa c c o u n tt h r e ek i n d so fh i g h e r - o r d e re f f e c t so f c o n d i t i o n s ，at y p i c a lt i m e f r e q u e n c yh y b r i dc o n t r o ls o l i t o ns y s t e mi ss i m u l a t e d ，o b t a i n e da ni d e a l c o n t r o le f f e c to ft i m i n gj i t t e r , t h a ti su s i n gt h ep i l o tc o n t r o lm e t h o dt oc o n t r o lt h et i m i n gj i t t e r c a u s e db yh i g h e r - o r d e re f f e c t s ，u s i n gt i m e d o m a i nc o n t r o lt e c h n i q u e st os u p p r e s st h et i m i n gj i t t e r c a u s e db yo t h e rf a c t o r s i te x p r e s s e di nm a t h e m a t i c si st h a t ，m a k et h es y s t e mc o n t r o li n t e n s i t y i i f ! i 京：! i l f t 1 人学顾j ：研可( 生学位论文a b s t a a c t - _ _ - _ - _ 。_ 。_ - 。_ _ - _ _ - - “- _ - - - - - - 一“_ _ _ - - - - _ _ - h _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ 。_ 。_ _ - _ 。_ _ _ - _ - _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ - 一- _ h - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 s t r o n g e r , t h e n t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw i l lb es m a l l e r , t h e r e b yr e d u c i n gt h e t i m i n gj i t t e r r e s u l t i n gc o n t r o lv a l u e ，t h ee f f e c to fc o n t r o li so b v i o u sa n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sh i g h e r , o i l t h eo t h e rh a n d ，t h ec o n t r o li n t e n s i t ys h o u l dn o tb et o os t r o n g ，s oa sn o tt oc a u s et o om u c hs o l i t o n e n e r g yl o s s ；f i n a l l y , d e s i g n e d a t i m e - f r e q u e n c yc o m p o s i t e 16 0 g b sh i g h s p e e ds o l i t o n t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h e ，v a l i d a t e dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，d i dan u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e t i m i n gj i t t e r , a n a l y z e dt h er e s u l t st oe x p l o r et h em e t h o d su s e di nt h i sa r t i c l es o l i t o nt r a n s m i s s i o n s y s t e mt oc o n t r o lt h ep h e n o m e n o no ft h er o l eo ft i m i n gj i t t e r k e y w o r d s ：o p t i c a ls o l i t o n ，h i g h e r - o r d e rd i s p e r s i o n ，r a m a ns c a t t e r i n g ，s e l f - f r e q u e n c ys h i f t , t m a i n gj i t t e r , t i m ed o m m nf r e q u e n c yd o m m nc o m p l e xc o n t r o lm e t h o d ，v a r i a t i o n a lm e t h o d i i i 南京；! i ! ；r 乜人学硕 ：研究生学位论义 目录 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 定时抖动抑制技术的发展o 1 1 2 1g h 效应引起的定时抖动1 1 2 2 碰撞引起的定时抖动2 1 2 3 声学效应引起的定时抖动3 1 2 4 偏振模色散引起的定时抖动3 1 2 5 色散管理孤子定时抖动分析3 1 3 高速孤子系统及其定时抖动的研究现状4 1 4 本文研究点及组织结构5 第二章高速孤子通信系统性能分析7 2 1 孤子通信的数学模型及形成原理7 2 1 1 孤子通信基本原理7 2 1 2 高斯脉冲：一9 2 1 3 高阶孤子1 l 2 1 4 光孤子传输控制方案及其研究方法二1 3 2 2 定时抖动理论分析。l4 2 3 孤子传输系统中引起定时抖动的因素1 7 2 3 1g h 效应致定时抖动1 7 2 3 2 高阶效应致定时抖动：2 0 2 4 定时抖动的控制上2 3 2 4 1 光滤波器和调制器2 3 2 4 2 滑频滤波器2 6 2 4 3 其它技术2 6 2 5 本章小结。2 7 第三章高速孤子传输数学模型和仿真模型分析2 8 3 1 高阶效应条件下孤子传输演化数学模型2 8 3 1 1 频域和时域控制条件下传输演化数学模型：2 8 i v 南京! ! l ；电人学碳j ：研究生学位论文 3 1 2 时频复合控制下的变分法分析 3 1 3 定时抖动数学模型分析 3 2 高阶效应条件下孤子传输系统稳定性分析。 3 3 高阶效应条件下定时抖动变化的仿真及分析。 3 3 1 仿真系统构建 3 3 2 定时抖动随单个结构参数变化的仿真及分析。 3 3 3 定时抖动随多个结构参数变化的仿真及分析 ， 3 3 4 分析结果讨论： 3 4 本章小结。4 4 第四章高速孤子传输系统结构参数设计和性能分析4 5 4 1 高速孤子传输系统结构参数设计j 4 5 4 216 0 g b s 高速孤子传输系统性能分析4 6 4 2 1 系统稳定性仿真分析4 6 4 2 2 系统定时抖动仿真分析。4 8 4 2 3 分析结果讨论4 9 4 3 本章小结4 9 第五章总结和展望。5 1 参考文献5 3 硕士研究生期间发表的论文5 8 v 南京i i i i j 电人学颀： ? 旃究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光孤子通信系统主要有传统的恒定色散孤子系统和色散管理孤子系统两类。孤子系统 经过十余年的研究，已建立了比较完整的光孤子通信理论体系，基本解决了各种实验系统 j 方案和系统设计方法以及各种关键技术，但是随着复用信道的增加和速率的提高，脉冲宽 度将越来越窄，直到运用飞秒( f s ) 级的光脉冲运载信息，又出现了一些新问题有待研究。 光纤中飞秒强光脉冲传输时，必须考虑光纤的三阶色散和高阶非线性效应对光孤子脉 冲的影响，前者将引起脉冲频率的色散红移【l 】，后者将通过脉冲内喇曼自泵产生孤子自频 移 i 2 ( s s f s ) ，两者均将加剧g o r d o n h a u s ( g h ) 效应，增大定时抖动，影响孤子通信系统性 能，并将引起信道间窜扰，限制w d m 中的应用。通常皮秒( p s ) 光孤子通信系统设计中均 忽略线性和非线性高次项的影响并采用频域、时域、非线性增益和色散配置等多种方法对 影响系统性能的各种因素进行控制，实现了孤子的稳定传输【3 】，但是对出现自频移的超短 皮秒甚至飞秒的脉冲研究已发现【4 羽，其喇曼自泵产生的自频移和谱宽随传输距离和脉宽急 剧变化，脉宽窄于5 皮秒的孤子脉冲，自频移已经不能忽略【4 1 ，成为主导高阶效应【刀。因此 自频移如何影响通信系统的性能以及如何克服就成了高速光孤子通信的重要问题，已引起 众多学者的高度关注【8 9 】。 定时抖动是通信系统的重要性能指标，孤子系统亦不例外。比特率在1 0 g b s 以下时， 孤子系统的定时抖动主要由来自放大器的自发辐射( a s e ) 噪声引起的光孤子的中心频率波 动造成的。比特率在1 0 g b s 以上，脉宽在l 皮秒左右的孤子系统，高阶效应( 三阶色散、 自陡峭和受激r a m a n 散射) 将成为产生定时抖动的主要原因。 1 2 定时抖动抑制技术的发展 1 2 1g h 效应引起的定时抖动 在光孤子通信系统中，需采用光放大器来抵消光纤损耗，使系统在平均意义上表现为 无损耗。但光放大器不仅使脉冲能量恢复其初始状态，同时还引入了自发噪声。a s e 噪声 会叠加到孤子场中，由于系统的非线性原因，a s e 噪声的行为是非加性的，不满足叠加原 塑塞!垒查兰堕：墅竖i竺堂丝堡茎至：翌堕堡 理，这些噪声会引起孤子的幅度以及中心频率的漂移，光纤的色散会把频率的漂移转化为 孤子中心的位置时问抖动一即所谓的g o r d o n - h a u s 效应，其成为限制孤子通信系统性能的 主要原斟10 1 。 抑制g h 效应的方案之一是采用光滤波器或调制器，抑制a s e 噪声的传输而允许孤 子通过。该方案是利用，a s e 噪声存在于放大器的整个带宽，而孤子仅在很窄的频谱内存 在的原理。理论证明滤波器能有效抑制定时抖动( 特别是当滤波器置于放大器处) 。 第二个方案是采用色散控制技术。该技术是在传输光纤上周期性的插入补偿光纤。根 据已有理论知道，在每个放大器处，a s e 噪声对信号注入了( g 一1 ) 白噪声，第n 个放大 器处引起的定时抖动。 ( ) = 鼍孚等掣 m ， 式中，凰为孤子功率，n 船为放大器的自发射因子，g 为放大增益，以为光纤的非线 性因子， 为普朗克常数，r 为脉冲的半高全宽值，为平均路径色散。 1 2 2 碰撞引起的定时抖动 为提高光孤子通信系统的通信容量，通过缩短相邻孤子脉冲的间距以及采用光时分复 用( o t d m ) ，波分复用( w d m ) 与偏振复用( p d m ) 等技术来实现【。当相邻孤子靠近，将相 互作用以获得满足孤子传输方程的波形，相互作用将导致相邻孤子周期的相互吸引，逐步 靠近，直至发生碰撞，然后又相互排斥，至间隔达到最大。由于相邻孤子的相对相位不易 控制，就会导致孤子到达时间的抖动，使传输特性恶化。因此在高速孤子光通信系统中， 光孤子的相互作用机制的研究是一个十分重要的问题。光孤子相互作用不仅与孤子间的距 离和非线性有关，光纤损耗也会加剧相互作用，初始啁啾，高阶效应与a s e 噪声等均会对 孤子相互作用产生影响。显然，为避免相互作用导致的孤子到达时间抖动超出比特时隙， 应增加孤子对时间的间隔，但这将导致比特率的下降。孤子间的相互作用对相对相位口和 相对幅度，很敏感，实际上当p 0 时变为排斥力，以至于尽管对相对很小的p 值，孤子最 终还是分离开。当相邻孤子以不同的幅度入射时，可达到稳定的传输。至今已提出了多种 减少或抑制孤子相互作用的方法，如异相或不等幅孤子注入，频域滤波，非线性增益和同 。 步调制控制技术等，色散管理孤子能有效抑止由碰撞导致的定时抖动。 2 南京觑i l 也人学硕? 17 1 l 歹生学位论文第一章绪论 1 2 3 声学效应引起的定时抖动 光纤中产生的声波电可以引起定时抖动【l o 】。信号被限制在纤芯，沿光纤径向截面形成 场势。这种电磁场势经电致伸缩产生声波，由于光脉冲电磁场矢量的变化又将导致密度的 微小变化。这种密度的抖动自然引起光纤折射率的抖动，因此不同的孤子获得不同的群速 度，从而有不同的到达时间，即产生时间和幅度抖动。 由于声学时间抖动与成比例，因此减少平均路径色散可抑止声学抖动，可采用色散 控制孤子方案抑止声学抖动。 i l 2 4 偏振模色散引起的定时抖动 孤子在光纤中传输，一般具有相同的偏振状态，然而由于放大器引起的a s e 噪声使这 些偏振状态发生随机变化，从而导致时间抖动【1 0 1 。众所周知，单模光纤中传输两偏振方向 相互正交的模式，只有当单模光纤完全准直，横截面积为标准圆形，折射率均匀对称且各 向同性，两正交模式完全简并才能传输单模。而当光纤存在一定的椭圆度，且材料并非各 向同性，则模式简并将破裂，分化为两偏振模式，从而引起双折射现象，引起偏振色散， 使孤子的两个模式具有不同的群速度。因为孤子的偏振状态是随机的，因而到达接收端的 时间偏移比特时隙中心，产生定时抖动。 1 2 5 色散管理孤子定时抖动分析 最近几年出现的色散管理孤子( d m s ) ，使得光孤子通信添加了新的活力【1 1 】。光脉冲在 介质中传输时，色散或者衍射效应与介质的非线性效应平衡时，就能产生光孤子，前者为 时间光孤子，后者为空间光孤子。光孤子在长距离传输过程中，能保持能量和形状不变， 使其在光纤通信系统中具有较大吸引力。然而，在实际光纤通信系统中，由于光纤中存在 损耗，使依赖于光强度的非线性效应越来越弱，将打破色散和非线性效应之间的平衡。色 散效应的存在，将会在时域上展宽脉冲，影响通信系统的性能。如果采用色散值小的光纤， 容易满足四波混频( f w m ) 相位匹配条件，产生新的频带，对邻近信道带来干扰。 色散管理技术是在波分复用系统中，周期性地使用色散符号相反的光纤，使总的路径 平均色散系数接近于零，系统中的色散就得到了补偿。由于色散管理系统能容忍色散系数 较大的光纤，它能抑制上述四波混频效应，能够使传输距离非常远。 色散管理孤子( d m s ) 方案是在系统中运用色散管理技术来控制和改善孤子传输性能的 南京邮1 u 人学硕 ? 研究生学位论文第帝绪论 。_。o-。-_-。_。_-_-_o_-_-_-_i_-_-_-_-_-_-o-_-_-_-_-。-_一 新的传输方案，与普通孤子传输相比，色散管理孤子有利于降l k 王g h 定时抖动和相邻孤子 互作用，还打破了传统孤子的限制，在给定的比特速率情况下，容许更宽的脉宽和更长的 放大间距。近年来被认为是解决高速、长距离传输的优选方案。 1 3 高速孤子系统及其定时抖动的研究现状 光孤子通信是下一代高速长距离光通信的优先方案，但随着复用信道的增加和速率的 提高，脉冲宽度将越来越窄，直到运用飞秒( f s ) 级的光脉冲运载信息。光纤中飞秒强光脉 冲传输时，必须考虑光纤的三阶色散和高阶非线性效应对光孤子脉冲的影响，因此高阶效 应如何影响通信系统的性能以及如何克服就成了高速光孤子通信的重要问题，已引起众多 学者的高度关注【g 9 】。目前主要研究工作集中于在高阶效应条件下高速光孤子脉冲的传输控 制_ e t l 2 1 6 1 。 文献 1 7 研究了孤子自频移存在的条件下光孤子的传输问题，利用窄带滤波抑n s s f s ， 利用非线性增益技术抑制背景的不稳定，用孤子扰动理论研究了稳态孤子解及其存在条件， 能减少喇曼自频移量，但未能消除孤子频率红移。 文献 1 8 】分析了超高斯传递函数光滤波器对超短孤子脉冲自频的控制作用，与普通滤波 器相比，能更有效地抑制喇曼自频移和定时抖动，但也不能消除孤子频率红移。 文献 1 9 】利用微扰变分方法和矩方法对脉冲形状为高斯型且具有啁啾的色散管理孤子 系统的定时抖动进行了研究，考虑了滤波和放大自发辐射效应对定时抖动的影响。一般的 文献中，没有考虑啁啾符号对定时抖动的影响，从第一种方法推导出的定时抖动表达式和 定时抖动关系图，可以看出啁啾的符号对系统总的定时抖动有一定影响，正啁啾使定时抖 动减少，而负啁啾增加了定时抖动。同时该系统的定时抖动与频率偏移和放大器噪声也有 关系，而且滤波器效应使得定时抖动的增加变缓，因此可以利用滤波器来抑制定时抖动。 第二种方法中，利用矩方法对定时抖动进行计算，得出啁啾符号对该系统总定时抖动的影 响与第一种方法相同。对这两种方法计算的结果进行模拟，发现两种方法得到的结果基本 一致。 文献 2 0 禾u j 用了矩量法研究了三阶色散和受激r a m a n 散射条件下的色散管理孤子系统 中的定时抖动。该文利用啁啾光脉冲的高斯形式和变分分析结合，得到了定时抖动的解析 表达式，该表达式的预期值与之前直接解非线性薛定谔方程的得出的数值结果相一致，在 该分析中也包括三阶色散项的影响。同时，将矩量法运用于色散递减光纤系统和啁啾归零 光波系统中。当将该方法运用到一个特定速率1 6 0 g b s 的传输系统中，可以发现拉曼散射 4 南京i l l l i , l 人学硕：l ：研究生学位论文第一章绪论 - _ - - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ “_ _ _ - 。- _ 。_ _ _ _ - _ _ _ 。_ 。_ - 。_ _ _ 。- _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ 。- _ _ _ _ - _ - _ - _ _ h _ _ - - - _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 。- 。- - - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ 。_ _ - - _ _ 。_ _ 。- 的脉冲问隔限制了传输距离而导致了拉曼抖动，从理论分析和数值模拟得出了1 6 0 g b s 系 统的最大传输距离为5 0 0 公里，但该文未考虑自陡峭效应，也未提出对定时抖动的抑制方 法。 文献 1 7 ，1 8 ，2 1 2 4 】中利用频域滤波、色散和非线性增益等控制方法抑制定时抖动， 虽然三种方法已经全用，但因为未采用调制器的时域控制，所以对定时抖动的控制效果并 不有效，特别是在存在s s f s 条件下，引入这类控制机制后系统稳定性及稳定传输条件尚 未开展研究。 ， 文献 2 5 1 研究了恒定色散孤子系统中的定时抖动，主要基于放大器导致的a s e 噪声和 受激r a m a n 散射，未考虑三阶色散和自陡峭效应。 文献 2 6 ，2 7 1 研究了色散和非线性管理条件下飞秒光孤子脉冲的传输问题，用 a u t o b f i c k l u n d 变换方法在光纤参数满足h i r o t a 条件下得出孤子波解，发现色散和非线性管 理能限制定时抖动的增长，但不能使定时抖动减小，也不能控制孤子频率红移，而且，实 际使用的光纤参数不一定满足h i r o t a 条件，缺乏通用性。 1 4 本文研究点及组织结构 查阅前人研究的资料，学习了他们的方法，发现现有研究文献并未考虑到三种高阶效 应( 三阶色散、自陡峭效应、受激r a m a n 散射) 同时存在的情况，结合本次课题的相关要求， 在综合考虑三种高阶效应并存的条件下开展了以下研究工作： 第一章介绍超高速光孤子传输系统和定时抖动的概念、特性，对国内外现有的研究 工作做了总结和比较； 第二章讨论孤子通信系统和定时抖动的理论模型，重点介绍两种主要的定时抖动引 起因素，包括g h 效应引起的定时抖动和高阶效应引起的定时抖动，详细介绍定时抖动的 控制方法； 第三章采用时域和频域复合控制方法，建立光脉冲的传输方程，研究高阶效应条件 下短皮秒光孤子系统中抑制孤子自频移( s s f s ) 和定时抖动影响的可行性和有效性；采用变 分法分析高速啁啾高斯准孤子在三阶色散、自陡峭效应和自频移条件下的传输演化特性， 总结出对定时抖动起控制作用的结构参数；得出高阶效应导致的定时抖动方差值的计算方 法和高速孤子系统要求的容差，并对系统的稳定性做数值分析；在考虑三种高阶效应的条 件下，对一个典型的时频复合控制孤子系统进行仿真，得出系统定时抖动随系统结构参数 的变化规律； 堕京邮l u 人学顺l ? 研究生学位论文 第一帝绪论 _ _ - _ i - _ - _ _ _ - _ - 。_ _ _ _ h _ - _ _ - - _ _ _ - - _ - - - _ l - _ - _ _ _ _ _ - - _ - _ _ - - _ - _ - _ _ - - - - _ _ - _ _ _ _ _ - ，一_ - - _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ - - - _ 一 第四章在考虑三种高阶效应的条件下，设计一个时频复合1 6 0 g b s 高速孤子传输系统 并对其性能进行数值模拟，验证系统的稳定性，对系统定时抖动进行数值模拟，对其结果 进行分析，探讨本文采用的方法对孤子传输系统的定时抖动现象的控制作用的有效性。 6 南京邮电大学硕，【：研究生学位沦文第：章高速孤了：通信系统忡能分析 第二章高速孤子通信系统性能分析 光孤子通信是一种全新的传输理念，一种新的非线性传输方案。它利用色散和非线性 这两种损害因素，使它们在某种效果上达到平衡，完美地解决了色散和非线性的影响。 在全世界范围里，全光通信系统已在横跨大西洋的t a t - 1 0 系统和横跨太平洋的 t p c 1 5 系统上首先应用。在光孤子通信领域，美国和日本处于领先地位。美国贝尔实验室 m o l l e n a u e r 研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统，首次检测出脉宽为l o p s 的光孤子经l o k m 传输无明显的变化，从而首次从实验上证实了光孤子传输的可能性。 光孤子通信以其巨大的应用潜力和发展前景令世人瞩目，尤其是e d f a 技术的迅速发 展使得几十至几百吉比特速率，几千至几万千米的信息传输变得轻而易举。 在光学中，“孤子”用以描述脉冲包络在非线性介质中近似粒子特征的传输行为。在无 损或者近似无损情况下，孤子能长距离的传输而保持不变形。同时，在经过孤子碰撞等扰 动后，孤子有自调整的能力，并且逐渐恢复其初始形状。在光纤中以孤子作为信息的载体 的通信方式称为孤子通信，已经成为研究的热点。 2 1 孤子通信的数学模型及形成原理 2 1 1 孤子通信基本原理 光脉冲在光纤中的传输可采用以下广延非线性薛定愕方程( n s l ) 方程进行分析【3 2 8 】 箸+ 屈驻尾警+ 等州枷矿1a a 3 1 ，1 鼢咖：e 警2 ( 2 ，) 忽略光纤中的损耗、三阶色散和高阶非线性项后，非线性薛定谔方程变为 ，警= 譬券洲i1 2 彳 ( 2 2 ) 上式为在无损情况下孤子传输的数学模型，等式右边的两项分别代表了s p m 和非线性效 应，正是他们之间相互平衡才形成了光孤子。对方程( 2 2 ) ，1 9 7 1 年，z a k h a r o v 和s h a b a t 用逆散射的方法求解了非线性薛定谔方程【2 9 1 。 、 先作变量代换使方程( 2 2 ) 归- - 化，引入三个无量纲变量 7 南京邮l l 三人学f j 5 i 1 d 彳生学使论义 第一二章高速孤了通信系统性能分析 u ：竺占：三 弋p o l d 丁 f = 死 分别对脉冲振幅，传输距离和参考系中的时间亮度t 作归一化，得到 z 罢假) 圭害_ 2 m i ( 2 3 ) 其中， 22 乏2 可r p o r 0 2 2 瓦1 j n 在孤子的研究中是一个非常重要的量，称为孤子阶数。从它的定义就可以看出，它 是色散长度和非线性长度相互比较的一个参量，它的大小决定在脉冲的传输过程中非线性 和色散哪一个占主导地位。1 时，色散起主要作用，n 1 的时候，非线性现象起主 要作用。n 1 时，色散和非线性现象同样重要。在光纤的反常色散区，s p m 所致啁啾为正， 且g v d 所致啁啾为负。在满足一定关系，即n = 1 时，这两种现象所产生的啁啾可以正好 相互抵消，形成基态孤子。在传输过程中，脉冲的形状和频谱都不发生变化。 当n 为其他整数时将会形成高阶孤子，这种情况下孤子脉冲将发生周期性的变化。变 化的周期称为孤子周期，如公式( 2 4 ) 所示 z o = 要厶 ( 2 4 ) 2 i ( 2 4 ) 在传输距离孤子周期的整数倍时，孤子恢复到初始脉冲的形状，呈现周期状的特征。 孤子最让人惊奇的能力是它的稳定性，即使不为整数的时候，或在传输过程中孤子 受到扰动的时候，它会如何变化。s a t s u m a 和y a j i m a 运用微扰理论对这个问题做过研究3 0 1 。 他们认为，当脉冲在光线中传输时，将自行调整其形状和脉宽以演变成孤子。在此过程中， 一部分能量将色散掉。也就是说，即使入射脉冲的峰值能量等初始条件不足以形成理论上 的孤子，它也会逐渐调整演变为孤子传输。当然其阶数必须满足条件 n=n+s h o 5 ( 2 5 ) 其中帮为最接近发射值的整数。利用逆散射的方法可以求出方程( 2 2 ) 精确解的形 式，在一阶孤子的情况下，可以得到基态解的一般形式为 “g ，r ) = r s e c h b g 一- r ，+ 瑟) 】e x p r ( 7 2 一万2 ) 三一r 衍+ z 九 ( 2 6 ) 从物理上讲，四个参量7 ，万，t 和九分别表示孤子的振幅、频率、位置和相位。设置合 南京i l j i ：也人学颁一l 研究生学位论文第二章高遮孤了通俯系统性能分析 适的载频，峰值的产生处r = 0 和s = 0 为起点，孤子的初始振幅z ，( o ，o ) = 1 等参数后，可以 将基态解的形式简化为基态孤子的标准形式 “g ，f ) = s e c 矗( f ) e x p ( z 兰) ( 2 7 ) 基态孤子解表明，如果一个脉冲宽度为死和峰值功率昂满足n = 1 条件的双曲正割脉 冲，在入射到无损的光纤中，脉冲将无畸变的传输。正是基态孤子这一特性，使得孤子在 通信系统中具有无穷的吸引力。脉冲宽度和峰值功率的条件很容易得出，即令n ：1 ，可 得 z 。 o ) ，脉冲前沿p o ) 的酗为负，向后沿面线性增大； 而在反常色散区饵 o ) ，则正好相反。 由于g v d 效应，脉冲的不同频率分量在光纤内以略微不同的速度传输，因而色散所 致脉冲展宽就很好理解了。更准确地说，在正常色散区红光分量较蓝光分量传输得快，而 在反常色散区则正好相反。仅当所有的频谱分量同时到达时，脉冲宽度才能保持不变。不 同频谱分量在传输过程中的任何延迟都将导致脉冲展宽。 2 1 3 高阶孤子 高阶孤子由基态孤子通解“g ，f ) = - 2 z _ ，2 ，描述。本征值刁，和留数c ，的不同组 ，= l 合，一般将导致孤子形式变化无穷。假定孤子关于f = 0 是对称的，留数和本征值有关系 g ，+ 刁。) l 刁，一刁七l ( 2 1 6 ) 这一条件选出所有孤子的一个子集，其中在f = 0 时，初始孤子形式如下的孤子特别重