（光学工程专业论文）高速光纤通信系统中交叉相位调制效应研究.pdf

电子科技人学硕卜论文 摘要 光纤通信系统正在向宽带、大容量的方向发展。密集波分复用技术作为目前 干线光纤通信应用的最广泛的方式，也得到了长足的发展。入纤功率的增加和 信道间隔的减小都导致了以前通常被忽略的非线性效应凸现出来，并成为光纤 通信容量进一步增长的限制。本文主要研究密集波分复用系统中的一种重要的 非线性效应交叉相位调制对系统性能的影响及减小其影响的方法，并研究 基于光纤中交叉相位调制的波长转换器。 本文首先介绍了光纤通信系统的仿真算法一一分步傅立叶方法及其改进形 式 辨介绍了本文中主要使用的仿真平台：v p i 公司的v p l t r a n s m i s s i o n m a k e r ( 原 名p t d s ，p h o t o n i ct r a n s m i s s i o nd e s i g ns u i t e ) 。f 在第二章研究了单信道4 0 g b p s 光纤通信系统的优化设计方案及色散补偿方案对系统性能的影响。 交叉相位调制是高速多信道光纤通信系统中考虑的一种主要的非线性效 应。它与色散共同作用，会导致接收端光脉冲的变形( 强度起伏) 、光脉冲的时 间抖动以及信道的频谱扩展，这些后果都会限制系统的性能。r 第三章针对交叉 相位调制效应进行了研究。衙先讨论了在不同色散管理方案下平均场方法的应 用，该方法在不降低仿真精度的情况下大大缩减了所需运算量。其次从理论上 推导了在色散管理系统中由于交叉相位调制与色散互作用引起的脉冲强度起伏 的滤波器模型，根据此模型得到了系统的优化色散补偿方案。通过仿真也研究 了波分复用系统中由于交叉相位调制效应引起的幅度抖动从而导致系统性能的 恶化；交叉相位调制引起的时问抖动对系统性能也有较大影响，利用拉格朗日 变分方法和统计分析的方法，第三章讨论了强色散管理归零码系统中交叉相位 调制引起的时间抖动。 尽管交叉相位调制对系统性能有较大影响，由于其非线性效应的瞬态响应 特性，在高速率全光信号处理方面它却有其独特的用处。，本文第四章研究了基 于色散位移光纤中交叉相位调制效应的波长转换器，得到了这种波长转换器的 些关键参数及这些参数对波长转换器性能的影响。 关键词 密集波分复用系统 交叉相位调制j 色散管理；波长转换器i 第 1 页 电子科技火学硕十论文 a b s t r a c t t h e f i b e r - o p t i cs y s t e m s a r e d e v e l o p i n g i n t ow i d e b a n d f i b e r - o p t i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t hh u g ec a p a c i t y a st h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o di nt h e b a c k b o n ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c h n o l o g yh a sm a d er e m a r k a b l ep r o g r e s s w i t ht h ei n c r e a s eo f t h ei n p u t p o w e r a n dt h er e d u c t i o no ft h ec h a n n e ls e p a r a t i o n ，n o n l i n e a re f f e c t s ，w h i c hh a sb e e n i g n o r e di nt h el o w b i tr a t el i n e a rs y s t e m s ，h a sd i s t i n g u i s h e di t s e l fa n dc a nn o tb e n e g l e c t e da n y m o r e t h i sw o r k m a i n l y s t u d i e st h ei n f l u e n c eo fc r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ( x p m ) o nd w d ms y s t e m sa n ds c h e m e st os u p p r e s st h ei n f i u e n c e i n a d d i t i o n ，a l l - o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r t e rb a s e do nx p mi no p t i c a lf i b e ri ss t u d i e d f i r s tt h e c o m m o n l y u s e d a l g o r i t h m s - - s p l i t - s t e p f o u r i e rm e t h o da n di t s e n h a n c e m e n ta r ei n t r o d u c e d ，a sw e l la st h es i m u l a t i o np l a t f o r mm a i n l yu s e di nt h i s w o r k - - v p l t r a n s m i s s i o n m a k e r b yv p i ( w i t h i t sf o r r n e rn a m ep t d s p h o t o n i c t r a n s m i s s i o nd e s i g ns u i t e ) t h e nt h eo p t i m a ld e s i g no fas i n g l e4 0 g b p s s y s t e ma n d t h ei n f l u e n c eo f t h e d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n o n s y s t e m sa r eg i v e n x p mi st h em a i n l yc o n s i d e r e dn o n l i n e a re f f e c t si nh i g h s p e e dw d m s y s t e m s w i t h d i s p e r s i o n ，x p mc a ni n d u c ei n t e n s i t yf l u c t u a t i o n sa n dt i m i n gj i t t e ro f t h ep u l s e s i nt h er e c e i v e r i tc a na l s oc a u s et h es p e c t r a ls p r e a d i n go f t h ec h a n n e ls ot h a tc r o s s t a l k i si n t r o d u c e d a l lt h e s ee f f e c t sp u tat i g h tl i m i to nt h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m s i n c h a p t e r3 ，x p mi si n t e n s i v e l ys t u d i e d f i r s t ，t h em e a nf i e l dm e t h o di s s t u d i e di n w d m s y s t e m s w i t hd i f f e r e n t d i s p e r s i o nm a p s b ye m p l o y i n gt h i s m e t h o dt h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i s g r e a t l y r e d u c e dw i t h o u t s i g n i f i c a n t s a c r i f i c eo ft h e a c c u r a c yo ft h er e s u l t s t h e nt h ef i l t e rm o d e li s d e d u c e dt od e s c r i b et h ei n t e n s i t y f l u c t u a t i o ni n d u c e db yx p mi nd i s p e r s i o nm a n a g e d s y s t e m s a c c o r d i n g t ot h i sm o d e l ， o p t i m a ld i s p e r s i o nm a n a g e m e n ts c h e m e sa r eg o t t h ea m p l i t u d ef l u c t u a t i o n a n d a c c o r d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni n d u c e db yx p m i sa l s os t u d i e dt h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h et i m i n gj i t t e rc a u s e db yx p mc a na l s oh a v eg r e a ti m p a c to n s y s t e mp e r f o r m a n c e b ye m p l o y i n gl a g r a n g i a nv a r i a t i o n a lm e t h o da n ds t a t i s t i c a l m e t h o d ，t h et i m i n gj i t t e rc a u s e db yx p m i ns t r o n gd i s p e r s i o nm a n a g e dr z s y s t e m s i s s t u d i e di nc h a p t e r3 a l t h o u g hx p m c a nc a u s es y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n ，i tf i n d ss i g n i f i c a n t a p p l i c a t i o n si na l l o p t i c a lh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n g ，s i n c ei t sr e s p o n s et i m ei sv e r y 第 1 i 页 电子科技火学硕十论文 s h o r t ak i n do f w a v e l e n g t hc o n v e n e r b a s e do i lx p mi nd i s p e r s i o ns h i f t e df i b e r ( d s f ) i ss t u d i e di n c h a p t e r4 ，w h e r et h e c r i t i c a l p a r a m e t e r sa n dt h e i ri n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c e o ft h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e ra r es t u d i e d k e y w o r d sd e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ；c r o s sp h a s em o d u l a t i o n d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t ； w a v e l e n g t h c o n v e r t e r 第l i i页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 心 签名： 9 ) 。由此可见，对于码率越高的系统，输入光功率需要越高以保证 一定的光信噪比，同时由于存在非线性效应，输入光功率又必须限制在一定值 之下。特别对密集波分复用系统，光纤中的总功率更大，由于自相位调制和交 叉相位调制与群速度色散相互作用，系统性能严重恶化。 p 地b m 图2 - 3 误码率与入纤功率的关系 第 1 4 页 电子科技人学硕十论文 图2 4 给出了输入光功率为1 0 d b m 时系统的误码率随色散补偿因子r 的变化 关系。由图2 5 可以看出，色散补偿因子对系统性能的影响不是很大，r 的取 值应接近0 或l ，此时系统有较低的信噪比。出于色散补偿光纤的有效面积小， 在相同的光功率下比普通单模光纤对光功率的变化更为敏感。而d c f i 中的光功 率没有经过衰减，其中的非线性效应较为显著，恶化了系统性能。从图中也可 以看出，当r ( o 15 和r o 7 时系统性能较好，而前者更为有利，图2 6 给出了 不同色散补偿因子下系统误码率随入纤光功率的变化情况。由图可知，当r 为0 时，系统在入纤功率为1 3 d b m 时达到最小误码率，此时由于d c f l 长度为0 ， 系统的非线性效应影响减弱。 表2 1 仿真系统的关键参数 参数名仿真使_ h j 值 比特率( g b s ) 中心频率( t h z ) d d c f ( p s k m ) d s m f ( p s k m ) d c f ( d b k m ) ( 1 s m f ( d b k m ) d c f 的有效面积( u m 2 ) s m f 的有效面积( “m 2 ) 放人器噪声系数( d b ) d c f 及s m f 的非线性折射率( m 2 w ) 接收端电滤波器带宽( g h z ) 4 2 6 1 0 2 0 2 8 m 舶 怕 拍 舳 生王型垫叁堂堡主堡苎 一 1 l 配 i 2 o 002040 60810 月 “ 图2 - 4b e r 随色散补偿因了变化曲线豳2 - 5q 值随色散补偿因子的变化曲线 图2 7 、图2 8 分别给出了系统的误码率和q 值随色散补偿比例c ，的变化情 况。由图可知，在单波长系统中，完全补偿时系统的性能最优。然而在波分复 用系统中，由于色散斜率的存在，各波长的色散量不同，因此很难将每个波长 的色散都完全补偿，所以研究欠补偿和过补偿情况下的系统性能在波分复用系 统中就是一个重要的问题。图2 - 9 给出了在不同的色散补偿因予情况下，系统的 误码率随色散补偿系数的变化情况。 图2 - 6 小刊色散朴偿因子下误码率齄入纤功率变化曲线图2 7 q 值随色敝补偿系数的变化曲线 文献 3 3 1 用数值仿真的方法预测了在高速光纤传输系统中采用归零码可以 比采用非归零码获得更好的系统性能，并得到公认1 3 4 】，1 3 5 】。图2 1 0 、2 - “分别给出 了系统的b e r 和q 值随归零码脉冲占空比的变化曲线。从图中可以看出，在脉 第 1 6 页 电子科技人学硕十论文 冲占空比为0 1 5 时系统有最佳的传输性能，随着脉冲宽度的增加，系统的性能 不断下降。这是因为脉冲越窄，其色散容限越大，对非线性效应的容限也越大。 但由于宽度越窄的脉冲具有越宽的频谱，在波分复用系统中必然需要更大的信 道间隔。所以在波分复用中采用何种归零脉冲是一个值得进一步研究的问题。 0 配 蛊5 ， o c ，c 图2 8 谟码率随色散补偿系数的变化曲线 | 芏| 2 94 i 可补偿凼rrb e r 随色散补偿系数的变化 图2 1 2 、2 一1 3 分别给出了不同单模光纤长度( 对应不同放大器间隔) 时系 统的误码率和q 值的变化情况。由图可见，在普通单模光纤长度小于1 2 0 公里 时，系统的误码率很低，传输性能很好。但当普通单模光纤长度大于1 2 0 公里 时，系统传输性能快速下降。在设计多段光纤传输系统时普通单模光纤的长度 宜选为8 0 至1 2 0 公里。 瑚 图2 1 0 误码率随归零码脉冲占空比的变化曲线 册 图2 - 11o 值随归零码脉冲占空比的变化曲线 掌握了系统各关键参数对系统传输性能的影响之后，我们根据这些参数设 计了一个传输距离为9 2 8 公里的长距离传输系统。系统由9 段前文提及的模块 构成，普通单模光纤长度为1 0 0 公罩，入纤功率为1 0 d b m ，脉冲占空比为0 1 5 ， 色散补偿因子为0 1 5 ，色散补偿系数为1 。系统的误码率为7 1 0 “o ，q 值为6 2 。 接收信号的眼图如图2 - 1 4 所示。 第 1 7 页 4 8 匣叫一 电子科技大学硕十论文 图2 1 2 误码率随单模光纤长度变化曲线图2 - 1 3q 值随单模光纤长度变化曲线 2 4 结论 本章首先从光脉冲在光纤中传输的基本方程( 2 一1 ) 出发，研究了光脉冲在 光纤通信系统中传输的研究方法。通常，作为伪频谱法的一种，分步傅立叶方 法由于采用了快速傅立叶变换f f t 从而比有限差分法有更快的运算速度，同时 也具有较好的计算精度。为了进一步提高分步傅立叶方法的精度，可以采用改 进的分步傅立叶方法，如对称分步傅立叶方法等等。在某些特殊的场合，如飞 妙( f s ) 脉冲在光纤中的传输，为了得到有较高精度的解，则最好采用有限差分 法。 色散和菲线性效应是高速率光纤传输系统中要考虑的两个最主要的因素。 太小的色散将导致非线性效应的影响更大，太大的色散则导致光脉冲的展宽， 从而发生符号问干扰，都会严重影响系统性能。本章第二部分用数值仿真的方 法在忽略色散斜率和偏振模色散的情况下对系统各关键参数对系统传输性能的 影响进行了研究。仿真结果表明，入纤功率在8 1 2 d b m 之间时系统的误码率较 低，小于8 d b m 时由于不能获得足够的光信噪比而使系统误码率提高，大于1 2 d b m 时由于非线性效应影响严重也会降低系统性能。在单波长系统中色散应完全补 偿补偿，宜采用少量预补偿( 即色散补偿光纤模块位于普通单模光纤之前) ，因 为色散补偿光纤具有较小的有效面积，光功率密度较大，更容易发生非线性效 应。少量色散补偿光纤则可以使信号具有小的啁啾，对信号的传输反而有利。 如果将色散补偿光纤模块置于普通光纤之后，进入色散补偿光纤的光功率已经 有较大衰减，非线性效应大大减弱，系统性能更优。脉冲占空比为0 15 也即脉 冲宽度为3 7 5 皮秒时系统的性能较好，随着脉冲占空比的增加，系统误码率不 第 1 8 页 电子科技人学硕士论文 断增大。 图2 * 1 4 入纤功率1 0 d b m 、色散补偿因了0 15 、色散完全补偿脉冲占空比 为0 1 5 、传输距离9 2 8 公里后信号的眼图 第 1 9 页 电子科技人学硕士论文 第三章多信道高速光纤通信系统中交叉相位n * l l 效应研究 3 1 研究背景 上一章讨论了光脉冲在光纤中传输的数值计算和单信道4 0 g b p s 光纤通信系 统的性能，本章将重点讨论密集波分复用光纤通信系统中的相关问题。不断增 加的信道比特率和信道数都直接导致了光纤入纤功率的提高，在低速率光纤通 信系统和单信道光纤通信系统中不是很明显的非线性效应开始凸现出来。交叉 相位调制就是其中的一种比较重要的非线性效应。 八十年代中后期，人们热衷于研究相干光通信系统。由于相关光通信系统 中携带信息的量并不是光的强度，而是光的相位( 或者频率) ，所以任何不希望 出现的相位的扰动都会对系统造成巨大的影响，人们开始对交叉相位调制对光 纤通信系统的影响进行研究o 。相反，对于强度调制直接解调的光纤通信 系统，光的相位并不携带信息，人们认为交叉相位调制不会影响这种系统，故 很少有人进行这方面的研究。直到1 9 9 2 年w a n g j 得到了色散煤质中光源的相位 漂移对接收端光信号的幅度的影响关系，人们开始意识到在色散系统中，交 叉相位调制引起的相位变化也会导致光信号幅度的变化，从而影响强度调制一 一直接解调光纤通信系统的传输性能，从此人们开始了对交叉相位调制的大量 研究。 人们从多个角度展开了对波分复用系统中交叉相位调制效应的研究。交叉 相位调制会导致接收端光脉冲的变形，也会导致信道频谱的展宽，还会导致信 道的时间抖动，这些效应都会对波分复用系统产生十分不利的影响。本章将主 要对波分复用系统中的交叉相位调制效应进行研究。 文献 3 7 1 中证明了光源的相位噪声通过光纤的色散转化为强度噪声从而影 响强度调制一直接解调( i m d d ) 光纤通信系统的性能，引起了人们对i m d d 通信系统中交叉相位调制的研究。为了计算方便，大部分研究均假定干扰信道 ( 也就是已经调制过的信号) 不受自相位调制和另一信道的交叉相位调制的影 响，也就是其波形在传输中保持不变，同时连续波信道也不受自相位调制的影 响。t i n g - k u a n gc h i a n g 等人1 4 3 j 研究了被调制信号的调制频率对色散光纤中交叉 相位调制的效率的影响，发现在较高调制频率时，交叉相位调制指数与波长问 隔和调制频率的乘积成反比，并得出了在高码率的波分复用系统中，交叉相位 调制的影响应该比低码率的系统更小。r o n g q i n gh u i 等人 4 4 1 考虑了色散的影响 第 2 0 页 电子科技大学硕十论文 后，发现由相位调制导致的强度调制特性具有高通的特性。由此可见，在高码 率的波分复用系统中交叉相位调制效应也非常严重。d m a r c u s e 等人的研究p w 表明在波长间隔足够宽的时候，两个波长信号之间的影响可以忽略，并由此推 断交叉相位调制不会限制光纤中可用的波长数目。g i o v a n n ib e l l o t t i 等人在【4 5 1 的 基础上建立了一个滤波器模型来描述交叉相位调制，并得到了广泛的应用。 r i k i l l e y 等 4 6 1 应用此滤波器模型通过一个简化方法得到了交叉相位调制对波分 复用系统性能的影响，并估算出系统的误码率。目前对交叉相位调制的研究集 中在研究此效应对整个波分复用系统性能的影响和如何克服这种不良的影响从 而提高系统性能。 本章首先介绍光纤中的非线性效应，然后研究了一种波分复用系统的简化 分析算法平均场方法在不同色散管理方案下的应用。第四节研究了色散管 理系统中由于交叉相位调制导致的接收端光强度起伏的滤波器模型，第五节在 仿真平台v p l t r a n s m i s s i o n m a k e r 上研究了交叉相位调制对波分复用系统的影响 及优化色散管理方案，最后一节中采用拉格朗日变分方法研究了由于交叉相位 调制引起的信道的时间抖动。 3 2 光纤中的非线性效应 与其他任何电介质一样，光纤在商强度电磁场中对光的响应也会变成非 线性。电偶极子的极化强度p 对于电场e 是非线性的，满足： p = 【z 1 e + z 2 1 ：e e + z 3 i 髓e + 】 ( 3 1 ) 式中岛是真空中的介电常数，z u ( j 一1 ，2 ，3 ，) 为，阶电极化率，考虑 到光的偏振效应，z 7 是一个，+ l 阶张量。线性电极化率z 1 对p 的贡献是主要 的。二阶电极化率z 2 则对应二次谐波的产生，和频运转等非线性效应。然而z ( 2 只在某些分子结构非反演对称的介质中才不为零。因为丽d 分子是对称结构， 因而对石英玻璃z 姑等于零。所以光纤中通常不讨论二阶非线性效应：但纤芯中 的掺杂物在某些条件下将对二次谐波的产生发生影响，从而在光纤中激发微弱 的二阶非线性效应。光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶电极化率z ( 3 ) ，它是 引起注入三次谐波产生、四波混频以及非线性折射等现象的主要原因。 光纤中大部分非线性效应包括本章要重点研究的交叉相位调制都起源于非 线性折射率。而折射率与光强有关的现象是由z ( 3 引起的，光纤中折射率可以表 示为 n ( c o ，l e l 。) = n ( c o ) + 嘞吲1 ( 3 2 ) 式中n ) 是对应于线性电极化率的部分，l e l 为光纤内的光强，n 2 是与z o 有关 第 2 l 页 生型堡叁堂堕主丝苎 一 的非线性折射率系数。 折射率对光强的依赖关系直接导致了已经被大量研究的自相位调制和交叉 相位调制。自相位调制是指光场在光纤中传输时光场本身引起的相移而交叉 相位调制是指当一个光场传输时，与其同向传输的不同波长的光场引起的非线 性相移。对于不同波长的光场沿保偏光纤的个主轴方向线偏振并在传输过程 中保持偏振念不变的情况，可以看作波分复用光纤通信系统的简化情况( 偏振 态相同且在传输过程中保持不变) ，其耦合方程可以写为”： i o a l + 去等+ 弘等+ 号1 4 j 2 + zj 咖z ( 3 3 ) 娑+ 士丝+ 三岛：尝+ 堕4 = i t 2 t l a ：1 2 + 2 1 a 胁( 34)a 出v 。t 2 o t 。2 “”。 其中v 。( i = 1 ，2 ) 表示光束i 的群速度：屈，( i = 1 ，2 ) 表示光束i 的色散参数； 口，( i = 1 ，2 ) 表示光束i 的损耗系数：爿，( i = l ，2 ) 表示光束i 的振幅函数； y ，( i = l ，2 ) 表示光束i 的非线性系数。通常情况下，求解( 3 3 ) 和( 3 4 ) 时假定两光波的有效模场面积相同，但由于非线性系数还与光波的频率有关， 所以通常情况下，两光波的非线性系数不相等。由上面的方程组还可以看出， 两光波将以不同的群速度在光纤中传播。由于不同信道的光脉冲传播速度不同 而造成脉冲在空间上的相对位移称为走离效应，走离效应很大程度上减少了交 叉相位调制的影响，在波分复用系统的分析中起到了非常重要的作用。 3 3 用于不同色散管理w d m 系统中的平均场方法 如前所述，对光脉冲在光纤中的传输人们通常都采用分步傅立叶方法， 在频域内计算色散等线性效应，在时域内计算非线性效应。然而当信道数n 增 大时，分步傅立叶方法的计算量将大大增加。粗略地说，可以认为这种方法的 计算量按与n 2 成正比的速度增长，其原因在于：1 系统带宽随n 增大而增大， 在计算时仿真窗口需要相应地减小；2 由于信道数目增多，为了能反映由于色 散而导致的信道走离效应，也需要相应减小仿真中的步长。由以上分析可以看 出，对于宽带大容量的密集波分复用系统，如果采用分步傅立叶方法而不采用 任何加速算法，将会非常的耗时。为了在保证计算精度的同时提高运算速度， 为了在保证仿真精度的同时加速仿真速度，t y u 等人。”3 提出了一种简化的仿真 方法平均值方法。这种方法的基本思想是在一个多波长系统中，一个波长 信道受到的最严重的影响总是来自于与它最相邻的那些信道。由于局部色散的 存在波长间隔大的信道之间只通过平均强度来发生相互影响。所以就可以只对 第2 2员 电子科技人学硕十论文 与目标信道( 待考察信道) 相隔较近的波长信道进行全时域的仿真而将其他信 道视为连续波进行仿真，从而达到在不影响仿真结果的同时加快运算速度。t y u 等人”】用此方法对单通道速率为1 0 g b p s 的波分复用系统进行了仿真，得到了临 界波长间隔为1 5 n m ，在此间隔内的信道应该进行全时域仿真，而在此间隔外的 信道可以用连续波代替。但在他们的分析中没有考虑系统色散管理方案对此波 长问隔的影响。由于色散会影响非线性效应( x p m ，f w m 等) 发生的效率，可 以预见不同色散方案下临界波长i t 日j 隔将不一样。我们在采用两种不同色散管理 方案的单通道速率为4 0 g b p s 的波分复用系统中用此方法进行仿真，发现仿真的 时间大大缩短，而且在不同的色散管理方案中临界波长间隔值不一样，在具有 较大局部色散的系统中临界波长间隔值比具有较小局部色散的系统中的临界波 长间隔值小，与理论分析一致。 事实上，我们注意到在我们使用的仿真软件平台v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r 中已 经采用了这种平均场方法。在改软件平台上有一种信号格式是p s ( p a r a m e t e r i z e d s i g n a l ) ，这种信号中只携带了改信道的平均强度信息而不包含其他相位信息， 被广泛应用在放大器的仿真分析之中。在超宽带的大容量波分复用系统中也得 到了应用。 3 3 1 理论分析 光脉冲在光纤中的传播可以用下式来描述 f 罢一冬害+ 伽圳“1 2 “：o ( 3 - 5 ) 西一芎矿+ 2 伽 i “1 1 刨 其中u ，z ，t ，口，分别代表信号波形的包络，传输距离，经延迟的时 间，群速度色散参数，损耗系数，克尔系数。对于有m 个信道的波分复用系统， 有下式 “：“。e x p f 肼鲥+ 昙( 脚脚) 2 ”z 】) ( 3 - 6 ) 其中是信道频率间隔。所以对一个5 个波长的系统，中心信道可以由下式描 述： ，警一譬争+ 吾黝。圳州2 u o + 2 r 一2 岫h h 门” r ( u ( u ：+ “! l “：2 ) e x p ( i 6 k i z ) + 2 r u 一】u l “：e x p ( i b k 2 z ) + r _ 2 “2 “：e x p ( i s k 4 z ) + 2 r ( u 一1 “2 “：+ “一2 “1 ：、) e x p ( i & 3 z ) = 0 ( 3 _ 7 ) 第2 3页 屯子科技大学硕士论文 其中况= 一( a o j ) 2 ，戤= ( 缈) 2 ，厨3 = 2 ( 脚) 2 a n d 甄= 4 ( a c o ) 2 。可 以看出当群速度色散和信道间隔增大时，四波混频( f w m ，f o u rw a v em i x i n g ) 项随传输距离衰减振荡，同时还可以看出随着m 的增大，四波混频项迅速增多。 同时，( 3 - 7 ) 式左边第五项代表其他几个信道对中心信道的交叉相位调制( x p m ， c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 效应。当两个信道间隔很大时，由于色散的存在，两个 信道传输速度相差较大，导致交叉相位调制发生作用的有效长度很短，此时这 种效应可以忽略。”1 。我们将通过计算机仿真验证这一结论。注意到两个信道传 输速度的差异与光纤的色散有关，不同的系统由于色散分布不一样，各信道之 间的相互作用也呈现不同的特征。本文将对不同色散管理系统进行仿真，仿真 结果与理论分析一致。 基于以上分析，有下式： 其中u 。表示所有落在与目标信道的间隔小于临界间隔的信道，u ，表示系统中除 了u c 的所有信道。我们可以忽略u ，对目标信道的影响而将它们当作连续波处理， 同时对u 。进行全时域仿真以包括其对目标信道的影响。这样，( 1 ) 式可以改写 为： 睾一等等t 叫巾j 2 r l u , 。= 。 9 ) 可以看出要考虑的信道数目已经减少，从而可以节约计算时间。在下一节将给 出本文采用的仿真模型以及仿真结果。 3 3 2 仿真环境与结果 我们在商用软件平台v p l t r a n s m i s s i o n m a k e r 上进行仿真，系统模型 如下所示。 图3 - 1仿真的系统模型( o a 表示光放大器) 我们在仿真中考虑了两种色散管理方案。第一种由1 0 公里的色散为 第2 4页 电子科技人学硕十论文 1 6 p s n r n k m 的普通单模光纤( s m f , s i n g l em o d ef i b e r ) 和8 0 公里色散为 一2 p s n m k m 的色散位移光纤( d s f , d i s p e r s i o ns h i f t e df i b e r ) 组成。为了方便下 文中我们将这种色散管理方案称为方案l 。第二种由6 0 公里的色散为1 6 p s n m k m 的s m f 和1 0 公里色散为一9 6 p s n m k m 的色散补偿光纤( d c ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nf i b e r ) 组成。在下文中将这种方案成为方案2 。在这两种方案中， 1 9 3 1 t h z 处的色散均完全补偿，传输过程中所有的损耗( 每种光纤均假定为 0 2 d b k m ) 都通过调节光放大器的增益完全补偿。为了突出我们要讨论的问题， 仿真中没有考虑放大器的噪声。在放大器后我们用光滤波器选出要考虑的目标 信道( 中心波长为1 9 3 1 t h z ) 。光滤波器的带宽设为比特率的两倍。在整个仿 真过程中我们都采用4 0 g b s 的非归零码，平均入纤功率均设为1 0 d b m 。所有光 纤的色散斜率均假定为0 0 8p s k m n m 2 。 首先考虑两个波长的系统从而研究两个波长之i 剐的干扰程度与波长日j 隔的 关系。对方案1 ，当波长阳j 隔为0 8 n m 时，两个信道之间干扰很严重，这可以 从图3 2 ( a ) 所示的目标信道信号眼图看出。当信道间隔增至2 n m 时，信道间 的干扰几乎完全消除。图3 2 ( b ) 给出了此时的信号眼图，图3 - 2 ( c ) 给出了 将干扰信道换成连续波时的信号眼图。可以看出，这两种情况下眼图几乎没有 区别。 对方案2 ，当信道间隔为0 6 4 n m 时，从图3 3 ( a ) 可以看出两信道存在明 显的干扰。图3 3 ( b ) 给出了当信道削隔为1 4 4 n m 时目标信道的眼图，图3 3 ( c ) 给出了当信道间隔为1 4 4 n m 时将干扰信道换为连续波得到的目标信道的 眼图。从这里我们可以看出为了消除信道之间的干扰，方案2 比方案l 需要更 小的信道间隔。因为信道之间的干扰主要源于非线性的干扰( f w m ，x p m ) ，方 案2 由于有较大的局部色散从而可以更为有效的抑制非线性效应。因此在进行 高速波分复用系统设计时，为了抑制信道间的非线性干扰，应该采用局部色散 较大的色散管理方案。 接下来我们对一个波长问隔为1 0 0 g h z l 6 波长的系统中进行了仿真。首先对 各个波长均采用全时域模拟，得到方案l 下信号眼图如图3 - 4 ( a ) ，方案2 下信 号眼图如图3 5 ( a ) 。根据前面的仿真结果，我们将大于临界波长间隔的信道用 连续波替代( 对方案l ，临界波长间隔为2 n m ，对方案2 ，临界波长间隔为1 4 4 n m ) ， 仿真后的眼图如图3 - 4 ( b ) ( 方案1 ) 和图3 5 ( b ) ( 方案2 ) 所示。 第 2 5 页 生型垫叁堂堡主造塞 图3 - 2 方案1 各种情况下目标信道的信号眼图图3 - 3 方案2 各种情况下目标信道眼图 f a l信道问龋为08 n m ( b ) 信道问隔为2 n m( a ) 信道问隔为0 6 4 r i m ( b ) 信道间隔为i4 4 n m c 1 信道间隔为2 n m 干扰信道为连续波 ( c ) 信道间隔为1 4 4 r i m ，干扰信道为连续波 图3 - 4 方案1 备种情况下的h p i 訇( 1 6 波长) 图3 - 5 方案2 各种情况下的眼图( 1 6 波长) ( a )全时域模拟得到的眼图 ( b ) 用平均场方法得到的眼圈 第2 6页 ( a ) 全时域模拟得到的眼圈 ( b ) 运用平均蝎方_ i 击得到的眼凋 电子科技人学硕十论文 在本文中，我们在波分复用系统的仿真中引入了平均场方法。这种方法不 同于传统的仿真方法，它不对所有信道都进行全时域仿真，只对小于与目标信 道波长间隔小于某临界波长间隔的信道进行全时域仿真，而将其他信道视为连 续波，大大提高了仿真速度。我们通过数值仿真在两种不同的色散管理系统中 研究了这种仿真方法，得到了两种色散管理系统中的临界波长间隔。对典型的 s m f + d s f 系统，i 临界波长间隔为2 n m ，而对于s m f + d c f 系统，临界波长间隔 为1 4 4 n m 。由于局部色散在非线性效应中起重要作用，我们将这种i 临界波长间 隔的不同归结为这两种系统具有不同的局部色散。仿真结果证实了平均值仿真 方法的有效性并对w d m 系统的设计有指导意义为了抑制高速波分复用系 统的非线性效应从而提高系统的总传输容量，最好采用具有较大局部色散值的 色散管理方案。 3 4 色散管理系统中交叉相位调制的强度滤波器模型 从色散的角度讲，对于一个高速光纤通信系统我们希望系统有尽可能小的 色散量；但色散减小后，由于相位匹配更容易实现从而使非线性效应增强，会 对系统性能造成影响，从这个角度讲，又需要光纤有较大的局部色散从而有效 抑制非线性效应的产生。所以，在进行系统设计时，经常采用较大的局部色散 但同时又使整个系统的积累色散量比较小来达到色散补偿和非线性效应抑制的 目的。这就是所谓的色散管理的概念。色散管理不仅仅包括色散补偿方案的确 定和色散补偿器件的选择，更包括光纤链路本身色散量的确定和色散补偿器件 放置位簧的优化。在这些方面都已经进行了大量的工作。a k i h i d es a n o 等人的研 究结果表明【2 ”，对于压制自相位调制效应( s p m ) 设计的最优色散方案对于交 叉相位调制方案( x p m ) 并非最优，通过将色散管理与预啁啾技术结合起来可 以达到同时压制s p m 和x p m 的目的，并在4 0 0 米长的非零色散位移光纤上试 验了一个通道间隔为2 5 0 g h z 的4 4 0 g b s 的系统。b e a t ek o n r a d 等人采用后补 偿的方案得出结论【2 6 】：在4 0 g b s 系统中采用非零色散位移光纤系统性能较好， 而在1 6 0 g b s 系统中采用标准单模光纤可以得到更好的传输性能。r ，j n u y t s 等 人的研究表明1 4 ，由于存在自相位调制，系统的色散不应该被完全补偿，而应 该采用欠补偿( u n d e r c o m p e n s a t i o n ) 方案。同时，在波分复用系统中由于色散斜 率的存在也不可能对每个波长都完全补偿l 。s e n f a rw e n 等人研究了m 恫期性 过补偿和欠补偿的系统，在接收机内通过后补偿来孙德糖寨色散。结果表明这 第 2 7 页 皇型丛查堂堡主丝苎一 种系统具有较佳的传输性能。 波分复用系统信道速率的提高和信道间隔的减小受到光纤非线性效应的制 约f 1 。在波分复用传输系统中对系统性能影响较大的非线性效应包括自相位调 制，交叉相位调制和四波混频( 对宽带的波分复用系统，受激拉曼散射的影响 也不可忽略) 。四波混频效应是参量过程，其有效产生需要相位匹配条件，在具 有较大局部色散的系统( 如g 6 5 2 光纤通信系统) 中可以忽略。对高速率的密集 波分复用系统，交叉相位调制成为减小信道间隔和提高单信道通信速率的个 严重限制，从而吸引了人们广泛的注意1 4 “”j 。 文献1 47 j 用实验研究了系统中各种参数对交叉相位调制引起的强度起伏的影 响。文献【4 4 j 从理论上研究了一束单频连续波和一束正弦调制波在光纤中同时传 输时连续波强度起伏与系统各参数的关系。色散补偿被证明为一种能有效减小 交叉相位调制的方案1 2 ”，然而却少见关于色散补偿减小交叉相位调制的理论证 明。本节在小信号假设下，运用”5 j 中的思路得到了各种色散补偿方案下表征交 叉相位调制的强度滤波器模型，研究了在不同色散补偿方案下的强度滤波器模 型，以及色散补偿程度对该强度滤波器的影响，从而可以对色散补偿系统进行 快速性能估计，寻找优化色散补偿方案。 3 4 1 恒定色散系统中的理论模型 设a j ( z ，t ) j = l ，2 分别为两束光波的缓变归一化复包络，则p j ( z ，t ) = ia j ( z ，t ) 1 2 为瞬时光功率。如果光纤的群速度色散对两束光波的缓变包络形状影响很小， 只使两束光以不同的群速度传输，对两束光波在光纤中的传输可以用非线性薛 定谔方程来描述： 誓+ 竺 竺= i r j ( 批i2 m ( 3 - - 1 0 ) 2 0 t出 v 。 、i i 。7 其中j ，k = 1 ，2 ，j v k ；口是光纤的损耗系数；为第j 束光波的群速度；i 为 虚数单位；7 ，= ( 2 万”2 ) g 一) 为非线性系数，其中n ：为光纤的非线性折射率系 数，五，为第j 束光波的波长，a e f f 为光纤的有效芯区面积。方程的右边两项则 表示由于光纤的非线性折射率而产生的附加相位项，第一项对应光纤的自相位 调制效应，第二项对应光纤的交叉相位调制效应。方程( 1 ) 的解可以表达为 似f ) = a j ( 0 卜e x p ( 半) e x p 【f 北 ( 3 州) 第 2 8 页 电子科技人学硕十论文 其中 州叫一 生掣卜，吲2q 卜，一z ，卜z 皿 ( 3 1 2 ) 是由自相位调制