（光学工程专业论文）wdm光纤通信系统中非线性影响及其仿真研究.pdf

哈尔滨1 二程大学硕+ 学位论文 摘要 随着科技的飞速发展、信息时代的到来，信息的传输变得越来越重要。 光纤作为众多传输介质中的一种有着其它介质不可替代的优越性。它传输容 量大、传输带宽宽、抗干扰能力强。波分复用( w d m ) 和掺饵光纤放大器( e d f a ) 的结合应用是充分挖掘光纤带宽能力，实现大容量、高速率、长距离通信的 最佳手段。一直以来，光纤损耗、色散和非线性效应是三个限制光纤传输系 统性能的重要因素。由于e d f a 的实用化，光纤损耗对系统的限制已不是重 要的因素了；同时，色散管理和色散支持技术可以有效地改善色散对系统性 能的限制。但是，随着光纤中信道数的增多、光功率的增加，已经使光纤非 线性效应成为影响系统性能的主要因素。所以。研究有损耗、色散、非线性 的多信道w d m 通信系统的传输情况对于分析光纤非线性效应、提高光纤传 输容量、改善w d m 通信性能有着重要的理论和实践意义。 本文讨论了各种光纤非线性效应的成因、特性及其对w d m 系统传输性 能的影响。着重研究光纤中非线性效应( x p m ，f w m 和s r s ) 对多信道w d m 光纤传输系统性能的影响，并对这几种非线性影响进行了仿真分析，得出了 可供估计这些效应影响程度的示意图，提出了抑制其影响的方案和建议。 关键词：光纤通信；受激喇曼散射：交叉相位调制；四波混频 哈尔滨一r 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es i g n i f i c a n td e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dt h e c o m i n go fi n f o r m a t i o ne r a ，t h et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t o p t i c a l - f i b e r , a so n eo ft h em a n yt r a n s m i t t i n gm e d i a s ，h a sa n u m b e ro f a d v a n t a g e s t h a t c a n n o tb e s u b s t i t u t e d h i g h c a p a c i t y a n d w i d e - b a n d w i d t ha n ds t r o n ga n t ij a m m i n gc a p a b i l i t ya r ea l l i t sc h a r a c t e r i s t i c s t h e t e c h n o l o g yo fw d mc o m b i n e dw i t he d f ac a n t a k ef u l l a d v a n t a g e o ft h e c a p a b i l i t yo ff i b e r s ，b e i n gao p t i m u mm e t h o dt or e a l i z eh i g h - c a p a c i t y , l o n g h a u l ， h j 曲s p e e dc o m m u n i c a t i o n s f o it h el o n gt i m e ，t h ea t t e n u a t i o n ，d i s p e r s i o n a n d n o n l i n e a r i t yo ff i b e r sa r et h r e em a j o rl i m i t a t i o n st of i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b e c a u s eo fu s i n ge d f a ，t h ea t t e n u a t i o no ff i b e r sw a sa l r e a d yn o ta ni m p o r t a n t t r a n s m i s s i o nl i m i t a t i o n a tt h es a m et i m e ，d i s p e r s i o n m a n a g e m e n t s a n d d i s p e r s i o n s u p p o r t e dt e c h n i q u e s c a nb eu s e dt o i m p r o v ew d ms y s t e m p e r f o r m a n c e se f f e c t l y h o w e v e r , f o l l o w i n gt h en u m b e ro f 。c h a n n e l si nt h eo p t i c a l f i b e ri n c r e a s e d ，n o n l i n e a re f f e c to ff i b e rh a sa l r e a d yt ob ea ni m p o r t a n tf a c t o r w h i c ha f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m t h e r e f o r e ，s t u d y i n go nt h et r a n s m i s s i o n s y s t e mo fm u l t i c h a n n e lw d mt h a t 丽t ha t t e n u a t i o n ，d i s p e r s i o na n dn o n l i n e a r i t y e f f e c t se x i s tc a nh e l pt oa u g m e n tf i b e rc a p a c i t ya n di m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o n q u a l i t y t h i sh a sa b s o l u t e l ys i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lm e a n i n g s t h i s a r t i c l ed i s c u s s e dt h eo r i g i na n dc h a r a c t e r i s t i co fe a c hk i n do fo p t i c a l f i b e rn o n l i n e a re f f e c t ，a l s ot h e i n f l u e n c et ow d ms y s t e mt r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e t h en o n l i n e a re f f e c t ( x p m ，f w ma n ds r s ) t ot h em u l t i c h a n n e l w d m o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e 。si n f l u e n c ew a sr e s e a r c h e d a n dt h e s ei m p a c t so ft h e s et y p e so fn o n l i n e a re f f e c tw e r es i m u l a t e d t h ed i a g r a m w h i c hc a nb eu s e de s t i m a t et h ei m p a c to ft h e s et y p e so fn o n l i n e a re f f e c tw a s 哈尔滨j 二程大学硕十学何论文 o b t a i n e d t h ep l a na n dt h es u g g e s t i o nw h i c hi n h i b i tt h e s ei m p a c t sh a db e e n p r o p o s e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：o p t i c a l - f i b e rc o m m u n i c a t i o n ；s r s ；x p m ；f w m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 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。 作者( 签字。) ：之1 堕塞 日期：妒彤年弓月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 光纤通信的发展 第1 章绪论 自从七十年代起，光纤以其巨大的带宽潜力和很高的抗干扰能力而得到 了前所未有的发展。光纤通信的发展大致经历了以下几个时代： 在1 9 7 5 1 9 7 6 年以前被认为是光纤通信的第一个时代，这一代通信技术 的特征是：光源是短波长( 8 5 0 r i m ) 的，光纤是多模的，实用化系统是1 9 7 6 年 完成的，使用8 2 0 n m 波长的a i g a a s 激光器，p c m 三次群信号，传输码速为 4 5 m b p s ，这种系统很快得到推广。与此同时人们又发现，在1 3 0 0 r i m 波长处 石英光纤材料的色散趋于零，而且损耗更低，可达o 5 d b k m 。这样就为光纤 通信开辟了第二个窗口一一长波长窗口。进而人们又先后研制成功长波长的 激光器( i n o a a s p 器件) 和探测器( a p d 和p i n 器件) 。到1 9 8 2 年由这种长波长 器件与多模光纤结合，中等码速的光通信系统得到推广，这就是第二代光纤 通信，又简称长波长多模光纤时代。第二代系统的传输码速与距离都优于第 一代的短波长( 8 5 0 r i m ) 多模光纤的系统，因此第二代系统很快取代了第一代系 统。 从1 9 8 2 年起人们又开始了新的实验尝试：将长波长器件与单模光纤结 合，组成可传输更高码速的通信系统，典型的码速为6 0 0 m b s ，中继距离达 3 0 k m ，这种系统的研制成功和推广应用标志着光纤通信的发展进入第三代。 但第三代光纤传输系统的中继距离受限于光纤在1 3 0 0 n m 波长上的损耗( 典型 值0 4 d b k m ) 。光纤的最小损耗位于1 5 5 0 n m 波长附近，1 9 7 9 年实现了在该 波长位置上0 2 d b k m 损耗的光纤，但由于在1 5 5 0 m 波长上光纤具有较大的 色散，使得第三代光纤通信迟迟实现不了。八十年代里人们通过使用在 1 5 5 0 n m 波长附近具有最小色散的色散位移光纤或控制激光器光谱，使其单 纵模工作而获得解决。 哈尔滨一l ：程人学硕十学位论文 第四代光纤通信系统以频分复用增加速率和使用光放大器增加中继距离 为标志，这种系统有时采用零差或外差方案，称为相干光波通信系统。采用 直接检测的方式，己经实现了在2 - - 5 g b s 速率上传输4 5 0 0 k r n 和1 0 g b s 速 率上传输1 5 0 0 k m 的结果。 目前，人们已经涉足第五代光纤通信系统的研究和开发，这种系统基于 一个基本概念一一光孤子，即由于光纤非线性与光纤色散相互抵消，使光脉 冲在无损耗的光纤中保持形状不变地传输现象。1 9 8 9 年，掺饵光纤放大器开 始使用于光孤子放大，此后许多系统实验都证实了光孤子通信的可能性。 1 2 光纤通信系统 光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统，在光发送 端有产生光载波的光源，并将电信号转变为光信号；在光接收端有光电检测 器将光信号转变为电信号。光纤通信在技术上和经济上都具有极大的竞争能 力，因此在信息社会中将发挥越来越重要的作用。光纤可以传输数字信号， 也可以传输模拟信号。因此在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它 数据传输系统中，都得到了广泛应用。 1 2 1 光纤通信系统的组成 光纤导光的基本原理是光纤的全反射原理。当入射光线的入射角大于由 芯径和覆层折射率所决定的一个特定临界角时，所有入射光都能被光纤的侧 壁所反射而无损耗的不断向前传输，形成了全反射光。光纤就是利用这个原 理在芯径中传输光信号的，也就是说利用光纤来承载通信信息的最基本的光 纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包 括所有的信号源，它们是话音、图像、数据等业务经过信源编码所得到的信 号。光纤通信系统的组成如图1 1 所示。 光发射机的功能是把待传输的电信号转换为光信号，光源组件自带尾纤， 把它与光缆传输线的一端用活动连接器耦合，把光信号最大限度的注入光纤 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 线路。光发射机由光源驱动器和调制器组成。光源是发射机的核心，目前广 泛使用的光源有半导体发光二极管( l e d ) 和半导体激光二极管( 或称激光 器) ( l d ) ，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈( d f b ) 激光器。有些场合 也使用固体激光器。光纤根据其传输模式的不同而分为多模光纤和单模光纤， 现在长距离的传输一般多采用单模光纤。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤 连接器组成。光纤是主体，接头和光纤连接器是不可缺少的器件。光缆是由 多根光纤组成的传输线，它的功能是把光发射机的信号经远距离传输后，再 藕合到光接收机中。它的两个主要参数是衰减和色散。 驱光 光 判 动 源 卸卜咿 检 决光 光 再源 司卜旷 检 放 测测 大 生 光发射机中继机光接收机 图1 1 光纤通信系统的组成 光接收机的功能是把光缆传来的光信号经光检测器转换为电信号，再把 这个微弱信号放大和均衡，从而恢复出所发送的信息比特。光接收机由光检 测器、放大器和相关电路组成。光检测器是核心，目前广泛使用的有在半导 体p n 结中加入本征层的p i n 光e g - 极管( p i n p d ) 和雪崩光电二极管( a p d ) 。 中继机的功能是补偿光的衰减，对失真的脉冲信号进行整形。当光信号 在光纤中传输一定距离后，光能衰减，从而使信息传输质量下降。为了克服 这一缺点，在大容量、远距离光纤通信系统中，每隔一段距离设置一个中继 器，保证光纤高质量远距离传输。这种系统也叫光纤中继通信。 1 2 2 光纤的主要特点及系统应用 光纤通信的主要优点： ( 1 ) 传输频带宽，通信容量大。 ( 2 ) 传输损耗小。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 抗电磁干扰能力强。 ( 4 ) 线径细、重量轻。 ( 5 ) 资源丰富。 在任何要求将信息从一个地方传送到另一个地方的场合，一般都可以使 用光纤通信，因此光纤通信系统的发展是很快的，应用亦是很广的。目前主 要有以下三类应用。 ( 1 ) 电信应用。主要用于遍及全球的电信网中作数字语言通信。电信应用 又分两类：长距离和短距离，长距离通信( 包括越洋洲际通信) 系统要求有大 容量的干线，光纤通信系统可发挥最大的优势。短距离通信像城市之间，距 离几十至l o o k m 。光纤通信的发展通常有长途电信应用推动，光波系统依次 的每一代系统都力争能工作于更高的比特率和更长的通信距离。 ( 2 ) 数据通信。早期主要用于计算机数据和传真信息的通信，距离一般较 短，速率较低，如工矿企业、办公大楼、宾馆医院、船舶、飞机、列车等场 合，距离几百米到几公里。现在己开始向高速长距离方向发展，光纤通信系 统将发挥巨大作用。 ( 3 ) 视频图像通信。主要用于电视与光c a t v 系统中，用于传送宽带高质 量图像，将电视节目分配给各街道点及其范围内的各家用户，实现光纤到户。 上述三类通信中的短距离应用包括城市内和本地环路内的各种电信、数 据和视频图像的传送分配业务，其距离一般不超过l o k m 。将单信道光波系 统用于这些应用效益不高，应开发多信道光纤通信系统，将其同时用于多种 业务，构建宽带综合业务数字网，同时传送电话、计算机数据，复合视频信 道，光纤通信系统才能真正发挥其宽带大容量的潜力。 1 3w d m 的概念、原理、特点和受限因素 1 3 1w d m 的概念、原理和特点 光波分复用( w d m ：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 ) 技术是在同一根 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光纤上同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是：在发送端将不 同波长的光信号组合起来( 复用) ，并合成到光缆线路上的同一根光纤中进行 传输，在接收端又将组合波长的光信号分开( 解复用) ，并作进一步处理，恢 复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称光波长分割复用，简称为 波分复用技术。所以w d m 技术可以在不增加光纤纤芯的情况下使传输容量 成倍甚至成百倍增加。原则上讲，在光纤的低损耗窗口都可以进行波分复用， 但由于目前e d f a 带宽平坦的范围在1 5 3 0 r i m - - 1 5 6 5 n m ，所以当前使用的复 用波长大都在1 5 5 0 n m 左右。 图1 2 所示的目前国内外被普遍使用的点对点强度调制w d m 光纤传输 系统示意图。由波长分别为丑，五，五厶的册个光发送机产生的调制信号 经波分复用器合成到传输光纤之中，经过光纤传输后再经波长解复用器将不 同波长通道的信号分别送到坍个光接收机进行光电检测。在每个波长通道均 为高速率脉冲信号的长距离w d m 光纤传输系统中，还必须在光纤线路中每 隔一定距离用e d f a 和适当的色散补偿机构对所有通道的信号的传输损耗和 色散展宽进行补偿。 i 发送机h i +八 光担 光 光 光 殴 放放解 怔亘 复 大大 器器 复 2 用 c r 】咖 o光线传输网 。 用 吲吲 器 苎兰塾卜_ 器 怔堕 l j 、 图1 2 波分复用系统图 光纤的带宽很宽，在光纤的两个低损耗窗口：波长1 3 1 0 r i m ( 1 2 5 0 r i m - - 1 3 5 0 n m ) l 摘1 2 1 ，相应带宽( i 鲈i = 卜知五2 i ，兄为中心波长，矽相应的波 段宽度) 为1 7 7 0 0 g h z ；波长为1 5 5 0 n m 0 5 0 0 n m - 1 6 0 0 n m ) 葑n ，相应的带宽为 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 5 0 0 g h z 。两个窗口加一起总带宽超出3 0 t h z 。如果频率间距为i o g h z ， 则在理想情况下，一根光纤可以容纳3 0 0 0 个信道。由于目前一些器件与技术 还不成熟，因此要实现光信道十分密集的光频分复用( o f d m ) 还很困难。人 们把在同一窗1 2 1 中间隔较小的波分复用称为密集波分复用( d w d m ：d e n s e w a v e l e n g t hm u l t i p l e x i n g ) 。目前该系统是在1 5 5 0 r i m 窗口同时复用8 ，1 6 或更 多波长在一根光纤构成的光通信系统，其中各波长之间的间距为1 6 n m ， 0 s n m 或更窄，约对应于2 0 0 g h z ，1 0 0 g h z 的带宽。w d m ，d w d m 和o f d m 在本质上没有区别。所以经常用w i ) m 这个更广义的名称来代替d w d m 。 现代社会需要大容量、高速率的通信系统。当前2 5 g b s 的光纤传输系 统已经实用化，但相对于单模光纤低损耗带宽( 一般认为可达3 0 t h z ) 频谱利 用率还是很低。在目前提出来的各种扩容方式中，电时分复用( t d m 3 的发展 受到半导体微电子技术“瓶颈的限制，空分复用( s d m ) 对长距离和大容量 的线路还未找到经济的实现方法，光时分复用( o t d m ) 、相干光通信和光孤 子通信还处于实验阶段，而且其技术十分复杂，远未成熟，难以作为近期和 中远期的扩容手段。而波长信道间隔大于0 8a m 的波分复用( w d m ) 系统是现 在的光电子技术，如d f b l d 技术、w d m 的m u x i d m u x 技术、e d f a 技 术、光纤及光纤元器件制造技术等完全可以支持的【l 】，它不仅可以解决中长 期通信容量的扩容需求，也不存在实质性的技术困难，能够适应2 1 世纪的通 信发展。近年来4 1 6 个信道，基准速率为2 5 g b s 1 0 g b s 的w d m 系统的研 究开发己达到或接近实用化水平。i t u t 己制定波分复用系统的标准，并已 发出一些相应文件，如i t u t ( 王x 等。可见w d m 的应用己成为必然趋势， 成为光纤通信向高速大容量发展的主导潮流。波分复用技术的主要特点如下： 1 可以充分利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长增加几 倍至几十倍，从而有效地解决传输容量的问题。 2 使多个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以节约 大量光纤。 3 由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ _ i 叠i 薯置暑覃皇瞄e i _ _ i 宣l _ i _ j ；im l1 _ _ _ _ 毒i _ 昌昌j i ；i i | | 宣昌；昌昌_ _ 皇墨宣；昌i 宣i i 的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号以 及p d h 信号和s d h 信号的综合和分离。 4 波分复用信道对数据格式是透明的，即与信号速率和电调制方式无关， 是网络的扩容的理想途径，也是引入宽带新业务的方便手段。增加一个附加 波长即可引入想要的新业务与新容量。 5 利用w d m 技术选路来实现网络交换和恢复从而可能过渡到未来透明 的，具有高度生存性的全光网络。 1 3 2w i ) m 的受限因素 对波分复用系统的研究始于8 0 年代中期，但由于w d m 器件插入损耗 大，w d m 一直没能走向实用化。直到9 0 年代初，随着e d f a 的实用化， w d m 的应用才得到迅猛发展，因为e d f a 能够在1 5 5 0 h m 窗口的 1 5 3 0 r i m 1 5 6 5n m 波长范围内提供较为平坦的增益。这样w d m 从双窗口的两 波长复用发展到单窗口的多波长密集型波分复用走向实用化。目前，w d m 技术使用最活跃的波长窗口是在1 5 5 0 r i m 上下的窗口，主要应用于点到点的 长距离传输通信系统a t 2 1 。 尽管w d m 技术在近几年取得了巨大发展，但也还存在问题，主要有【2 3 】 激光器的波长稳定性、光纤的色散和非线性效应以及解复用器件性能，这些 因素将不断地制约着w d m 技术的发展，同时也是w d m 系统设计者必须考 虑的因素。 激光器的波长稳定性 输入波长的稳定性是影响w d m 系统性能的一个重要因素，要保证激光 器的输出波长不受时间、温度的影响并不是一件易事。w d m 系统对中心频 的偏移有严格规定，例如：要求8 x 2 5g b s 系统的中心频率间距为2 0 0 g h z f 1 6 r i m ) ，要求激光器输出频率偏离中心率在2 0 g h z 以内。如果频率偏移过 大，会造成相邻相道间的串扰过大增加误码率【4 】。随着复用波数的增多， 对信道波长的稳定性要求越来越严格。就目前的技术而言，通常是用预先稳 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定激光器的测试和偏流来保证波长稳定。但这种方法无法解决由于激光器的 老化、温度变化引起的激光器输出波长的变化。另一种较理想的方法是采用 波长敏感件对可调制连续波光源的波长进行调制。波长敏感器件的输出电压 随激光器发射光波长的变化而变化。这一电压变化信息经适当处理可以用来 直接或间接控制激光器发射波长，使其稳定在规定的工作波长上【5 】。 此外，解复用器件性能也是影响系统性能的一个方面。由于解复用器件 的特性并非理想，如：即使是质量非常好的滤波器也不能完全排除相邻相道 功率的串扰，这种串扰称为线性串扰 6 1 。线性串扰的大小与信道间隔、解复 用的方式以及器件的性能有关。随着各种优良性能的解复用器件的研制相信 可以抑制它对系统的制约。 色散的制约 光纤的色散是限制光纤通信系统的一个重要因素。如果信号是模拟信号， 色散限制了其带宽；如果信号为数字信号，则色散使光脉冲展宽，并且随传 输距离增加而加大，从而容易产生码间干扰，增加误码率，进而限制传输速 率。此外，在高速传输系统还须考虑偏振模色散( p m d ) 的对系统的影响。目 前，d w d m 系统的传输速率普遍较高，大多数为2 5g b s ，有的高达1 0g b s ， 而且还在向高速发展。因而光纤色散对系统的影响不可忽视，为减小色散对 系统的影响，可以采取如下措施： ( 1 ) 色散管理 目前，我国己敷设的通信光纤基本都是g 6 5 2 光纤，它在1 5 5 0n l n 窗口 的色散系数较大为1 7p s k l nq l l n 。在这种光纤中运行2 5g b s 的系统，2 0 0k m 以下可以不考虑色散的影响，但若运行1 0g b s 系统，6 0 , k m 以上就必须串接 具有足够大负色散的器件( 1 5 5 01 1 1 3 1 窗口) 来补偿光纤的正色散。目前真正实用 的补偿器件是色散补偿光纤( d c f ) ，d c f 利用基模的波导色散来取得较大的 负色散。只需在g 6 5 2 光纤线路中按比例每隔一定距离加装这种光纤即可消 除线路色散的影响，这种方法称为色散管理。 ( 2 ) 选用新型激光器 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i j 一, mmi 置i i 暑j 薯皇昌i 宣置| 宣- i | _ 色散对系统的影响与激光器的惆啾噪声和谱宽有关。对于用色散系数较 大的g 6 5 2 光纤的w d m 系统，要尽量选用惆啾声和谱宽较小的光源，如多 量子井分布反馈激光器m q w - d f bl d ，其谱线非常窄，可降到0 3a m 以下， 这种光纤放大后线宽变化很小。如果使用m q w - d f b 激光器加电吸收( e a ) 外调制器，光源的惆啾声就更小。还可以采用预惆啾技术等色散支持方法来 降低光纤色散系统的影响【7 j 。 ( 3 ) 选用色散系数较小的光纤 在1 5 5 0 r i m 窗口色散系数较小的有g 6 5 3 和0 6 5 5 光纤，分别称为色散位 移光纤和非色散位移光纤。由于( 3 6 5 3 的零色散点在1 5 5 0n l l l 窗口，多个波 长在高功率、低损耗、长距离相互作用的情况下较容易满足四波混频相位匹 配条件，从而产生四波混频( f w m ) 的非线性效应，对系统非常有害。因此。 g 6 5 5 光纤是比较适用于w d m 系统。 非线性效应的制约 由于w d m 光纤系统中信道数增多，而光放大器e d f a 使所有信道中信 号的光功率大大增加，从而非线性效应比传统光纤通信严重，成为影响系统 性能的主要因素【& 1 0 l 。光纤中存在着很多非线性效应，对w d m 通信系统起 明显影响的主要两类有：s p m ，x p m ，f w m 为弹性过程；s b s 和s r s 为受 激散射非弹性过程。其中s p m 和s b s 是单信道非线性效应，而f w m ，x p m ， s r s 为多信道非线性效应，并且多信道非线性效应对系统的影响最为严重。 这些非线性效应限制w d m 光纤通信系统的传输容量和最大传输距离，影响 系统的设计参数( 无中继传输距离、信道数、信道间距、信道功率) 。比如说 s p m ，m 一般来说会引起相位变化，但是当有色散存在时，相位变化所造 成的惆啾，又会引起脉冲波形的失真，从而影响系统性能，在w d m 系统中 引起一定的功率代价。f w m 把信道光功率转化到新频信号上，并且如果新 光频信号落在其他信道的频率上，显然发生噪声和串音。s r s 会引起能量从 高频信道向低频信道转移，引起串音严重影响w d m 系统的性能。很显然对 于优化系统设计必须考虑这非线性效应的影响。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 光纤通信的展望 光纤通信是一项新技术，发展很快，经过了几代的发展后，现在的研究 一工作正向新的方向发展，除上述波分复用技术外，还集中在以下几个方面： 1 相干光纤通信 由无线电外差通信向光外差通信发展、由光电转换向直接光中继放大发 展，是光纤通信技术发展的另一个趋势。目前已广泛使用的光纤传输系统都 属直接强度调制一直接检i 9 l t ( i m d d ) 系统，光检测器输出的光电流与光载波 的瞬时强度或功率成正比，但与光载波的频率、相位和偏振( 或极化) 无关。 相干光纤通信是采用现代外差电通信的方式，对相干性好的光载波通过电信 号调制后，经过单模光纤传输到接收端。接收的光信号与接收机内部产生的 本振光波在满足极化匹配条件下混频，光检测器的中频输出电流与光载波信 号和本振光波信号之和的平方成正比，还与光载波的强度、频率、相位和极 化状态有关，因而这种系统可实现振幅键控调n ( a s k ) 、频移键控调* i j ( f s k ) 、 相移键控i 购j ( p s k ) 和极化键控调制下的外差检测。这种通信方式的主要优点 是接收机灵敏度高、频率分割性和频率选择性好，主要可用于长途线路和宽 带综合业务网中1 1 1 】。 2 集成光学技术 未来的光纤通信系统除了光源、光检测器之外，还应该有光分束器、隔 离器、调制器、极化控制器、频率变换器、光开关和波分复用器等大量光学 元器件。用分立的光学元器件构成光信道，势必带来体积大、对准难与易受 环境干扰等缺点，在薄膜中发射、激励、分合、传输、控制、变换、放大、 检测光波，甚至将电子器件也做成微型平面集成电路，组成光发送机、中继 器和接收机组件。因此由微电子集成向光电子集成发展又是光纤通信发展的 一个重要的方向，未来的光纤通信系统将依赖集成光学的发展而发展【1 2 1 。 3 超低损耗红外光纤 目前光纤的研究工作主要集中在2 0 0 0 r i m 以下石英光纤方面。例如，纤 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 芯和包层材料成分的影响，色散特性和剖面结构设计，包括匹配包层和压低 包层的常规光纤、三角形分布和分隔纤芯的色散位移光纤、w 形和四包层平 坦色散光纤以及大数值孔径光纤。 红外光纤一般是指光波长在2 0 0 0 n m 以上的超低损耗光纤，由于红外光 纤的损耗极低，所以可用来实现超长中继距离的光纤传输，例如越洋海底光 缆。为了获得o 1 d b k m 以下的低损耗光纤，必须发掘石英以外的材料。目前 较重视的材料有两类：玻璃型材料和结晶型材料，其中特别受重视的是氟玻 璃。在理论上，红外玻璃材料光纤的极限损耗可低达1 0 1 0 3 d b k m ，结晶材 料光纤极限损耗可低达1 0 之一1 0 d b k m 。目前研究工作的重点都放在材料提 纯上，以克服这些红外光纤的非本征损耗，获得实用的超低损耗红外光纤。 4 非线性光学效应的应用 在光纤传输系统中，当入纤功率较低时，光纤可认为是线性系统。随着 入纤功率的增加，光纤中将出现非线性效应。主要有三种非线性效应值得重 视并可加以利用，即受激布里渊散射( s b s ) 、受激喇曼散射( s r s ) 和超短脉冲 孤立子( s o l i t o n ) 。 过去认为光纤的非线性效应对光纤通信是不利的，它将产生附加非线性 损耗，入纤功率增大时将产生受激散射，多路传输时造成串扰，限制发送功 率的提高和通信距离的增大。然而利用这种效应，却可以做成光纤放大器、 可调光纤激光器和光纤调制器等新型光纤元器件，并可能在新的系统设计中 得到应用【l 引。 未来的超大容量和超远距离单模光纤传输系统中，将考虑采用高功率窄 脉冲传输，当脉冲宽度进入皮秒( p s ) 级、峰值功率超过几十毫瓦时，光纤中 将出现“孤立子 现象，这是由于光纤的非线性效应与光纤的色散综合效应 引起的。由于脉冲调制的单色光，脉冲前沿和后沿会获得附加的频率移动。 不同频率的光波在光纤中的传输速度不周，在一定的条件下，脉冲前沿光波 跑得慢而后沿跑得快，引起光脉冲变窄。该效应补偿了单模光纤本身的色散 展宽，得到无畸变的传输。这时的光脉冲犹如孤立的粒子，不受外界影响， 哈尔滨1 ：程大学硕+ 学位论文 维持其幅度、形状和速度不变，稳定传输。这种脉冲极窄，目前已低至0 2 p s ， 因而可用于超大容量超远距离光纤孤子通信。此外还可以做成光纤脉冲压缩 器、展宽器和孤子激光器。 1 5 本课题的提出 综上所述，光纤通信技术f 向着超高速、大容量通信系统发展，并且逐 步向全光网络演进。w d m + e d f a 是充分挖掘光纤带宽能力，实现大容量、 高速通信、长距离的最佳手段。限制w d m 技术发展的激光器的波长稳定和 光纤色散可以得到解决，并且e d f a 的使用克服了光纤损耗对系统限制。但 随着光纤中的信道数增多、光功率增加，已使光纤非线性效应成为限制w d m 系统性能的主要因素。系统设计者必须意识到这些限制因素，并采取措施以 减少或消除这些有害因素。 虽然对光纤中各种非线性效应己经进行了广泛的研究，但对于w d m 光 纤传输系统中的非线性效应的研究却很少，更没有系统地给出这些非线性效 应对w d m 光纤通信系统传输性能的影响。通常，在研究光纤非线性效应时， 为了方便，常忽略了光纤损耗或色散的影响。但由于再理想的光纤总是存在 着损耗、色散，所以光纤非线性效应总是和光纤损耗、色散一起共同影响着 光信号的传输。对于采用有色散、损耗和非线性效应同时存在的单模光纤 w d m 通信系统，如何将它们统一考虑，采取更有效的补偿方法，将其影响 减小，甚至于消除这些限制，有着重要的理论和实践意义。 本文侧重于讨论多信道非线性效应( x p m ，f w m ，s r s ) 对w d m 光纤传 输系统性能的影响，讨论这些非线性效应的成因、性质，并对这几种非线性 影响进行了仿真分析，得出了可供估计这些效应影响程度的示意图，提出抑 制其影响的方案和建议。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 昌a m ；昌；i 宣；i i ；宣宣i ；薯i 昌；一；j i 宣暑宣；宣；薯暑暑昌；i ；暑；i ；i 暑昌宣宣宣昌 第2 章单模光纤的传输参数 2 一单模光纤的衰减 功率传输损耗是光纤传输特性参数之一。由于光纤损耗的存在，在光纤 中传输的光功率将随着传输距离的增加按指数式衰减： 暑= 昂e x p ( 一a l ) ( 2 一1 ) 其中岛和p ，分别为光纤的输入和输出功率，为光纤长度，口为光纤损 耗常数，单位为k m 一。在工程和实际应用时，光纤损耗更为常用的表述形式 为( 单位分贝) ： 一挚鲁“3 4 3 口 弘2 ， 光纤损耗主要来自光纤材料对光的本征吸收和光纤不完善性对光的散射 损耗两方面。光纤损耗与光纤的工作波长紧密相关。 工作坡长u m 图2 1 光纤损耗与其j i ：作波长的关系图 图2 。l 为单模光纤在其最低损耗区的一个典型损耗谱。由图中可以看出 单模光纤存在三个低损耗窗口。这三个窗口是在光纤通信的发展过程中一个 一个地被打开的。在光纤研究的初期，对原材料经过严格提纯以后，人们发 1 3 哈尔溟工程大学硕士学位论文 毒宣_ _ _ 薯宣蕾i 鲁| i 青暑i 暑暑宣宣奄i i i i i l i ! i 一 现红外波段的8 0 0 h m 一9 0 0 h m 波段石英光纤的损耗比较低。后来就在这个波段 将光纤损耗降到了2 0 d b k m ，现在该波段的损耗己经降到3 d b k m 以下。这 就是所谓的短波长窗口。7 0 年代至8 0 年代初期的光纤通信系统用的就是这 一波段。通过对光纤损耗原因作进一步分析，人们发现光纤材料中的水气( 主 要是o l d 对光纤损耗影响很大，特别是在1 3 8 0 r i m 波长的地方有一个强烈的 吸收峰。在改进工艺，降低这个吸收峰以后，人们又发现在1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 这两个波长处有比8 0 0 n m 9 0 0 r i m 更低的损耗。1 3 1 0 r i m 波长的最低损耗可达 0 3 5 d b k m 以下，1 5 5 0 n m 波长的最低损耗可达o 1 5 d b k m 。这两个波长就是 所谓的长波长窗口。由于1 5 5 0 n m 波长的损耗最低，其损耗系数大约为1 3 1 0 n m 波长区的一半，因此又称1 5 5 0 n m 波长区为石英光纤的最低损耗窗口，继 $ 5 0 n m 和1 3 1 0 n m 波长之后，被称之为第三窗口。目前，光纤在这一窗口处 的损耗已降低到0 2 d b k m 以下，而且与掺饵光纤放大器( e d f a ) 的工作带宽 一致，因此1 5 5 0 n m 窗口己经成为长距离、大容量的光纤通信系统的主要工 作窗口。根据对光纤波长窗口的开发和利用，光纤通信技术的发展大体上可 分为五代，见表2 1 。 表2 1 光纤通信的主要进展阶段 年份 比特率 中继距离 主要技术 波长：8 0 0 r i m 1 9 7 0 1 9 8 04 5 m b s1 0 k m 光纤类型：多模光纤 光源：g a a s l e d 波长：1 3 0 0 r t m 1 9 8 0 1 9 9 01 7 g b s 5 0 k i n 光纤类型：单模光纤 光源：i n g a a s pl a s e rd i o d e 波长：1 5 5 0 n m 九十年代初 2 5 g b s6 0 7 0 光纤类型：色散位移光纤 光放大器间 波长：1 5 5 0 n m 九十年代中期 5 g b s 距光放大器 3 0 8 5 k r n w d m 、色散管理 波长：1 5 5 0 n r n 低非线性效应、低的损耗特性、低的色散新型光纤的研制 目前 大容量、长距离、高速度波分复用光网络 光孤子通信、新型光器件 1 4 哈尔滨_ ：程大学硕+ 学位论文 2 2 单模光纤的色散 光纤色散是指构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度 的现象【14 1 。对于单模光纤，如果忽略两个正交偏振模群速度之间极其微小的 不同，单模光纤的色散主要起源于光信号中不同的频率成分在光纤中具有不 同的传输速度。图2 2 是三种单模光纤典型色散图【15 a 6 l 。 图2 2 三种单模光纤的典型色散图 光纤色散对光纤传输系统有着非常不利的影响，它限制了系统的传输速 率和传输距离的增加。即使光纤非线性效应并不严重时，光纤色散也可能严 重地限制光纤传输系统的性能【1 6 】。而在非线性区，光纤色散和光纤非线性共 同影响着光脉冲传输【1 7 】。为了说明色散对光脉冲传输的影响，通常把传播常 数在载频中心c o o 做泰勒级数展开： 。 p ( c o ) ：n ( c o ) c 抄：, 8 0 + ( c o 一) 屈+ i 1 ( 缈一纨) 2 岛+ ( 2 3 ) 其中： 屈 ( 等l 泸叫2 。 c 2 川 届是解释脉冲的群速运动，而屐是解释脉冲的展宽： 哈尔滨一【：稃大学硕七学仲= 论文 由此可得到光脉冲在光纤中传输的群时延为： r ：掣：1 ( 2 - 6 ) r = 二2 口缈 k 而在实际工程应用当中，更常用的色散表述形式由群时延随波长的变化率色 散系数d 给出： d ：万d r ：一等属( 2 - 7 ) d 允旯2 。 色散的二个重要性质是两个光脉冲在群速度失配时产生的离散 ( w a l l o f f ) 效应。这个性质在光纤的非线性效应中起着很重要的作用。离散 系数用西：表示： 伽m m 饥) 。赤一南 ( 2 - 8 ) 其中a ，五是两个光脉冲的中心频率。 2 3 单模光纤的非线性效应 2 3 1 光纤非线性效应的产生 光与物质( 包括光纤介质) 相互作用都会产生各种各样的物理效应，一般 讲，产生这些效应的物理机制均可归究于介质的极化作用。现代理论认为光 作用于介质，介质的电极化强度不与入射光场强度成简单的线性关系： p - - e z e( 2 9 ) 式中系数z 为介质的电极化率，占是真空中介电常数，e 为入射光场强。是 成幂级数关系： 1 6 ，塑拼竺拼 上麓而 一 彩一c = 聆一等咯 缈+ 跏一么 鱼如 p = 6 i x ( d e + z ( 2 ) e e + z ( 3 e e e + ( 2 1 0 ) 式中z n ，z ，z 3 分别为介质的一阶( 线性) ，二阶( 非线性) 、三阶( 非线性) 电极化率。由于了z 舢，z ( 3 相对于z 1 来说比较小，在e 不是很大的情况下 可以省略z ( 2 e e 与了z ( 3 ) e e e 等各项而成为线性关系。而如今的光纤通信都 朝着大容量、长距离方向发展，要想使传输的距离更远，一个有效的方法就 是增加入纤光功率，同时又由于科技的发展，激光器的输出功率做得越来越 大，由( 2 1 0 ) 式可知，e 的加大使得了z 2 e e 和z ( 3 e e e 等各项不能忽略，因 此便出现了非线性关系。 而且尽管石英材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使得光波 以较高的能量沿很长的光纤聚集在很小的截面上，形成十分重要的非线性现 象。在光纤介