（光学工程专业论文）高速长距离光纤通信系统中色散管理技术的研究.pdf

南京邮i u 人学顺i l j | 究生学位论文摘要 摘要 高速长距离光纤通信系统，特别是4 0 g b s 以上的超高速光纤通信系统在传输容量和距离 得到增加的同时，面i 临着光纤群速度色散，非线性效应的影响等同益突出的问题，这些问题 成为影响光纤传输性能的主要因素。而色散管理技术可以利用优化的色散分布来避免色散影 响，同时抑制非线性，从而有效提高系统性能，是提高当前长距离光通信质量的有效途径。 论文主要研究高速长距离光纤通信中的色散管理技术，讨论了色散管理中一些关键技术，综 述了色散管理技术的现状和发展，着重对长距离光纤通信中各种色散管理方案进行了仿真分 析，并且对w d m 系统中非线性问题进行了色散管理观点的探讨。 首先，论文导出了n l s 方程之后，说明了光纤色散和非线性效应，特别是s p m 及f w m 的对光通信的影响。 然后，讨论了色散管理中的关键技术和综述了色散管理技术的现状和发展，指出在未来 光网络中色散管理的意义。 最后，利用分步傅立叶法建立了光纤传输系统模型，提出了仿真需要注意的细节和问题。 对色散管理的探讨，首先就光放大周期间的典型色散管理方案进行了比较，提出色散管理参 数的优化程序并对链路进行优化，然后讨论了色散管理周期内的色散调节和色散管理周期外 的预补偿后补偿，提出了几种对典型色散管理的改进方案，使系统运行在正色散累积的链路 上以提高系统性能，接着优化了色散管理链路中负色散光纤在均匀分布下的间隔和非均匀分 布下的分段数，并讨论了预啁啾和非线性对色散管理链路优化的影响，还讨论了高阶色散管 理的必要性及其与低阶色散管理的关系。 另外，分析了w d m 系统中的非线性s p m x p m 的特性，说明了共同抑制它们的色散管 理方法，然后说明了分析f w m 分量的简化方法，比较了抑制f w m 分量的均匀和非均匀色 散管理方案。其次在借鉴到光纤链路中非线性的分布特征，提出了平均色散渐减色散管理方 案以改进系统性能。 关键词：色散管理，长距离，自相位调制，色散图谱，四波混频，互相位调制，q 因子 南京邮l u 人学倾l 训究生学位论义a b s t l a c i a b s t r a c t b e c a u s eo fh i g hs p e c t u me f f i c i e n c y ，r e d u c e ds y s t e ms c a l e ，a n dt h es u p p o r to fn e t w o r k m a n a g e m e n t ，l o n gh a u ll a r g ec a p a b i l i t yo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，e s p e c i a l l ya b o v e4 0 g b i t s ， h a v eb e e ns oa t t r a c t i v e ，b u tt h e yh a v et of a c ea ni n c r e a s i n g l yv i t a lp r o b l e mo f t h ec h r o m a t i c d i s p e r s i o na n dt h ei m p a i r m e n tf r o mn o n l i n e a r i t ye f f e c t s ，w h i c ha r ed o m i n a t ef a c t o r si nt h eh i g h r a t e ss y s t e m b yo p t i m i z i n gd i s p e r s i o nv a l u ed i s t r i b u t i o nt oa v o i de f f e c t so fc h r o m a t i cd i s p e r s i o n a n dt or e d u c et h ei m p a i r m e n to fn o n l i n e a r i t yo nh i g hb i t so p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，d i s p e r s i o n m a n a g e m e n ti sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl o n gh a u lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ec l a s s i c a ld i s p e r s i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya tt h eb a s eo f a n a l y s i so f t h eb a s i cp r i n c i p l eo f o p t i c a lt r a n s m i s s i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a lf i b e r ，p r o p o s e d t h es y s t e m i cd i s p e r s i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y ，a n dm a d eat h o r o u g he m u l a t i n ga n dt e s t i f y i n go f d i s p e r s i o nm a n a g e m e n ti nl o n gh a u l4 0 g b so p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，a d d i t i o n a l l y ，t h e r ew a s ad i s c u s so fn o n l i n e a r i t ym a n a g e m e n ti nl o n gh a u lw d m s y s t e m sa tad i s p e r s i o nm a n a g e m e n t v i e w a tf i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ea c t u a ls t a t ea n dp r o b l e mo fl o n gh u a l4 0 g b ss y s t e m s ， p r o p o s e dt h ed i s p e r s i o nm a n a g e m e n t - t h es u b j e c to f t h e s i s a n dt h er a t i o c i n a t i o no f n o n l i n e a r s c h r o d i n g e re q u a t i o n ( n l s ) ，t h ei l l u m i n a t i o no f c h a r a c t e r i s t i co fo p t i c a lf i b e ri ns u c e s s i o n e s p e c i a l l y ，t h ee f f e c t so fd i s p e r s i o na n do p t i c a ln o n l i n e a r i t ys u c ha ss e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) a n df o u r - w a v em i x i n go nt h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nw a sg i v e nt oat h o r o u g hd i s c u s s ，w h i c hw a st h e m a i nr e a s o no fd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t s e c o n d l l y ，t h et h e s i si l l u m i n a t e dt h es i g n i f i c a n c eo fd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t t h ec l a s s i c d i s p e r s i o nm a n a g e m e n tw a sd i s c u c s s e d ，a n ds u c c e s s i v e l yh i g hs t e p sd i s p e r s i o nm a n a g e m e n ta n d d e n s e n e s sd i s p e r s i o nm a n a g e m e n tw o u l db ei n t r o d u c e d m o r es y s t e m i cd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t w o u l db ea n a l y s e d ，w h i c hi n c l u d e do p t i c a ln o n l i n e a r i t y f i n a l l y ，t h e r ew a s a na n a l y s i so fan u m e r i c a la n a l y s e dm e t h o do fo p t i c a lp u l s et r a n s m i s s i o n ，a n d a no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e me m u l a t o rm o d ew h i c hw a sb u i l da ta b o v em e t h o d t h ed e t a i l sa n d i s s u e so fe m u l a t i o nw o u l db ei l l u m i n a t e d t h ed i s c u s so nd i s p e r s i o nm a n a g e m e n tb e g a nw i t h c o m p a r a t i o no fd i f f e r e n td i s p e r s i o nm a n a g e m e n ts c h e m e sh a p p e n i n gi no p t i c a la m p l i f yp e r i o d s ，a n d t h eo p t i m i z i n gs e q u e n c eo fd i s p e r s i o nm a n a g e m e n tp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o nw a sp r o p o s e d t h e n i l 南京邮l 乜人学f o j j 二l 研究生学位论文 a b s t r a c t t h e r ew a sad i s c u s so nd i s t r i b u t i o no fd i s p e r s i o ni nd i s p e r s i o nm a n a g e dl i n e sw h i c hw e r ec o m p o s e d o f p o s i t i v ed i s p e r s i o nf i b e r sa n di n v e r s ed i s p e r s i o nf i b e r s d i s p e r s i o nm a po p t i m i z a t i o nw o u l d b e g i v e ni nd i f f e r e n ts i t u a t i o n ，a n dp r e c h i r pa n dn o n l i n e a r i t y se f f e c t so ni tw o u l db ed i s c u s s e d t h e n e c e s s i t ya n dp r i n c i p l eo f h i g hs t e p sd i s p e r s i o nm a n a g e m e n tw o u l db ei l l u m i n a t e d i na d d i t i o n ，i tg a v ea na n a l y s i so f t h eo p t i c a ln o n l i n e a r i t y ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e ds p m x p m a n df w m ，a n dp r o p o s e dm e t h o d st or e d u c es u c hn o n l i n e a r i t yb yd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t a sw e l l a s ，i tm a d ean e wp a t t e r na v e r a g e d i s p e r s i o nd e c e n d i n gd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t ，w h i c h c o r r e s p o n d e dt ot h en o n l i n e a r t yi nt h ew h o l eo p t i c a ld i s p e r s i o n m a n a g e dl i n e s k e y w o r d s ：d i s p e r s i o nm a n a g m e n t l o n g h a u ls e l f - p h a s e m o d u l a t i o n d i s p e r s i o nm a p f w m c r o s s p h a s em o d u l a t i o nq f a c t o r i i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向： 光纤通信及其接人技术 作 者：塑级研究生 李相昌 指导教师韭鲑造 题目：高速长距离光纤通信系统中色散管理技术的研究 英文题目：s t u d yo nd i s p e r s i o nm a n a g e m e n ti nh i g h - s p e e dl o n g h a u lf i b e rc o m m u n i a t i o ns y s t e m s 主题词：色散管理长距离自相位调制色散图谱 四波混频互相位调制q 因子 k e y w o r d s ：d i s p e r s i o nm a n a g e m e n tl o n g - h a u l s e l f - p h a s em o d u l a t i o nd i s p e r s i o nm a p f w m c r o s s - p h a s em o d u l a t i o nq f a c t o r 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。 研究生签名：2 复篮垒丕刚调：! 坐纺 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：应! 墨导 南京i i i 1 u 大学坝上驯究生学位论文笫一章绪论 第一章绪论 光纤通信系统是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式，是当前陆地 和海底通信的主要形式，它使通信领域发生了巨大变化，加速了社会信息化进程。 1 1 光纤通信的发展，现状和发展趋势 具有真正实用意义的光通信是从1 9 7 0 年美国康宁玻璃有限公司制成衰减为2 0 d b k m 的低损耗石英光纤和美国贝尔实验室制作出可在室温下连续工作的铝镓砷( a 1 g a a s ) 半导体 激光器开始的吼这两项研究成果，奠定了光纤通信的发展基础。 光纤通信是以现代物理学中的激光技术、半导体技术、光学元器件等为基础，结合其 他众多学科形成的一种新型的通信方式。出于具有：频带宽，通信容量大；低损耗，传输 距离长；抗干扰能力强，保密性好；重量轻，材料来源广泛经济性好等优点，已广泛地 应用于长途干线、海底通信、有线电视等各个领域。光通信随着p d h ，s d h 等数字传输 体制的建立迅速在全世界普及起来。 有必要提到在2 0 世纪9 0 年代初，波分复用( w d m ) 技术的诞生。在此之前1 9 8 6 年， 英国南普敦大学在光纤基质中加入铒粒子作为激光工作物质，用氩离子激光器作为泵浦 源，制作出了能对1 5 5 p m 的光信号进行直接放大的掺铒光纤放大器( e d f a ) 。这一发明克服 了光信号在传输过程中使用光一电和电一光中继器带来的“瓶颈”限制。波分复用( w d m ) + e d f a 系统，解决了光电子、微电子对传输设备的“瓶颈”制约。波分复用技术，特别是 密集波分复用( d w d m ) 技术，可以充分挖掘光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量 比单波长传输增加几倍、几十倍甚至上百倍。 近年来，随着高速光纤通信技术的快速发展和光缆、元器件技术不断取得突破及价格 的逐年下降，传统的光纤通信网正在向下一代全光通信网快速演进，由高速骨干网向城域 网和接入网延伸，由点到点的链路系统向交叉连接的传送网系统和面向业务的自动交换光 网络发展。在新的世纪里，尤其经过了世纪之初的光通信寒冬之后，光纤通信高速大容量 系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是视频点播 f v o d ) 、高清晰度电视( h d t v ) 等宽带业务和多媒体通信提供了实现的可能。而更大的 带宽又可让运营商更加灵活有效地提供服务。所以，必须不断提高光纤通信系统的传输容 量来满足信息传送量增长的需要。 南京邮i 乜人学顾1 j 铆 咒生学位论文第一章绪论 光纤通信的发展趋势：进入2 1 世纪，一方面波分复用设备、光学元器件等同趋成熟， d w d m + e d f a 技术逐渐从骨干网向城域网、接入网渗透；另一方面光交叉连接( o x c ) 、光 分插复用( o a d m ) 设备的开发应用，点到点的w d m 系统正在向能够通过复杂光网络传输 不同波长信道的、面向用户、提供光路由的光网络演进。在全光通信网中，信号从源节点 到目的节点的接入、传输、交换始终在光域内，克服了传统光电通信网中信号在节点处的 “电子瓶颈”限制，可提高网络的处理速度，使系统的传输容量和节点吞吐量提高几个数 量级，整个网络能构成一种对光信号完全透明的、简单高效的、高度灵活的网络体系结构。 全光通信网的核心是光交换机，光交换机分为光时分交换、光分组交换、光波分交换等多 种交换形式。光时分交换技术对光器件的工作速度要求很高，由于受光存储、光记忆等光 学器件发展的限制，离实用化还有相当的距离。光分组交换与光时分交换相比对光学器件 工作速度的要求大大降低，与光波分交换相比能更加灵活、有效地利用带宽资源和以更细 的粒度快速分配光信道，支持未来的光互连网技术，己引起了国内外许多研究机构的重视， 成为研究的热点之一。目前光分组交换技术要步入实用阶段，会受到光同步、光缓冲、光 存储等技术的限制。光波分交换是粗粒度波长分割选路由的交换方式，相对容易实现，也 便于与d w d m + e d f a 传输系统相配合，因此是全光通信网的主要发展趋势。用光波分交 换技术构建全光通信网的核心网络，在点对点的w d m 系统的基础上，以波长路由为基础， 引入o x c 和o a d m 光节点设备，建立的光网络具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容 性、完整性和生存性等优点。目前o x c 、o a d m 设备依赖的光学器件，如光滤波器、波 长变换器、光交叉连接矩阵模块等已取得很大进展【5 1 。但要构建实用化的高速、大容量全 光通信网，还需解决3 个方面的问题： ( a ) 光纤的色散累积和非线性光学效应，光学器件引起的光信号在光纤中的串扰、噪声累 积等问题； f b ) w d m 设备中的高稳定集成光源、波长可调的集成化探测器等问题，o x c 、o a d m 设 备中的波长变换器、可调光谐滤波器、光交叉连接矩阵等问题； ( c 、设备的标准化、互操作、网管和价格昂贵等问题。 1 2 高速长距离光纤通信与色散管理技术 1 2 1 高速长距离光纤通信的关键技术 人们对光通信的容量和距离的不会满足，会向更高速率( 如目前的4 0 0 b s ) 更远距 堕塞l 型垫查兰堡! ：婴型兰兰簦堡苎笙= 至笪堡 光纤通信的发展趋势：进入2 1 世纪，一方面波分复用设备、光学元器件等同趋成熟， d w d m + e d f a 技术逐渐从骨十网向城域网、接入网渗透；另一方面光交叉连接( o x c ) 、光 分插复用( o a d m ) 设备的开发应用，点到点的w d m 系统正在向能够通过复杂光网络传输 不同波长信道的、面向片 户、提供光路出的光删络演进。在全光通信网中，信号从源节点 到目的节点的接入、传输、交换始终在光域内，克服了传统光电通信网中信号在节点处的 “电子瓶颈”限制可提高网络的处理速度，使系统的传输容量和节点吞吐量提高几个数 量级，整个网络能构成一种对光信号完全透明的、简单高效的、高度灵活的网络体系结构。 全光通信网的核心是光交换机，光交换机分为光时分交换、光分组交换，光波分交换等多 种交换形式。光时分交换技术对光器件的工作速度要求很高，由于受光存储、光记忆等光 学器件发展的限制，离实用化还有相当的距离。光分组交换与光时分交换相比对光学器件 工作速度的要求大大降低，与光波分交换相比能更加灵活、有效地利用带宽资源和以更细 的粒度快速分配光信道，支持未来的光互连网技术，己引起r 国内外许多研究机构的重视， 成为研究的热点之一。目前光分组交换技术要步入实用阶段，会受到光同步、光缓冲、光 存储等技术的限制。光波分交换是粗粒度波长分割选路由的交换方式，相对容易实现，也 便于与d w d m + e d f a 传输系统相配合，因此是全光通信网的主要发展趋势。用光波分交 换技术构建全此通信网的核心网络，在点对点的w d m 系统的基础上，以波长路出为基础， 引入o x c 和o a d m 光节点设备，建立的光网络具有可重构性、可扩展性、透明眭、兼容 性、完整性和生存性等优点。目前o x c 、o a d m 设备依赖的光学器件，如光滤波器、波 长变换器、光交叉连接矩阵模块等已取得很大进展口j 。但要构建实用化的高速、大容量全 光通信网，还需解决3 个方面的问题： f a ) 光纤的色散累积和非线性光学效应，光学器件g 起的光信号在光纤中的串扰、噪声累 积等问题： r b ) w d m 设备中的高稳定集成光源、波长可调的集成化探测器等问题，o x c 、o a d m 设 备中的波长变换器、可调光谐滤波器、光交叉连接矩阵等问题； ( c ) 设备的标准化、互操作、网管和价格昂贵等问题。 1 2 高速长距离光纤通信与色散管理技术 1 2 1 高速长距离光纤通信的关键技术 人们对光通信的容量和距离的不会满足 人们列光通信的容量和距离的不会满足 会向更高速率( 如目前的4 0 g b s ) 更远距 会向更高速率( 如目前的4 0 g b l s ) 更远距 塑皇! ! ! ! ! l 垫叁鲎塑! 翌! 壅圭兰垡笙塞 塑二主鲨堡 离迈进。而高速光纤通信系统，特别是4 0 g b s 以上的光通信系统在使得传输容量和速度 都得到很大增加的同时，也使得光纤群速度色散，非线性效应等问题日益突出，成为影响 光纤传输性能的主要因素。 光纤群速度色散( g v d ) 对光通信系统的性能影响主要表现在对传输中继距离和传输 速率的限制。光纤色散对中继距离的影响机理主要是色散使传输脉冲展宽，从而产生脉冲 码间干扰。当色散引起光信号脉冲的展宽大于0 3 倍的输入脉宽时，光接收灵敏度就急剧 下降，导致均衡困难，误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不得不 付出降低码速率、减少通信容量的代价。另外，色散引起的光脉冲展宽随着传输距离的增 加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。 目前光通信系统中普遍引入e d f a 以及普遍采用波分复用( w d m ) 技术来提高系统的 容量和传输距离，光纤的入纤功率很高，光纤中将出现非线性效应，并且色散补偿光纤的 纤芯较常规单模光纤细，更容易产生非线性效应，例如自相位调带q ( s p m ) ，受激赖曼散射 ( s r s ) ，受激布罩渊散射( s b s ) 等，而光纤非线性效应与光纤群速度色散( g v d ) 相互作用将 制约光纤传输系统的性能，且非线性效应具有累积性。 如何实现这样的高速长距离通信? 现在色散补偿技术、拉曼光纤放大器( r f a ) 、前向 纠错( f e c ) 、调制方式等已经成为被众多电信运营商、设备供应商和科研人员广泛认同的 关键技术【6 j ： 1 色散管理技术 色散补偿包括群速度色散补偿以及高阶色散补偿( 针对高速率系统) 和偏振模色散补 偿。高速光纤系统的群速度色散补偿方法包括采用基模高阶模色散补偿光纤、色散补偿光 纤光栅、高阶模色散补偿器和v i p a ( v i s u a li m f i g ep h a s ea r r a y ) 器件等等。也可在信号调制 和接收时采取定的措施以减小色散的影响，如在信号调制时加啁啾；在接收端进行动态 色散补偿( 目前可行的是利用啁啾光栅对每个信道的残余色散进行可调的补偿) ；在接收 端采取自适应接收技术。 2 拉曼光纤放大器( r f a ) 技术 拉曼放大器技术是备受瞩目的光传输技术，因为拉曼放大器放大的光谱范围由光泵浦 源决定，理论上讲只要泵浦源的波长适当，拉曼放大器可以放大任意波长的信号光。所以 它可以放大e d f a 所不能放大的波段，并且利用普通的传输光纤就能实现分布式放大，从 而大大提高系统的光信噪比( o s n r ) 、增加系统中继传输距离、提高w d m 系统的通道数 和抑制光纤非线性效应。此外，拉曼放大器具有串扰小、增益高、温度稳定性好、成本低 等优点，是实现长距离光传输的理想光放大器。 3 查塞坐坚查兰塑= ! 三型塑圭兰竺兰壅 塑二里竺堕 3 光信号的调制解调技术 在高速光纤系统中，究竟采用什么码型，是一个值得探索的问题。由于非归零( n r z ) 码、归零( r z ) 码以及近年出现的载频抑制归零( c s r z ) 码和啁啾归零( c r z ) 码等不 同线路调制码型的光信号在色散容限、s p m ( 白相位调制) 、x p m ( 交叉相位调制) 等非 线性的容纳能力、频谱利用率等方面各有特点，因此要根据实际的应用情况和传输距离， 选择采用的调制码型。而且，高速率系统对调制器的要求更高，要求这些调制器具有高调 制带宽、高消光比、低回损、高饱和功率和低驱动电压等特点。 4 前向纠错( f e c ) 技术 f e c 技术是通过在光信号外增加额外的编码信号，用来探测、隔离和纠正传输过程中 产生的任何错误信息。采用f e c 技术，可以改善系统传输误码率，补偿链路的性能下降， 延长了光链路的传输距离。另一方面，可缓解对光器件技术指标的严格要求和放松光器件 的制造条件，从而可提高产量和降低生产成本。 以上这些技术大都是围绕提高接收端的光信噪比和减小信号的波形畸变展丌的。色散 管理技术一般与其他技术相结合，突破了仅对光纤色散分布进行操作，而是对脉冲调制， 预啁啾，波长色散等参数优化设置。 1 2 2 色散管理技术的发展 在考虑色散补偿的同时，还要考虑非线性抑制。因为光纤存在色散效应同时还存在非 线性影响，而非线性的抑制和色散补偿之阳j 是矛盾的。色散管理技术就是运用系统的观点 将线路色散合理分布，综合考虑到群速度色散对非线性因素的制约，并结合各种码型的色 散容限特性，使群速度色散和非线性因素在系统内得到均衡，以期得到更高的系统性能。 传统的色散管理技术，利用+ 一色散系数的光纤交错连接。当前的色散管理技术主 要应用长距离光纤通信系统中。在所有的d w d m 系统中都需要色散管理技术，在1 6 波d w d m 系统中，每段跨距一般采用常规色散补偿光纤来进行补偿，而在4 0 波d w d m 系统中，必须 采用色散斜率补偿光纤补偿。这是因为长波长区间的色散系数大于短波长区间的色散系 数，因此必须采取色散斜率补偿，使整个工作区间内实行色散平坦。尽管如此，这仍然是 一种粗补偿，对于超长距传输而言，必须进行精细色散控制。因为由于传输距离过长，任 何微小的不平坦，在经过上千公里积累后都将对信号造成致命的损伤。解决这一问题最成 熟的做法就是分波带精细补偿。也就是说将整个c 波段均分为1 0 2 0 个波带，在每个色 散补偿站中进行各波带分别补偿，以保证其色散积累值的总体一致性，在几百g b s 的线 南京邮l u 人学坝j 。硐f 冗生学位论文一章绪论 路系统中，脉冲宽度缩减至飞秒脉冲时，或者传输信号中心波长接近于零色散波长时，高 阶色散作用逐渐增强，就必须在光纤链路中对高阶色散进行管理。因此色散管理技术对系 统的色散提供多级的动态管理。对于未来全光网络更高速率对色散的更高要求，我们有必 要将这种链路色散管理为基础的模式，改变为以节点为中心的模式对色散进行分布式控 制。而论文主要研究高速长距离光纤系统的传输段的色散管理和w d m 系统的抑制非线性的 色散管理技术。 1 3 论文的主要工作 论文在对光信号传输理论和色散管理技术进行分析的基础上，通过仿真工具，对高速 光纤传输系统的色散管理技术和原则进行了研究，同时对色散管理过程中的非线性进行了 探讨。 第一章为绪论部分，对光纤通信的发展，现阶段的关键技术作一概述，引出论文的中 心论题。 第二章首先说明了光纤通信的基本原理，主要是对非线性薛定谔方程进行推导。然后 介绍了光纤的各种特性损耗、色散、和非线性效应，以及分析了它们对高速光纤传输系统 的影响，着重分析了色散和非线性影响s p m ，x p m ，f w m ，并由此引出了色散管理技术。 第三章首先介绍了色散管理在高速光通信中的意义，接下来对典型的色散管理技术进 行了分析，并且引入了高阶色散管理和密集色散管理，提出了更为系统的色散管理技术， 并且将非线性管理纳入到色散管理系统参考中来。 第四章作为本文重点，介绍了非线性介质中光脉冲传输的数值分析方法分步傅立 叶法，并利用此方法建立了光纤传输系统模型，同时提出了仿真需要注意的细节和问题。 对色散管理的探讨，首先从光放大周期问的色散管理，并提出色散管理参数的优化路线， 然后讨论了正负色散管理周期内反色散光纤设置问题，色散图谱的优化以及预啁啾和非线 性对其的影响，最后还讨论了高阶色散管理的必要性与原则以及低阶与高阶色散管理的关 系。 第五章是分析了w d m 色散管理系统中的非线性s p m x p m ，f w m 的特性，并且提出 抑制这些非线性效应的色散管理方法。其次在借鉴到光纤链路中非线性的分布特征，提出 了平均色散渐减的色散管理方案。 南京邮l u 人学颂i 研究生学位论文 第一章绪论 参考文献 【1 k c k a o ，e ta 1 ，d i e l e c t r i c - f i b e rw a v e g u i d e sf o ro p t i c a lf r e q u e n c i e s r 】p r o c 1 n s t e l e c t e n g ，1 9 6 6 2 】李玉权，崔敏光波导理论与技术 m 北京：人民邮电出版社，2 0 0 2 1 2 ：2 3 3 韦乐平光通信系统技术的发展与展望 j 电信技术2 0 0 2 6 ：2 6 4 张慧剑4 0 g b s w d m 系统中r z & n r z 调制格式的性能比较 j 光通信技术，2 0 0 4 1 2 ： 4 4 4 6 5 】吕建新，毛谦4 0 g b i t s 光传输技术及应用前景 j 通信世界，2 0 0 3 4 ：4 1 4 2 6 】6 闻和，顾畹仪长距离光纤传输的关键技术 j 通信世界，2 0 0 3 4 ：4 3 4 4 ， 南京邮1 也人学顾t ：t q f 究生学位论文 第一二章光纤通信中也散j l h 线一眺理论 第二章光纤通信中色散与非线性理论 2 1 光波传输原理和n l s 方程 为了研究高速光纤通信系统中的色散管理技术，必须先了解光波在光纤中的基本传输 过程。从广义上讲光波也是一种电磁波，因而光信号在光纤中的传输也可以从麦克斯韦 ( m a x w e l l ) 方程中得到。 2 1 1 麦克斯韦方程到波动方程 在无源介质情况下，麦克斯韦方程可表示为： v 屉一詈= - , d o 百o h ( 2 1 1 ) v 疗：望：丝+ 一c a p ( 西：氏丘+ 户) ( 2 1 2 ) a t”c a to t ” v 西= 0 ( 2 1 3 ) v 雪= 0 ( 2 1 4 ) 式中：重、疗分别为电场强度和磁场强度，西、疗分别为电位移矢量和磁感应强度矢量 户为感应电极化强度，z 。为真空中的磁导率，c 为真空中的光速，且有c = 。5 。) 一j ，氏为 真空中的介电常数。 对式( 2 1 1 ) 两边取旋度，再利用式( 2 1 2 ) 式( 2 1 4 ) ，可得波动方程 v 概扛吉警确第c 。d f 。d r 一 由于在阶跃光纤中，纤芯和包层的折射率与方位无关 ( 2 1 - 5 ) 因而可以有 v x v 豆= v ( v 豆) 一v 2 丘= 一v 2 豆 因此，方程( 2 1 5 ) 简化为 v 2 e 一- j o a o 警邓筹 ， 量堕塑坠坠苎鲨竺! 坐竺笙塞 兰三兰垄堑堕笪主垒墼! ! ! ! 垡壁型笙 而感应电极化强度户可表示为 卢= e o x + g o x 2 ：后五十岛z 邳：施+ = 昱+ 瓦 前者为线性部分的极化强度，后者为非线性部分的极化强度。 所以方程( 2 1 6 ) 又可表示为 啦雾确等邮。挚 c z ， 因为z 能= 0 ，所以芦。与z 3 有关。 为简化求解上式，我们作下列假设： i 因为r 。与最 nl k , n d 、于，是对p 。的一个小的扰动，所以采用微扰法，即把p 。处理为 t 的微扰； 2 n n 3 5 场在光纤中传播时极化方向不变，所以用标量近似解： 3 光场是准单色，对中心频率为的频谱，其谱宽为a c o ，- f i - a c o c o i l a n l ，故押为微扰。 首先把n 2 代替占求解方程。得到模分布函数f ( x ，y ) 和对应的波数卢) 。根据一阶微 扰理论，如不会影响模分布函数f ( x ，y ) 。但传播常数声将变为： p ( c o ) = g ( c o ) + 了m m ，y ) 1 2 出方 式中：口= 蚰f ( w ) 1 2 出方 由电场强度： 雷p ，f ) = 乏昙 f g ，_ y 如( z ，) e x p 【，( 反z 一珊。f ) 】+ c c 其中，a ( z ，f ) 为慢变振幅包络形状，它是( 2 1 1 6 ) 中j ( z ，珊一) 傅立叶反变换，即 一o ，) = 去j ( z , ( j ，- - f j ) o ) c x p 卜- ，一，p m 式中：。彳( z , 0 3 - - o ) o ) 满足式( 2 1 1 6 ) 2 低罢+ 谚2 一所皿= o 因为万、风很相近，所以歹2 一历= 防+ 风肛一风) z2 风防一风) 。 根据式( 2 1 1 9 ) ，可以将式( 2 1 1 6 ) 变成 程。 掣：，瞄) + a p 一。弘 0 2 对式( 2 1 2 3 ) 进行傅氏反变换可得a ( z ，r 1 的传播方程，这就是光信号的基本传播方 2 1 3 基本传播方程 在光纤中，我们把卢沏) 在频率处展成泰勒级数： ( ) = 成+ ( 0 9 - - ( 0 0 ) 崩+ 1 ( - c o o ) 2 段+ l ( ( o - - 0 ) o ) 3 屈+ ( 2 1 2 4 ) 非风= 学k 。( 栅，) 由于出出。 1 ，为简化通常忽略三阶和高阶项，这与推导过程中的准单色假定一致。 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章光纤通信中也散i 非线性理论 把式( 2 i 2 4 ) 代入式( 2 i 2 3 ) ，并取傅氏反变换，即把代入后的公式中的算子0 一曲。) 用的微分算子，詈代替，得到 署= 一屈詈一乏卢：a 西2 a ：+ i f l 3 可a 3 a + 脚 卢项包括了光纤的损耗和非线性效应。利用式( 2 1 1 9 ) 和式( 2 1 2 0 ) 可导出口 把它代入式( 2 i 2 5 ) ，得到 尝+ 届詈+ 三：丝c g t z 一吉屈筹+ 删2 彳汜m e ， 式中y 为非线性系数，其定义为 。 。：型生 。 c a 嘣 a 硝为有效纤芯面积 f ( w ) 1 2 出别2 如2 赢y ) ll f b ，4 西c 毋 在单模光纤中，f ( x ，y ) 应为基模的场分布，因此爿彬取决于芯半径，芯包层的折射率 差。 式( 2 1 2 6 ) 为基本传输方程，描述了光脉冲在单模光纤内的传输，它的左侧第二项 为群速度项，左侧第三项为二阶色散项，左侧第四项为三阶色散项，左侧第五项为线性损 耗项，右侧为克尔效应项。该式是研究光信号在光纤中传播畸变的基础。 通常为求解方便，取一个运动参照系，它以光信号的群速度运动，故可令： ，刮一毒叫邓一一爿 则式( 2 1 2 6 ) 简化为 警+ 主岛等一吉屈等+ 詈一 因为它与含有非线性势项的薛定谔方程类似，故该式也被称为非线性薛定谔方程 ( n l s ) 。 上面，我们对光脉冲在光纤中的传播方程进行了推导。为了研究光纤通信中光纤传播 l l 南京邮电大学烦：k c i j 究生学位论文第二章光纤通信中也散，非线性理论 特性尤其是色散和非线性的研究分析提供了理论基础。 2 2 光纤的传输特性 光纤作为光通信的传输介质，其特性对光信号的传输有决定性的影响。 2 2 0 光纤的损耗 光纤损耗，可分为吸收损耗，散射损耗和弯曲损耗。其中吸收损耗是由于制造光纤材 料本身，以及其中过渡金属离子和氢氧根离子( o h 。) 等对光的吸收而产生的损耗，由光纤 材料本身特性所决定的本征吸收损耗和杂质吸收损耗对光纤的性能影响比较大。 本征吸收损耗可分为，在短波长区的紫外吸收，主要由于光子流能量被材料电子吸收 而引起损耗，这种损耗对小于0 4 t am 的紫外区的光波表现比较强烈，吸收范围可延伸到 光通信所使用的波段( 0 8 - 1 7 pm 波段) ，在短波长引起的光纤损耗小于0 1 d b k m ；在长波 长区的红外吸收，主要由于光波与晶格相互作用而损失能量而引起的，对2um 以上的光 波长表现特别强烈，因此石英光纤的工作波长不能大于2u m 。 杂质吸收。主要是光纤中的有害杂质，有过渡金属离子，如铁、锰、铬和氢氧根离子 的电场吸收了光波一部分光能所引起的损耗。它们随着杂质离子浓度的降低予以降低。 其中氢氧根离子影响较大，氢氧根离子的吸收造成了三个损耗峰值。随着工艺的提高在 0 7 1 6um 波谱范围内吸收峰几乎消失，因此得到了一个很宽的的损耗窗1 2 1 ，有利于波 分复用系统的应用。e d f a 在光纤通信系统的大量使用已经使光纤通信系统不再是损耗限制 系统。 损耗参数，光纤的重要损耗参量是光波在光纤中传输时的功率损耗。若只为入射光纤 的功率，则输出功率为 片= 昂e x p ( - o c l ) ( 2 2 1 ) 式( 2 2 1 ) 中，d 为是衰减系数，通常称为光纤损耗，l 是光纤的长度。习惯上将光 纤的损耗用d b k m 来表示 d 。= 一半- s 每 = 。，4 s 口 c z z z ， 常用的将d b 空间转换为线性空间的公式如下： 口：1 0 c d l o ( 2 2 3 ) 南京邮屯人学硕士 i j f 究生学位论文 第二章光纤通信中色散i 非线忡理论 2 2 1 光纤的群速度色散 色散是指小| 一频翠的光波以小l 司的相速度和群速度在光纤中传播的物理现象。更一股 的来说，当光波与介质的束缚电子相互作用时，介质的响应与光波频率有关即不同的频谱 分量对应的折射率不同。在数学上色散效应可以同在中心频率脚。处展开相位传输常数。 沏) = 成+ 屈沏一