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浙江工业大学硕士学位论文 w d m 光传输系统中的色散补偿与四波混频抑制研究 摘要 光纤传输系统在传输距离和传输容量增加的同时，面临着光纤色散和非线性效应影响 日益突出的问题，这些问题已经成为限制光纤传输系统性能提升的主要因素。因此，研究 波分复用( w d m ) 光传输系统中的色散补偿与非线性效应抑制，对改善系统性能有着重要的 理论与实践意义。 本文通过仿真研究了在8 xl o g b s 的w d m 系统中进行色散补偿时，主要参数对系统性 能的影响，并对其进行了优化。同时，还对四波混频( f w m ) 效应进行了分析，分别采用了 两种方法对f w m 进行抑制，通过仿真验证了其能较好的提高系统的性能。本文具体工作 如下： ( 1 ) 介绍了w d m 技术的优点以及当前的主要受限因素，阐明了研究w d m 光纤传输 系统中的色散补偿与抑制四波混频效应的重要性。 ( 2 ) 研究了色散的产生原理及其对传输系统的影响，概述了几种主要的色散补偿技术， 特别对采用色散补偿光纤( d c f ) 进行补偿的方法作了深入研究。同时讨论了在单段、多段 w d m 系统中进行色散补偿时，入纤功率、色散斜率、色散补偿率等因素的影响，并作了 深入的分析和优化。 ( 3 ) 研究了四波混频效应及其对w d m 光纤传输系统性能的影响。接着介绍了两种抑 制四波混频效应的方法：采用不等间隔信道设置和部分等间隔信道设置：采用非均 匀色散分布法。对这两种方法进行了深入的理论分析，进而进行了仿真，其结果验证了能 有效改善系统的性能。 关键词：波分复用，色散，四波混频，色散补偿光纤 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n a n d s u p p r e s s i o no ff o u l 0 正w em i n ge f f e c t i nw d m0 p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h eg r o w t ho ft r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n dc a p a c i t yi no p t i c a lt r a n s m m i s o ns y s t e m s ，f i b e r d i s p e r s i o na n dn o n l i n e a re f f e c t sb e c o m et h em a i no b s t a c l e si nt h e s es y s t e m s t h e r e f o r e ，s t u d y i n g o nd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n ds u p p r e s s i o no ff o u r - w a v em i x i n ge f f e c ti nw 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 ( w d m ) s y s t e mh 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 st o i m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h ei m p a c to fm a i np a r a m e t e r so nt h e8xlo g b sw d m s y s t e mi ss t u d i e d t h ef o u r - w a v e m i x i n g ( f w m ) e f f e c ti sa n a l y s e da n dt w om e t h o d sa r eu s e dt os u p p r e s si t t h es i m u l a t i o n r e f l e c t e dt h a tt h e yc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e d 弱 f o l l o w s ： ( 1 ) t h ea d v a n t a g e so fw d mt e c h n o l o g ya n dt h ec u r r e n tr e s t r i c t e df a c t o r sa r ed e s c r i b e d t h e i m p o r t a n c et or e s e a r c ht h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n ds u p p r e s s i o no ff o u r - w a v em i x i n ge f f e c t i nt h ew d m o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sc l a r i f i e d ( 2 ) t h ep r i n c i p l e so fd i s p e r s i o np r o d u c t i o na n di t sh a r mt ot h et r a n s m i s s i o ns y s t e ma r e d e s c r i b e d i n t r o d u c i n gs e v e r a lm a j o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g e sa n dm a d ea ni n - d e p t h s t u d yo fo n et e c h n o l o g yw h i c hu s e dd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i n gf i b e r ( d c f ) a n a l y i n gt h ei m p a c t o fd i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha si n p u tp o w e r , d i s p e r s i o ns l o p e ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nr a t i o ，e t c ，0 1 1 s i n g l es e g m e n t ，m u l t i - s e g m e n tw d ms y s t e m sa n do p t i m i z e dt h e m ( 3 ) t h ef o u r - w a v em i x i n ge f f e c ta n di t si m p a c to nw d mo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e ma r e s t u d i e d t h e ni n t r o d u c e dt h et w om e t h o d st os u p p r e s si t ：u s i n gd i f f e r e n tc h a n n e li n t e r v a l sa n d p a r t d i f f e r e n tc h a n n e li n t e r v a l s ；u s i n gn o n u n i f o r md i s p e r s i o nd i s t r i b u t i o nm e t h o d t h e n a n a l y z e dt h e s et w om e t h o d sa n ds i m u l a t e di nt h es y s t e m s i tv e r i f i e st h a tt h e yc a ne f f e c t i v e l y i i 浙江工业大学硕士学位论文 i m p r o v et h es y s t e m sp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d i s p e r s i o n , f o u r - w a v em i x i n ge f f e c t , d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i n gf i b e r 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名翱爹口r吼。7 年m z 媚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：勘豸相日期：妒厂年 月2 厂日 导师签名： 亨p 琴 日期：。夕年、k 月旷日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及其意义 自1 9 7 0 年以来，光纤的损耗性能和半导体激光器性能取得了重大突破，光纤通信开始 进入实用化阶段。从1 9 7 4 年到现在的短短3 0 多年中，随着半导体激光器技术的发展，光纤 制造技术、光纤通信系统已经经历了几个时代，速率从1 9 7 6 年的4 4 兆比特每秒，传输距离 约1 0 公里发展到目前的数十以至数百吉比特每秒，传输距离达到数千公里。光纤传输已成 为当前通信，特别是干线通信的主要方式。自8 0 年代起，光纤通信的高速发展超乎了人们 的想象，光通信网络逐渐成为现代通信网的基础平台。在此期间，光纤通信系统的发展经 历了几个阶段，从8 0 年代后期的p d h 系统，到9 0 年代中期的s d h 系统，再到现在的w d m 光网络系统，光纤通信系统正在快速地向前发展n 】。 光波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是指将多个波长光信号复用 在一根光纤上传输的技术。其基本原理是：在发送端将多个光信号复用到同一根光纤中进 行传输，在接收端将不同波长的光信号解复用，恢复出原信号并将不同信号送入不同的终 端。此项技术可以在不增加光纤纤芯的情况下成倍的增加系统的传输容量。特别是 d w d m ( 密集波分复用) 技术能使光纤的传输容量进一步提高。在现今的高速率、长距离 w d m 光纤传输系统中，还必须在光纤线路中用e d f a 和适当的色散补偿方式对所有通道的 信号传输损耗和色散展宽进行补偿圆脚。 随着网络化时代的到来，特别是i p 业务的迅速发展，对骨干网的容量提出了更高的要 求。而w d m 技术因其能更好地利用光纤的带宽资源，在9 0 年代后期开始大量的应用于网 络之中，现已成为骨干网建设的首选技术。除了能较好的利用光纤的巨大带宽外，w d m 技术还具有如下优点h 1 ： ( 1 ) 由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输不同类型的信号，完成 包括模拟信号、数字信号以及p d h 信号和s d h 信号等各种电信业务信号的综合和分离。 ( 2 ) 多个波长复用在一根单模光纤中传输，对于长距离大容量传输系统，可节约大量 的光纤。 ( 3 ) 利用w d m 技术选路来实现网络交换和恢复，使过渡到未来透明的、具有高度生存 性的全光网络成为可能。 1 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 波分复用信道对数据格式是透明的，与信号速率和电调制方式无关，是引入宽带 新业务的方便手段，只需增加一个附加波长即可引入想要的新业务与新容量，因此，也是 网络扩容的理想途径。 尽管w d m 技术具有上述优点，但其仍然受到光纤的色散和非线性效应等因素的限制， 特别是在高速率、大容量、长距离传输系统中，色散和非线性效应严重影响系统的传输性 能，制约了w d m 技术的发展。 1 光纤中的色散 色散是限制光纤通信系统的一个重要因素。若传输的信号为模拟信号，色散会限制其 信号的带宽；而当所传输信号为数字信号时，色散导致了传输的光脉冲展宽，随着传输距 离的增加，这种现象会不断加大，最终引起码间干扰，增加误码率，进而限制传输速率。 目前，w d m 系统的传输速率普遍较高，大多为l o g b s ，并且还在不断向高速发展。因而光 纤色散对系统的影响不可忽视。 2 光纤中的非线性效应 光纤的非线性效应与光纤的折射率和入射光的强度有关。光纤中的非线性现象包括受 激拉曼散射( s r s ，s t i m u l a t e dr a m a ns c a ：t t e f i n g ) 、受激布里渊散射( s b s ，s t i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n g ) 、四波混频( f w m ，f o u r - w a v em i x n g ) 、自相位调$ 1 j ( s p m ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ) 和交叉相位调s t j ( x p m ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ) 等。非线性效应限制了w d m 光纤通信系统 的传输距离和传输容量，也会影响系统的设计参数( 信道功率、信道间距、信道数等) 。其 中尤以四波混频效应对系统影响较为严重。 1 2 研究现状 针对色散对光通信系统产生的不利影响，人们提出了多种色散补偿方法，在1 9 7 9 年， a y a r i v 等人就提出了利用光学相位共轭( o p t ) 来进行色散补偿的可能性，但直到大功率 e d f a 出现以后，这种方法才逐渐受到关注。1 9 8 0 年，贝尔公司的c l i n 等人提出了采用 光脉冲均衡技术来补偿光纤中的色散。后来，研究人员根据此方法，采用法布里- 泊罗 ( f a b r y - p e r o t ) 干涉仪的全光色散补偿技术得到了外调制时1 0 4 0 g b i t s i o n ( 速率8 g b i t s ， 传输距离为1 3 0 k i n ) 和直接调制时3 2 0 g b i t s i o n ( 速率为5 g b i t s ，传输距离为6 4 k i n ) 。 1 9 8 2 年，f o u e l l e t t e 首先提出了采用啁啾布拉格( b r a g g ) 光栅作为反射滤波器实现色散补 偿的技术瞄1 。但由于当时工艺落后，直到9 0 年代初才得以应用，得到了1 0 0 0 g b i t s i o n ( 速 率为l o g b i t s ，传输距离为l o o k m ) 。1 9 9 2 年，t o z e k i 提出了以m z i 为基础的光学均衡 2 浙江工业大学硕士学位论文 滤波器，后来k t a k i g u c h i 制作出了平面光波回路形式的m z i 嫡】 7 】，个内含5 个m z i 的平 面光波电路，但其带宽较窄，对输入脉冲偏振性明显。9 0 年代中后期，由于e d f a 的出现， 损耗问题得以解决，色散补偿技术得到了更快的发展，成为国际研究的热点，先后提出了 光纤光栅补偿法、色散支持传输技术、预啁啾技术、光孤子技术、双二进制编码法、色散 补偿光纤( d c f ) 等多种补偿技术。但由于各自的缺陷，其中大部分补偿技术并未被广泛 的研究而实用化。目前使用较为广泛的是光纤色散补偿技术( d c f ) 和光纤光栅补偿技术。 b r a g g 光纤光栅补偿技术可以对w d m 系统的各信道进行色散补偿，但对不同的传输系 统光纤光栅参数有所不同。近几年来，人们对光纤光栅的研究逐渐由均匀光纤光栅转向如 啁啾光栅等非均匀光纤光栅。1 9 9 9 年，l d g a r r e t t 阳1 等人利用11 根长1 m 、带宽6 5 n m 的啁啾 光栅实现了对1 6 x l o g b s 、传输8 4 0 k m 的w d m 系统的色散补偿；n 2 0 0 0 年，他们又实现了 使用3 个带宽6 r i m 的光纤光栅来覆盖1 8 n m ，在单模光纤上补偿3 2 x l o g b s 、传输距离为 3 7 5 k m 的系统实验旧1 。 d c f i 偿技术由于技术简单、易实现且成本较低而受到广泛关注与研究。目前长途线 网中大量铺设的为g 6 5 2 光纤，工作波长在1 5 5 0 r i m 窗口，在低速时可以不加色散补偿手段 方便扩容，但在速率提高时，色散成为限制传输速率的主要因素，而d c f 在1 5 5 0 r i m 波长区 具有很大的负色散系数，用很短的一段负色散光纤就可以补偿较长的常规光纤所产生的正 色散，从而在1 5 5 0 n m 窗口接收到无畸变的波形。同时，色散又有利于克服光纤非线性效应 造成的信道间的干扰，如四波混频( f w m ) 等。 1 3 本文的工作 本文在光信号传输理论的基础上，通过仿真对波分复用光传输系统中的色散补偿和四 波混频效应的抑制进行了研究。 第l 章绪论，概述了研究背景、意义及色散补偿技术的发展现状。 第2 章首先叙述了单模光纤中的几种色散类型，接着分析了色散对传输系统性能的 影响，介绍了几种常用的色散补偿技术及其各自的特点，主要分析了d c f 补偿技术的原理 及其优越性。 第3 章对单模光纤中的非线性效应进行了研究，主要是对f w l v l 光功率信号在w d m 传输系统中的表达式进行了推导，分析了f w m 产生的原理及其相位匹配的条件，介绍了 几种抑制f w m 的方法，为以后对f w m 进行抑制提供了理论依据。 第4 章介绍了通过分步傅立叶法求解非线性薛定谔方程的数值仿真法，采用q 值法 浙江工业大学硕士学位论文 对系统性能进行估算，对1 0 g b s ，8 信道的系统进行色散补偿方案的优化并对其主要参数 的选择进行了讨论。 第5 章阐述了四波混频效应的几种应用及其对w d m 光纤传输系统性能的影响。接 着采用两种不同的方法来抑制四波混频效应：( 1 ) 采用不等间隔信道设置和采用部分等间 隔信道设置。( 2 ) 采用非均匀色散分布法。并对系统进行了仿真，验证了能有效改善系统 的性能。 第6 章对本文工作进行总结，并对以后工作进行了展望。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章单模光纤中的色散及其补偿技术 2 1 单模光纤中的色散及其影响 色散是指不同颜色的光信号在传输过程中由于速度不同而产生分离。在光学中，不同颜 色就是指不同的频率。光纤色散是由于光纤对传输信号的不同频率或模式成分有不同的群 速度，导致传输时产生畸变。群速度是指光能量在光纤中的传输速度，常用圪表示。而光 信号畸变就是指光脉冲的展宽，常用群时延( 或时延差) 来描述，用f 表示。当信号在光纤 中传输一段距离后，由于群速度的不同，将相互散开，表现为光脉冲展宽。严重时，前后 脉冲将互相重叠，产生码间干扰，增加误码率，使通信质量下降。为了保证通信质量，必 须加大码间距离，而这又会降低通信容量。而且传输距离越长，光脉冲展宽越严重，这也 限制了光纤的传输距离n 。 光纤中的色散主要分为三种，分别为模式色散、色度色散和偏振模色散。在普通单模 光纤中，只有偏振模色散和色度色散，而其中主要起作用的是色度色散。色度色散又可分 为材料色散和波导色散。本文以下只介绍材料色散和波导色散。 2 1 1 材料色散 在单模光纤中，由于只有一个模式在光纤中传输，因此不存在模式色散。但是，由于 实际光源并非纯单色光，单模光纤折射率会随着耦合的不同波长的光而改变，导致不同波 长光的群时延不同，造成输出光脉冲展宽。这种色散的产生由所用光源谱线宽度和材料折 射率的波长特性所决定。可以通过解波动方程和利用边界条件来确定传播常数进而求得其 色散表达式，单模光纤还利用基模特点和折射率差小的条件对其进行简化。光纤长度越长， 输入光脉冲展宽就越大。因此材料色散用单位长度的展宽来表示n 。 了a r2i 或( 兄) 阻 ( 2 - 1 ) 式中d 肘( 五) 为材料色散系数，由材料色散的二阶导数给出： 见( 耻昙鲁 ( 2 - 2 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 波导色散 波导色散n 妇是由于基模群速度1 ，。( 0 1 ) 与单模光纤的归化频率v 有关。即使纤芯和包层 的折射率都为常数，v 参数也与光源的波长有关。光源有一定的谱宽，不同波长的光在基 模传输时，v 参数不同，使得群速度也不相同，导致各波长光到达光纤末端的时延不同， 引起光脉冲展宽。其表达式与材料色散的类似，只是将材料色散系数见( 力) 改为了波导色 散系数见( 彳) ，它与光纤特性有关，当归一化频率v 在1 5 v 2 4 区间内时， 见( 元) = 1 9 8 4 n s ：f f 2 x a ) 2 2 c ，其中心：、伤分别为群折射率和包层折射率，a 为纤芯半径。 2 1 3 色散对系统性能的影响 色散导致了光脉冲展宽，其主要是由传播常数与频率引起的，对于谱宽远小于脉冲 频谱中心频率嘞的准单色光而言，将( 国) 在处展开为泰勒级数，保留到三次方项，则： ( 国) = 属( ) + 届( 嘞) 一) + 去厥( ) ( 国一) 2 + 壶屈( ) 一) 3 ( 2 - 3 ) z0 式中屈是二阶色散，与色散系数d 相关，屈是比屐更高阶的色散项，与色散斜率扣d 五相 关。色散所导致的脉冲展宽主要是由屐引起的，但在高速、长距离系统中孱项的影响也不 容忽视。不考虑非线性与损耗因素，光脉冲在光纤中的传输方程为： 警+ 竺20 2 屐券j 6 屈券= o ( 2 - 4 ) 瑟“a 丁2“a r 、 对于无啁啾的高斯脉冲其振幅为： 4 = & e x p 一丢( 争2 】 ( 2 - 5 ) 式中r o 为高斯脉冲幅度下降到1 e 的半宽度。 不考虑孱项，f l 拭( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 可得n 羽： 争= 1 + ( z ，- o ) 2 】l 2 ( 2 - 6 ) 0 0 其中易- - t 2 投i 。 由于色散的影响，使得进入光纤中信号的不同光谱分量以不同的群速度传播，引起光 脉冲展宽，使相邻脉冲相互重叠，严重j 獬o y w d m 传输系统的中继距离。色散与中继距 浙江工业大学硕士学位论文 离的关系可表示为n 驯： 允2 8 2 d l = ，万c ( 2 - 7 ) 式子中：k 传输光波长，b 传输信号速率，d 光纤色散，l 中继距离，r - 光纤色散指数，c 真空中的光速。 光纤的色散指数( r ) 主要取决于调制方式、容许的灵敏度代价以及终端设备的特性。采 用色散位移光纤来减少线路中的色散是延长中继距离的方法之一。从式( 2 7 ) 可知，传输速 率增加一倍，中继距离就要减少为原来的四分之一。也就是说，传输速率与中继距离呈平 方关系。 图2 1 b = 2 5 g b s 。l = 1 0 0 k m 图2 - 2b = 1 0 g b s ，l = 4 2 k m 图2 1 为在常规s m f 光纤上传输速率为2 5 g b s 的高斯脉冲，经过无中继传输1 0 0 k r n 后的 7 浙江工业大学硕士学位论文 时域比较图，从中可以看出信号失真较小，图2 2 为其传输速率为1 0 g b s ，经过4 2 k m 后的 时域图，从中可以明显的看到高斯脉冲被展宽并且变形，因此，中继距离受传输速率影响 较大。在高速传输系统中，色散影响特别严重。为此我们不得不限制中继距离以减小色散 影响。但这极大地限制了高速光纤通信的发展，必须采取有效的措施克服光纤色散的影响。 2 2 色散补偿技术 现在使用的传输光纤绝大部分都是g 6 5 2 普通单模光纤，其色散系数约为1 6 p s n m k m 。 针对其色散补偿，提出了多种方法，主要有：色散补偿光纤( d c f ) 补偿技术、光纤光栅补 偿法、虚像相位阵列法( v i p a ) 、相位共轭法、预啁啾技术、双二进制编码法和色散支持传 输技术等方法。 其中尤以d c f 光纤补偿法和光纤光栅补偿法使用最为普遍。 2 2 1 d c f 补偿技术 随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现，采用色散位移光纤( d s f ) ( 在1 5 5 0 n m 处具有较好的 色散和衰减特性) 作为传输媒质，在1 5 5 0 n m 波长频带内可实现传输距离超过2 0 0 公里、比特 率为数个吉比特每秒的无中继长距离传输。但是，由于已安装的大量传输线路大部分铺设 的是1 3 1 0 n m 的单模光纤。而1 3 1 0 n m 光纤在1 5 5 0 n m 下具有+ 1 6 p s n m k m 的色散，因此这些传 输线路不能用于1 5 5 0 n m 下的高速传输。为了消除1 3 1 0 n m 光纤在1 5 5 0 n m 下的色散，色散补 偿技术引起了人们的极大关注。尽管已提出了几种以发射机信号调制为基础的色散补偿技 术，但采用特殊设计、具有大的常规色散的光纤补偿技术，因其技术简单，近年来已获得 广泛应用h 1 。 ( 1 ) 色散补偿光纤技术原理 色散补偿光纤( d c f ) 在1 5 5 0 n m 波长附近具有较大的负色散( 5 05 0 0 p s n m k m ) ，用这种 光纤与常规单模光纤( s m f ) 串接作为传输线路，可以补偿常规单模光纤在该波长处的正色 散，从而延长了中继距离。为了获得显著的补偿效果，d c f 与常规单模光纤长度的选择应 符合下式要求t d t o t z l = d s m fl s m f + d o c p l d c p = 0 ( 2 8 ) 其中，r 舭为系统总色散值，皿岍、p 、k 、k 分别为s m f 、d c f 的色散 系数和光纤长度，由此，可得进行色散补偿的d c f 长度为n5 1 ： 8 浙江工业大学硕士学位论文 k = 警2 街 仁9 ， 采用d c f 作色散补偿后，虽然延长了系统的中继距离，但也导致了线路传输损耗的增 加，因此，在采用d c f 作色散补偿的传输系统中，通常需要接入掺铒光纤放大器( e d f a ) 以补偿传输线路增加的损耗。 ( 2 ) d c f + s m f 通信系统优点 我国长途线网大量铺设的都是g 6 5 2 常规单模光纤，其零色散和最小衰减分别位于 1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 窗口。主要有两种方法对其进行扩容：波分复用( w d m ) 方式和时分复用 ( t o m ) 方式。采用1 0 g b s 以上的t d m 方式，不光受到电子器件的限制，而且受到光纤的色 散、非线性效应和偏振模色散( p m d ) 的影响，因此，目前暂时以1 0 g b s 为限度【1 6 1 。w d m 技 术则可以有效地利用光纤的低损耗带宽，而且可以忽略p m d ，逐渐成为提高通信容量的主 要手段之一。对于现有的g 6 5 2 光纤，大部分公司都选择n x 2 5 g b sw d m 作为发展策略， 在不使用色散补偿的情况下可以方便地对其进行扩容。用e d f a 作线路放大，补偿光纤损 耗，延长传输距离，同时利用光滤波器抑伟j j e d f a 中的自发辐射( a s e ) 噪声。所以， w d m + e d f a 具有极大的吸引力，是未来实现长距离、大容量光纤通信的捷径之一。但是 随着传输功率的增大、传输速率的提高以及密集波分复用( d w d m ) 技术和e d f a 的应用。 光纤中的色散和非线性效应显著增强，成为限制w d m 光通信系统性能的主要因素。而 d c f + s m f 的组合方式则能较好的克服两者对w d m 系统的不利影响。 ( 3 ) d c f + s m f 对色散的补偿 现有的w d m + e d f a 系统主要利用的是光纤1 5 5 0 n m 窗口。在此波长处，光纤具有 1 6 p s n m k m 的二阶色散，对于2 5 g b s 的系统而言可以在不进行色散补偿的情况下方便地进 行扩容，但当传输速率提高时，色散开始成为限制传输速率的主要因素。而d c f 在1 5 5 0 r i m 波长区具有较大的负色散系数，用很短的一段d c f 光纤就可以补偿较长的常规单模光纤所 产生的正色散，极大地改善了系统的传输性能。 ( 4 ) d c f + s m f 对非线性效应的限制 色散有利于克服光纤非线性造成的信道间干扰，如四波混频( f w m ) 。如果光纤的色散 较小， 1 p s n m k m ，其f w m 现象非常严重。而且随信道间隔的减小而显著增加。如果光 纤的色散较大，如1 6 p s n m k m ，则其f w m 几乎可以忽略不计。 9 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 其他色散补偿技术 ( 1 ) 光纤光栅补偿法 光纤光栅n 叼是利用光纤中的光敏性制成的。光敏性是指激光照射掺杂光纤时，光纤的 折射率随光强的空间分布而变化，其变化程度与光强有关。如果用特定波长照射该光纤， 其折射率就会呈现周期性变化，从而成为光纤光栅。用来进行色散补偿的光纤光栅有两种， 一种是均匀光纤光栅，另一种是非均匀光纤光栅，如啁啾光纤光栅。而目前多采用啁啾光 纤光栅来进行色散补偿。 啁啾光纤光栅是指光栅的周期沿光纤方向周期线性变化的。其色散补偿的原理为：一 定光栅周期对应一定的反射波长，由于不同波长的光被反射的位置不同，就会出现相对的 时间差，其工作原理如图2 3 所示，一般来说，单模光纤中波长较长部分的群速度小于波长 较短部分的群速度。若在一段光纤的前端刻上周期与波长较长部分相对应的光栅，通过光 环形器与光纤相连，波长较长部分在光栅光纤的前端就被反射回来进入光纤，而波长较短 部分则会透过光栅直到到达光栅光纤末端后才被反射回来。这样波长较短部分比波长较长 的部分多走了一个来回，这个时延差可以用来补偿光纤中色散产生的时延差。 啁啾光栅 图2 3 啁啾光纤光栅工作原理 ( 2 ) 虚像相位阵列法 虚像相位阵列法n 7 1 ( v i p a ，v i r t u a li m a g e dp h a s ea r r a y ) 是近来较受关注的一种色散补偿 方法。它是利用光信号角度色散特性来实现对色散补偿的技术，其工作原理如图2 - 4 所示。 光信号从光纤出射后，先后经过准直透镜、半柱面镜会聚到前表面镀全反膜( 1 0 0 ) ，后表 面镀高反膜( 反射率大于9 5 ) 的镜面玻璃板上。镜面玻璃板在靠近玻璃板下端镀增透膜， 使会聚后的信号能以低损耗进入镜面玻璃板。镜面玻璃板是产生角度色散的重要元件。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 v i p a 的工作原理为：在镜面玻璃板后，由会聚镜和反射镜组成一个回路系统，使不同 波长的光沿着不同的路径返回，由于色散角度偏上，短波长的光走过的路径较长。而长波 长的光正好相反，由于色散角度偏下，走过的路径较短。虚像的位置由光传播距离决定， 而距离又随不同的波长而改变，形成了色散。利用改变三维反射镜的形状，可以得到正色 散或负色散。当反射镜是凹透镜时，色散为正，反射镜是凸透镜或平面镜时，色散为负。 对特定的某一波长，通过合理选择反射镜的形状，还可以实现色散斜率补偿。 珊璃片 图2 - 4v i p a 色散原理 ( 3 ) 相位共轭法 在1 9 7 9 年，a y a r i v 等人就提出了利用光学相位共轭n 羽( o p c ) 来实现色散补偿的可能性， 但直到大功率e d f a 出现以后，这种方法才逐渐受到关注。这种补偿方法的基本原理是： 在同一段光纤中，如果输入光脉冲在传输过程中被展宽，其相位共轭波便会得到相应的压 缩。与其他色散补偿技术不同，它是一种非线性色散补偿技术，利用光纤中的非线性效应 实现频谱反转后进行二次传输，使得其色散与第一段光纤的色散相互抵消。在一定条件下， 它可以同时补偿自相位调锋j l j ( s p m ) 和g v d 引起的光脉冲畸变。此技术实现色散补偿的关键 是要获得信号脉冲的光学相位共轭。光学相位共轭可以通过四波混频( f w m ) 等多种非线性 光学机制来产生。 ( 4 ) 预啁啾技术 预啁啾技术n 们是一种简单可行的色散补偿技术，光信号一般含有多种不同的频率成 分，在光纤传输时，波长较短的部分传播速度较快，经过一定的传输距离后，会逐渐集中 到脉冲前沿；而波长较长部分传播速度较慢，会逐渐集中到脉冲后沿，这样一来，两者之 浙江工业大学硕士学位论文 间的时延差会越来越大，脉冲也就越来越宽。预啁啾技术主要是在输入脉冲进入光纤线路 前，先对其附加一个适当的正啁啾系数，降低脉冲前沿的频率，并升高后沿的频率，使得 脉冲在传输过程中有一个预先压缩的过程，起到色散补偿的作用。适当地选择输入脉冲的 啁啾系数，可延长光纤的传输距离。 ( 5 ) 双二进制编码法 双二进制编码咖3 采用在数字比特流中两个连续的比特相加后会构成一个比特速率减 半的三电平电压，利用这一方法可以实现对二进制数字信号进行编码。利用这种方法可节 省一半的带宽，换言之，对一个给定的带宽，采用这种技术可以获得2 倍的信息量。群色 散导致的脉冲展宽主要由信号带宽决定，带宽越小，脉冲展宽也越小，因此，双二进制编 码技术可以较好地减轻光纤色散给系统带来的不利影响，同时也有利于提高传输距离。 ( 6 ) 色散支持传输技术 色散支持传输技术乜妇是一种较新的调频技术。它主要利用激光器的调频特性，在传输 系统中先对激光器进行直接调制，由于不同频率的信号在光纤中的传播速率不同，在接收 端信号会产生交叠。对于移频键控( f s k ) 来说，用“o ”码和“1 ”码的波长改变一个恒定的五， 在光纤中传输时，这两种码因为波长而略有不同，所以传输速度也会有所不同，波长长的 传播反而较慢，经过传输距离l 后所产生的时延差a t = a 2 ，d l ，其中d 为色散系数。此时光 功率也不再是常数，它在两种光频率的光强重合处达到最高峰，在光强错开处达到低谷。 虽然光发射机产生一种频率调制信号，但由于光纤色散，调频信号会转变成调幅信号，在 接收端检测到幅度信号，可以通过电子积分器将信号解调出来。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章单模光纤中的非线性效应 光纤中的非线性效应分为两类：非弹性过程和弹性过程。由受激散射引起的非弹性过 程，电磁场和极化介质有能量交换，主要有受激布里渊散射( s b s ) 和受激拉曼散射( s r s ) 。 由非线性折射率( k e n 效应) 7 1 起的弹性过程，电磁场和极化介质没有能量交换，主要有自 相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) 。这些非线性效应使得w d m 系统 信道间产生串扰和功率代价，从而限制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。为了优化系统设计，研究非线性效应对系统性能的影响是非常必要的。本 文主要对f w m 作了研究，因此将重点介绍f w m 的相关内容。 3 1 四波混频( f w m ) 效应 四波混频( f o u r w a v em i x i n g ，f w m ) ，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光 波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混 频产物或边带的新光波，这种相互作用发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍 频、和频、差频等多种参量效应。 3 1 1f w m 理论模型 要研究f w m 的特点可通过对三阶极化项心2 1 的分析来进行： = e o z 3 ；e e e ( 3 1 ) 其中、氏分别表示非线性极化率和真空介电常数，对于振荡频率分别为q 、哆、鸭和 纰，沿x 方向线偏振的四个光波，其总电场可表示为： e = 丢叠喜弓e x p f ( t z 一吩，) 】+ c c ( 3 2 ) 式中，乃= _ c 为传播常数，吩为折射率。把方程( 3 2 ) 代入方程( 3 1 ) 中，得到： ：i 1x 4ee x p 【f ( 巧z 一叶f ) 】+ c c ( 3 - 3 ) 弓= ( _ ；l 一4 ) 为由许多包含三个电场积的项组成。因此，只可表示为： 浙江工业大学硕士学位论文 只= i 3 幺3 獬) 0 巨1 2 巨+ 卸5 1 2 + i 岛1 2 + l 骂1 2 ) 日+ 珥易易州皿) + 驾鸟写吲礁) + 人】 式中 幺- - ( k , + 如+ 如- k , ) z - ( w l + w 2 + w 3 一w 4 y 晓= ( 毛+ 乞一毛一缸) z 一( w l + w 2 一w 3 一心) ， ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 方程( 3 - 4 ) 中，与e 成正比的项为m 和s p m 效应所产生，其余项为f w m 。其中哪些项起 作用，是由巨和只之间的相位匹配来决定的。当相对相位为零时，才会发生显著的四波混 频效应，这需要频率和波矢量之间的匹配。一般将波矢量之间的匹配称为相位匹配。式( 3 - 4 ) 中等式右边含有以的项表示三个光子合成一个光子的过程，产生新频率为 吼- - 西0 1 + 哆+ 鸭，当三个频率都相等时( q = 哆= 鸭) ，对应于三次谐波的产生，当两个 频率相等时( 铂= 哆q ) ，对应于频率转换。而式( 3 - 4 ) 中含有晓n 椰n n n 率铂、 呸的两个光子湮灭而产生两个新频率光子鸭，绒的过程，熟+ 缈4 = 伤+ 吐。此时的相位 匹配条件为： 龇= 岛+ 匕一毛一乞= ( n 3 0 ) 3 + n 4 a ，4 一劬一n 2 a 0 2 ) c = 0 ( 3 - 7 ) 在q = 哆条件下，相位匹配条件易得到满足。 假设光波沿x 方向偏振，并以z 轴方向为光纤的轴向，光波沿z 轴方向传输。把场强和感 应非线性极化的傅里叶积分形式代入光波动方程，可得到 e ( 奶z ) = 圭口e ( 皱z ) + f 等( 仍z ) e x p ( 一沱) ( 3 - 8 ) 此时，忽略由于频率变化而产生的三阶电极化的变化。而且由于四波混频光较弱，自相位 和交差相位调制以及三次谐波也可忽略，此时的非线性极化率可表示为： ( 绵) = 杀恐巨易e ( 3 - 9 ) 设常数项杀z 为d 石川，( d - l , 3 ，6 ) 。以为三个光场中相同频率光的个数。由式( 3 - 8 ) 和 ( 3 - 9 ) 可得： 罢巨( 邮) _ - 三口讹2 z r o c ) 4 ( l i ) 珈) 驰) 酢) e x p ( m ( 3 1 0 ) 对其在整个光纤长度上积分得： 浙江工业大学硕士学位论文 驰h 警( 旌巨岛e x p ( - j l c 调( 地铲i a k )( 3 1 1 ) 巩 z 口一 假设各个模场分布对不同频率是相同的，那么频率为哆处的功率e 可表示为： 乞= ( ，l j c 8 万) i e j ( 三) 1 2j n 2 ( x ，y ) d x d yj n 4 ( x ，y ) d x d y ( 3 - 1 2 ) 用式( 3 1 1 ) 代a ( 3 - 1 2 ) 可得： 只=等(d,zilii)21121 1 4 c晰岫警i i 地铲t a l cr i ( 3 - 1 3 )，z i 吩。蚀 口一 式中锄为光纤有效面积，其可表示为fp 2 ( x , y ) d x d y l 2 p 4 ( x ，y ) d x d y ，( x ，y ) 为h e i 。模 的归一化模场分布，且n ( 0 ，0 ) = 1 。当相位匹配时( 七= 0 ) ，f w m 功率表示为： 只：筹( 砒川) 2e x p d 学岛( 3 - 1 4 ) 啊n 2 n 3 心c 。锄 “ 其中定义为有效长度，表示为 1 一e x p ( 一a l ) a 。定义四波混频效率刁，其含义为相位 失配时功率( 只( 龇o ) ) 与相位匹配时功率( 互( 敏= o ) ) 的比值，则： ，7 = 南【1 “e x p ( 吨印i n 2 ( - - 等- ) ( 1 一e x p ( - a 助2 1 ( 3 - 1 5 ) 其中筇为相位失配因子，考虑色散斜率情况下可表示为： = ( 2 砝2 c ) 鲈2 皿+ 五2 ( 蛾d a ) c ( 3 - 1 6 ) 由式( 3 1 6 ) 可知，相位失配因子与信道问隔光纤色散等因素有关，因此可以通过合 理配詈信道间隔和光纤任散来抑匍j f w m 。 3 1 2f w m 对系统性能的影响及其抑制措施 四波混频( f o u r - w a v em i x i n g ，f w m ) ，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光 波间