（光学工程专业论文）基于dsp的40gbits动态色度色散补偿系统中控制单元的设计.pdf

中文摘要 目前，动态可调节色散补偿技术已经成为光通信系统向高速发展的关 键技术之一。补偿系统中需要设计一个快速、稳定的控制单元，将色散补 偿器件和色散检测单元连接为一个整体，通过算法将检测到的反馈信号转 化为驱动色散补偿器件的控制信号。本文设计了用于4 0g b i t sr z 码光纤 通信色散补偿系统的反馈信号控制单元，并且设计了利用光开关级联色散 补偿光纤实现动态色度色散补偿的补偿器件。控制单元的设计基于d s p 技 术，可以实现高速、实时地提取色散补偿反馈信号，并通过算法计算得到 对补偿器件的驱动信号。 本文主要完成了如下工作： 1 设计了控制单元硬件部分并编写了软件部分。根据控制单元所要完成 的功能将硬件系统分为几个模块，对各模块的组成器件和其功能进行 了详细地说明并讨论了选用器件的标准和其实现功能。控制算法部分 是整个软件系统的核心。本文对算法本身的设计思想进行了阐述并对 算法的收敛性等进行了理论和实验验证。 2 进行了d s p 系统的实验调试，包括通用i o 口的调试、a d 的调试、存 储器和s p i 接口模块的调试，证实了补偿单元设计的可行性。 3 分析了光纤中的色散效应对光信号形状和频谱的影响。给出了色散补 偿光纤的补偿原理、评价参数的具体理论依据，并且对色散补偿光纤 在光纤链路中常用的三种补偿方案一前补偿、后补偿及对称补偿一进 行了理论分析和补偿效果的实验仿真。 4 介绍了补偿系统的组成，提出了采用光开关级联色散补偿光纤的方法 作为补偿器件。对整个色散补偿系统进行了仿真实验，分析了本文提 出的补偿方案的特性。 关键词：动态色散补偿d s p 控制单元色散补偿光纤光开关 a b s t r a c t n o w a d a y sd y n a m i ct u n a b l ec h r o m a t i cd i s p e r s i o n ( c d ) c o m p e n s a t i o nh a s b e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e do p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ec o m p e n s a t i o ns y s t e mc o n s i s t so faf a s ta n d s t a b l ec o n t r o lu n i tw h i c hm a t c h e st h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa n dt h e c dm o n i t o r i n gd e v i c e st o g e t h e rt h r o u g ht h ea l g o r i t h m t h ea b o v e m e n t i o n e d a l g o r i t h mu s e st h ef e e d b a c ks i g n a ld e t e c t e db yt h ec dm o n i t o r m gt e c h n i q u et o p r o v i d et h ed r i v i n gs i g n a lt h a ti se s s e n t i a lf o rt u n i n gt h ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s i nt h i sp a p e r , ac o n t r o lu n i tb a s e do nd s pt e c h n i q u ei nt h e4 0g b i t so p t i c a l f i b e rs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hc a l lr e a l i z er a p i dp r o c e s s i n go ft h ec d m o n i t o r i n gs i g n a lb yt h ec a l c u l a t i o no ft h ea l g o r i t h ma n ds e n d i n go u tt h e d r i v i n gs i g n a lf o rt h ec dc o m p e n s a t i o nd e v i c e sm a d eu po fo p t i c a ls w i t c h e s w i t hs e g m e n t so fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ( d c f ) l i n k s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l i o w i n ga s p e c t s ： 1 t h eh a r d w a r eo ft h ed s pc o n t r o lu n i ta n dt h es o f t w a r ec o o p e r a t i n g w i t ht h eh a r d w a r ew e r ep r o p o s e da n dd e s i g n e d t h ew h o l eu n i tw a s d i v i d e dt os i xm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cf u n c t i o n s t h e f u n c t i o no fe a c hm o d u l ea n di t sr e a l i z a t i o nw e r et h o r o u g h l y d e m o n s t r a t e d a st h ea l g o r i t h mw a st h ek e yp o i n ti nt h es o f i w a r e p r o g r a m m m g ，t h ed e s i g no ft h ea l g o r i t h mw a sd i s c u s s e di nt h ep a p e r a n di t s c o n v e r g e n t c h a r a c t e r i s t i cw a sp r o v e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y 2 e x p e r i m e n t so ft h ed s p c o n t r o lu n i tw e r et a k e n ，w h i c hp r o c e s s e dt h e d e b u go ft h ei oi n t e r f a c e ，t h ed e b u go ft h ea d a n dt h ed e b u go ft h e s p ii n t e r f a c et ot h ef l a s h t h er e s u l t sp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h e d e s i g n 3 f r o mat h e o r e t i c a lv i e w p o i n t ，t h ec o m p e n s a t i o np r i n o p l eo fd c fa n d n d i f f e r e n tw a y s1 0c o n n e c td c fi nt h ec o m p e n s a t i o ns e t u p sm c l u d m g p r e - c o m p e n s a t i o n ，p o s t c o m p e n s a t i o na n ds y m m e m c a l c o m p e n s a t i o n w e r ea n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nt h et h r e es e t u p sw e r e g w e n 4 t h ec dc o m p e n s a t i o ns y s t e mw a sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ec d c o m p e n s a t i o nd e v i c ew a sm a d eu po fo p t i c a ls w i t c h e sa n ds e g m e n t s o fd c fl i n k s s l m u l a t l o n sf o rt h ec dc o m p e n s a t i o ns y s t e mw e r e t a k e n a n dt h et r a i t sa n df e a s t h d l t yo ft h ec o m p e n s a t i o ns y s t e mw e r e a n a l y z e d k e yw o r d s ：d y n a m i cd l s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，d s pc o n t r o lu n i t ， d i s p e r s i o nc o m p e n s a t m nf i b e r ，o p t i c a ls w t c h e s 1 1 1 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞本堂或其他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。 学位论文作者签名：聿锦 签字日期：2 ，。年。f 月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和偌阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 章锦导师签名：# 文才 签字e t 期：2 j d d 年d j 月i oe t签字日期：少5 年oj 月1 2e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光线通信发展现状简介 近些年来，光纤通信在世界各地广泛应用于通信、图像及数据传输等【l 】。随 着社会的信息化，对通信容量需求也日益增加，具有速率高，传输信息量大，传 输距离远，抗干扰能力强，保密性好等优点的光纤通信成为现代长途干线通信主 体 2 - 3 1 。现在，我国绝大部分传统的电缆通信已经被光纤通信所取代。单通道速 率为1 0g b i t s 的系统已经商用化，单信道速率正向4 0g b i t s ，甚至更高速率发展 i ”。影响信号在光纤中传输距离的主要因素包括损耗、色散和非线性效应。低损 耗光纤和掺铒光纤放大器( e d i a ) 的广泛应用解决了高速光纤通信系统的传输损 耗问题。光纤色散又能有效抑制四波混频等非线性效应，因此，色散问题已成为 光纤通信系统升级扩容的主要障碍。受色散的影响，传输速率为1 0g b l t s 、光脉 冲宽度为5 0p s 的系统只能有效传输4 0k m 。传输速率为8 0g b w s 时，有效传输 距离不足2k m 。为了兼顾色散和非线性两种要素，人们提出一种折衷方案，即 将光纤的零色散点偏离1 5 5u l t i 窗口使之在1 5 5u m 波长处的色散不为零，约有 2 6p s k m a m 的色散，这就是g6 5 5 光纤。当光纤传输速率较低、距离较短时， 采用g6 5 5 光纤进行传输的办法是可行的。但g6 5 5 光纤并没有解决色散问题， 高速、长距离传输中仍需色散补偿。迄今为止，全世界铺设的光纤干线达2 亿公 里以上，其中8 0 为g6 5 2 光纤，随着全球信息业务量的迅猛增加，通信网络必 然要进一步向高速大容量方向发展开发已有光通信系统的潜力，在g6 5 2 光纤上 开通高速系统的关键之一是色散补偿。 1 2 光纤通信中的动态色散补偿 由于实用化光通信网络的单波传输速率已经达到1 0g b i t s ，4 0g b i f f s 的传输 系统也将从实验室转向实用化，色散成为光信号传输质量劣化、误码率增加的不 可忽视的因素。实践证明，无论是主干网，还是城域网，光传输系统的色散补偿 都是维护传输质量的必要技术措施。由此可以看至u $ 3 1 约下一代高速光通信系统升 级的色散补偿问题也将会从单纯的单信道色散补偿技术转向复杂的多信道色散 第一章结论 补偿技术，由单通道的色度色散补偿转向色散和色散斜率的同时补偿，由固定单 一的色散补偿转向可调谐动态色散补偿”。 1 2 1 动态色散补偿的必要性 从国内外实验研究 62 1 】来看，动态色散补偿技术对优化光网络传输质量、充 分发挥组网灵活性起到重要作用，已成为研究色散问题的一个重要的发展方向。 首先，目前主要使用的色散补偿技术包括色散补偿光纤1 2 2 - 2 4 1 ( 基于基模或高 阶模设计) ，光纤布拉格光栅 2 0 - 2 1 。f 2 7 1 ，虚拟成像相位阵列口8 。l ，平面波导器件 1 3 0 - 3 1 1 以及中点谱反转法吲等等。这些色散补偿技术都只能初步实现光纤通信线 路中的固定色散补偿；然而，进行固定色散补偿后，传输系统的累积色散值还有 冗余。对于色散容限比较高的低速系统，冗余的累积色散不会影响光信号的传输； 但对于色散容限比较小的高速系统，由于当通信线路中的色散累计值超过线路色 散容限的百分之几时，传输的信号就会由于冗余色散而发生畸变变得无法识别， 即使进行了完善的静态色散补偿，也难以保证系统的性能【4 j 。 其次，当光纤通信系统传输速率很高时，环境影响的微小变化就会使线路的 色散变化超过系统的色散容限 3 4 - 3 5 。由于光纤的零色散波长会随着温度的变化漂 移，典型的漂移速率是00 3n m c 。所以天气变化引起的环境温度变化会导致色 散波动。例如，温度变化量为2 5 时，对于一段长度为5 0 0k m 的普通单模光纤 线路，导致的色散变化量为3 0p s n m 。这个变化量对于色散容限为8 0 0 一t 5 0 0p s n m 的1 0g b i t s 系统不会造成太大的影响；可是对于色散容限仅有5 0 1 0 0p s n m 的4 0 g b l t s 系统就导致传输信号的严重畸变，影响接收端对信号的识别。 第三，实践证明，无论是主干网，还是城域网，光传输系统的色散补偿都是 维护传输质量的必要单元。光通信网络相关支撑器件的多样化和可配置功能使得 普通点到点波分复用通信系统拥有灵活节点，实现高效、可配置灵活组网。与此 同时，城域网通过不同拓扑结构将具有不同传输物理特性的子网络连接。特别是 光交换路由器、光分插复用器等关键光节点技术能完成光节点出任意光纤端口 之间的光信号交换及选路，增加光网络传输路径的不确定性。而光信号色散、光 脉冲展宽与路径密切相关，则线路上残余色散量也是动态变化的色散补偿单元必 须具备动态可调谐功能才适应下一代光通信网发展需要i ，”l 。 其他的导致系统色散动态变化的因素包括： ( i ) 光源和复用器( 解复用器) 的频率漂移导致的信号啁啾，从而引起传输系 第一章绪论 统色散量变化； ( i i ) 信号功率的变化引起线路上非线性效应的改变和系统色散分布的变化： ( i i i ) 由信号发射装置引起的信号啁啾所产生的色散也会使系统的色散呈动 态分布。 综上所述，在动态波长路由的光网络中，需要动态色散补偿技术的支持。 1 2 2 动态色散补偿的研究进展 动态色散补偿可以简单看作是色散补偿单元和动态调节单元的组合。动态色 散补偿系统主要由可调谐色散补偿器件、反馈控制信号提取装置和色散补偿控制 算法组成，其结构框图如图1 1 所示。通过色散探测装置实时提取反馈控制信号， 从而实时检测光纤通信线路中的色散；通过这个与色散有关的反馈信号，控制单 元控制可调谐色散补偿器件的补偿量，使之动态的补偿线路中动态变化的冗余色 散值。限于时间本文主要研究利用提取出来的反馈控制信号对可调谐色散补偿器 件进行驱动的控制单元的设计。 光纤传输链路 图1 1 动态色散补偿结构框图 目前，色散补偿单元可调谐功能主要有以下两种方法实现：一是在固定式色 散补偿单元上附加一个可调谐单元，通过控制调谐单元状态实现动态色散补偿： 另一种是调节色散补偿单元本身结构的物理参数，以改变色散补偿响应。 动态色散补偿技术主要有以下几种： 可调节啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅“3 9 1 作为色散补偿元件的基本工作原理如下图1 2 所示。从图 中可以看出，展宽脉冲中的不同波长成分在光栅的不同位置被反射，这导致出现 第一章绪论 个微分基的延迟。最大延迟量与光栅长度成正比，通过改变沿光纤轴向的光栅 周期、平均折射率或者同时改变两者来实现色散补偿。 图1 - 2 用啁啾光纤光栅作为色散补偿元件原理图 t4 啁嗽光纤光栅作为色散补偿器件具有良好的色散特性，同时具有色散补偿量 较大、与光纤兼容性好、插入损耗小、结构紧凑等优势。但是，由于环境温度和 施加光栅应变将导致啁啾光纤光栅响应波长的漂移，利用光纤对应变和温度的响 应特性，实现啁啾光纤光栅动态调谐功能，可调谐啁啾光纤光栅可分为温度调谐 型和应力调谐型两类。但是，为了实现比较理想的宽带色散补偿，需要能够制造 出较大长度的啁啾光栅，而目前的工艺又很难解决光栅相位的平滑性和大长度的 封装问题，因此需要进一步解决光栅的色散起伏以及热稳定性的问题 2 0 , 4 0 - 4 3 。 虚象相位阵列器件( v i p a ) 这项技术是一种体光学色散补偿方法，它利用微透镜技术和角色散原理，使 不同波长的光传输不等的距离，实现要求的群延迟。该技术通过控制三维反射镜 镜面不同位置的凹凸，使不同波长的光在不同的位置得到反射，通过调节聚焦透 镜和反射镜距离来改变色散补偿量，实现色散的可调 , 1 2 s , 3 8 1 。 如下图1 3 a 所示，v i p a 由半圆柱镜和两面镀膜的玻璃板组成。半圆柱镜将 输入光聚焦到玻璃板上，作为角色散器的玻璃板对于不同波长的光的输出角不 同。玻璃板的输入侧镀有一层对入射光的高透膜，其输出侧则镀以高反射膜 ( r ，9 8 ) ，这样输入光在板内进行多次反射。就这样输入光被分成具有恒定位移 的光通道，每个光通道具有一束似乎是从镜( 虚) 像光束腰部发散处的光。在光通 道中的发散光束相互干涉构成与输出光平行的角色散光。当玻璃板厚度l 为l 第一章结论 m m 时，相连光通道间的距离d 为5 0u m ，近似为2 n l d x 的角色散( 式中n 是 玻璃板的折射率， 是波长) 为22 。n m 。这样大的角色散将被用来产生大的色 散。v i p a 对色散进行补偿可以理解为玻璃板作为波分解复用器把不同波长的光 分开，反射镜反射的短波长( 高频) 的光比长波长( 低频) 的光相当于多走了一段距 离，这和啁啾光纤光栅能够补偿光纤色散的原理相似。v i p a 产生的色散和反射 镜的形状有关，当反射镜是平面镜或凸透镜时，色散是负数；反射镜是凹面镜时， 色散是正数。当在x 方向改变反射镜的位置时，可以使色散值平滑地变成负值， 如图1 3 b 所示。 l 2 3 五 五 ( b ) 图1 - 3 伍b ) 虚拟相位阵列器件( v 邛l a ) 进行色散补偿 ( a ) v i p a 的构成( b ) v i p a 进行色散补偿的工作原理 这种方法可以用于可调谐色散补偿，但存在通带过窄的问题。最近的实验报 导表明利用虚拟成像相位阵列可以得到小于2p s 的群色散抖动，色散补偿范 围在- - 8 0 0 到+ 8 0 0p s n m f 2 8 1 。 双波导祸合器件 将色散补偿单元做在半导体平面波导上可以实现集成光回路，可以利用非对 第一章绪论 称双波导耦合实现色散补偿。这种非对称双波导耦合原理是：当结构参数不同的 平面波导靠近时，波导中导模之间发生耦合，在耦合区域内形成叠加模式，叠加 模式在频率谐振区域内产生很大色散。由于色散数值大小与平面波导之间的距离 有关，通过调节平面波导间距离，就可选择所需色散补偿量的大小。这种技术易 于集成，在输出、输入端口同时集成模式转换器件，能更好选择波导中叠加模式 和提高色散补偿效率。 a p f 滤波器件 a p f ( b pa l l p a s sf i l t e 0 是种相位响应系统，系统的相应函数可以表示为； 日( w ) = p ( w ) p “帕 实现该系统的方法有许多种，其中最简单、易实现的是光纤环行振荡器。耦 合器同侧的输出端延迟一定相位后反馈到入射端e l ，通过调节延迟量动态改变色 散值，实现动态可调节色散补偿。 上述四种器件中，除了第一种啁啾光纤光栅器件的技术比较成熟，其他三种 还处于实验室研究阶段。 近年来有关动态色散补偿技术的报道比较多，常见的补偿技术还有可变腔长 f p 型m e m s 以及g l r e s t o u m o i s ( g - t ) 干涉仪等等。在动态色散补偿装置的不断 研究进展中，更大容量、更多信道的动态色散补偿正在逐步实现；同时也逐渐实 现了由多信道的色度色散补偿转向多信道的色散和色散斜率的动态补偿。 1 3 利用d c f 实现4 0g b i t s 光纤通信系统色散补偿 1 3 14 0g bjt s 光纤通信系统的可行性及存在问题 相对低速系统而言，4 0 g b l t s 系统所体现的主要优点是设备成本和系统维护 成本降低、带宽利用率及核心网效率高等。随着技术的进步和发展，在一个波长 上承载4 0g b l t s 信号将比四个波长上分别承载1 0g b l t s 信号而达到4 0g 容量要 蒡一章绪论 便宜得多。由于核心光网络的带宽必须大于任何单一的接口信号。当l og 光网 络问世时，最快的交换机或路由器的接口速度只有2 5g 。现在随着数据网络设 备开始采用1 0g 接口，1 0g 接口的路由器和其他设备的出现在很大程度上意味 着4 0 ( 环得不用在核心网络中，只有这样才可以使业务得到高效的承载，所以 网络核心向4 0g 转移则变得非常重要。虽然实现4 0g 系统对电子学和光学领域 的技术要求都需要面临诸多挑战，但是从历史上看，无论网络业务在哪里始发， 对带宽需求有多大，核心网络总是领导带宽需求的。因此，在不久的将来，4 0g 的器件和系统将在核心网络以及城域网络中出现，并且随着成本的降低和技术的 进步成熟 5 , 3 9 , 4 4 1 。 但是，受到客观因素的限制，4 0g b i t s 技术一直以高成本阻碍着其商用化： 首先，4 0g b i t s 集成电路设计将面临电子材料的挑战，其接口需要高速成帧 器、映射器、开销处理器、接收机、发射机及复用器等芯片，4 0g b i t s 系统需要 用新的材料来取代时分复用速率已接近极限的s i 和g a a s 。4 0g b i t s 系统对器件 的材料性能、尺寸和功耗等要求更高，正在积极研究的电子材料有s i g e 和i n p 等。s i g - e 和i n p 可以用来制造集成的芯片，既能将电和光功能集成在一个芯片 上，又可以支持4 0g b i 低的速率运行。它们的主要优点是性能好、尺寸小、功 耗低。 其次，在4 0g b i t s 系统中，光学特性的限制主要包括色散( 色度色散、偏振 模色散) 、非线性效应、光信噪比( 0 s n r ) 和光器件的封装等。 因此，采用何种方法低成本地解决这些限制，则成为4 0g - b i f f s 系统实现商 用化的关键技术。同时，由于目前4 0 g b i t s 系统的成本还没有降低到运营商认为 可以承受的地步，另外在现有已铺设的传输系统中，其容量或者可经过低廉成本 扩容的容量完全可以满足近几年的需要，再加上运营商考虑到经济效益，一般都 是压缩投资，加紧资金回收。所以，4 0 g b l t s 技术的实际商用还要等待一段时间。 虽然，4 0g b l t s 技术并没有在实际商用系统得到应用，但这并没有阻止4 0 g b i t s 技术在实验室中进一步的研究与开发。如在o f c2 0 0 2 会议上， a g e r e s y s t e m s 实现4 0 x 4 0 g b i t s 的1 0 0 0 k m 传输、丹麦的l u c e n t 实现4 0 x 4 0 g b l t s 的5 0 0k m 传输和l u c e n t 的贝尔实验室实现了6 0 4 0g b i t s 的4 0 0 0k m 传输等。 同时，在e c o c2 0 0 2 会议上，m i n t e r a 公司实现了4 0 4 0 g b i t s 的5 2 0 0 k m 的传 输。而在o f c2 0 0 3 会议上，a l c a t e l 和f u j i t s u 同时公布了采用常规n r z 并在常 规单模光纤( s m f ) a 传输的4 0 4 0 g b i t s 系统的长距离实验结果，其距离分别达 到2 5 4 0 k m 和16 0 0k m 等。在国内，从2 0 0 2 年开始，国家科技部开始针对4 0 g l o l l c s 设置了一些研究项目：国内的主要光通信设备商，如华为、中兴等也将把设备提 第一章绪论 供4 0 g b w s 接口作为未来的研发方向之一。 1 3 24 00 bit s 系统的色散补偿 每一个包含着信息的光脉冲都有一个确定的光谱宽度。不同的波长以不同的 速率传播是光纤的基本特性，这就会导致色散的产生。如果不加以控制，那么随 着脉冲的发散，相邻的两个脉冲最终将会重叠而产生码间干扰，从而产生误码。 4 0g b i t s 光网络的抗色散能力更弱。目前网络中采用的大多数抗色散方法都比较 简单，即对所有波长同时进行补偿，但这种方法不能满足4 0g b w s 传输所需要 的更精确的色散补偿。支持4 0g b l t s 的传输一般有两种更加精确的色散补偿方 法。其一，可以选择一组波长或单位波长进行补偿。使用固定的补偿模块来实现 非常准确的补偿，需要采用大量的补偿模块。其二，源色散补偿技术是一种更高 级和更有效的解决方案。把有源和无源的斜率式色散补偿结合起来能产生非常理 想的效果。在4 0g b l t s 光网络中可以采用现有的固定斜率进行粗略的补偿，然 后采用动态色散补偿模块调节残余色散。 1 3 3 色散补偿光纤模块的应用 d c f 是目前使用比较普遍和较实用化的一种在线补偿方案，其技术日趋成 熟，是最有希望实用化的方案之一。d c f 是一种具有较大负色散系数和负色散斜 率的特殊光纤，由于普通单模光纤在1 5 5 0n m 窗口具有1 7 p s n m k m 左右的色散， 并具有正的色散斜率，因此可将其直接接入普通单模光纤传输系统中，使整条光 纤线路在e d f a 提供的增益波长范围内满足波分复m ( w d m ) 系统对光纤色散的 要求，其应用非常简便，便于系统的升级和扩容1 4 5 - 4 5 。 在第11 节中已经介绍过，不仅g6 5 2 光纤的色散需要补偿，g6 5 5 光纤也 需要进行色散补偿和色散管理。在超长距离和超宽带( 8 0n m ) 范围进行完全的色 散补偿，需要同时解决色散和色散斜率补偿问题。测试和分析表明当温度范围从 4 0 西o 变化时，d c f 、g6 5 2 和g6 5 5 光纤的色散和色散斜率变化不大。这 样为室内恒温条件下的色散补偿元件包括d c f 和f b g 的色散补偿结论的野外适 用性提供了凭据。g6 5 2 光纤和g6 5 5 光纤的色散斜率基本一致，d c f 的色散斜 率较小。d c f 的色散斜率不能与g6 5 2 光纤或g6 5 5 光纤完全匹配，高成本、大 损耗、低色散以及色散斜率不匹配将限制其在未来高速、长距离光纤通信中的应 用。所以很多研究致力于新型d c f 光纤结构的设计f 4 9 - 5 3 1 。 第一章绪论 例如，已报道的c + l 波段色散补偿光纤模块1 4 ”，具有负的色散和色散斜率。 色散补偿光纤的折射率剖面采用了带环包层的w 型结构。一方面可以得到很高的 负色散和负色散斜率；另一方面又可以降低弯曲损耗、折射率剖面如图所示。芯 层部分才有多芯层结构，芯层最高处的折射率为1 8 , - - 3 o ，下陷包层的折射率 为一0 9 o 4 ，环包层的折射率为o 3 - - - 0 ，6 。实验中，采用了采用p c v d 工艺 研制出多波段色散补偿光纤的预制棒，并拉制了光纤。p c v d ，鄂非等温等离子 体化学气相沉积法，利用这种工艺沉积的光纤具有均匀性好、折射率分布精细的 特点。光纤的芯层折射率为2 3 ，下陷包层折射率为一0 6 ，环包层的折射率为 o 4 。同时对芯层和包层的材料掺杂进行了特殊处理，既可以减少材料掺杂带来 的本征损耗，又可以优化不同材料之间的热膨胀系数，改善光波导的均匀性，有 助于提高色散补偿的效果。 图1 - 4c 十l 波段色散补偿光纤的折射率剖面 图1 5u 波段色散补偿光纤的w 型折射率剖面 又例如，u 波段色散补偿光纤模的设计采用了上面所述的c + l 波段色散补偿 光纤的了带环包层的w 型结构如1 ，区别是在环包层的外面又加了一个小外层的设 计，并且在光纤的芯层设计了多层结构，如图1 5 所示。这点结构的改变可以获 得在u 波段更高的截止波长并且降低了光纤的弯曲损耗。设计同样也是使用 p c v d 工艺研制出多波段色散补偿光纤的顼制棒，并拉制了光纤。光纤在u 波段 9 第一章绪论 的负色散值为1 2 0 - - 一2 4 0p s n m k m ，在1 6 5 0n m 处光纤的色散斜率为一0 4p s n m 2 k m 。 还有，就是利用d c f 光纤和s m f 光纤进行组合，通过前补偿或是后补偿的方 式在4 0g b w s 系统中达到不同的补偿效果5 4 - 5 5 1 。 1 4d s p 技术在光电信号探测和处理中的应用 1 4 1d s p 技术简介 数字处理技术的发展日新月异，随着集成电路技术和软件技术的不断发展和 解决复杂问题能里的不断提高，d s p 技术的出现使得数据采集系统结构清晰，流 程简洁，功能越来越强大。d s p 芯片是专门完成各种实时数字信息处理用的，它 是建立在数字信号处理的各种理论和算法基础上的。 自第一个d s p 微处理器i n t e l2 9 2 0 在1 9 7 6 年出现以来，d s p 芯片经历了一 系列的发展和更新换代。八十年代以前的d s p 可以归于其发展的第一阶段，具 有下列特点：指令流水，有效的寻址模式，有子程序调用和地址传递协议：使用 h a r v a r d 结构，可同时取指令和数据，等等。d s p 系统主要由分立元件组成，包 括线性电路模拟前端、模拟数字转换器和外围界面电路、组合电路、可编程的阵 列逻辑( p a l ) 及可编程只读存储器0 r o m ) 存储器及个别处理器。进入八十年代以 后，随着数字信号处理技术应用范围的扩大，要求提高处理速度，到1 9 8 8 年出 现了浮点d s p ，执行浮点算术运算和乘，累加，如a t & td s p 3 2 c ，m o t o r o l a d s p 9 6 0 0 2 ，t i1 m s 3 2 0 c 3 0 等，同时提供了高级语言的编译器。到了9 0 年代， d s p 技术发展十分惊人，以d s p 作为主要元件，再加上外围设备和特定功能单 元综合成的单一芯片，加速了d s p 解决方案( d s ps o l u u o n d s p s ) 的发展，同时 产品的价格降低，运算速度和集成度获得提高，9 0 年代d s p 揭开了计算机、通 信、消费类、汽车、军事等电子市场的新纪元，这些技术也反过来促进了数字信 号处理器的发展和需求。 当前的d s p 多数基于r i s c 结构，且进入v l s i 阶段，如1 1 公司的t m s 3 2 0 c 8 0 代表了d s p 的新一代芯片集成技术，它将4 个3 2 位的d s p 、1 个3 2 位的砧s c 主处理器、1 个传输控制器、2 个视频控制器和5 0 k b s r a m 集成在一个单片上。 由于数字信号处理系统愈来愈先进，高科技含量愈来愈高，系统性能愈来愈强大， 第一章绪论 现在的d s p 芯片制造商随d s p 芯片提供系统的解决方案d s p s ：d s p s = d s p + 混 合信号处理电路+ 系统软件+ 软件。d s p s 可包括其它半导体器件，如逻辑电路、 存储器及a s i c 。系统技术包括设计工具、技术支持及产品信息。 自从德州仪器( t i ) 1 9 8 2 年推出第一个通用可编程d s p 芯片以来，d s p 技术带 来了决定数字技术未来的突破性应用。整整1 5 年，1 f l 一直在d s p 技术上处于领 先地位。在此期间，1 r i 的d s p 芯片性能由最初的每秒5 0 0 万条指令增加到1 6 亿 条指令。与此同时，d s p 芯片的价格却由8 0 年代的数百美元下降到了目前的5 美元，甚至还可以更便宜。1 1 公司为不同应用领域提供了不同的解决方案，持续 开发了n 俗3 2 0 c 1 x ，t m s 3 2 0 c 2 x ，1 m s 3 2 0 c 3 x ，耵订s 3 2 0 c 5 x ，t m s 3 2 0 c 6 x 等系列d s p 器件。其中，c 2 x x 系列以其低廉的价格，低功耗和高性能等特点被 广泛应用于国内的数据采集系统中，以c 2 x x 系列内核为基础的新一代d s p 器件 t m s 3 2 0 l f 2 4 7 不仅继承了上述优点，同时增加了数字马达和运动控制功能，内 置采样最小间隔5 0 0n s 、1 0 位采样长度的高速a d 和片内r o m ，最高运算速度 达到3 0m i p s ，其一系列特点完全满足一般工业控制领域的数据采集和数据处理 的要求”i s 7 。本文所涉及的数据采集及数据处理系统即建立在t m s 3 2 0 l f 2 4 7 的 基础上，它的详细特点和解决方案将在以后的章节中说明。 1 4 2d s p 技术在光通信中的应用 目前对于d s p 技术在光通信中的应用主要是作为数据处理单元，一般是在 1 0g b i t s 系统中使用。 根据tm i z u o e h i 等【6 8 1 的报道，d s p 技术在1 0g b i t s 系统中被应用到软件进 行前向纠错处理取得了很好的效果。在gk a n t e r 等1 6 卅的研究中，d s p 技术被应 用于补偿信号在普通单模光纤中传输时所受的色度色散和在多模光纤中所受的 模式色散的影响。 但是，上两种应用都是将d s p 技术用于直接检测，检测到的信号通过a d 转换后送入相关的数字集成电路中进行算法处理，实现对信号在之前光域中传输 畸变的纠错。正如k a n t e r 在【6 9 】中的报道，对于1 0g b i t s 系统中7 5k m 的s m f 中的色度色散进行了补偿，但是信号畸变只是减小却并没有完全抵消。这是因为 在上两种检测方法中提取的相位信息都被弃之不用，所以信号就无法恢复到原有 状态了。 在mgt a y l o r i ”1 的研究中，同样是使用d s p 技术，通过处理算法保留信号的 第一章绪论 相位特性并对其进行处理，使得检测后的信号可以根据畸变的程度进行纠错。实 验结果可以实现1 0g b l t s 系统中1 4 7 0p s n m 色度色散的补偿。 1 5 本论文的主要工作 本文研究了4 0 g b l t s 光纤通信系统中动态色度色散补偿的反馈控制单元的 设计。设计基于d s p 技术，实现高速、实时地提取色散补偿反馈信号，并通过 算法计算得到对由光开关级联色散补偿光纤组成地补偿器件的驱动信号。各章的 主要内容如下： 第二章描述了光纤中的主要色散，并给出了色散的数学表示方法，分析了光 纤中色散的传输理论。首先从基本数学概念上分析了色散和非线性效应对光纤中 传输的光脉冲的影响。然后通过求解光脉冲在光纤内的传输方程，分析了色散效 应对光信号形状和频谱的影响。并且，对色散补偿光纤进行了详细的介绍。对色 散补偿光纤的补偿原理、评价参数都给出了具体的理论依据，概述了色散补偿光 纤在光通信系统中应用的优缺点，最后简要介绍了其设计和最新研究进展。 第三章简要介绍了电功率法实现色度色散检测的基本原理和实验验证。分析 了电功率法检测色度色散的基本原理，推导了高斯光脉冲经过光电转换器件后电 功率谱与系统累积色散值之间的关系式。简要介绍了补偿系统的组成，提出了采 用光开关级联色散补偿光纤的方法作为补偿器件。 第四章主要介绍了控制单元硬件部分的原理设计。根据控制单元所要完成的 功能将硬件系统分为：反馈信号的放大和模数转换模块：a d 和d s p 的接口模块； 外部存储器和d s p 的接口模块；光开关驱动模块：供电模块和j t a g 仿真接口 模块；详细说明了各模块的组成器件和其功能，并讨论了选用器件的标准和实现 功能。 第五章从软件的角度介绍了控制单元的功能。首先介绍了所选的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的性能和特点，以及程序的编写环境。然后将系统划分为外 部寄存器定义模块、复位和中断向量表定义模块、连接命令文件( c m d ) 文件模块、 初始化模块、引导程序模块、外部f l a s h 访问模块、a d 数据采集模块、控制 信号发生模块和控制算法模块组。其中控制算法是整个软件系统的核心，负责调 用其他模块。对各个功能模块进行了详细的介绍。最后对算法本身的设计思想进 行了阐述并对算法的收敛性等进行了理论和实验验证。 第一章绪论 第六章详细介绍了d s p 系统的实验调试，包括通用i 0 口的调试、a d 的调 试、s h 接口存储器模块的调试，证实了补偿单元设计的可行性。然后对整个色 散补偿系统进行了仿真实验，分析了补偿方案的特性。最后对色散补偿光纤的三 种补偿方案进行了理论分析和实验仿真，比较了不同方案的仿真效果。 第七章总结了整个论文的工作，提出了对后续工作的展望。 由于作者水平所限，文中错误和不妥之处在所难免，恳请专家教授予以指正。 第二章光纤的色散理论 第二章光纤的色散理论 当光纤系统的传输距离更长，传输比特率更高时，色散成为了一个重要的 限制因素。色散是泛指引起发射信号的不同成分在光纤中以不同速率传输，进 而引起发射信号不同成分到达接收端的时间不同的效应。特别地，色散射是指 光脉冲的不同的频率( 波长) 成分在光纤中以不同的速率传输的现象，即色度色 散1 7 ”。 2 1 光纤色散的分类 光纤色散主要分为模问色散，材料色散和波导色散，其中材料色散和波导 色散合称为色度色散，是模内色散。下面分别介绍三种色散： ( i ) 模间色散也称模式色散，是由于在多模光纾中，不同模式的光信号在光 纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各 模式混合使输出光产生电流脉冲相对于输入脉冲展宽，原理如下图2 1 所示m 。 入射光脉冲 图2 - 1 多模光纤中的模间色散 ( 色散导致输出光产生电流脉冲相对于输入脉冲的展宽d 粤b 沁沁址 第二童光纤的色散理论 从图中可以看到，组成入射光脉冲的不同频率成分在光纤中以不同模式传 输所需的时间长短不同，造成到达输出段时各模式问有时延，传输造成输入光 纤的窄脉冲( 对时间而言) 的能量在光纤的输出端以比较大的时间间隔展宽，这 个展宽可以由慢速模合快速模的时间差来度量。 ( i l ) 材料色散取决于材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度a 所有发射 光源都可以看作是在一定波长范围从内发射的非单色光，当各种波长的光脉冲 进入纤芯后，由于波长与折射率有关，波长短的光脉冲( 频率高) 速度慢，波长 长的光脉冲( 频率低) 速度快，所以它们到达光纤末端的时间不同，导致输出脉 冲展宽。下图2 2 形象地说明了由于光纤材料色散引起的输出脉冲展宽3 8 1 。 魄土蚀山 悃 出光脉冲 图2 2 材料色散引起的单模光纤输出脉冲展宽缸 ( i i i ) 波导色散：因为模式在传播时，它的能量在纤芯和包层中按一定比例 分配，并且这个能量分配是波长的函数。更精确地说，波长越大，在包层中的 能量越多。当不考虑材料色散，即纤芯和包层的折射率都与波长无关时，如果 波长变了，能量的分布也会随着波长的改变而变化，并进而导致模式的有效折 射率或是传播常数的变化1 7 l 】。 在本文中我们将讨论仅限制于单模光纤，因为在多模光纤中，模间色散往 往掩盖了色度色教。并且本文中所研究的色散如没有特别说明都是指色度色散。 第二章j 匕 千的色散理论 2 2 光纤色散的数学表示 在数学上，皮秒光脉冲在单模光纤内的传输可以由方程2 1 表示，有时也 被称为非线性薛定谔方程旧， 尝+ 届詈+ 主履等+ 胛4 仁， 式中，a 为脉冲包络的慢变振幅，z 为光脉冲在光纤中传输的距离。方程中的q 反映了光纤的损耗，p - ，& 反映了光纤的色散，t 则是考虑了光纤的非线性特性。 其中，参量p ，对