（通信与信息系统专业论文）40gbs长距离传输及信号处理关键技术研究.pdf

摘要 随着互联网规模的扩大，口t v 、h d t v 等新业务的发展，人们对目前网络带 宽的需求越来越高，带动了光通信市场的发展。光传输和光交换是光通信的两个 主要方面，本论文围绕着光传输和光交换两个方面，结合国家自然科学基金重点 项目“高速光通信系统中的偏振模色散补偿及其相关技术与基础研究 和“全光 波长交换技术研究的实施，针对4 0 g b s 长距离传输、4 0 g b s 信号的全光信号 处理特别是全光时钟提取技术以及啁啾光纤光栅的组网应用等方面进行了深入的 理论分析和实验研究。所取得的主要成果如下： 在仅采用e d f a 放大器、无f e c 的前提下，与实验室其他师生合作，实 现了4 0 g b sn r z 信号基于c f b g 色散补偿的5 0 0 k i n 传输，是目前4 0 g b s n r z 码基于c f b g 传输的最长距离。详细分析了c f b g 反射谱、时延和 带宽的非理想特性对4 0 g b s 不同码型传输系统产生的影响。提出一种评 价光栅时延纹波的方法，在光栅制作及光栅挑选中可起到很好的辅助分 析作用。对基于非理想c f b g 色散补偿的4 0 g b s 传输系统进行了优化。 在基于实测c f b g 数据的基础上，得到了非理想c f b g + d c f 混合色散补 偿4 0 g b s 的长距离传输优化的跨段组合方案。 。 利用建立的数值模型优化了基于s b s 的全光时钟提取结构，分析了影响 提取光时钟脉冲的因素，探讨了该结构抑制码型效应的原理和方法。实 验实现了恶化n r z 信号的时钟提取，分析了该时钟提取结构对输入信号 恶化程度的容忍度。首次成功从两路1 0 g b sn r z 信号中提取到光时钟信 号。实验实现了4 0 g b sc s r z 信号的基于s b s 时钟提取结构的全光时钟 提取，同时成功从经8 k m 传输后的4 0 g b sc s r z 信号中提取得到了光时 钟。采用了a w g 来增强非理想r z 信号的c c r ，实现了非理想4 0 g b sr z 码的全光时钟提取。首次分析了在调制器驱动信号波形存在一定的上升 和下降时间时，n r z 信号光谱的c c r 与调制器啁啾系数的关系。根据啁 啾4 0 g b sn r z 信号的光谱特点，提取得到了其时钟信号。 完善了基于光路交换的全光网演示系统的网络节点的具体功能模块以及 分布式端到端的连接功能。研究了在分布式光路交换系统中分布式网管 方案、网络资源的自动发现过程以及分布式网络生存性的实现方案，提 高网络运行的可靠性。分析和优化了该光路交换系统的传输性能，讨论 了该系统下一步的升级过程中面临的一些问题以及解决方案。 关键词：光纤通信；光传输；全光时钟提取；全光交换系统；啁啾光纤光栅 a b s t r a c t a st h es c a l eo ft h ei n t e m e te n l a r g e d ，a si p t v , h d t va n do t h e rn e wb u s i n e s s d e v e l o p e d ，t h en e t w o r kb a n d w i d t hd e m a n d i s g r o w i n gf a s t ，w h i c hd r i v e st h e d e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nm a r k e t o p t i c a lt r a n s m i s s i o na n do p t i c a l s w i t c h i n ga r et h et w om a i na s p e c t so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , s u p p o r t e d b yt h ek e yp r o j e c t so fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ”r e s e a r c ho np m d c o m p e n s a t i o na n dr e l a t e di n f a s t r u c t u r e t e c h n o l o g i e s i n h i g h - s p e e do p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ”a n d ”s t u d yo na l l o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y ”，w e c o n d u c tad e e pi n v e s t i g a t i o ni n t ot h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n tr e s e a r c h e so nt h e 4 0 g b s l o n g - h a u lt r a n s m i s s i o n , n o v e lt e c h n o l o g yt o4 0 g b sa l l o p t i c a lc l o c k e x t r a c t i o na n dw a v e l e n g t hr o u t i n gn e t w o r ka p p l i c a t i o n so fc h i r p e df i b e rb r a g g g r a t i n g t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e da r ea sf o l l o w s ： w i t ht h ee f f o r to fo t h e rt e a c h e r sa n ds t u d e n t so fo u rl a b o r a t o r y , a5 0 0 k m 4 0 g b se n d r - 仔t r a n s m i s s i o nw a si m p l e m e n t e di i ln r z e m p l o y e ds y s t e m w h e r ed i s p e r s i o nw a sc o m p e n s a t e db yc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g s ( c f b g s ) i nt h i st r a n s m i s s i o ns y s t e m ，o n l ye d f aw a su s e dt oc o m p e n s a t e dt h ef i b e r a t t e n u a t i o na n dw i t h o u tf e c i tw a st h el o n g e s td i s t a n c er e p o r t e do n4 0 g b s n r zt r a n s m i s s i o nb a s e do nc f b g s an o v e lc f b gq u a n l i t ye v a l u a t i o n m e t h o dw a sp r o p o s e dt h r o u g ht h ed e t a i la n a l y s i so nt h ei m p a c to ft h ec f b g n o n i d e a lc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha st h eg r o u pd e l a yr i p p l e ( g d r ) ，r e f l e c t i v i t y r i p p l e ( r r ) a n dt h eb a n d w i d t h t h i sm e t h o dc o u l db eq u i t eh e l p f u li ng r a t i n g f a b r i c a t i o na n ds e l e c t i o n 1 1 1 e o p t i m i z e ds p a np a c k a g e s o f h y b r i d c o m p e n s a t i o nb yb o t hn o n i d e a lc f b ga n dd c fw a sa c h i e v e do nt h eb a s i s t h em e a s u r e dd a t ao fn o n - i d e a lc f b gi i l4 0 g b s l o n g - d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n n u m e r i c a lm o d e lo fa l lo p t i c a ls t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ( s b s ) c l o c k e x t r a c t i o ns t r u c t u r ew a se s t a b l i s h e da n do p t i m i z e d c l o c ke x t r a c t i o nf r o m d e g r a d e dn r zs i g n a lw a se x p e r i m e n t a lr e a l i z e d t h et o l e r a n c eo ft h ei n p u t s i g n a ld e t e r i o r a t i o nd e g r e ew a sa n a l y z e d t h ec l o c k so fd u a l w a v e l e n g t ha r e e x t r a c t e df o rt h ef i r s tt i m e ，t oo u rb e s tk n o w l e d g e e x p e r i m e n t sw e r es e tu p a n dc l o c k sf r o m4 0 吣| sc s r z8 k ma n d0 k mt r a n s m i s s i o ns i g n a l sw e r e r e c o v e r e d a w gw a sa d o p t e dt oe n h a n c et h ec l o c k t o - c a r r i e rr a t i o ( c c r ) o f i i b o t h4 0 g b sn o n i d e a ls i g n a lr za n dt h ec h i r p e dn r z a c c o r d i n gt ot h e i r s p e c t r u m s p e e i f i cf u n c t i o n a lm o d u l e so fa l lo p t i c a ls y s t e mb a s e do no p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n gw e r ee s t a b l i s h e da n de n h a n c e d t h ee n d - t o e n dd i s t r i b u t e de a l la n d c o n n e c t i o nw a sr e a l i z e d t h ed i s t r i b u t e dn e t w o r k m a n a g e m e n t ，t h e a u t o m a t i cd i s c o v e r yo fn e t w o r kr e s o u r c e sa sw e l la st h en e t w o r ks u r v i v a l w e r ed e t a i lr e s e a r c h e d t r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mw a s a n a l y z e da n do p t i m i z e d s o m ep r o b l e m st h a tm a yb ep r o b a b l yf a c e di nt h e c a s eo fn e t w o r k u p g r a d i n ga n de v o l u t i o nw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ；o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ；a l lo p t i c a lc l o c k e x t r a c t i o n ；a l lo p t i c a ls w i t c h i n gs y s t e m ；c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g i i i 北京交通大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得北京交通大学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： 签字日期：沙。8 年月f 日 北京交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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、汇编以供查阅和借阅。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 导师签 签字日期：沙毋年月f 日 签字日期 1 1 引言 第一章绪论 近几年经济的高速增长促进了互联网的迅猛发展，中国网民数增长迅速，年 增长率达到5 3 3 ，截至2 0 0 7 年1 2 月，中国网民数已增至2 1 亿人【，如图1 1 所示。互联网的普及、规模的扩大，i p t v 、h d t v 等新业务的发展，人们对目前 网络的容量、速度、质量以及服务种类的需求越来越高，带动了光通信市场需求 的发展。光传输和光交换是光通信的两个主要方面。在光传输方面，4 0 g b s 的光 传输技术相比1 0 g b s 系统具有效使用传输频带，频谱效率高：减少了o a m 成本 和复杂性等优点；成为部署和升级核心网的首选。与此同时，光交换技术的发展 正推动着光网络性能的提高，光网络伴随着“光进铜退 的步伐【2 】向着城域网、边 缘网络和“最后一公旱”的接入网络发展。“效率”和“能力”成为光通信在新的 发展时期的关注重点。 1 6 2 2 0 0 4 1 2 2 0 0 5 0 62 0 0 5 1 22 0 0 6 0 62 0 0 6 1 22 0 0 7 0 62 0 0 7 1 2 图1 1中国网民人数增长情况【1 1 光纤光栅具有较小插损，成本较低，并且具有非常小的非线性系数【3 ，4 】等特点， 用啁啾光纤光栅( c f b g ) 来补偿光纤传输中的色散，实现大容量信号的低成本、 超长距离传输，可以简化传输设备，降低运营维护管理成本。利用光纤光栅的制 作的光分插复用设备【5 l 可以解决沿途的上下路问题，从而大大增强了波长路由的灵 活性。本论文结合国家自然科学基金重点项目“高速光通信系统中的偏振模色散 补偿及其相关技术与基础研究”和“全光波长交换技术研究”的实施，针对4 0 g b s 竹iiiilil枷nu同川u协同u捣ilj亿同h u川日 j 5 0 5 0 5 0 亿z z t t n q 长距离传输、4 0 g b s 信号的全光信号处理特别是全光时钟提取技术以及啁啾光纤 光栅的组网应用等方面进行了深入的理论分析和实验研究。 1 2 高速传输系统的关键技术及研究进展 1 2 1 光传输系统关键技术的进展 延长中继距离、提高传输容量和效率是光纤通信一直努力的方向。长距离传 输系统可以分成三种1 6 】：一是常规长距离传输( l h ) ，指电中继段长度在6 4 0 k m 以 下的系统；二是亚超长距离传输( e x t e n dl o n gh a u l ，e l h ) ，指电中继段长度在 6 4 0 k m 2 0 0 0 k m 以内；三是超长距离传输( u l h ) ，指电中继段长度在2 0 0 0 k m 以 上的系统。高速、超长距离w d m 系统，可以提高光纤传输系统的容量，满足同 益增长的互联网的带宽和速度的要求，但随着传输距离和传输速率的提高，o s n r 的劣化、色散和非线性效应成为限制传输距离和速率的主要因素。针对这些限制 因素，目前采用的关键技术主要有： 1 ) 色散管理技术 光纤色散是高速长距离d w d m 光纤通信系统的一个重要限制因素。我们这里 只讨论色度色散。色散补偿是色散管理方案的一个重要内容。在长距离传输系统 方案的设计中，通常要求对传输光纤进行分布式色散补偿。最常用的色散管理方 案是沿着传输链路周期性的铺设传输g 6 5 2 光纤和色散符号相反的色散补偿模块 ( d c m ) 。d c m 可以是由具有大负色散值的色散补偿光纤( d c f ) ，或者是啁啾光 纤光栅( c f b g ) 等组成。色散管理技术在解决色散的基础上还可以极大的抑制非 线性效应f j 7 8 】。周期性的正负色散配置使链路中每个局部的本地色散都很大，这样 不仅可以抑制信道间的四波混频( f w m ) 串扰，而且在光纤中传播的不同波长直 接的走离量也很大，从而降低了个信道问的交叉相位调制( x p m ) 损伤。通过优 化预补偿、在线补偿以及后补偿三个模块中的色散补偿量【9 - 1 4 】的大小，系统中其他 类型的非线性效应也可以得到很大的抑制，从而极大的提高系统性能。 2 ) 拉曼放大器( d r a ) 光放大器用来补偿光纤传输及链路中其它器件的插入损耗对光信号的衰减。 e f d a 的出现，取代了传统的粗电光的中继方式，降低了系统成本，延长了传输 距离。但是e d f a 本身的局限性，如：e d f a 的集总式放大容易引起四波混频( f w m ) 和受激布里渊散射( s b s ) 等非线性效应；e d f a 的噪声指数较高，线路a s e 积 2 累严重，大大降低了信号的光信噪比( o s n r ) ；e d f a 放大带宽的限制影响了其 在密集波分复用( d w d m ) 中的应用等，已经不能满足先进光通信发展的要求。 与e d f a 相比，拉曼放大器具有显著的优势：通过合理配置泵浦波长，可以 对任意波长的信号放大，理论上可以不受带宽和波段的限制，对d w d m 的发展非 常有利；串扰小、频谱范围宽、温度稳定性好、噪声指数低，线路传输的噪声积 累较小，可以获得1 0 0 n m 的增益平坦带型1 5 1 6 】；其增益介质为普通光纤，可以制 作分布式的光纤拉曼放大器( d r a ) ，对信号进行在线放大，使得信号的入纤功率 可以较小，从而降低非线性损伤，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，增加光 放大的传输距离。 目前，高速( 超) 长距离传输基本上都是采用拉曼放大器，利用全拉曼放大 技术或者和e d f a 结合的方式【1 7 】提高系统o s n r 。表1 1 列出了2 0 0 5 2 0 0 7 年国 际上采用分布式拉曼放大器进行的高速超长距离光传输实验的主要情况。 表1 12 0 0 5 2 0 0 7 年国际上报道的高速超k f i - 离光传输实验 容量传输距离 放大方式调制格式 f e c时间 参考文献 g b s( k m ) 2 0 4 1 1 12 4 0r a m a n + e d f a c s r z - d q p s k n a2 0 0 7 【1 8 】 8 * 4 01 6 0 0r a m a n + e d f ac s r zf e c2 0 0 5 【1 9 l 6 5 * 1 0 73 0 2 0a r a m a nn r zf e c2 0 0 5 【2 0 】 3 * 4 2 71 6 0 0r a m a n + e d f av s b c s r zn a2 0 0 5 【2 l 】 l 幸1 6 09 0 0e d f ad p s kn a2 0 0 7 1 2 2 1 1 幸1 7 2 2 4 0 r a m a n + e d f a r z d p s kf e c2 0 0 7 【2 3 j 7 0 * l o7 2 2 4e d f ai t z o o k + i t z d p s kn a2 0 0 7 【2 4 1 4 0 奉8 5 61 7 0 0r a m a n + e d f a p o l m u x - r z - - d q p s k n a2 0 0 6 【2 5 】 注：n a 表示文章中没有明确指 j ；。 考虑到d r a 泵浦效率偏低，增益偏小的缺点，可以采用d r a 和e d f a 二者 相结合的方式，由此构成的混合放大器在降低噪声水平、提高增益、减小非线性 损伤和宽带放大等方面都具有很大的优势。从近三年的长距离传输实验来看，大 容量长距离d w d m 系统的放大方式多采用混合放大方式，通过优化配置e d f a 和 d r a 参数来实现更长的传输距离或者更长的光纤段传输。 3 ) 前向纠错编码( f e c ) 技术 f e c 技术是通过在信息中加入少量的冗余信息来发现和纠正传输过程中产生 的随机误码。f e c 技术能以较低的成本和较小的带宽损失下提高系统的性能，同 时对系统的改动小( 仅添加发送和接收端硬件) ，性能提升效果明显。f e c 技术在 目前通信系统中得到了广泛的应用。目前广泛使用的f e c 方案有两种：带内f e c t 2 6 】 和带外f e c 2 7 , 2 8 】。带外f e c 在数据帧之后增加冗余校验位来实现纠错，虽然占用 了更多的线路带宽，但比带内f e c 有更强的纠错能力，所以在长距离传输系统中 应用更广。评价某种f e c 编码性能的主要参数是该编码的净编码增益( n c g ) 。 编码增益是指在某一误码率下，线路进行编码和无编码情况下接收机输入光功率 的差异。n c g 为编码增益情况下获得的q 值与比特率增加引起的q 值损伤的差值。 f e c 技术第一次全面应用于光传输系统是上世纪9 0 年代初的海底传输【2 9 】系统 中。r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 在i t u tg 9 7 5 和g 7 0 9 建议的推动下得到了广泛的应用，这 即是第一代的f e c 3 0 】。随着w d m 技术的成熟，研究者开始更先进的f e c 编码， 近几年提出了许多基于级联码【3 l j 的第二代f e c 。i t u tg 9 7 5 1 也列出了各种级联 码的组合形式。目前研究的f e c 为第三代，第三代f e c 的特点【3 0 】是基于“软判决”、 级联解码以及对突发错误的高纠错能力。第一代f e c 的n c g 为5 8 d b 。第二代f e c 的n c g 在7 n 9 d b 之问。第三代f e c 的n c g 1 0 。图1 2 为三代f e c 的编码的 n c g 特性曲线【j 2 1 。 图l - 2 三代f e c 的编码的n c g 特性曲线 4 ) 新型调制格式 由表1 1 可以看出，高速长距离传输中多采用相位调制格式。相位调制格式普 遍采用平衡检测，使接收机具有更高的接收灵敏度，从而使得相位调制信号可以 传输更远的距离并可以减少对光功率的要求。由于接收机判决阈值电平为零，与 接收机输入信号功率无关，所以相位调制信号的平衡检测相比强度信号接收，对 光功率的变化提供了更高的容忍性，可以使接收机保持在最佳判决的工作状态。 由于光功率均匀分布在相位调制信号的每个比特中，这就使得码间串扰所导致的 信号失真大大降低【引。其中，差分相移键控( d p s k ) 调制格式在超长距离传输中 表现出了优越的性能，是近年来研究的热点。在d p s k 调制方式中，两个调制器 都为双驱m z 调制器【8 】。第一级调制器的差分编码数据信息是以电的n r z 和n r z 的形式分别加在调制器的两臂上，取偏置点为k ，得到相位调制。第二级调制是 4 加载时钟信号以实现波形切割，使用不同的偏置点和时钟频率可以得到r z d p s k 及c s r z d p s k 。如果仅使用第一级调制器，就得到了n r z - d p s k 。与传统的o o k 调制方式相比，d p s k 最显著的优点是在达到相同的误码率时，其对光信噪比的要 求降低了3 d b ，同时对接收信号的功率波动有更高的容限。平衡检测器便是提供 3 d b 接收灵敏度的关键。其他的相位调制格式有d q p s k 3 3 3 5 】、8 d p s k d 6 - 3 s 】等。 d q p s k 被认为是目前实现1 0 0 g b s 传输的最有前途的格式【3 5 1 。 另外，基于偏振调制原理( d p o l s k 3 9 】等) 和其他的基于强度调制( s s b 4 0 1 、 v s b t 4 、d u o b i n a r y t 4 2 ，4 3 1 、p s b t 删等) 的调制格式均各具优势，在改善系统性能 方面都能起到重要作用。 5 ) 其他关键技术 新型光纤技术【4 5 ，蚓、动态增益均衡技术【4 7 1 、光孤子传输技术【4 8 4 9 1 等技术，在 增加光纤带宽、提高光谱利用率和延长系统传输距离、提高系统容量方面均可起 到十分重要的作用。 1 2 24 0 g b s 及基于c f b g 色散补偿的传输技术研究现状 高速长距离传输技术的光通信的一项核心技术。1 9 9 6 年，首先进行了1 t b s 的d w d m 传输实验【5 0 5 。2 0 0 1 年，日本n e c 公司【5 2 】在1 0 0 k i n 的距离上实现了 总容量为1 0 9 t b s 的传输容量记录。在2 0 0 7 年，n t t 吲和阿尔卡特一朗讯【蚓公司 分别在2 4 0 k m 的传输距离上实现了2 0 4 t b s 和2 5 6 t b s 的容量记录，使单根光纤 上的传输容量提高到2 0 t b s 以上。近几年传输新记录的刷新速度不再像之前那么 迅速，人们不再单纯追求光纤通信的高速率和大容量，而是将注意力转移到新技 术的应用，对现有系统的升级，提高光通信系统的传输效率，降低每比特的传输 成本的层面。4 0 g b s 系统的发展和应用就是在这个形势下展开的。 目前，数个4 0 g b s 的链路或网络【5 5 】已在使用中。美国的a t & t 已丌始应用这 种技术；德国电信是第一个在区域网中为其下一代w d m 网络应用4 0 g b s 技术的 运营商；亚太地区日本在2 0 0 6 年首先开通了东京大阪的4 0 g s 的链路，其他的运 营商如西班牙电信、意大利电信、澳大利亚电信、韩国和中国的主要运营商等都 在考虑采用4 0 g b s 的解决方案。 在4 0 g b s 的传输技术方面，新型的调制格式、超强f e c 、精确色散管理、拉 曼放大等技术的应用，使得4 0 g b s 信号的传输距离大大增强。2 0 0 3 年，c r a s m u s s e n 掣j 采用c s r z d p s k 、e f e c 技术、全拉曼放大器、1 0 0 k mu l t r a w a v e 光纤跨段 实现了跨太平洋距离1 0 0 0 0 k m 的d w d m4 0 g b s 传输。在现场试验中，2 0 0 6 年 5 = i 匕塞交道厶堂盛堂位论塞 d z c h e n 等【57 j 报道了1 0 g b s 和4 0 g b s 两种速率共同传输3 0 4 0 k m 无再生试验， 是关于4 0 g b s 现场试验的最长距离报道。目前，已有国内外多家厂商可以提供 4 0 g b s 的器件、传输设备和测试仪表。多项与4 0 g b s 有关的标准和规范也正在制 定和修改中。4 0 g b s 技术和标准的成熟为4 0 g b s 技术在长距离骨干w d m 网络等 领域逐渐得到规模化商用奠定了良好的基础，但限制4 0 g b s 技术大规模商用的主 要原因还是价格因素。4 0 g b s 器件和设备的成本是网络运营商不得不考虑的问题。 经验表明，只有成本降到2 5 倍以下时才有可能获得规模应用。因此如何降低 4 0 g b s 单位比特传输成本至1 0 g b s 成本的2 3 倍之间，整体上降低网络的运维 成本是我们当前面临的主要问题。 4 0 g b s 系统的色散受限距离是1 0 g b s 系统色散距离的1 1 6 ，因此必须对 4 0 g b s 系统进行更精确的色散补偿。目前世界上铺设的g 6 2 5 光纤已有数亿公里， g 6 2 5 光纤在15 5 0 n m 窗口出约有17 p s ( n m k m ) 的色散系数，d c f 在传输窗1 5 1 内具 有与普通光纤相反的色散系数，大部分传输系统中主要采用d c f 来补偿光纤色散。 但足d c f 的彳i 足也非常明显：1 ) 成本问题。w d m 信号经长距离传输后，4 i 同信 道的色散量不同，必须额外采用色散斜率补偿模块。虽然目前商用的d c f 可以实 现色散和色散斜率同时补偿【58 5 9 1 ，但增加了系统成本。2 ) d c f 的长度与系统中的 普通巾模光纤s m f 的长度成正比，传输系统中的s m f 越长，需要补偿的色散量 越大，需要的d c f 的长度越长，因此基于d c f 的d c m 的插损越大，系统需要的 光放大器的数量也增多，这样不但引入了更多放大器噪声，也增加了系统的成本 和设计的复杂性。3 ) 由于d c f 芯径( 2 0 9 m 左右) 较小，其非线性效应较强，因 此需要严格控制d c f 的入纤功率，这对传输系统信号性能较差的位置光信噪比的 提高非常不利。 表l 一1 基于d c f 的和基于c f b g 的d c m 的性能比较6 0 1 d i s p e r s i o nm a t c h j n g s s m fl e a fi$smfl e a f 。d 。i s p 。e - r 辨s i o ，n h c 。o a m 。k p e ”u “ 1 0 。h l e v e ip e rh o d u i e 3 d b a tw i t hd i s p e r s i o n w e l l 1 5 x 1 0 0 x2 3 0 m m 2 0 0k m s o m e c h a r m e t i l z e d n o f l a t m o d u l e 基于啁啾光纤光栅在色散补偿应用方面具有较强的竞争力，相比d c f ，基于 c f b g 的色散补偿模块以下优点：1 ) c f b g 具有较小的捅损，目d ，j - 商用c f b g 模 块的信道插损可以达到2 5 d b 的水平，并且c f b g 的插损不随色散量的改变而改 变【删。低的插损可以大大减少光放大器的数量，减少系统的成本投入和设计难度。 2 ) 基于c f b g 的d c m 可以做到紧凑封装，相比基于d c f 的d c m 占用更小的空 间。3 ) c f b g 具有非常小的非线性系数，可以容忍更高的输入功率，因此可以适 当提高输入功率来提升光信噪比获得更优的系统性能，在系统中具有灵活的放置 位置。4 ) 价格是一个重要优势。基于c f b g 的d c m 的系统应用成本取决于d c m 能补偿的色散量的大小，c f b g 的色散量越大，需要的d c m 数量越少。表l 一2 详 细对比了基于d c f 的和基于c f b g 的d c m 的各自优劣势。 近年来，随着光纤光栅的制作技术的技术成熟，光纤光栅在光纤通信、光纤 传感和光信息处理等方面得到了广泛的应用。1 9 9 4 年w i l l i a m s 首次实现了光纤光 栅的色散补偿实验【67 1 。1 9 9 9 年g a r r e t t 等【6 8 】人利用光栅实现了1 6 1 0 g b s8 4 0 k m 在普通单模光纤上传输的色散补偿实验。2 0 0 2 年，我们所实现了4 1 0 g b s 在 8 0 0 k m 普通单模光纤上的传输系纠删和2 1 0 g b s 在1 0 0 0 k m 普通单模光纤上的传 输系纠6 9 1 ，达到世界领先水平。2 0 0 6 年，yc h e n 掣“，6 5 】实现了无电中继不使用 f e c 的情况下，不同码型实现了超过2 0 0 0 k m 的传输。d v a nd e nb o m e 等【7 0 】实现 了3 2 1 0 7 g b s 的n r z 调制信号传输3 8 0 0 k m 的实验。长距离高速传输系统中色 散补偿是c f b g 的一个重要应用，利用c f b g 色散补偿实现4 0 g b s 的传输实验研 究也在2 0 0 1 年出现。a s a h a r a 等【7 i 】报道了利用c f b g 色散补偿，在g 6 5 2 上实现 了r z 码4 0 g b s 传输5 0 0 k m 的实验，揭开了c f b g 在4 0 g b s 传输系统应用的序 幕。d v a nd e nb o r n e 等【7 2 】通过改进光栅写入方式，获得了较低的g d r 的多通道光 栅，利用这些光栅实现了r z d q p s k 信号3 2 4 2 8 g b s1 1 4 0 k m 传输，证明了低 相位纹波的c f b g 级联带来的代价可以与d c f 引入的非线性代价相当甚至更小。 一系列研刭3 , 4 , 2 5 , 7 1 - 7 3 1 证明c f b g 在4 0 g b s 传输系统中作为色散补偿模块有着非常 大的潜力和实用价值。目前国内外有很多机构开展了光纤光栅及相关器件的研究 开发。如英国的s o u t h a m p t o n 大学，加拿大的t e r a x i o n 公司，中国的北京大学、北 京交通大学等。北京交通大学光波技术研究所从1 9 9 3 年开始研究光纤光栅，多年 来在光纤光栅的写入及应用方面取得了大量的理论和实验成果1 6 1 。6 6 j ，完成了多项 国家8 6 3 项目和国家自然科学基金项目。 由表1 2 可以看出，光纤光栅的纹波问题是限制其在高速长距离色散补偿应用 的主要因素，光栅反射谱的不平坦和群时延纹波等问题来着光栅制作过程中的工 艺和制作环境条件的限制。有关光纤光栅的纹波问题人们开展了大量的理论和实 验研列7 4 舶】，改进光栅制作工艺，大幅度提高了光栅品质【7 7 】，为其实用化做出了 重要贡献。 7 1 3 全光信号处理的发展现状 在实际的光传输系统中，光信号经过长距离光纤线路的传输和中间节点的处 理后，光纤的色散、非线性效应、光放大器自发辐射噪声( a s e ) 的积累、w d m 信道串扰等都会对信号造成严重损伤，使信号的波形发生畸变、并产生幅度和时 间抖动等。解决这个问题的方法有两种：一种是综合运用各种新技术于光传输系 统，优化传输性能，延长无中继传输距离。另外一种就是对信号进行再生。传统 的光电再生的方法是把光信号转变成电信号，在电域内进行再生后再转化为光信 号。受“电子瓶颈”的限制，在传输速度为4 0 g b s 或者更高速率时，由于已经接 近电子速率的极限，更高速的电信号处理将变的十分困难。全光3 r 再生是解决“电 子瓶颈问题最有效的办法。全光3 r 是指再放大、再整形、再定时( r e a m p l i f y i n g , r e s h a p i n g , a n dr e t i m i n g ) 。全光3 r 技术主要应用域高速光通信系统已经全光网 络中，对失真后的光信号进行全光再生，可以大大简化系统复杂度，增加系统的 灵活性和可扩展性，进一步延长传输距离，同时在处理速度上可以突破电子速率 的限制，极大的提高系统性能。 全光时钟提取技术从输入信号中提取同步定时信息，是对信号进行再定时和 再整形的基础，是全光3 r 技术的关键。全光时钟提取也可以用在解复用、光交换 和接收的同步处理中。时钟信息是保证通信中信号正常接收、处理或再生的关键 技术，恢复的时钟的质量直接影响了传输系统对信号的识别和正确处理。 n r z 码由于实现简单而且具有很高的频谱效率，因此在光通信系统中得到了 广泛的应用。对于n r z 码来说，其频谱中理论上不含有时钟分量，因此无法实现 直接时钟提取，需要对n r z 信号进行预处理。目前比较普遍的n r z 预处理方案 是将n r z 信号转换为伪归零码( p i 屹) 信号，这里称之为n r z 信号的时钟分量增 强方案。n r z 信号经过时钟分量增强方案之后，其频谱中已包含时钟分量，之后 再经过时钟提取结构实现n r z 信号的时钟提取。下面对已报道的全光时钟分量增 强方案和全光时钟提取方案进行阐述和比较。 1 ) 全光时钟分量增强方案 采用无源光滤波器实现全光时钟分量增强有基于窄带带通滤波器【7 8 】和基于 高品质f p 光滤波器【7 9 】等方案。实际调制的n r z 谱含有较弱的时钟分量，利用 光带通滤波器可以均衡光载频分量和时钟分量的功犁7 8 】，但是处理得到时钟信号 会有很强的码型效应而且具有高的时钟幅度和时间抖动。c k i m 等【7 9 】利用高精细 度的f p 滤波器预处理4 0 g b sn r z 信号，提高了预处理信号的信噪比。w w t a n g 等【8 0 l 利用偏振保持光纤( p m f ) 环镜滤波器，调整该环镜滤波器的谐振频率，实 现对1 0 g b sn r z 信号的时钟分量增强。 基于a m z i 的时钟分量增强方案是将n r z 信号注入a m z i ，通过调节延时线 改变a m z i 两臂的长度差，是在输出端口满足相消干涉条件，把n r z 码转变成 p r z 码。1 9 9 8 年，h k l e e 等【引】实现了基于a m z i 的1 0 g b s 的n r z 时钟分量 增强和提取。 基于s o a 和带通滤波器的时钟分量增强方案是利用s o a 的增益饱和特性和 自相位调制效应在n r z 脉冲的边沿产生频移，带通滤波器滤除对应的频移，使得 n r z 的脉冲边沿产生尖峰得到p r z 码。目前已有s o a + f b g 8 2 斟】，s o a + a w g t 8 5 】 等方案实现n r z 到p r z 的转换。 另外还有基于t o a d t 8 6 1 和基于s o a 环镜【8 7 】的n r z 时钟分量增强方案等。 2 ) 全光时钟提取结构 与n r z 码不同，对于频谱中时钟分量较强的调制码型如r z 、c s r z 码等， 可以直接注入时钟提取结构实现时钟提取。目前已有多种全光时钟提取结构的报 道，主要有基于光纤锁模激光器【8 8 】、基于半导体锁模激光烈8 9 1 、基于自脉冲激光 裂唰、基于f p 激光别9 1 1 、基于光锁相环【9 2 1 、基于受激布罩渊散射【9 3 , 9 4 1 等时钟提 取结构。 n r z 码转化成p r z 码后，其频谱中的时钟分量得到了有效的增强，注入以 上提到的时钟提取结构就可以实现时钟提取。d l b u t l e r 等【9 4 】提出的基于受激布 里渊散射( s b s ) 效应的时钟提取结构中，将数据流信号本身作为抽运信号，利 用s b s 效应形成的窄带滤波器提取种子光谱中的时钟分量。这种时钟提取方法可 以做到其具体实现结构与数据流的速率无关，而且可以同时实现多路【9 3 】的光时钟 信号提取。因此我们选用基于s b s 的时钟提取方案来实现全光时钟提取【9 5 。9 7 1 。 1 4 全光通信网的研究现状及前景 光纤通信传输容量大、传输距离长、信号质量好、抗干扰能力好等突出优点， 引发了一次深刻的通信革命。现有的光网络是在利用w d m 技术在链路上进行点 到点的扩容，并逐渐组建具有光分插复用器及光交叉连接的光传送网，然后进一 步拓展成为光网络。全光网是指在光域上实现传输和交换的网络【9 8 1 。全光网的传 输和交换都是全光方式。但鉴于光信息处理的困难，在光交换和光存储等方面的 技术还没有取得突破性进展还难以实现全光交换，目前的光网络还处于电控光交 换的水平，电信息处理存在“电子瓶颈 的制约，无法实现高容量、无阻塞的透 明网络。全光交换之于光网络就像是“立交桥之于“高速公路网”的关系【9 9 。1o l 】。 9 全光交换是全光网络的最终发展目标。对于全光网络关键技术的研究一直在坚持 不懈的进行。 光传送网( o t n ) 是在现有的s d h 网络基础上向全光网升级换代的过渡做 法【9 8 】，利用w d m 和光放大技术实现全光传输，同时采用o a d m 和o x c 等简化 网络结