（通信与信息系统专业论文）160gbits光时分复用系统中非线性光学效应的研究.pdf

中文摘要 摘要：随着互联网和多媒体业务的快速发展，人们对于宽带通信的需求不断提升， 如何提高通信容量成为国内外研究热点。现有提高通信容量主要有波分复用技术 ( w d m ) 和光时分复用技术( o t d m ) 。o t d m 技术通过提高单波长传输速率， 有效提升频谱利用率，与d m 技术相结合是未来高速光通信网络的研究热点之 一。在o t d m 系统中，影响系统性能的因素主要有损耗，色散和非线性。随着 9 0 年代掺铒光纤放大器的问世及光纤色散补偿技术的逐步成熟，损耗和色散对于 系统性能的影响得到了很好的解决。在o t d m 传输系统中，随着比特速率的上升， 与脉冲间隔以及输入功率密切相关的带内非线性光学效应逐渐成为限制o t d m 传 输系统发展的研究热点。基于非线性光学原理的光器件正不断地问世与普及，如 布里渊光纤激光器等，其在光通信网络中的应用得到了广泛的研究，成为国际通 信领域研究的热点。本论文项目组承担的国家8 6 3 项目“1 6 0 g b i 讹一泵多纤光传输 技术的研究”，对非线性光学效应展开如下几方面的分析研究： 1 探讨非线性克尔( k e r r ) 效应的产生机理。非线性克尔效应本质为光纤介质折 射率与入射光强的相互影响，表现为附加相位的引入、频谱的展宽甚至造成串 扰新频率的产生。非线性克尔现象可以分为带间非线性效应与带内非线性效 应。带内非线性效应源于同一信道中不同信号脉冲间相互作用，具体细分为带 内交叉相位调制( 肿m ) 与带内四波混频( i f w m ) 。通过分析，i ，m 在时 域上引入了时间抖动，i f w m 在时域上带来了脉冲幅度抖动以及产生影子脉冲。 对于本项目需要实现单信道传输1 6 0 g b i t s 、l o o k m 传输距离的传输系统，选择 合适抑制方案来削弱带内非线性效应所引起的系统性能下降十分必要。 2 为了抑制带内交叉相位调制以及带内四波混频，本论文分析了抑制带内非线性 效应的主要方法，并结合现有实验条件，采用高色散管理技术抑制1 6 0 g b i 以、 l 逻码、1 0 0 l ( i l lo t d m 光传输系统中的带内非线性效应。最终通过分析实验证 明了高色散管理抑制带内非线性方案的可行性。 3 分析非线性光学弹性效应中受激布里渊散射的产生原理。总结了基于受激布里 渊散射光纤激光器的结构以及相关理论。同时根据后向斯托克斯光波的频移特 征，并结合本项目的要求，提出一种基于受激布里渊散射形成稳定激光输出的 方案，并对布里渊激光器进行分析研究；利用该光纤布里渊散射激光器输出作 为控制信号，用于实现高速光时分复用系统中低成本的解复用以及时钟提取。 关键词：非线性光学效应；带内交叉相位调制；带内四波混频；受激布里渊散射； 时钟提取 分类号：t n 9 2 9 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t l l 也ef - a s t d e v e l o p m e n to fi n t e m e ta i l dm u l t i m e d i at e c h n o i o 擘m d e m a i l d i n g f o r谢d e b 锄dc o n 蚰删c a t i o n s y s t c m s i i l c r e 弱e s r a p i d l y i i l l p r o v i n g b a n d 州d t l lb e c o m e sah o tt o p i c w 打e l e n g t l ld i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) 锄do p t i c a l t i m ed i 、，i s i o n m u l t i p l e x 堍( o t d m ) ，邪k e yt e c h o l o 西e sf o ri l l c r e 商n gb 锄d 州d t l l ， h a v ea t t r a c t e dc 0 n s i d e r e da n t i o n s 0 7 r d m ，b ym c r e 髂i n gb i tr a t eo fs i n g l ec h 啪e l ， i m p r 0 v e ss p e c e 伍c i e n ts u b s t 锄t i a l l y l o s s ，d i s p e r s i o n 锄d 胁e rn o l l l i n e 撕t yh a v e b e e nr e g 砌e dm a i n 舭t o r s 砌c hd e 鲥ep e 墒n n a i l c eo fo p t i c a ls y s t e m s h o w e v e r ， l o s s 锄d d i s p e r s i o n 1 1 a v eb e e n a p p r o p a t e l y s o i v e d b ye d f a 觚dd i s p e r s i o n c o m p e n s a t o r a sb i tr a t ei i l c r e a s i i l g ，i i l t e r - c h a n n e ln o i d i i l e 撕妙b e c o m e sm a i nf a c t o r w 1 1 i c hl i n l i t p e r f o 肌a i l c eo f0 1 d ms y s t e m s t 0 d a y ，i n o r e 觚dm o r ed e v i c e sf o r l l i 曲。s p e e do p t i c a lc o l i l r n 砌c a t i o ns y s t e m sb 丛e d0 no p t i 咖n o i l l i n e 撕妙w e r ep r e s e n t e d 觚d 岍d e l y 璐e d ，s u c h 鹤b r i l l o u i nf i b e rl a s e r s 1 1 1 i s 也e s i sp r e s e n ts o m er e s e a r c h 、0 r k i i lf i b c rn o m i n e 撕t ) ，b a s e d0 nt 1 1 en a t i o 砌8 6 3p 喇e c tn 锄e d r e s e a r c ho n 仃a n s i i l i s s i o n t e c l l l l o l o g ) ，o f16 0 g b i 低o p t i c a ls y s t e m s ”i tc o n s i s t so ff o l l o 晰n gp a n s ： 1 w bs t u d y l eg e n e r a t i o nm e c i 洲s mo fn o n l i n e a rk e r re 毹c t s t h ee s s e n c eo f n 0 i l l i n e a rk e r re 彘c t si sm e 缸e r a c t i o nb e 嘶e e nt l l ef i b e rr e 丘a c t i v ei l l d e xm d t l 圮 i i l p u ti n t e n s i 哆a n di t 、 ，i l ll e a dt 0m ei i l 仃0 i u c t i o no f a d d i t i o n 越p h 硒e ，b r o a d e n h l g t l l e 墨p e c 仇mo rt l l eg 锄e 枷o no fn e w姻u 朗c i e s硒l ep e 心b a t i o 舳f 0 r c o m m u i l i c a t i o ns y s t e m t h en o i l l i n e a rk e r re 行e c t sc a nb ed i v i d e di n t oi n t e r - c h a n n e l n 0 1 1 l i n e a ro p t i c 2 l le 能c t s 锄di n t r a - c h 锄e ln o i l l i n e a ro p t i c a le 舵c t s i i l t i a - c h 锄e l n o i d i n e 2 u re f i 宅c t sa r ed e r i v e d 惫) mt l l e 缸e r a c t i o n 锄o n gm ep u l s e si i l 也es 锄e c h a 彻e l ，w h j c hc 锄b ed i v i d e di n t o “op h e n o m e n o n sn a m e di n t r a c h a m l e lc r o s s p h 嬲em o d u l a t i o n ( i x p m ) 锄di n n a - c h a n n e lf o u rw a v em i x i n g i mi n 们d u c e st l l e 劬e j i t t e ri l l 恤t i m ed o m a i n 锄di f w mi 咖d u c e s 惋p u l s e 锄p l i t u d ei i n e ra n d g e n e r a t e s t l l e g h o s tp u l s e s i i lt l l et i m e d o m a i n f o ra c h i e v i n gt 1 1 e o p t i c a l 柏n s m l s s l o ns y s t e mu s e dt 0 仃a m s m i tt 1 1 el6 0 g b i 讹，r zc o d e ds i n g a jt l u 0 u 曲1o o l ( i l o m e t e r s ，i ti sv e 巧i i l l p o n 锄tt oa d o p tas u i t a b l ed i s p e r s i o nm 觚a g e m e n ts 0 l u t i o n f o rs u p p r e s s i n gm ep e n u 曲a t i o n sc a u s e db ym ei m r a - c h 锄e ln o n l i n e a ro p t i c s 2 1 1 l i sp a p e rc o m p a r e s 埘mt w 0m a i nm e t l l o d s ，砌c ha r eu s e dt os u p p r e s st h ee 毹c t 伽腮c d 舶mi ) ( p m 锄di f w m ，锄dc o m b i n e s 、杭mt i l e e x i s t i n ge x p 丽m e n t a l c o n d i t i o n s mt i l ee n d t i l e1 1 i g i l - d i s p e r s i o nm 锄a g e m e n t s y s t e mi sa d o p t e df o r s u p p r e s s i o no fi 1 1 t r a - c h 锄e ln o l l l i n e 缸o p t i c si i l 吐坨16 0 g b i t sr zc o d e d10 0 k m o t d m o p t i c a l 仃m s m i s s i o ns y s t e m f i n 以l yt 1 1 eh i g h d i s p e r s i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 谢l lb ep r o v e de 疵c t i v e l yb y 肌a l y z i n gt 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u h 3 w e 猢l y z em eg e n e r a t i o nm e c h a i l i s mo fs t i i i l u l a t e db r i l l o u i ns c 舭r i n g ，s b s t 0 s 1 】m m a r i z e st l l es n u c t u r e 觚dr e l e v a n t 吐l e o r i e so fs t i m u l a t e db r i l l o u i ns c 甜e f i n g f i b e rl 弱e r a c c o r d i n gt 0 也ef e a t l l r eo fs t o k e sl i g t l l w a v e ss p e c t u m 锄d 吐l e e x p e r i m e n t a lc 0 n d i t i o n so f 伽sp r o j e c t ，w ep r o p o s e an e ws 协b l el 私e rs o l u t i o nb 嬲e d o nt l l em e o 巧o fs b s ，锄d 趾a 】y z et 1 1 ef e a t u r eo ft h eo u t p u tl 弱e r m e 锄w h i l e ，u s i n g t l l e 啦a b l el a s e rc a u s e db yt l l es b s 弱m ec o r l 仃o ls i n g a l ，证o r d e rt 0a c h j e v i i l gt l l e l o w - c o s ts 扛u c t u r e sf o rd e m u l t i p l e x i n g 锄dr 嘶e v i n gt l l ec l o c k k e y w o r d s ： n o i l l i n e 盯o p t i c a le f f e c t ；i n t r a - c h a r m e l c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ； i n t r a c h a i l i l e lf o u rw a v em i x i n g ；s t i m 山a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ；d 锄u l t i p l e x ；c l o c k r e c o v e 巧 c i 。a s s n o ：t n 9 2 9 1 v 致谢 本论文的工作是在我的导师李唐军教授的悉心指导下完成的，李唐军教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 李唐军老师对我的关心和指导。 李唐军教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，她的言传身教不断完善我的世界观和人生观。可以说 是我的良师益友。再次向向李唐军老师表示衷心的谢意。 感谢光波所简水生院士的教诲，感谢延凤平老师、裴丽老师、王均宏老师、 宁提纲老师、陈根祥老师、王目光老师给我的教导和帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，贾楠、钟康平、池剑锋等同学对我论文中的 组织结构、相关的知识理论等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1引言 1 绪论 光纤通信具有速率高，传输信息量大，传输距离远，抗干扰能力强以及保密 性好等优点。光纤通信技术日新月异，不断地在追求更高的传输速率，更远的传 输距离和更大的传输带宽【l 】，并带来了通信网络前所未有的繁荣。在8 0 年代至9 0 年代，e d f a ( 掺铒光纤放大器) 和d w d m ( 密集波分复用) 技术的出现引起了光 纤通信领域的一场革命，而因特网的发展推动了光纤通信行业的爆发性增长，刺 激其业务流量呈指数增长。尤其是近年来，在3 g ，p t v 等业务的推动下，网络 带宽需求呈现出爆炸式增长。2 0 0 9 年思科预测到2 0 1 2 年i p 业务量将达到平均每 月4 4 e b ( 1 e b = 1 0 9 g b ) ，并且在2 0 0 5 2 0 1 2 年之间将以每两年翻一番的速率增长， 到2 0 1 2 年其业务量将是2 0 0 7 年的六倍。在这样快速增长的带宽需求推动下，主 干网的传输速率亟待提高。人们通过r o a d m 、先进光调制技术、拉曼放大器， o t d m o f d m 复用方式等多种新技术的突破，到2 0 0 9 年为止，国际上光纤通信 单通道传输容量最高水平已达到3 2 n ) s ( 3 2 0 x 1 1 4 g b s ) 传输5 8 0 公里【2 j ，4 0 4 0 g b s 传输1 0 0 0 0 公里( 通过色散管理光纤) 【3 1 ，1 3 5 t b so f d m 相干系统传输6 2 4 8 公 里的新的大容量传输记录【4 】。随着带宽需求的快速增长，高速光传输技术仍将是未 来光通信领域重要的研究内容。 早期的d w d m 系统仅仅实现了点对点的信息大容量传输，而不允许对其中间 波长信道进行接入和交叉互连，就像高速公路缺少立交桥，在交换环节遇到了严 重的电子瓶颈。因此，近年来围绕全光波长交换和全光透明交换网人们进行了大 量研究，利用光纤非线性效应进行光交换的方案也被一些研究人员研究【5 】6 】1 7 】【8 】【9 】。 据媒体报道【m 】工业分析公司发布的最新报告指出：受通信、激光光电子应用的驱 动，预计到2 0 15 年全球非线性光学材料市场产值将达到l0 亿美元。极高非线性 光学特性材料是具有广泛的科学应用范围的特殊材料，目前市场上存在着多种波 长、损伤阈值和光学特性的各式非线性光学材料，关注的焦点是开发满足各种需 求的材料，如：快速响应、高损伤阈值、透明度结合广泛的适应性、极易与其他 材料结合的加工能力。非线性光学材料将在电子世界向光世界信息存储转化、转 移过程中发挥重要作用，宽带光纤光网络基础设施的大量需求增长将推动非线性 光学材料的快速发展。预计无线通信市场将占据非线性光学材料、激光、基质晶 体需求的大部分，在众多材料中铌酸锂( 锂铌) 被广泛应用于电信行业，特别是 在光调制器和移动电话方面。非线性高分子液晶材料在光子数据处理技术和各种 光子系统应用中有巨大的潜在应用，如高速光开关、光调制器、高密度光学数据 存储媒介。 此外，现有光纤通信技术基于无中继光纤放大器，以“被动方式进行信号处理。 伴随着单通道速率的提升，例如当单通道信号速率达到1 6 0 g b s 或更高时，“主动” 方式信号处理例如3 r ( 再放大、再整形、再定时) 的全光信号再生技术就变 得不可或缺【1 1 1 。利用非线性门实现3 r 再生是被广泛研究的一种技术方案。全光信 号处理具有速率透明，多功能和低能耗等电处理不可比拟的优势。各种新型非线 性全光处理器件的开发与研究也是实现全光交换和全光信号处理的重要步骤。利 用非线性效应实现全光交换全光信号处理及其关键器件的研究是光通信领域中的 另一重要主题。 因此，下一代光网络不仅仅需要实现大容量，高速率的干线传输，而且还要 实现网络节点的全光交换功能。本论文结合国家8 6 3 项目“1 6 0 g b s 一泵多纤光传 输技术的研究”的实施，利用光纤非线性s b s ( 受激布里渊散射) 原理，提出一 种新的全光信号处理控制光源形成方案；基于该光源，构建了全光时钟提取、全 光解复用和全光波长交换等应用于全光信号处理的新型器件；针对1 6 0 g b s 一泵 多纤光传输技术中的若干光纤非线性特性进行了深入的理论和实验研究；结合高 速o t d m 传输系统中的解复用和时钟提取、新型光路交换网中光层组播中的全光 信号处理的关键技术进行了大量实验与探索，获得了一些有益的结论。 1 2 光纤非线性效应对光纤通信系统影响的研究意义与现状 国内清华大学、北京邮电大学、天津大学、西南大学和北京交通大学等高校 在非线性对高速光纤通信系统的影响方面做了大量工作。西南大学基于描述光反 馈半导体激光器的动力学以及信号在光纤信道中传输的理论，研究了光纤中色散 和非线性效应对混沌信号传输以及发射和接收激光器的混沌同步特性的影响，为 远程光纤混沌保密通信提供理论指导【l 引。清华大学基于高非线性色散位移光纤 ( h i g l ln o n l i n e 甜d i s p e r s i o ns h i rf i b e r ，h n l d s f ) 中自相位调制( s p m ) 效应产 生均衡作用的基本原理，研究了结合非线性光纤环境( n o l m ) 来实现多信道功 率均衡的技术方案【1o 】以及实现1 6 0 g b i t s 到1 0 g b i t s 解时分复用1 1 1 】，同时基于高速光 传输系统中信道内四波混频( i f w m ) 作用机理，提出一种新的调制格式来抑制 i f w m 效应和寄生脉冲的产生【1 2 1 ，对光纤多信道高速传输系统中利用与抑制非线性 效应提供理论支持与可行方案。北京邮电大学基于色散平坦非线性微结构光纤 ( h n l m f ) ，研究了光纤环激光器【1 3 l 以及平坦超连续谱光源【1 4 1 ，为波分复用 2 ( w d m ) 光通信系统、光波长变换等方面光源应有提供了理论指导。国外对于传输 中非线性光学的研究起步早，并在波分复用系统中如何抑制非线性以及色散补偿 方案、非线性环境以及码制格式等取得了若干研究成果【i 副。 上面对于非线性光学的研究主要针对如何利用非线性光学引起的效应来改善 光传输系统的光源或者解复用端的表现。而对于在高速光传输系统中的传输链路 的研究，国内外都也作出了重大的研究。其中对如何抑制非线性光学在传输链路 上所造成信道间光信号的串扰的问题，通过采用色散管理方案，就能有效的削弱 自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 以及四波混频效应( f w m ) 等非线 性现象，从而改善w d m 系统传输质量【m 】。然而随着传输速率的提高，单信道彼此 之间的间距越来越窄，使得同一信道间不同脉冲之间的非线性作用越来越明显， 成为高速传输系统的主要限制因素【l 。刀。 带内非线性效应表现为同一信道内对不同比特之间的非线性相互作用，而导 致扰动的单脉冲自相位调制( s p m ) ，带内交叉相位调制i x p m 与带内四波混频效 应i f w m 。其中带内的s p m 能够通过色散管理可以有效地抑制其作用【1 8 】。所以对于 单信道内抑制非线性的主要内容为抑制引起脉冲信号之间时间抖动的i x p m 以及 引起能量抖动与影子脉冲的i f w m 【1 9 】。 国内外对于如何抑制带内非线性效应做了大量的研究工作。很多研究都是基 于信道编码技术以及信号调制技术的方案设计来减少i x p m 与i f w m 对光信号质量 的影响。其中在编码方面上，i v 锄b d j o r d j e v i c 等人提出了基于l d p c 的t u r b o 均衡 编码技术，该方案能够同时适用于色散补偿，偏振模色散补偿以及抑制带内非线 性效应，而且在解码方面具有低复杂性，便于使用f p g a 与v l s i 来实现高速传输【2 0 1 ； v l a d i m i rp e c h e i l l ( i n 与f r a n kr k s c i l i s c h a n g 提出了基于游长受限( i 也l ) 编码方案能 大幅度地抑制高速伪线性光传输中i f w m ，其编码的本质就是加大限制传输序列， 即增大最低脉冲之间的间距，来降低平均传输功率【2 1 】；d j o r d j e v i c ，i b 等提出的2 3 比特编码方案限制i f w m 所产生的影子脉冲，该方案在编码以及解码复杂度低易于 实现并不会造成高速传输系统的瓶颈田j 。 从以上的研究表明，国内外对于抑制高速传输系统中单信道内的非线性效应， 主要都是基于理论推导以及系统仿真【2 0 l 【2 l 】【翊，有没系统地将抑制方案应有于实际 的环境中，而且许多编码技术都是基于速率为4 0 g b i t s 与8 0 g b i t s 来提出的。 因此本论文结合8 6 3 项目“1 6 0 g b s 一泵多纤光传输技术的研究”的要求，提 出一个有效方案来抑制带内非线性效应，并通过对比实验结果来验证方案的有效 性。 1 3 光纤中受激布里渊散射的研究意义与现状 受激布里渊散射( s b s ) 是一种在光纤传输中发生的非线性弹性散射过程。s b s 过程可描述为泵浦波、斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用，泵浦波通过 电致伸缩产生声波，然后引起介质折射率的周期性调制。泵浦引起的折射率光栅 通过布拉格衍射散射泵浦光，由于多普勒位移与以声速u 移动的光栅有关，散射 光产生了频率下移。同样，从量子力学的角度看，上述非弹性散射过程可以看作 在一个泵浦光子湮灭的同时，产生了一个斯托克斯光子和声学声子。由于在散射 过程中能量和动量必须守恒，则三个波之间的角频率和波矢量差须满足如下关系 式： 2 占2 ，0( 1 - 1 ) k = kp k s 式中下标p ，s 和彳分别代表泵浦光、斯托克斯光和声波，q 8 为斯托克斯光 相对于泵浦光产生的角频率下移量。 借助上式并利用频率和波矢量的关系则有 q 月= 叱l k l 2 i k p l s i n ( 矽2 ) ( 1 - 2 ) 式中0 为泵浦光和斯托克斯散射光的夹角，y 。为光纤中的声速。考虑到光纤中 0 只能取o 、兀，则由上式可得：当0 = 7 【时，q 口最大，且满足= q b 2 7 f 2 n 砷。 这里n 为在泵浦波长冲处的光纤折射率，l ，疗为与q r 对应的频率。 由上面的结果可以看出，s b s 只能在与泵浦光传播相反的方向产生，且在却 = 1 5 5 朋处斯托克斯光相对泵浦光的频率下移量1 1 1 g h z ( 取n - 1 4 5 ， 叱2 5 9 6 l ( r 眺) 。 目前s b s 的研究，呈现出以下几方面的特点： 1 3 1 基于光纤中受激布里渊散射的可控慢光研究 全光通信网络的实现依赖于光交换、光路由等关键技术的解决，光纤中基于 受激布里渊散射的可控慢光是慢光走向实际应用的关键，该技术由于成本低、可 控性强等特点，是国内外研究的热点。当前研究重点主要集中在提高可控慢光系 统的传输带宽，增加脉冲的相对延迟。减小信号脉冲失真以及理想慢光介质的选 择等方面。目前世界各国的研究成果还仅仅停留在实验理论化阶段，距离商用实 用化还有一定距离。但是，随着研究的不断深入和成熟。全光通信在不久的将来 将变为现实。这方面国内有代表性的研究单位有南开大学现代光学研究所和天津 理工大学计算机与通信工程学院1 2 引。国外研究相对起步较早，并在基于受激布里 4 渊散射慢光系统中布里渊增益谱带宽展宽、对具有高折射率的高非线性光纤以及 光予晶体光纤作为慢光介质的研究方面取得了若干研究成果【2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 1 3 2 布里渊光纤环形激光器技术 把光纤置于谐振腔内；利用光纤中的布里渊增益就构成光纤布里渊激光器。 布里渊环形激光器由于具有线宽窄、频率稳定、增益方向敏感等优点成为国内外 研究的热点【2 。7 1 。 近年来国外对布里渊环形激光的技术研究不断发展，一些基本的技术问题得 到解决，但没有取得突破性进展。国内对于布里渊环形激光器的研究比较缓慢。 这是因为对于短光纤( 1 0 4 0m ) ，环形激光器可以以窄线宽的单纵模的形式稳定 运行。但需要高稳定性( 包括工作波长稳定和输出功率稳定) 、窄线宽、大功率的激 光器，才能在长度较短的光纤中产生s b s 效应。如果想要在一定长度的普通单模 光纤内产生s b s 效应，则需要的抽运激光功率要高一倍之多。相反，长光纤( 大 于几百米) 布里渊环形激光器一般运行在多纵模方式，这是导致布里渊散射激光 器输出不稳定的主要原因。有人指出这种激光器需要主动腔内稳定，才能实现连 续运转。模式的个数随光纤长度的增加而增加，且激光输出会变得具有周期性， 在某些条件甚至是混沌的。总之，布里渊激光要想成熟地走向实用化，商品化， 许多问题尚待深入探讨。 布里渊激光器稳定性的提高将是未来理论研究和实验研究的一大重点，可调 谐激光器无论是驻波型还是行波型，激光震荡的模式和自脉动现象都严重影响激 光输出的稳定性，这涉及激活介质的特性和模式竞争等问题，理论和技术问题都 比较复杂。因此，目前布里渊激光器的研究尚处于实验室研究阶段，极少有商品 提供。 1 3 3s b s 相关器件的应用研究 利用光纤中s b s 效应，可以用来构建在光电子系统中具有较大应用价值的布里 渊光纤放大器【2 8 】和布里渊光纤传感器。布里渊光纤放大器主要利用布里渊效应放 大偏离输入泵浦光等于布里渊频移量的弱信号，该弱信号可以是调制信号的特 定频谱区域或者波分复用系统中某一频率信号；布里渊光纤传感器能够在相当长 的距离上探测到应力或温度的变化。因为布里渊频移量与光纤模式的有效折射 率有关，每当石英材料的折射率随周遭环境的变化而改变，布里渊频移量就发 生相应的变化。通过监视由应力或温度对光纤折射率的影响进而导致光纤中布里 渊频移量的变化，可以得到应力或温度在光纤周围的分布情况，且探测得到布 里渊后向信号具有很高的信噪比。这方面比较有代表性的产品是日本安藤公司的 光纤分布式应力测试仪。 从以上s b s 的研究特点可以看出，目前国内对布里渊激光器的研究尚属起步阶 段，在布里渊激光器输出稳定性，包括激活介质的特性和模式竞争等问题方面还 没有取得突破性进展。 因此本论文结合8 6 3 项目“1 6 0 g b s 一泵多纤光传输技术的研究 的要求，提 出一种利用光纤布里渊散射形成稳定激光输出的方案，并对该输出激光特性进行 分析研究，试图解决前述布里渊激光器输出稳定性难题；并利用该光纤布里渊散 射形成的稳定激光作为控制信号，可以低成本的实现o t d m 系统解复用、时钟提 取、3 r 再生和全光信号处理，研究意义重大。 1 4 论文的主要工作以及内容安排 本论文是基于国家8 6 3 项目“1 6 0 g b i 讹一泵多纤光传输技术研究”，结合光纤 非线性光学相关理论，分析以及提出实验方案来抑制高速光传输系统下光纤非线 性效应对通信系统的影响，最后通过实验验证方案的可行性。同时，针对非线性 光学中的受激布里渊散射原理，分析并研究如何利用受激布里渊散射在高速光传 输系统中的应用。基于上述目的，本论文的章节内容安排如下： 第一章首先介绍了本论文研究背景以及研究目的。概述了高速传输系统中抑 制带内非线性效应对于提高高速通信系统性能的意义及相关方案和国内外进展； 总结了受激布里渊散射在慢光和激光器方面的研究国内外现状。 第二章基于光纤非线性效应理论，理论分析光传输系统中各种光纤非线性效 应的产生机理以及影响因素，其中包括与折射率相关的克尔效应中的自相位调制、 交叉相位调制和四波混频以及受激非弹性散射非线性效应中的受激布里渊散射和 受激拉曼色散。同时对高速传输系统中单信道脉冲间非线性相互作用的信道内交 叉相位调制( i x p m ) 和信道内四波混频( i f w m ) 进行理论分析与研究。 第三章理论和实验研究了高速光传输系统中带内非线性效应的抑制。首先总 结了现有的带内非线性效应抑制的相关技术方案：编码抑制技术与高色散管理技 术。比较两者的优缺点并结合实际情况，采用高色散管理技术抑制高速通信系统 中带内非线性效应，并通过实验验证了高色散管理技术在高速通信系统中实现带 内非线性效应抑制的可行性。 第四章主要研究了受激布里渊散射在光传输系统中的应用。通过分析基于受 激布里渊色散激光器的原理，提出一种利用光纤受激布里渊散射形成稳定激光输 出的方案，实现低成本的o t d m 系统解复用、时钟提取、3 r 再生和全光信号处理。 2 1引言 2 光纤非线性效应原理 自相位调制效应( s p m ) 、交叉相位调制效应( x p m ) 与四波混频效应( f w m ) 是由于光纤的非线性折射率所引起的，统称为克尔( k e r r ) 效应。这些非线性效应 通常引起频谱展宽或者产生新的频率，从而引起信道间的干扰。 2 2 自相位调制( s p m ) 在高强度电磁场中，任何电介质对电磁场的响应都会变成非线性，光纤也不 例外。介质非线性效应的起因与施加到它上面的电磁场影响下束缚电子的非谐振 运动有关，导致电耦极子的极化强度尸与电场e 是形成非线性关系，但通常满足 的关系式【2 9 】 尸= ( z 1 ) e + z 2 e e + z 3 ) i e e e + ) ( 2 1 ) 式中，是真空中的介电常数，z u ( = l ，2 ，) 为_ ，阶电极化率。线性电极化 率z ( 1 对尸的贡献是主要的。由于& q 分子是对称结构，其中z ( 2 ) 只在某些分子结 构非反演对称的介质中才不为零，所以光纤中二阶电极化率为零。光纤中的非线 性效应起源于三阶电极化率z ( 3 ) ，它是引起诸如三次谐波产生、四波混频以及非线 性折射等现在的主要原因。光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折射率，而 折射率与光强有关的现象是由z ( 3 引起的，即光纤的折射率可表示成【2 9 l 忍i 国，i 五1 2 ) = ( 缈) + 伤l e l 2 ( 2 - 2 ) 其中，z 0 ( 国) 为线性折射率，为非线性折射率。非线性的折射率调制会引起附 加相位，相位随时间变化产生频率啁啾面= 一a 妣西，所以s p m 将会导致频 率啁啾，引起频谱展宽【3 0 1 。 脉冲在光纤传输中的演化可以通过非线性薛定谔方程( n l s e ，n 0 n 1 i n e 盯 s c l l r o d i n g e re q u a t i o n ) 描述，它可以从电磁场麦克斯韦通过相关近似推导获得1 3 l 】 罢+ 詈彳一扣券呻m 像3 ， 其中彳( z ，f ) 是脉冲的包络函数，z 表示传输距离，口是光纤的损耗系数，屈与 群速度色散有关，是光纤的非线性系数【3 2 1 。该方程包含了群速度色散( g v d ) 与自相位调制( s p m ) 对传输光脉冲的综合影响，其中g v d 引起的脉冲演化是线 性的，通过色散补偿或者色散管理系统能够进行补偿甚至将光脉冲还原成初始状 8 态：而自相位调制( s p m ) 引起的脉冲演化是非线性，无法补偿或者还原，所以 在光传输系统中应该尽量的减少非线性效应的引入，从而保证传输系统中的信号 质量。 若忽略色散的影响，只考虑自相位调制的情况下( 口0 ，厦= o ，7 0 ) ， 引入归一化时间量【2 9 】【3 2 】【3 3 【3 4 1 】 f ：三：生盈( 2 - 4 ) f = 一= - 上 l z - 珥j 瓦瓦 并引入归一化振幅【3 1 】 彳( z ，f ) = 昂e x p ( 一口衫2 ) u ( z ，r ) ( 2 - 5 ) 其中，写是入射脉冲的脉冲宽度，昂为入射脉冲的峰值功率。 方程( 2 3 ) 能够简化成如下【3 1 】 掣：f 型圳u ( 2 6 ) 一= i - l f ，一l f ， i 一nj 昆 o 其中，是非线性长度，其定义为 k = ( y 晶) 叫 ( 2 - 7 ) 基于n l s e 方程的近似条件光脉冲随时间的变化量可以分为慢变部分以及快 变部分；其中慢变部分的物理意义为脉冲的振幅函数或包络函数，对于只考虑光 纤非线性效应而忽略光纤色散以及光纤损耗的情况下，其慢变部分对于传输距离 的导数是零，即光纤非线性效应不会改变入射光脉冲的振幅：快变部分表征为光 脉冲的相位函数，由复指数函数来描述。所以假设光传输系统下入射光脉冲为 u = y e x p ( ) ，并代入方程( 2 6 ) ，可以得到3 0 】 里：o 监：塑! 二型y 2( 2 7 ) a 2 现l n l 解得【3 0 1 k 班叭湍：= 竺颈掣叭咿扩讹协8 ，l 妣( 三，丁) = i u ( o ，r ) 1 2 1 一e x p ( 一口三) 肛k = i u ( o ，丁) 1 2 “ 其中，u ( o ，丁) 是入射时的脉冲振幅，妣( z ，r ) 为传输系统下光纤非线性引入 的附加相位函数，等效传播距离k 可以定义为3 0 】 锄= 爿l e x p ( 一口z ) ( 2 9 ) 由上述方程可以看出由非线性折射率引起的光纤非线性效应对传输过程中的 光脉冲的幅度大小没有影响( 前提忽略了光纤损耗以及光纤色散影响) 。其 妣( z ，丁) 随传输距离以及传输时间而变化，且非线性效应引入的附加相位存在一 个最大值为【3 2 】 9 2 丁) i 飞壶j q 1 从式( 2 1 0 ) 可以看出非线性效应附加相位有两个特点： 随入射光脉冲初始功率增大而增大，并且与初始脉冲的形状有关； 随着传输距离的增大而增大，但存在一个极限，这说明了光纤的损耗使得光 强不断减弱，因此自相位调制效应存在有效的作用长度。 如果妣( z ，丁) 的相位函数对时间的导数依然为时间的函数则认为光传输中出 现了频率啁啾现象，因为啁啾描述光脉冲的两侧出现不同的瞬时光频率与中心频 率的差别，数学上将上述现象表征为3 2 】 砌：一型( 2 11 ) 在只考虑非线性效应而忽略光纤色散以及损耗的情况下，对式( 2 - 8 ) 中关于 非线性附加相位的妣( z ，r ) 对时间的求导，得到自相位调制引起光脉冲传输过程 中啁啾的表达式1 3 2 】 砷) - - 鲁= 一珈咧2 协 从式( 2 1 2 ) 可以看出自相位调制对传输光脉冲的影响是使脉冲频谱展宽，产 生频率啁啾；而且该啁啾随着传输距离的增大而增大，换句话来说当光脉冲随着 传输距离的增大，新的频谱分量在不断的产生【2 9 】。 而且自相位调制所产生的频率啁啾取决于入射脉冲光强的瞬时变化，也就是 说与入射光脉冲形状有关，它有如下几个特点【3 2 1 ： 自相位调制效应产生的频率啁啾出现在入射光强瞬时变化的地方，即脉冲的 上下沿。从式( 2 - 1 2 ) 可见，对于脉冲前沿，a i u ( o ，丁) r 户r o ，则面( 丁) o ，所 以在前沿附近产生低频分量，形成频率红移现象；对于脉冲后沿， a i u ( o ，丁) 1 2 户丁 o ，所以在后沿处产生了高频分量，形成蓝移现象。 产生啁啾最大的地方为脉冲上升沿与下降沿，而不是脉冲的峰值处。可以认 为脉冲峰值处的波形斜率为零，即光强是一个常数；而两侧光强较大且斜率不为 零，故能产生频率啁啾。 自相位调制效应所产生的频谱展宽通过色散影响光脉冲包络。 从上述推导可以看出频率啁啾的大小与脉冲的瞬时光强度成正比关系，脉冲 前后沿光强变化快，所产生的啁啾也就越大，频率展宽也越大。以超高斯脉冲为 例，我们有如下定义【3 0 】 哪细门 协 1 0 如果聊= 1 表示为高斯脉冲，超高斯脉冲可以用来逼近矩形脉冲，朋越大，脉 冲的前后沿越陡峭，从而引起的频谱啁啾越大，其自相位引起的频率啁啾为p o 】 呻，= 等能厂唧旧加l 协 图2 1 表示自相位调制现象对高斯脉冲( 所= 1 ) 与超高斯脉冲( 脚= 3 ) 入射 信号引起的非线性相移以及频率啁啾。从图中看出超高斯脉冲的前后沿比高斯脉 冲更加的陡峭，所以其光强在瞬时变化率比高斯脉冲要强的多，从而引起的频率 啁啾要大于高斯脉冲( 对于历= 3 超高斯脉冲而言，其最大值大约为高斯脉冲的三 倍) 。在中心处，由于超高斯脉冲的强度几乎不会改变，所以其引起的频率啁啾会 小于高斯脉冲，几乎为零【3 0 1 。 2 逗1 敷 爨 荨。 丑 1 ；-m 嫉 v iiitii i - 2- lu l 2 7 7 = 图2 1 高斯( 虚线) 和超高斯( 实线) 脉冲相移九，和频率啁啾面【3 0 l f i g 2 1t h ep h 雒es h i n 丸阴dt h ef r e q u e n c yc h i r p 面a b o u tg a 吣s i 鲫( d 硒h e dc u r v e ) 鲫d s u p e r - g a u s s i 卸( s o l i dc w e ) 上述讨论关于自相位调制效应对于光纤内脉冲的传输的影响，只适合于较宽 脉冲的情况下。即它的色散长度厶远较光纤长度及非线性长度m 长。当传输脉 冲变窄，并且其色散长度岛与非线性长度k 处于同一个数量级时，就需要同时考 虑群速度色散与自相位调制在光脉冲传输的共同作用。在光纤的反常色散区，这 两种现象会导致光纤中的孤子现象的存在：而在正常色散区中，s p m 与g v d 效应 的共同作用会导致光脉冲出现压缩现象。 为了同时考虑色散与非线性效应的通过影响，引入如下参量【3 0 】 孝= z 厶，f = 叫瓦 ( 2 - 1 5 ) ，2 ：生：罂 ( 2 - 1 6 ) ki 岛i 则式( 2 3 ) 可以写成【2 9 】 f 等昙等_ 2e x p ( 嘲) 阱u ：o ( 2 - 1 7 ) a f2a f 2 、7 其中参数 r 被定义成色散长度与非线性长度比值的平方根，它反映出g v d 和 s p m 对光脉冲影响程度的大小。根据的大小可以将脉冲在光纤中的传输情况分 成3 类。 当口l 即k 口，色散长度远小于非线性长度情况下，色散起主要作用的 区域：脉冲演变过程中g v d 起主要作用，非线性效应可以忽略，常规光传输系统 基本上工作在这个区域。 当1 即厶k ，色散长度与非线性长度处于同一个数量级情况下，色散 和非线性基本平衡区域：g v