（通信与信息系统专业论文）全光多波长判决技术的研究.pdf

中文摘要 在超高速光通信中，光信号在传输过程中会受到诸多因素的影响，其结果会 造成光信号质量下降，导致误码率上升，从而限制传输距离。为了增大光信号的 传输距离，需要在传输过程中进行光信号的3 r 再生。全光3 r 再生技术克服了 电的3 r 再生技术的不足，有广阔的应用前景，是全光网路中保证信号传输质量 一个非常行之有效的办法；而且在光域内可同时对多个波长进行处理，这也是全 光3 r 再生技术的一个优势所在。全光3 r 再生技术的一项关键技术是全光判决 技术。光纤非线性效应中的参量放大效应，因其高响应速度、高信号增益和宽平 坦增益带宽等特性，是目前国际上在全光波长变换以及多波长全光3 r 再生等领 域的研究热点。本论文首先单泵浦参量放大作了一定的研究，然后进行了基于光 纤参量放大( f o p a ) 的全光判决系统的实验研究，为实现多波长全光3 r 再生 奠定了良好的实验基础。主要内容包括： 理论分析部分主要介绍了光纤中的四波混频( f w m ) 效应，在此基础上对 参量放大进行了详细的理论分析，包括四波混频相位匹配条件的理论推导，进而 分析了参量放大的增益特性。考虑到实验中可能遇到的光纤中的一些非线性效 应，例如受激布里渊散射( s b s ) ，受激拉曼散射i s r s ) ，自相位调制( s p m ) ， 交叉相位调制( x p m ) ，也对它们做了适当的介绍。 实验研究了相位调制对泵浦光频谱的影响，主要用于考查相位调制的泵浦抑 制受激布里渊色散的能力。然后实验分析了光纤光参量放大( f o p a ) 增益特性 与泵浦光波长，高非线性光纤长度，泵浦光功率之间的关系，并且实验验证了光 纤光参量放大( f o p a ) 的光开关特性，得到了信号光的输入输出特性曲线。 进行了基于光纤光参量放大( f o p a ) 的全光单波长1 0 g b p s 信号的判决实验 和异步双波长l o g b p s 的全光判决实验。在单波长1 0 g b p s 判决实验中采用强度 调制的时钟泵浦光，并且从不同信号信噪比，不同信号波长以及不同的信号传输 距离几个方面详细分析了该系统的全光再生性能。在异步双波长1 0 g b p s 全光判 决实验采中采用相位调制的时钟泵浦光，这样可以有效地抑制信道间的交叉相位 调制效应等，减少信道间的非线性干扰。特别地，对于异步双波长的全光判决， 不同信道间的四波混频效应是一个需要解决的问题，实验中，我们使信道间的信 号光与泵浦光偏振态相互正交，这样有效地抑制了不同信道间的四波混频效应。 关键词：高非线性光纤；参量放大；单泵浦光；光开关；光判决；全光3 r 再生 a b s t r a c t i nt h eu l t r a - h i g hs p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h es i g n a l sw i l lb ed i s t o r t e db y v a r i a b l ef a c t o r si n c l u d i n gp m d ，g v d ，x p m ，s p m ，f w m 卸ds oo n a n da l lt h e s e w o u l dj e o p a r d i z et h eo p t i c a ls i g 吼lp u l s e ，a sar e s u l t l e a d i n gt od r a s t i ci n c r e a s i n go f t h ee r r o rr a t e s 锄dt h e nl i m i tt h ep r o p a g a t i n gd i s t 粕c eo ft 1 1 es i g n a l s a l l - o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o n ( r e - a m p l i 矽i n g ，r e - s h a p i n g r e - t i m i n g ) o ft h eo p t i c a ls i g n a l sd u r i n g 舰n s m i s s i o nw o u l ds u b 啦蛐t i a l l yi n c r e a t h e 仃锄s m i s s i o nd i s t a n c eo ft h eo p t i c a l s i g n a l s a sa b l et 0o v e r c o m et h ed e f e c t so fe l e c 仃d n i c3 rr e g e n e r a t i o no ft h es i g n a l s ， a l l - o p t i c a l3 rr c g e n e r a t i o nw i l lb e 肌e f f c c t i v ew a yt om a i n t a i nt h ei n t e g r 时o ft h e s 蟾n a i si na l l - o p t i c a ln e t w o r ki l lt 1 1 e 如t u 糟i na d d i t i o n ，锄o t h e ra d v a n t a g eo ft h e a l l - o p t i c a l他g e n e r a t i 伽 i st h 她u n l i k et l l ee l e c n 0 n i cm e t h o d ，i tc 粕 p r o c e s s m u l t i w a v e l e n 舀hs i g n a l ss i m u l t a i l e o u s l y a l l o p t i c a ld e c i s i o ni so n ec r i t i c a lt e c h n i q u e o f t h ei m p o r t a n tt e c l l l l i q u e so f t h ea c h i e v e m 朗to f a l l o p t i c a l3 r 佗g e n e m t i o n a m o n g m ev a r i a b l en o n l i n e 盯e f f e c t s ，o p t i c a lp a 豫m e 仃i ca m p l y ( o f a ) ，f e a t u r e d 如u l t m - s p e e d r e s p o n s eh i g hs i g n a lg a i na n dw i d ef l a t t e ng a i n w i d t h ，i sah o tr e s e a r c ha i i e ai n v o l v i n g a l l - o p t i c a lm u l t i w a v e l e n 昏h c o n v e r s i o na n d a - o p t i c a lm u l t i - w a v e l e n 舀h r e g e n e m t i o n 、o r l d w i d e i nt 1 1 i s t 1 1 e s i s ，m er e s e a r c ha b o u ts i n g i e - p u m po p t i c a l p a 随m e 仃i ca m p l y ( o f a ) w 嬲i l l v e s t i g a t e d ，a n dt h 蛐t h e i n v e s t i g a t i o no ft h e a l l - o p t i c a ld e c i s i o nt e c h n i q u eb a s e do nf i b e ro p t i c a lp a n u n e 仃i ca m p l y ( f o i a ) w a s c a 盯i e do u t w h i c hs e t t l e dt i l e e x p e r i m e n tf o u n d a t i o nt 0t h em u l t i - w a v e l e n g t h3 r a - o p t i c a lr e g e n e r a t i o n t h e 0 他t i c a l 锄a l y s i so f 舶e ro p t i c a lp 觚帅e t r i ca m p l y ( f o p l a ) ，mp a n i c u l 虬t h e p h a s e - m a t c hc o n d i t i o nw 弱d e t a i l e di l l v e s t i g a t e d ，锄dt h e ni n v e s t i g a t e dt h eg a i n p r o p e r t yo fo p t i c a lp a m m e t r i ca m p l y ( o f a ) a n dc e n a i ni m p o r t 觚tn o n l i n e 甜e f r e c t s o fo p t i c a lf i b e r i n c l u d i n gs t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a n e r i n g ( s b s ) ，s t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n g ( s r s ) ，s e i f p h a m o d u i a t i o n ( s p m ) ，c r o s s - p h a m o d u l a t i o n ( x p m ) 舳d f o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) ，w e 陀i n t r o d u c e d t h ew a yt h a tp h a s e - m o d u l a t i o no fp u m pi m p a c tt h es p e c 仃1 l mo fp u m pw h i c hl a i d e x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h el a t e re x p e r i m e n t sw a si n v e s t i g a t e d t h e nt 1 1 ec o r r e l a t i o n s b e t w e e ng a i nc h 姗c t e r i s t i c so ff i b e ro p t i c a lp a n 啪e t r i c 锄p 1 f i e r ( f o p a ) a n dp u m p 、v a v e l e n 舒h ，p u m pp o w e ra n dt h el e n 舀ho fh i g hn o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r ( h n l f ) w e 陀a n a i y z e d a d d i t i o n a l i y o p t i c a l - s w i t c hp r o p e r t yo ff i b e ro p t i c a lp a 陀m e t r i c 姗p l i f i e r ( f o i t a ) w a sv e r i f i e d ，w h i c hs e i v e su st og e tt h ei oc u i v eo ft h es i g n a l s w em a k eu s eo ft h ep h e n o m e n o no fh n l f - o p i at oa c h i e v es i n g l e - w a v e l e n 舒h 10 b p sa l l - o p t i c a ld e c i s i o n 柚da s y n c h f 0 n o u sd u a l - w a v e i e n 昏hlo g b p sa l l o p t i c a l d e c i s i o ne x p e r i m e n t a l l y i n t e n s i t ym o d u l a t e dp u m pw a su s e di nt h es i n g l e - w a v e l e n g t h l0 b p sa l l - o p t i c a ld e c i s i o ns y s t e ma n dt h ep e r f 0 n n a n c eo ft h i sa l l - o p t i c a ld e c i s i o n s y s t e mw a se v a l u a t e di nd e t a j lt h r o u 曲t h r c ep a n so ft h ei n p u td e t e r i o r a t e ds i g n a l e m b r a c i n gd i a c r e n tw a v e i e n 垂h s ，d i a c r c n tt r 锄s m i s s i o nd i s t a n c eb e f 0 陀r e g e n e r a t i o n a n dd i f f - e r e n t s 追n a l t 0n o i s er a t i o( s n r ) an o v e ls c h e m eo fa s y n c h r o n o u s d u a l w a v e l e n g t l l lo g b p sa l l - o p t i c a ld e c i s i o nb a s e d0 np h a s em o d u l a t e dp u m pw a s p r o p o d s o豳t 0i n h i b i tc r o s s - p h a m o d u l a t i o n ( x p m )锄o n gd i f 佗r e n t c o m m u n i c a t i c h a n n e l s e 伍e c t i v e l y i i l p a r t i c u l a r f o u rw a v e sm i x i n g锄o n g d i 舵r e n tc h 锄e l sn e e dt 0i n h b i t i o ni nm en o v e la s y n c h r o n o u sd u a l - 、a v e l e n g t l l a l l - o p t i c a ld e c i s i o ns c h e m e ，w ep r o p o d t 0s e tt b ep o l a r i z a t i o ns t a t eo ft l l e a d j a c e n h 啪n e l st 0b eo r t h 0 9 0 n a lt 0i n h i b “t h ef o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) e f i 融c t s 锄o n gd i 仃e r e l r i tc h 柚n e l s k e yw o r d s ：h i g h - n o n l i n e 甜肋e r ( h n l f ) ，o p t i c a lp a 咖n e t r i c 砌p l i f i c a t i o n ( o p a ) ， s i n g l ep u m p ，o p t i c a ls w i t c h ，o p t i c a ld e c i s i o n ，a l l - o p t i c a l3 r 佗g e n e r a t i o n 第一章绪论 1 1 光通信的发展 1 1 1 光纤通信的发展历史 第一章绪论 2 0 0 9 年诺贝尔物理学奖获得者高锟博士( c k k a o ) ，于1 9 6 6 年7 月，发表了 一篇题为光频率介质纤维表面波导的论文，开创性地提出光导纤维在通信上 应用的基本原理，描述了高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构以及材料特性。 该论文从理论上证明了用光纤作为传输媒质来实现光通信的可行性，并预言通过 降低材料的杂质含量和改进制造工艺就能够使光纤的衰减降低到2 0 d b k m ，甚至 更小。 1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司根据高锟先生的设想，研制出了损耗为2 0 d b k l l i 的光纤，使光在光纤中进行远距离传输成为可能。在1 9 7 0 年以后的几年里，通 信光纤不但在光能损耗机理，模传输特性以及脉冲展宽等理论问题上取得很大的 进展。而且光纤的制作工艺技术获得了突飞猛进的进步。1 9 7 7 年。世界上首条 光纤通信系统在美国芝加哥投入使用，速率为4 5 m b p s 。接着，光通信又进入了 产业规模化与商业应用的过程，其高的发展速度，对社会的深远之影响是高新技 术领域内罕见的【l 】。 光纤损耗从1 9 7 0 年的2 0 d b i ( ：m 到1 9 9 0 年的0 1 4 d b l ( m ；光通信系统从短距 离到长距离，从小容量到大容量，从低水平到高水平，从准同步数字系列到同步 数字系列等这些都标志着光纤通信的快速发展。 1 1 2 光纤通信的发展现状 目前，光纤通信进入一个相对平稳的发展阶段，而且人们对高质量通信的要 求也促使光纤通信进一步发展。而今，上网冲浪、远程教育、可视电话、家庭办 公、多媒体服务等业务正迅速地发展，人们对于网络通信的能力也不断有新的要 求，网络已成为人们传递信息与交流的主要工具，而且网络也已经渗入到社会的 各个方面。人们对网络提出的主要要求是网络的容量。目前数据传输带宽还远远 不能满足人们的对信道容量的需求，为了防止带宽“枯竭”，光纤波分复用( w d m ) 第一章绪论 有效地扩展了带宽，大大地提高了通信能力，可以有效的满足人们的需要。但是 目前光纤通信形式( o e o ) 存在的电子线路在很大程度上制约了光纤的带宽资源， 为了克服当前网络在传输和交换时的“电子瓶颈”问题，充分利用光纤的宽带资 源，提高通信网络的容量，人们提出了全光网( a o n ) 的概念。近几年来，欧 洲、美国、日本等一些发达国家已先后建立了全光网络的现场试验。例如美国组 建的多波长全光通信试验网( m o n e t ) ，泛欧光纤传输迭加网( p h o t o n ) 等， 其中还要用到一些光学器件，比如如光交叉连接器( o x c ) ；波长路由器、插分分 接复接复用器( a d m ) ，波长转换器( w a v e l e n g t hc o n v e r t o r ) 等。而信号的判决 再生是通信网中非常重要的环节，所以多波长全光3 r 再生技术的突破将是全光 通信网络中的重要组成部分。 1 2 全光3 r 再生技术 在超高速光通信中，光信号在传输过程中会受到诸多因素的影响，其结果会 造成光信号质量下降，导致误码率上升，从而限制传输距离。，为了增大光信号的 传输距离，需要在传输过程中进行光信号的3 r 再生。全光3 r 技术能够克服电 的3 r 再生技术的不足，成为未来全光信号处理的重点。 在超高速光通信中，光信号在光纤的传输过程中会受到诸多因素的影响，主 要因素包括以下几个方面： 1 各网络节点以及光纤的光学元器件偏振模色散( p m d ) 与群速度色散( g v d ) 引起光脉冲的展宽；各网络节点以及光纤的元器件的非线性效应，主要包括受激 拉曼散射( s r s ) 、受激布里渊散射( s b s ) 、四波混频( f w m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、 交叉增益调制( x g m ) 等，引起非线性相位的积累以及脉冲包络畸变，并由此产生 时间抖动( j i 讹r ) 与幅度噪声。 2 在光传输网络中大量光放大器的使用，引入( a s e ) 自发辐射噪声，而且 光放大器的级联会导致噪声的积累，从而引起信号信噪比( s n r ) 恶化。 3 波分复用系统的大量应用，光信号传输过程中信道内或信道间相互干扰 导致脉冲信噪比( s n r ) 恶化，使得脉冲包络变形。 为增大传输距离，需要在传输过程中对光信号进行3 r 再生( r e a m p l i 母i n g 、 r e - s h a p i n g 、r e - t i m i n g ) 。 目前对光信号再生较成熟的技术是利用光电光转换( o e o ) 的方式，先将 光信号变为电信号，然后再在电域内进行信号的再生。虽然脉冲在电域内的再生 技术与处理已经非常成熟，不过这种方法会受到电子器件固有瓶颈速率的限制， 2 第一章绪论 随着波长数的增加，成本也会增高。并且对传输速率不透明。全光3 r 再生是指 在光域上的3 r 再生技术，它克服了电的3 r 再生的不足，具有高速，高透明性 且理论上可以同时进行多个波长的再生等优点，有着非常广阔的应用前景。 令人遗憾的是，目前对信号进行3 r 再生的研究主要集中在单波长系统中， 多波长全光3 r 再生方案还很少有报道。现在单波长3 r 再生方案已经达到 4 0 g b p s 。单波长全光3 r 系统目前存在的问题：( 1 ) 4 0 g b p s 以下单波长再生系统 中，全光3 r 再生无论在成本还是性能上与电的3 r 再生方案相比都没有优势； ( 2 ) 速率大于4 0 g b p s 以上的单波长再生系统在系统成本和光信号传输中均存在很 大问题，无法发挥光通信w d m 优势。 光网络中光信号的传输与电网络中电信号的传输有本质的区别：光信号可以 采用w d m 系统进行波分复用从而使光信号能够在信道中并行传输，而且在光域 内能够对这些并行的信号同时进行处理，而电信号只能进行串行处理。前面曾经 提到，速率低于4 0 g b p 的系统中，电的3 r 再生技术在成本可靠性方面要比全光 的3 r 再生有较大的优势，但是对于目前光传输系统中广泛采用的波分复用系统， 采用电处理只能分别对单个波长进行再生，其优势随波长数的增加而不复存在。 而且理论上在光域内可以同时处理同一系统中多个不同波长的信号，这是全光信 号处理的极大优势所在。目前，w d m 系统的广泛应用要求全光多波长信号处理 技术亟待发展。全光多波长3 r 再生技术的突破必将为w d m 技术在新一代光网 络的应用带来变革性的发展。 如图1 1 所示为全光3 r 再生示意图，全光3 r 再生器主要包括光放大、光 时钟提取和光判决。恶化的信号进入3 r 再生器，光放大单元该信号进行幅度放 大；光时钟提取单元提取出时间抖动低、稳定性高的时钟脉冲；光判决单元将输 入的数据信号调制到高稳定的时钟脉冲上，实现对信号的再整形和再定时，最后 输出再生后的脉冲。 图卜l全光3 r 再生系统框图 第一章绪论 1 3 全光判决技术研究现状 在全光3 r 再生系统中，全光判决技术起着举足轻重的作用，直接影响再生 后信号质量的好坏。其中，全光判决技术与电的判决方式不同，高速的判决门限 主要由高速全光开关来完成。全关判决中，时钟光脉冲可看成连续的“l ”码信号， 而输入的数据信号作为控制脉冲控制光开关的开与关。当判决门开时，时钟脉冲 可以通过，当判决门闭时，时钟脉冲无法通过。这样数据脉冲的信息就调制到了 时钟脉冲上，获得了再生信号，所以易知，再生后信号脉冲的质量与提取的时钟 脉冲质量密切相判2 0 1 。从目前研究重点来看，全光判决解决方案可大体分为两种： 一种是基于非线性波导和非线性光纤中的非线性效应，另一种是基于电可吸收调 制器和半导体光放大器等半导体有源器件。 ( a ) 基于s o a 的交叉增益效应( x g m ) 的光判决 半导体光放大器( s o a ) 具有较强的非线性效应，基于半导体光放大器( s o a ) 交叉增益效应( x g m ) 的波长变换技术已经有了广泛的应用与研究【2 0 1 。基于s o a 交叉增益调制( x g m ) 进行光判决的原理与进行波长变换的原理类似，数据脉 冲作为控制信号对时钟脉冲进行调制，最终可得到信号脉冲的反码信息。图1 2 为判决原理图。 d 嘲l n 五 融嘶刖洲 o0lo1 - - 专 s o a 图l - 2 基于s o a 的x g m 效应的光判决 d a 伯o t i t 厶 如图1 2 所示，恶化后的光脉冲波长为a ，时钟提取获得的时钟波长为五， 一起注入到半导体光放大器( s o a ) 中。数据脉冲功率较强时，其功率的变化会 导致半导体光放大器( s o a ) 有源区内载流子浓度的变化，从而引起半导体光放 大器( s o a ) 增益的变化，时钟经过这种增益变化的放大器后，获得了信号脉冲 的反码信息。 基于s o a 交叉增益( x g m ) 效应的全光判决结构简单，实现容易，环境的 4 第一章绪论 变化对其影响较小【9 】。但是，s o a 中载流子恢复响应时间会限制判决的速率，光 信号处理速率只能在1 0 g b p s 以内。值得说明，经过抑制码型效应的器件后，光 信号处理速率可提高到大约4 0 g b p s 【3 5 1 。 ( b ) 基于s o a 的马赫曾德干涉仪的光判决 基于s o a 的m z i 干涉仪利用s o a 的交叉相位调制( x p m ) 效应实现全光判决 的功能。如图1 3 所示为s o a m z i 干涉仪基本结构图，其中图中延时线的作用是 调节控制脉冲( 信号脉冲) 经过干涉仪两臂传输时光程。光信号通过半导体光放大 器( s o a ) 后，使时钟光的相位发生改变，使光信号在输出端口( 图中4 口) 处 干涉加强，由此可控制输出端口数据脉冲的有无。s o a 抛i 优点是开关速度快、 易集成、尺寸小，其速度可达1 6 0 g b p s 【1 0 】；缺点对器件的对称性要求较高，双臂 上s o a 的性能也要完全一致，这就对制作工艺提出了很高的要求，增加了成本。 而且在实际应用中，外界环境条件的稍微变化都会引起它的不稳定。偏振态等因 素也会对马赫曾德干涉仪有一定的影响，以上不利因素都降低了该干涉仪的光 开关性能。 不 栉制脉冲 1 心 时钟脉冲x2 甏时 1 输出脉冲入2 图1 3 基于s o a 的马赫- 曾德干涉仪( s o a m z i ) 的结构 ( c ) 基于非线性光学环镜( n o l m ) 的光判决 n o l m 即非线性光学环镜( n 0 n l i n e a ro p t i c a i l o o pm i n 0 r ) 结构如图1 - 4 所 第一章绪论 图1 4 非线性光学环镜原理图 b 该结构是将一段光纤和一个3 d b 的2 2 耦合器两输出端相连成环状，形成萨 格纳克( s a g n ) 干涉仪结构，又称之为萨格纳克( s a g n ) 干涉仪开关。n o l m 原理是基于光纤的萨格纳克( s a 9 1 1 a c ) 干涉原理以及光纤介质内x p m 来获得非线 性相移，使信号在输出端口干涉加强，由此控制输出端口信号脉冲的有无【2 0 】。 1 9 8 8 年n j d o m n 等人首先提出了非线性光学环镜( n o l m ) 【3 1 ，由长达几千 米的光纤与一个耦合器构成，结构比较简单，不过对输入信号的功率要求很高， 并且这种结构会使得光学环镜稳定性变差。在光学环镜中非对称地放一个s o a 可 以降低开关功率，并能减小环长，通过s o a 的增益饱和作用，使相向传输的两束 光在光纤环镜中运行一圈回到耦合器时拥有不同的相位和振幅【】，s o a 的引入 使光学环镜更易于集成，并且开关功率降到0 d b m ，如图1 5 所示，这样就构成 了光学非对称解复用器( t o a d ) 1 6 。 图1 5t o a d 原理图 6 第一章绪论 t o a d 全光开关，兼有s o a 和n o l m 的优点。半导体光放大器( s o a ) 非线 性效应强，这样使用较短的光纤就能满足实验需要。顺便提一下，利用e d f a 和 h n l d s f 构成的非线性放大光学环镜基于光纤介质中的k e l l r 效应使相向传输的 两束光获得非线性相移，可达到非常高的响应速度，能够应用于t b p s 速率级别的 光通信中i i o 】。 ) 基于电吸收调制器e a m 的光判决 基于电吸收调制器e a m l8 】( e l e c n 0 a b s o r p t i o nm o d u l a t o r ) 的光判决利用了交 叉吸收调制( x a m ) 效应。当注入光功率强时，e a m 的透射率高，当注入光功 率小时透射率低，注入光被吸收。通过数据脉冲的有无来控制e a m 光开关的通 断。并且电吸收调制器( e a m ) 具有尺寸小，驱动电压低，易于集成的优点。 而且e a m 偏振不敏感，这样输入信号的频率啁啾与相位畸变就不会带到探测信 号中去。e a m 开光的缺点是消光比差。人们利用图1 6 的实验装置实现了单波长 4 0 g b p s 的光判决【9 】。 图l - 6 基于e a m 实现4 0 g b ，s 的全光判决方案图 1 4 多波长全光判决技术研究现状 理论上可以在同一系统中同时对多个不同波长的信号进行3 r 再生。但是， 由于信道内不同波长的非线性效应( 比如四波混频f w m ，交叉相位调制x p m 等) 引起的相互干扰是目前困扰多波长全光再生的主要难题1 13 1 。迄今为止，国内外关 于多波长3 r 再生方案的报道还很少见，全光多波长再生研究还主要局限于多波 长2 r 再生研究。 7 第一章绪论 一个较经典的全光2 r 再生方案是1 9 9 8 年由m 锄y s h e v 提出的利用高非线性光 纤( h n l f ) 中的自相位调制( s p m ) 效应实现全光2 r 再生【1 2 】。 如图1 7 所示，人们利用m a m y s h e v 提出的结构实现了将待判决四路信号经偏 振复用器( p b s ) 后从两端注入到保偏高非线性光纤中，通过高非线性光纤 ( h n l f ) 中的自相位调制( s p m ) 效应得到四个信道的全光2 r 再生【1 1 】。一方面， 通过保偏高非线性光纤( p m h n l f ) 引入差分群延时( d g d ) ，使偏振态不同的 两路信号在时间上相互走离，在一定程度上抑制了信号间的交叉相位调制 ( x p m ) 效应以及光纤中其他非线性效应；另一方面，利用p b s 使两路信号偏振 态相互正交，可以在一定程度上抑制信号间的四波混频效应。 r 西奢p 凸r嗍剞n l f 图l 7 利用偏振复用及d g d 实现多波长2 r 再生方案 图1 8 所示方案原理与上述方案类似，实现了双信道1 3 0 g b p s 全光2 r 再生。 该方案通过选择合适参数的高非线性光纤( h n l f ) 实现了单纤中高速率的双信 道2 r 再生器【13 1 。 2 - 3 0 g b t b - r z - x 璀 图l 8 双信道1 3 0 g b p s 全光2 r 再生 8 第一章绪论 通过多段级联的色散补偿光纤( d c f ) 和普通单模光纤( s m f ) 产生差分群 延时，使不同的w d m 信道以不同的差分群速度传播，但在同一波长信道中的信 号以相同的速度传播。w d m 信号在这段介质传播后，不同信道间的相速和群速 失配将极大地抑制四波混频( f w m ) 和交叉相位调制( x p m ) 效应；而在同一 波长信道中低色散，使得每一信道中的自相位调制( s p m ) 引起了频谱的展宽。 图1 9 所示框图是利用5 段级联的d c f s m f 介质实现了三波长全光2 r 再生1 1 4 】。 m u i t j - w a v e i e n g t hr e g 旧n e r a t o r i 婆j 蒜二滞l 筹；2 ；e 肾j n ) 一l n j ) l i 。二 y1 - 二5 _ r 黑m ； - f 薯罐 趟l 图1 9 多段级联的d c f s m 眼介质实现三波长全光2 r 再生 2 0 0 6 年人们利用t h z 光学非对称解复用器实现了同时对多路不同波长w d m 信号的3 r 再生，实验装置如图1 1 0 所示1 1 8 】。这种方案的不同波长的信号需要经 时序调整后再进行时分复用( ) m ) ，从时间上依然是单波长的3 r 再生，没有 达到真正多波长判决的目的。而且这种方案需要各个波长的信号必须有相同的时 钟信号进行判决再生，因而这种方案无法满足当今的多信源异步网络，这样就限 制了该方案的实际应用价值。 默啪蚓d m 似m 蜮 g a n n gc o n 仃0 i e d f a 临 吓隧 c o n 州 臣k 竺莎 c 自r d i o u t啃：( n k f f n t o a d1 b 粒 t o a d 2 0 u l l n 惫盒彳伍裔 i 卜嗽姗l 。拄了 图1 1 0 基于t o a d 的多波长3 r 再生方案 尽管有很多困难和难题需要解决，但是由于全光3 r 再生技术的广阔市场应 9 第一章绪论 用前景和经济效益前景，美国和欧盟已经有一系列项目支持从事多波长3 r 再生 技术的相关研究。 1 5 光纤光参量放大技术研究现状 当较弱的信号光与较强的泵浦光一齐注入到光纤中且同向传播时，通过光纤 中的四波混频( f w m ) 效应，泵浦光场的能量转移到了信号光场，由此信号得 到了放大，并伴随产生了新的闲频光场，该过程称为光纤光参量放大( f o p a ) 过程。 光纤光参量放大( f o p a ) 是光纤通信中一类得到广泛应用的非线性过程， 它除了用于光信号放大外，还可以用于o t d m 系统的解复用，全光取样，波长变 换，全光信号再生以及窄脉冲产生等1 2 3 1 。 1 5 1 光纤光参量放大用于信号放大 光纤光参量放大( f o p a ) 提供单一方向的增益，并且无反向传输的被放大 的噪声，这可以使得参量放大器对信号光产生很高的增益【2 1 1 。如图1 1l 所示， 2 0 0 6 年，有报道单泵浦参量放大已经可以达到7 0 d b 。由于信号光被放大较强后， 会受到光纤中受激布里渊色散( s b s ) 效应的影响，为了抑制受激布里渊色散 ( s b s ) ，而且由于相位调制后可以使光谱有一定程度的展宽，这样可以提高受 激布里渊散射( s b s ) 的阈值。为了使参量增益尽可能的增加，通过三段不同长 度、不同零色散点的高非线性光纤( h 1 忆f ) 可以达到参量增益增大的效果【2 2 1 。 图1 1 l7 0 d b 增益的光纤光参量放大器实验图 1 5 2 光纤光参量放大( f o p a ) 的其他应用 光纤光参量放大( f o p a ) 除了应用于信号放大外，还可以用于波长变换， 第一章绪论 时分解复用及窄脉冲源产生等。图1 1 2 一图1 1 4 分别为基于光纤光参量放大 ( f o p a ) 的波长变换，时分解复用及窄脉冲源产生的原理示意图。 波长变换带宽是考量全光波长变换的一个重要的性能参数，在实际实验中我 们应该把提高波长变换带宽作为目标之一。影响变换带宽的因素很多，主要包括 光纤中的偏振膜色散( p m d ) ，泵浦光功率以及光纤的群速度色散( g v d ) 。实 验中，把泵浦光波长置于光纤零色散波长附近时，可得到较宽的波长变换带宽。 另外，2 0 0 5 年，m h i m o 等人通过降低高非线性光纤中的四阶色散，得到了1 9 3 n m 的波长变换带宽1 2 4 】。 p u m p s i g 怕i n o n n e a rf i b e r i d i e 弧厂l 几几 o p t i c a i ， 。f t e l u 量 图1 1 2 基于光纤光参量放大的全光波长变换实验示意图 基于光纤光参量放大的十分解复用原理主要是在强度调制的泵浦光参量放 大中，利用泵浦功率变化与增益的关系形成的高速开关窗口选出时分复用信号中 的闲频光，这样就能够获得解复用信号。2 0 0 1 年，j h a h s 哕d 等人利用这种装置 实现了4 0 g b p s 到1 0 g b p s 的无误码时分解复用【2 s 】。由于光纤光参量放大( f o p ：a ) 极高的响应速度，最近，t m o r i o l ( a 等人实现了5 0 0 g b p s 到1 0 g b p s 的无误码时分 解复用【2 9 1 。 p u m p s i g 响l 图1 1 3 基于光纤光参量放大的十分解复用实验示意图 可以利用基于强度调制泵浦光的光纤光参量放大( f o p a ) 实现窄脉冲源的 产生。如图1 1 4 所示，连读的信号光和强度调制的泵浦光经参量放大后，信号 光将会以脉冲的形式输出，而且同时产生的闲频光也会以脉冲的形式输出。2 0 0 l 第一章绪论 年，人们利用4 0 g h z 的正弦抽运调制得到了2 3 p s 的窄脉冲输出【3 1 1 。值得注意， 当多个信号同时注入到该装置中时，可以得到多个波长的脉冲输出。 p u m p s i g n a l 图l - 1 4 基于光纤光参量放大的窄脉冲源实验示意图 总之，除了以上的应用以外，光纤光参量放大还能可以用于全光取样，且还 能利用光纤光参量放大的增益饱和实现均衡器和光功率限制器等。顺便提一下， 以上所讲的光纤参量放大的实验装置主要是单泵浦的情况，实际上，很多应用可 以在双泵浦的情况下实现。固然双泵浦的光纤参量放大有其优点，比如双泵浦的 光纤光参量放大更容易实现宽带的平坦增益，但是，双泵浦的f o p a 复杂度较单 泵浦的f o p a 大很多，在一定程度上限制了双泵浦f o p a 的应用。 1 6 本论文的主要内容 在超高速光通信中，光信号在传输过程中会受到诸多因素的影响，其结果会 造成光信号脉冲质量下降，导致误码率上升，从而限制传输距离。为了增大光信 号的传输距离，需要在传输过程中进行光信号的3 r 再生。全光3 r 再生技术克 服了电的3 r 再生技术的不足，有广阔的应用前景，是全光网路中保证信号传输 质量一个非常行之有效的办法；而且在光域内可同时对多个波长进行处理，这也 是全光3 r 再生技术的一个优势所在。全光3 r 再生技术的一项关键技术是全光 判决技术。加之光纤非线性效应中的参量放大效应，其高响应速度、高信号增益 和宽平坦增益带宽等特性，是目前国际上在全光波长变换和多波长全光3 r 再生 等领域的研究热点。本论文首先单泵浦参量放大作了一定的研究，然后进行了基 于光纤参量放大( f o p a ) 的全光判决系统的实验研究，为实现多波长全光3 r 再生打下了良好的实验与实践基础。 主要内容包括： 1 介绍了光纤中几种主要的非线性效应，主要包括受激布里渊散射( s b s ) ，受 激拉曼散射( s r s ) ，自相位调制( s p m ) ，交叉相位调制( x p m ) 以及四波 第一章绪论 混频( f w m ) 效应。在此基础上对参量放大进行了详细的理论分析，包括四 波混频相位匹配条件的理论推导，进而分析了参量放大的增益特性。 2 实验研究了相位调制对泵浦光频谱的影响，为后面的实验奠定了实践基础。 接着实验分析了光纤光参量放大( f o p a ) 增益特性与泵浦光波长，高非线性 光纤长度，泵浦光功率之间的关系，并且实验验证了光纤光参量放大( f o p a ) 的光开关特性，得到了信号光的输入输出特性曲线。 3 进行了基于光纤光参量放大( f o p a ) 的全光单波长1 0 g b p s 信号的判决实验 和异步双波长l o g b p s 的全光判决实验。在单波长1 0 g b p s 信号判决实验中采 用强度调制的时钟泵浦光，并且从不同信号信噪比，不同信号波长以及不同 的信号传输距离几个方面详细分析了该系统的全光再生性能。在异步双波长 l o g b p s 全光判决实验中采用相位调制的时钟泵浦光，这样可以有效地抑制信 道间的交叉相位调制效应等，减少信道间的非线性干扰。特别地，对于异步 双波长的全光判决，不同信道间的四波混频效应是一个需要解决的问题，实 验中，我们使信道间的信号光与泵浦光偏振态相互正交，这样有效地抑制了 不同信道间的四波混频效应。 第二章光纤参量放大理论分析及其增益特性 第二章光纤参量放大理论分析及其增益特性 2 1 光线中的非线性效应 注入到光纤中的光强较弱时，光纤中的非线性效应不明显，光纤中的许多特 性会光场的变化而线性变化；当注入到光纤中的光场强度很强时，信号在光纤中 传输时就会表现出很强的非线性，另外，光纤中的各种非线性效应不仅与光场强 度有关，而且还和光场与光纤相互作用的长度有关。 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 ： s t i m u l a t e db r i l i o u i ns c 甜e r i n g ) 和受激拉曼散射( s r s ：s t i m u i a t c di h m 柚 s c a n e r i n g ) 。由非线性折射率引起的弹性过程，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 ：s e l f - p h 酗em o d u i a t i o n ) 、交叉相位调制( x p m ： c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ) 和四波混频( f w m ：f o u 卜w a v em i