（通信与信息系统专业论文）色散管理孤子系统性能的研究.pdf

中文摘要 光纤通信具有高速率、大容量、长距离以及抗干扰性强等特点。但是，光纤 的色散造成脉冲展宽，阻碍了光纤通信向前发展。应用光孤子进行色散补偿是提 高光纤通信系统性能的有效方法，相关的色散管理技术成为近年来光纤通信前沿 研究的重要热点。 本文首先深入研究了光纤损耗、放大器噪声、孤子问的相互作用、w d m 系 统中不同信道间孤子的碰撞以及其他因素对孤子通信系统性能的影响。 其次，本文详细分析了标准孤子、色散管理孤子以及密集色散管理孤子系统 的性能，运用光纤通信系统仿真工具o p t i s y s t e m 对1 0 g b s 和2 0 g b s 孤子系统、 色散管理孤子系统、密集色散管理孤子系统的性能进行了仿真，以误码率1 0 4 作为标准( 即q 值为6 ) ，对比了各种孤子系统的传输距离等系统性能。 最后，本文提出了一种新的色散管理方法色散递减密集色散管理。系统 仿真表明，这种新的色散管理方法较之于以前的色散管理方法能够更有效地提高 系统的性能，延长传输距离：并且通过设置合适的色散管理周期数，还能够进一 步改善系统的性能。 关键字：孤子色散管理孤子密集色散管理孤子色散递减密集色散管理 a b s t r a c t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a st h ef e a t u r eo fh i g h b i t r a t e ，l a r g ec a p a c i t y ，l o n g t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n d h i 曲a b i l i t yo fr e s i s t i n gi n t e r f e r e n c e h o w e v e r , f i b e r d i s p e r s i o nm a k e sp u l s e sb r o a d e n ，a n dt h u sh a sb a de f f e c t so nt h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n c o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o nu s i n go p t i c a ls o l i t o ni sa ne f f e c t i v e m e t h o dt o i m p r o v e f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mp e r f o r m a n c e d i s p e r s i o n m a n a g e m e n tt e c h n o l o g y h a s r e c e n t l y b e e nt h eh o t t o p i c o fa d v a n c e df i b e r c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h t h i sp a p e r a n a l y z e si n f l u e n c eo ns o l i t o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb ys o m ef a c t o r s ， s u c ha sf i b e rl o s s ，a m p l i f i e rn o i s e ，i n t e r a c t i o nb e t w e e ns o l i t o n s ，c o l l i s i o n s a m o n g d i f f e r e n tc h a n n e l si nw d m s y s t e m sa n d s oo n s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e sp e r f o r m a n c eo fs o l i t o ns y s t e m s ，d ms y s t e m s ，a n d d d ms y s t e m s ，a n dm a k e ss i m u l a t i o no nt h e s es y s t e m so p e r a t i n ga t 10 0 b sa n d 2 0 g b su s i n gf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o nt o o l ，o p t i s y s t e m w i t ht h e b e ro f1 0 叫( qo f 6 ) ，t h i sp a p e rc o m p a r e ss y s t e mp e r f o r m a n c ea m o n gt h e s es o l i t o n s y s t e m s a tl a s t ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t m e t h o d ，d i s p e r s i o n d e c r e a s i n gd e n s e l yd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t s y s t e ms i m u l a t i o ns h o w st h a tc o m p a r e d t of o r m e rm e t h o d s ，t h i sn e w d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t c a n e f f e c t i v e l yi m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e ，a n d e x t e n dt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e s e t t i n gp r o p e rd i s p e r s i o n m a n a g e m e n tn u m b e r c a nf u r t h e ri m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s o l i t o n ，d i s p e r s i o n m a n a g e d s o l i t o n ，d e n s e l yd i s p e r s i o n m a n a g e d s o l i t o n ，d i s p e r s i o nd e c r e a s i n gd e n s e l yd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t 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，也不包含为获得盘洼盘茎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：衙舟致 签字日期：) 。啦年】月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼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： 看论敲 导师签名 签字日期：j 口咄年) 月) ，日签字日期：】_ l 年j 月 ；目 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光纤通信具有高速率、大容量、长距离以及抗干扰性强等特点。但损耗和 色散是长期阻碍光纤通信向前发展的主要因素。工作在较低损耗窗口的掺铒光 纤放大器的开发成功和实用化，较好地解决了光纤通信中的损耗问题，因此色 散成为决定光纤通信系统性能优劣的主要因素。光纤的色散使得光脉冲当中不 同频率的分量在光纤中以不同的速度传播，造成光脉冲的展宽。这种脉冲展宽 会引起码间干扰，对系统的性能造成很大的影响。因此，如何控制色散以便提 高光纤通信系统的性能，成为光纤通信研究的热门课题之一。 目前对于光纤的色散已经提出了很多补偿方法，主要有色散补偿光纤 ( d c f ) ，啁啾光纤光栅，均匀光纤光栅，相位共轭( 中点谱反转) ，全通滤波 器、预啁啾等。然而，这几种色散补偿方法都存在一些缺点。因此，应用光孤 子进行色散补偿的研究越来越被人们关注。 光孤子利用了光纤的群速度色散效应和自相位调制效应的相互抵消作用使 得脉冲波形在整个传输过程中保持不变，从而改善了光纤系统的性能。在孤子 通信的基础上，又相继提出了色散管理孤子，密集色散管理孤子等技术。色散 管理成为近年来光纤通信前沿研究的重要热点。 1 2 光孤子通信研究的现状 1 9 7 3 年，h a s e g a w a 和t a p p c r t 首次从理论上推断，无损光纤中能形成光孤 子。1 9 8 0 年，贝尔实验室的m o l l e n a u e r 等人用实验方法在光纤中观察到了孤子 脉冲。1 9 8 1 年，h a s e g a w a 和k o d a m a 提出将光纤中的孤子作为信息载体用于通 信，构建一种新的光纤通信方案，称为光孤子通信。光孤子通信能提供非常高 的传输速率，而且能够传输极长的距离而不发生形变。由于它完全摆脱了光纤 色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出l 一2 个数量级，中继距离可达上百公里，因此光孤子通信很快成为研究的热点，并 被认为是下代最有发展前途的传输方式之一。 在1 9 9 5 年以前，光孤子通信理论与技术就已达到了很高的水平，充分显示 了光孤子通信的高速、大容量的特点，但是技术难度较高，耗资巨大，各国的 高速长距离传输试验都在实验室内用环路模拟来实现，无法进行野外现场试验， 第章绪论 不易工程化和实用化。1 9 9 5 年以来，各国光孤子通信的研究工作者开始考虑如 何使先进的构思和实验技术走出实验室。 首先开始这项探索的是日本n t t 实验室，他们将孤子传输技术在东京周围 的城域网中进行现场通信试验，在己铺设的光缆上采用色散管理技术，实现了 1 0g b s 3 0 0 0k m 和2 0g b s 1 0 0 0k m 低误码或无误码传输。这次野外现场试 验的成功激励了各国光孤子通信的研究。下面介绍几项重要的研究计划。 日本的科学技术行动计划中提出了星计划( s t a rp r o j e c t ) 的项目。日 本七家大公司和两所大学参与了该项发展计划，目标是采用孤子技术构建全球 距离的t b s 全光网，以满足急剧增长的多兆比、多媒体业务的需求，使现有的 通信网改建升级为下一代通信网基础设施。该计划自1 9 9 6 年开始，历时1 0 年。 美国m i t 林肯实验室主持了超快孤子多接入网计划，研究单信道1 0 0 g b s 的t d m 多接入网的网络结构、节点与收发设备等关键技术，首先是高速光孤 子源、全光开关、光存储器和速率变换器等单元技术，以实现超高速高性能光 孤子t d m 网，实现网络管理智能化，并能向非均匀用户群、高速终端用户、 高速v i d e o 业务、t b s 媒体群、超级计算机网等提供可变带宽( 1 - - 1 0 0 g b s ) 和分组业务，支持大数据信息的快速转移和低速用户的灵活接入。 欧洲环网中孤子传输高速通道开发计划( e s t h e r ) 是一项国际合作计划， 目的是使现有欧洲环网的低速通道升级为高速孤子传输通道，将网中的g 6 5 2 光纤线路的速率提高到1 0 g b s ，将g 6 5 3 光纤线路的速率提高到4 0 g b s ，将现 有的网络升级为未来的泛欧网。计划由意大利p i r e l l i c a v i s p a 公司牵头，参加 单位有英、法、意、德、西、葡和斯洛文尼亚等七国、五所大学和六家公司研 究所，至1 9 9 8 年已完成了全部野外试验。 欧洲的升级计划( u p g r a d e ) 的目标也是在欧洲网中采用光孤子传输， 在己铺设的标准单模光纤上采用光孤子传输，为欧洲的通信干线增大容量，但 是工作波长为1 3 0 0n l n ，所采用的孤子能量补偿放大器是1 3 0 0n l n 半导体光放 大器( 以前所有光孤子传输系统都是采用1 5 5 0n l t i 孤子脉冲和e d f a ) ，项目由 荷兰飞利浦光电子研究中心主持。 欧盟先进通信技术与设施( a c t s ) 计划( m i d a s ) 的目的是发展先进通 信系统和设施，以推进欧共体内部的经济发展与社会的结合，具体任务是在1 0 0 0 k m 已铺设的普通单模光纤( s m f ) 和色散位移光纤( d s f ) 线路上将通信容量 升级到4 0 g b s ，探索新概念和新技术，完成4 0 1 0 0 g b s 孤子传输野外现场试验。 计划主持单位为英国南安普敦大学光电子研究中心，参加单位有瑞典、意大利、 法国、希腊、英国等五国的八个单位。 法国电信( c n e t ) 近年也制订了一项发展计划，创办了a l g e t y 公司( 现 第一章绪论 在的c o r v i s 公司) ，致力于w d m 孤子传输技术的产业化，目标是实现1 t b s ， 1 0 0 0 k m 的孤子传输。 2 0 0 0 年，全球十大通讯集团之一的英国m a r c o n i 公司成立了一个名为 s o l s t i s 的小组，以发展基于孤子技术的超高速光网络，目标是使用w d m 技 术，实现1 t b s ，1 0 0 0 k m 以上的色散管理孤子传输。该小组包括原属于英国a s t o n 大学光子研究组的成员。2 0 0 1 年6 月，该公司正式推出基于孤子的 s m a r t p h o t o n i xu p u l 6 0 商用系统，此系统具有的关键技术非常先进，同时还节 约了相当的成本。值得注意的是，它提供的总容量为1 6 t b s 1 0b s 的1 6 0 个信道，可无( 电) 中继传输3 0 0 0k m 。这套系统采用了先进的色散管理孤子技术， 具有可扩展性和灵活性。综合前向纠错( f e c ) 和喇曼放大孤子技术允许服务 提供商配置长距离的光网络而不需要昂贵的电中继设备。此系统可工作在己铺 设的光纤上，并能提供很高的传输速率、灵活的上下路以及远端重配置，并且 还计划将该系统升级到能提供4 0 g b s 1 6 0 个信道，无( 电) 中继传输5 0 0 0k m 。2 0 0 2 年3 月，澳大利亚的大规模长途通信运营商a m c o mi p lp r y 有限公司选择了 m a r c o n i 公司的超长距离孤子通信技术作为a m c o mi p l 方案的一部分。这是迄 今为止全球最长的没有信号( 电) 中继的陆地商业光传输网络。a m e o mi p l 首先将 建造一条穿越澳洲东西的宽带链路，然后将建造从澳大利亚的阿德莱德到佩思 的宽带链路。a m c o mi p l 方案是澳洲第一条采用下代( n g ) 技术的方案，也 是首批商用的孤子通信系统。 我国在8 0 年代末、9 0 年代初曾有多所院校开展光孤子通信理论与实验研 究，如天津大学、东南大学、清华大学、北京邮电大学和上海大学等，分别在 国家自然科学基金、国家8 6 3 计划和相关部委支持下开展了一些基础性研究， 主要研究内容有：光孤子源，光孤子补偿放大器，单级孤子传输理论，单级短 距离传输实验，周期性集总补偿放大长距离孤子传输理论，长距离光孤子传输 控制理论等，取得了可喜的成果。由于国内高速长距离孤子通信研究的技术基 础较弱，技术难度较大，加之研究经费不足，9 0 年代中期后，研究工作进展缓 慢，研究水平离国际先进水平尚有一定差距。 1 3 本论文完成的主要工作 目前，为了进一步改善孤子通信系统的性能，加速其实用化，仍需开展深 入的研究工作，其中，色散管理技术即为重要的研究内容。本文针对色散管理 孤子、密集色散管理孤子以及色散递减密集色散管理等孤子通信技术开展研究， 完成了如下主要工作： 1 深入研究了光纤损耗、放大器嗓声、孤子闯的相互作用、w d m 系统中 第一章绪论 孤子问的碰撞以及其他一些因素对孤子通信系统性能的影响。 2 详细分析了标准孤子、色散管理孤子以及密集色散管理孤子系统的性 能，运用光纤通信系统仿真工具o p t i s y s t e m 对1 0 g b s 和2 0 g b s 的孤子系统、 色散管理孤子系统、密集色散管理孤子系统的性能进行了仿真，以误码率1 0 。9 作为标准( 即q 值为6 ) ，对比了各种孤子系统的传输距离等系统性能。 3 提出了一种新的色散管理方法色散递减密集色散管理。系统仿真表 明，这种新的色散管理方法较之于以前的色散管理方法能够更有效地提高系统 的性能，延长传输距离；并且通过设置合适的色散管理周期数，还能够进一步 改善系统的性能。 第二章光纤的色散 第二章光纤的色散 2 1 色散的概念及分类 2 1 1 色散的概念 由于信号在光纤中是由不同的波长成分和不同的模式成分来携带的，这些 不同的波长成分和模式成分有不同的传播速率，从而引起色散。也可以从波形 在时间上展宽的角度去理解，也就是说光脉冲在通过光纤传播期间，其波形随 时间发生展宽，这种现象称为光纤的色散。 2 1 2 色散的分类 通常把光纤中的色散分为三种类型：模式色散、模内色散和偏振色散。模 内色散又分为材料色散和波导色散。 1 模式色散 多模光纤中，即使是同一波长，模式不同传播速度也不同，它所引起的色 散称为模式色散。或者说，不同模式的光在光纤中传输时的传输常数不同，从 而使传输同样长的距离后，不同模式的光波之间产生了群时延差，假设光纤可 以传输多个模式，其中高次模到达输出端所需的时间较长，结果使入射到光纤 的脉冲，由于不同模式到达的时间不同，或者说群时延不同，在输出端发生了 脉冲展宽。必须指出。单模光纤只存在一个模式，没有模式色散，所以模式色 散是多模光纤才有的。 2 模内色散 模内色散亦称颜色色散或多色色散。主要是由于光源有一定带宽，信号在 光纤中会有不同的波长成分，信号的不同波长分量具有不同的群速度。结果导 致光脉冲的展宽。 模内色散包括材料色散和波导色散。 ( 1 ) 材料色散 材料色散发生在模式内部。由于光纤纤芯材料使得组成同一个模式波形的 不同频率以不同的速度传播。例如，在日光通过棱镜而形成按红、橙、黄、绿、 青、蓝、紫顺序排列的色散，这是由于棱镜材料对不同波长( 对应不同颜色) 的 第二章光纤的色散 光，呈现的折射率不同，从而使不同波长( 或频率) 的光传播速度不同而引起的， 这就是光的材料色散。当材料的折射率是波长a 的非线性函数时，使得不同波 长的光，在纤芯中的传播速度随波长而变，就说明传输中存在材料色散。 ( 2 ) 波导色散 波导色散是模式本身的色散，指光纤中某一种波导模式在不同的波长下， 相位常数不同，群速度不同而引起的色散。波导色散就是同一模式的相位常数口 随波长 变化而引起的色散。波导色散与光纤结构的波导效应有关，又称为结 构色散。在波长为1 2 7 3pm 附近时，材料色散为零，这时波导色散为主要色散； 而当波长为1 3 lum 时，材料色散和波导色散相互抵消，总色散为零。 3 偏振色散 通常的轴对称单模光纤是违背“单模”名称的。实际上有可能传播着两个 模，即在光纤横截面上的两个正交方向( 设为x 方向与y 方向) 上偏振的( 即在这 些方向上具有场分量的) 偏振模，同时由于实际的光纤中必然存在着些轴不对 称，那么，光纤会存在双折射，模传输常数对于x ，y 方向偏振模稍有不同， 就会使这两个模式的传输速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。 2 2 各种色散的比较 ( 1 ) 单模光纤中有材料色散和波导色散，但二者有可能相互抵消。其条件是：石 英玻璃光纤，在光波长为( 1 3 l 一1 4 ) um 时，两种色散大小相等而符号相反， 因此能相互抵消。 ( 2 ) 偏振色散的数值对于通常制造出的轴对称单模光纤来说，比其他三类色散中 的任一个都要, j q t l 多。 ( 3 ) 考虑均匀纤芯的多模光纤，波导色散的大小与单模的情形大致相同，且比材 料色散小得多，所以主要为材料色散和模式色散。 ( 4 ) 多模光纤中，有模式色散、波导色散和材料色散，而以模式色散占主要地位。 而在单模光纤中不产生模式色散，只有材科色散和波导色散。通常，各种色 散的大, l , j i l 页序是：模式色散 材料色散 波导色散。因此，多模光纤的传输 带宽几乎由模式色散所制约。在单模光纤中，由于没有模式色散，所以，它 具有非常宽的带宽。 2 3 色散的表示 在数学上，光纤的色散效应可以通过在中心频率处展开模传输常数口的泰 劳级数来解决。 6 第二章光纤的色散 p ( c o ) = p o + i ( c o c o o ) + 去2 ( c o 一o ) 2 + 一 ( 2 1 ) 式中， 耻 筹k 删，l ，2 ，) ( 2 _ 2 ) 当参量屈对应于脉冲展宽时，脉冲包络以群速度( k = 1 ，) 移动t 参量届， ：和折射率有关。卢：在波长1 2 7 u r n 附近趋于零，对更长的波长则变为负值。 厦= o 处的波长称为零色散波长扎。 通常，除了在旯= 如附近材料色散和波导色散相近外，波导色散对于肛来 说是可以忽略的。波导色散的主要贡献是把厶稍微移向长波长方向。一般用色 散参量d 来代替历，它们之间的关系为： 。= 鲁一等卢： 协s ， 波导色散的一个有趣的特性是，它对d 的影响依赖于光纤设计参数。这种 特性可用来将零色散波长移到有最小损耗的1 5 5 u m 附近。这种色散位移光纤在 光通信系统中有潜在的应用价值。它使得在较大波长范围内设计色散平坦光纤 成为可能。 根据色散参量卢，和d 的符号，光纤中非线性效应表现出显著不同的特征。 对于五 0 ，光纤表现为正常色散。在正常色散区，光脉冲的较高的 频率分量( 蓝移) 比较低的频率分量( 红移) 传输得慢。及 0 的反常色散区 情况正好相反。 2 4 色散对信号传输的影响 1 色散限制光信号一次传输的距离 在信号的传输过程中，信号靠波形的有无来判断。由于色散使脉冲变形， 为了准确地判断波形的有无，需要减少单位时间内传输的脉冲数( 也就是减少比 特率) ，或在波形未过度展宽时，就进行波形的恢复和放大，故色散的存在限制 了光信号一次传输的距离。另外，在传输距离相同的情况下，色散越大，单位 时间内传输的信息量越小。 2 色散引起脉冲信号失真，产生码间干扰 光纤通信都是采用脉冲编码形式，即传输一系列的“1 ”、“0 ”光脉冲，一 个非零线宽的实际光源被基带进行强度调制。强度调制就是使光波的强度与调 制信号电流成正比地变化。调制信号等同地调制光源的每一波长成分。不同波 第一二章光纤的色散 长在光纤中的传输速度不同，它们到达终端的时间不同，即有时延差。由于各 波长成分到达的时间先后不一致，因而使叠加后的脉冲加宽，这叫做脉冲展宽。 传输的距离越远，展宽越严重，这表明光纤的色散引起脉冲信号失真，使前后 码产生码间干扰。 第三章现有的光纤色散补偿方法 第三章现有的光纤色散补偿方法 为了去除色散的影响，人们研究了多种色散补偿方法，主要有色散补偿光 纤，啁啾光纤光栅，均匀光纤光栅，相位共轭( 中点谱反转) ，全通滤波器以及 预啁啾等。本章对这些色散补偿方法作简单的介绍，并且比较它们各自的特点 以及优缺点，作为孤子通信的背景。 3 1色散补偿光纤 色散补偿光纤( d c f ) 是一种在1 5 5 0 n m 波长有很高负色散的光纤 ( 5 0 5 0 0 p s n m k m ) 。对于常规单模光纤，当入射波长大于1 3 0 0 n m 时，材 料色散是正的，而波导色散是负的，于是在某个波长两种色散相互抵消，这个 在1 3 1 0 n m 附近的波长即对应零色散波长。色散补偿光纤是通过控制石英掺杂 量以及光纤结构设计，使光纤的材料色散和波导色散相加后，零色散波长移到 大于1 5 5 0 n m 的位置，从而在1 5 5 0 n m 附近有较大的负色散。为了对现有的大量 1 3 1 0 n m 零色散标准单模光纤通信系统进行改造，使其在1 5 5 0 n m 波段进行大容 量、长距离的传输，在1 3 1 0 n m 零色散标准单模光纤通信系统中，加入一段适 当长度的在1 5 5 0 n m 具有很大负色散的色散补偿光纤，去抵消原标准单模光纤 1 5 5 0 n m 处的正色散，使通信线路实现1 5 5 0 n m 处总色散为零。 使用d c f 进行色散补偿，只需要增加少量色散补偿光纤和掺铒光纤放大 器，就可达到色散补偿的目的；d c f 的色散补偿量可以控制，且性能稳定；与 1 3 l o n m 零色散标准单模光纤兼容只要适当控制色散补偿光纤的模场直径和改 善连接技术，就能得到较小的插入损耗；它是一种线性无源器件，可以放在光 纤线路的任何位置，仅受到掺铒光纤放大器和光接收机可接收的最小功率电平 的限制，安放灵活方便；能实现宽带色散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿， 它对系统参数，如比特速率、光源波长及波分复用通道的布置都是透明的。 但是，d c f 也有一些缺点：1 ) 有插损，2 ) d c f 的损耗系数比普通单模 光纤的损耗大，3 ) 不利于实现器件的小型化，d c f 可以提供比普通光纤大得 多的色散( 5 1 0 倍) ，但要补偿1 0 0 k i n 的光纤色散需要上十k m 的d c f 。4 ) 非 线性效应，为获得更大的色散，d c f 的芯径通常在4 u m 左右，远小于约为9 u m 的普通单模光纤，出于芯区面积的减小，致使d c f 中的非线性比普通光纤大 2 - 4 倍，在高速波分复用系统中这种非线性将进一步限制传输距离。 第三章现有的光纤色散补偿方法 3 2 光纤光栅 3 2 1 啁瞅光纤光栅 啁瞅光纤光栅的光栅周期沿着光纤方向呈周期性的变化，因此，不同波长 的光经过啁啾光栅时被反射的位置不同，这就出现了相对的时间差，使得这种 光栅具有波长色散的特性。利用这一特性可以补偿光纤线路中的色散，所能补 偿的色散量及带宽由光栅长度和啁啾量决定。 色散补偿的基本原理：对于常规单模光纤，零色散波长的典型值 五。= 1 3 1 啪，当且 o ，d 0 ，光纤处于正常色散区，红移分量传播 得快，蓝移分量传播得慢。反之，光纤处于反常色散区，蓝移分量传播得快， 红移分量传播得慢。普通单模光纤在1 5 5 0 n m 窗口色散系数d 为正值，表明中 心波长在1 5 5 0 n m 附近的信号光通过光纤时，红移分量( 长波长) 比蓝移分量 ( 短波长) 传输得慢，因而经历的时延大。在啁啾光纤光栅中，谐振波长沿光 纤光栅是位置的函数，即沿光纤光栅的每一点都有一个本地b r a g g 谐振波长， 因此，不同波长的光在光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延。光纤中 传播光波的长波长分量在光栅的起始端被反射，而传播的短波长分量在光栅的 远端反射，即光波经过光栅后，蓝移分量的时延比红移分量的时延长，可见， 光栅以这种方式放置时的色散特性正好与常规单模光纤的色散特性相反，从而 实现色散补偿。因此，利用啁啾光纤光栅就可以起到色散均衡的作用，从而实 现色散补偿。 啁啾光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、对偏振不敏感：随着通信系统 传输速率的提高以及d w d m 技术的应用，啁啾光纤光栅更显示了色散量大、 反射率高及反射带宽宽的特点，特别适合对d w d m 系统各信道进行特定的补 偿；而且光栅的体积小，可以很容易地安装于现有传输系统中，方便地进行全 光通信的一维继承；同时它的工艺简单，造价不高，可以根据传输距离灵活设 计补偿量。 3 2 2 均匀光纤光栅 与啁啾光纤光栅相对应，均匀光栅是指光栅周期沿光纤方向是均匀的。可 以利用均匀光纤光栅反射带隙附近的强色散在传输中进行色散补偿。 在均匀光纤光栅中存在个从( 称为反射带隙) ，光纤光栅中波长处于这 范围内的光会被强烈反射。离开反射带隙的光信号在光纤光栅和普通光纤中 0 第三章现有的光纤色散补偿方法 的传输没有区别。这对于波长远离反射带隙的信号是正确的，但是当波长离开 反射带隙很近( 距离约和反射带隙同样数量级) 时，光信号虽然会通过光纤光 栅，但同时会经历一个极强的色散。如果在光脉冲传输的信道中放置一个参数 合适的光纤光栅，使得信号波长位于此光纤光栅的反射带隙外附近且玲h ，此 时反为正数，为了使补偿效率在理论上达到最高，必须有下式成立： p i l ，= p l l g ( 3 一、) 式中，掰为光纤光栅的色散，l g 为光纤光栅的长度，倒为光纤信道的色 散，l f 为色散补偿前光脉冲在光纤中的传输距离。 均匀光纤光栅的色散补偿是基于透射式的。同啁啾光栅补偿方式相比，均 匀光栅补偿法省去了环形器，降低了系统损耗，同时降低了光纤光栅制造的工 艺难度。若将几段参数适当的均匀光纤光栅级联起来，就可较容易地用于w d m 系统中多信道色散的在线补偿。 3 3 相位共轭 信号脉冲在光纤中传输通常使用非线性薛定谔方程来描述： 瓦o a 一吉卅一圭卢：豢川2 爿 ( 3 - 2 ) 当信号光经过相位共轭后，转换成相位共轭光之后，相位共轭光的传输方 程就可以描述为： 一堕：+ 三刨一三卢：祭嘶l 爿+ i ：彳 (3-3)oz22 。o t 2 。 将( 3 3 ) 式与( 3 2 ) 式对比可见，若忽略高阶色散，( 3 3 ) 式实际上描述了一个沿一z 方向传播的镜像信号，这个信号的相位与原信号相反，但其振幅在相应各点上 与原信号相同。利用这一点，我们可以在实际系统中，使光信号传到中途时反 相，然后继续传输。当两侧的光纤总色散量相等时，在终点处将得到与起点处 形状相同的脉冲，从而实现了色散补偿。从理论上讲，当两侧线路的光功率绝 对值关于中点对称时，光纤的非线性造成的脉冲变形也能同时得到完全补偿。 但f l = j ( 3 3 ) 式，可以看到若要保持功率绝对值的对称，则要求后半段光纤具有增 益或保持线路上的功率处处相等。且缩小光放大器间距将有利于非线性补偿。 光信号的频谱在通信线路中点处进行光相位共轭( o p c ) ，这种方法又称为 中点谱反转( m s s i ) 。在实际系统中，考虑到衰减的影响，必须使用e d f a 、 f r a 等放大器，因此实际系统如图3 一l 所示： 第三章现有的光纤色散补偿方法 怔互卜回衙怔互h 亘寸 氍 【_ j 匕 图3 - 1 相位共轭法结构框图 利用相位共轭进行色散补偿，补偿效率高：这种补偿方法与系统的信号传 输速率、信号的调制方式无关，可以应用于各种模式的光通信系统；而且使用 这种技术的设计相对简单。但是如果考虑光纤中二阶以上的群速度色散项，而 且当功率强度较大时，介质折射率表现为非线性，此时，利用相位共轭技术校 正光脉冲在时域中的畸变会存在一定的误差。 3 4 全通均衡器 全通均衡器是一种无源器件，属于色散均衡器。它具有与常规单模光纤相 反的色散特性，因此可以用来作为高速率光纤传输系统的色散补偿元件。采用 这种方法具有插入损耗低，色散补偿值可调，体积小，成本低以及实施补偿简 单灵活等优点，具有较广阔的工程应用前景。 在谐振波长处，光均衡器的时延取得最大值，色散值为零；对于小于谐振 波长的信号，均衡器具有正色散特性：对于大于谐振波长的信号，全通均衡器 具有负色散特性，最大正负色散值分别在偏离谐振波长处获得。因此，利用均 衡器这一色散特性，可分别对具有正色散和负色散的光纤线路组成的光纤传输 系统进行色散补偿，延长中继距离。光均衡器可以放在光发送端机和光纤线路 之间( 前补偿) ，也可以放置在光接收端机和光纤线路之间( 后补偿) ，若系统 中光纤线路的衰减较小，可以省略光放大器。图3 2 是采用全通光均衡器进行 色散补偿的传输系统的框图。 幽3 - 2 系统框图( 前补偿) 光均衡器只有在每个谐振波长附近的一个不大的范围内具有补偿作用，因 第三章现有的光纤色散补偿方法 此，是一种窄带色散补偿元件，可以在传输速率直至l o g b s 的光纤传输系统中 作色散补偿用，而且，光均衡器只能对群速度色散的影响进行补偿。由于常规 单模光纤在1 5 5 0 h m 附近的色散值为正，因此要使全通光均衡器起到色散补偿作 用，必须使其具有负色散特性，应使传输系统的工作波长等于或者略高于光均 衡器的谐振波长。当光均衡器的负色散值和传输系统光纤线路的正色散值大小 相等时，能够获得最佳补偿效果。 由于光均衡器是一个线性色散补偿元件，不能对光纤的非线性影响进行补 偿，因此必须对光放大器的输出光功率大小进行适当的控制，以免在光纤中引 起显著的非线性效应，导致系统传输性能的劣化。再有，对波分复用系统进行 补偿时，w d m 各信道间隔必须一致，以取得相同的色散补偿效果，这需要对激 光器的输出波长加以严格的控制。 3 5 预啁啾 预啁啾技术是通过对调制信号进行调频( 加啁啾) 再调制光源的方法，该 方法能将光脉冲压窄，从而有效地提高光脉冲抗光纤色散的能力。当初始啁啾 参量c = o 时，光脉冲在光纤中传输时，脉宽会单调上升，当c 0 时，在适当的 色散光纤中传输时，只要满足d 2 c o ，光脉冲就会在一定的范围内得到压缩。 利用此性质可以在光纤通信中延长色散对传输距离的限制。选择最佳预啁啾值 可以获得最佳压缩效果。 通常的光信号含有不同的频率成分，在负色散光纤中传输时，所含的高频 成分传输速度较快，将逐渐集中于脉冲的前沿，所含的低频成分传播速度较慢， 将逐渐集中于脉冲的后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲也越来越宽。预啁 啾的思想是在输入脉冲进入光纤链路前，适当地附加一个正的啁啾系数，使得 脉冲从前沿到后沿的频率逐渐升高，从而输入脉冲在传输过程中有一个初始变 窄过程，相应地起到了色散补偿的作用。适当调整输入脉冲的啁啾系数，可以 使传输距离延长。 预啁啾技术可通过直接调制激光器或啁啾参数不为零的外调制完成，无需 对传输和接收部分作改动，只需在发送激光器上加一个正弦调制即可，但是它 要求激光器的频率特性较好，而且必须调节预失真的啁啾系数，使之与线路的 色散特性相匹配，对应一种距离就需要一种调制。单纯利用预啁啾技术很难实 现长距离传输，“一般只在短距离通信中使用。 第四章光纤孤子通信 第四章光纤孤子通信 4 1 光纤孤子的基本概念 孤子是英文中s o l i t o n 的译名，光孤子的历史可以追溯到1 8 3 4 年，英国海 军工程师s c o t tr u s s e l l 观察到有一部分水在河道内能无形变的传输几千米。 他在1 8 4 4 年出版的报告中记载到：我正观察着由两匹马拖着的小船沿狭窄的河 道快速行驶，突然小船停了下来，但在河道中运动着的一大片水并未停下来， 而是以漩涡的方式在船头聚集，然后突然把小船抛在后面，高速向前运动。设 想这样一个大的孤立的场景：一片圆形的光滑的，并且轮廓分明的水体，沿河 道一直向前运动，很明显其形状保持不变，速度也不会减小。我骑马追踪并超 过它，但它仍以每小时8 或9 英里的速度向前运动，同时保持3 0 英尺长的初始 形状，但其高度逐渐减小，1 到2 英里后才在河道弯曲处消失。这样在1 8 3 4 年 8 月，我第一次看到了这种奇异的美丽的现象，并把它称作波的平移。 这种波后来被称为孤立波。术语“孤子”是在1 9 6 5 年提出的，目的是为了 反映孤子波的粒子性的本性，即在相互碰撞后能不受影响。在光纤领域，于1 9 7 3 年首次提出将孤子用于光通信。在光学中孤子这个词以描述光脉冲包络在非线 性介质中传播时的类似于粒子特性为特征，在数学上是非线性波动方程的局域 行波解，在一定条件下。这种包络不仅不失真地传播，而且象粒子那样经受碰 撞仍保持原形而继续存在，称为光学孤子或光孤子。将光纤中的孤子作为传递 信息的载体，构建的光纤通信方案称为光纤孤子通信，或简称光孤子通信。 4 1 1 光孤子的数学模型 光脉冲在光纤中的传输方程可以表示为下式： 警+ ；+ j i 岛矛0 2 a i 1 岛矛0 3 a = f 巾胛+ 里o 。o 旦o t 卵月) 一疋4 掣1 。 式中，a 表示光脉冲包络的慢变振幅，t 是随脉冲以群速度v 。移动的参考系中 的时间量度( t = t z v 。) ，z 表示沿光纤长度方向的变量，a 表示光纤损耗，p 2 和 瞰表示色散参量，y 表示非线性效应系数，o 是载波频率，t r 对应于拉曼增益 的斜率。 ( 4 1 ) 式的方程适合于脉宽窄至1 0 f s 的脉冲的传输。一般来说，脉冲的宽 度要大于1 0 0 f s ，对于这样的脉冲可以采用简化的方程，即： 第四章光纤孤子通信 掣：一三州+ ! 岛祟，a ( 4 2 ) c 3 z22 。a t 2 。 上式的方程是非线性偏微分方程，在一般情况下不适合解析求解，已经广 泛应用的是分步傅里叶法，这种方法相对于大多数有限差分法有较快的速度。 为了用分步傅旱叶方法柬求解方程，把方程( 4 2 ) 改成如下形式： 娑：( 西+ 力) 爿 ( 4 3 ) 式中，6 是差分算符，它表示线性介质的色散和吸收：费表示非线性算符， 它决定了脉冲传输过程中光纤的非线性效应。这些算符为： 弧一言屈景一詈( 4 - 4 ) n = i y l a i 。 ( 4 5 ) 一般来说，沿光纤的长度方向，色散和非线性是同时作用的，分步傅里叶 方法通过假定在传输过程中，光场每通过- 4 , 段距离h ，色散和非线性效应可 分别起作用，得到近似结果。更准确的说，从z 到z + h 的传输过程中分两步进 行，第一步，仅有色散作用，令对= 0 ；第二步，仅有非线性作用，令西= 0 。其 数学表示为： a ( z + ，t ) ze x p ( h d ) e x p ( h n ) a ( z ，t ) ( 4 6 ) 按规定，指数操作e x p ( h 西) 在傅里叶域内进行 e x p ( h d ) b ( z ，t ) = f 。e x p 氙d ( f ) 】f ) b ( z ，7 ) ( 4 7 ) 这里f 表示傅罩叶运算，d ( 泐) 将方程( 4 4 ) 中的微分算符替换为沁， 为傅里叶域内的频率。 使用f f t 算法使得方程( 4 7 ) 的数值算法较快。正是由于这个原因，分步 傅里叶方法比大多数有限差分法陕一、二个数量级。 为了改善分步傅旱叶方法的精度，在这里我们采用了对称分步傅里叶方法。 a ( z ，t ) 传输了- - d 短距离h 之后的光场为： 爿( z 十h , t ) a e x p ( 鲁d ) e x p r + “( z ) a z e x p ( 鲁西) 爿( z ，r ) ( 4 8 ) 此方程与分步傅里叶方法主要的不同在于，在此过程中非线性效应包含在 小区间的中间而不是边界。当步长h 足够小时，中间的积分项可以近似为 e x p ( 前) 。 第四章光纤孤子通信 4 1 2 光孤子形成的基本原理 孤子的形成是由于两方面的作用。 第一是群速度色散( g v d ) 效应。由于色散，使得光波的不同波长分量的 折射率不同，因此在光纤中以不同的速率传播。若所有的频谱分量同时到达， 则脉冲的宽度不变。不同波长分量在传输过程中的任何延迟都将导致脉冲展宽。 g v d 效应改变了每个波长分量的相位，其改变量依赖于波长及传输距离，会改 变脉冲的形状，导致脉冲分散，由色散引起的脉冲展宽对光通信系统是有害的。 第二方面的作用是自相位调制效应。在高强光场的影响下，光介质对光场 的响应将表现出非线性的特点。光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折慰 率。非线性折射率与光强有关，折射率对光强的依赖关系导致了大量非线性效 应，其中研究的最广泛的是自相位调制( s p m ) 和交叉相位调制( x p m ) 。s p m 是指光场在光纤中传输时光场本身引起的相移。x p m 指的是不同波长、传输方 向或偏振态的脉冲共同传输时，一种光场引起的另一种光场的非线性相移。其 作用是展宽光纤内传输的光脉冲的频谱。 当g v d 和s p m 共同作用时，在一定的条件下，光脉冲能在反常色散区形 成光孤子。下面分别分析一下群速度色散效应和非线性效应。 在前面我们得到了光脉冲在单模光纤中传输的n l s 方程( 4 2 ) 。 ，丝：一三州+ 土卢，粤r i 爿i z 爿 a z22a z 方程的右边三项分别对应光脉冲在光纤中传输时的吸收效应、色散效应和 非线性效应。根据入射脉冲的初始宽度t 。和峰值功率p o ，决定脉冲在光纤内演 变过程中是色散效应还是非线性效应起主要作用。在此引入两个称为色散长度 l d 和非线性长度l n l 的长度量。根据l d 、l n l 和光纤长度l 的相对大小，脉冲 演变可分成四种不同的传输区。 7 12 l 。= 羔，k = ( r p o ) “ ( 4 - 9 ) p 2 当光纤长度l l d 、l l n l 时，色散和非线性效应都不起重要作用，脉冲 在传输过程中保持其形状。在这个区域，光纤不起太重要作用，只是起传输光 脉冲的作用( 除了由于吸收引起的脉冲能量的降低) ，因而此区域对光通信系统 是有益的。 当光纤长度l l n l ，而l l d 时，脉冲演变过程中，g v d 起主要作用， 非线性效应相对较弱。 当光纤长度l l d ，但l 和l n l 相当时，光纤中脉冲的演变过程中s p m 起 1 6 第四章光纤孤子通信 主要作用，它将导致脉冲频谱展宽。 当光纤长度l l d ，l l n l 时，脉冲在光纤内传输过程中，色散和非线性 效应将共同