（通信与信息系统专业论文）高速光时分复用信号的产生和性能优化.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘要 光时分复用信号的产生是高速0 t d m 系统关键技术之一。本文在对各种 光时分复用信号产生方法深入研究的基础上，利用l 4 光纤耦合器分路时 延法成功地制作了4 0 g b s 光时分复用器。复用器的插入损耗小于2 d b ； 采用调整复用器各光纤臂弯曲损耗的方法，准确实现了等幅编码输出；分 析计算了利用压电陶瓷效应微量调节复用器各光纤臂长度，达到调整时延 的目的，从而减小复用后各信道问隔误差；首次在4 0 g b so t d m 系统中采 用了偏振扰偏器以消除系统中光纤耦合器的偏振依赖损耗( p d i ) ；同时，分 析了光源的相干长度对复用信号性能的影响。 本文利用自制的光时分复用器搭建了4 0 g b so t d m 系统，研究了时分 复用信号的传输性能，并通过接收端信号眼图的分析，实验验证了偏振扰 偏器对信号性能的改善作用。 最后，本文采用光纤与空间相结合的方法，利用四个半透半反的透镜实 现了8 0 c b i t s 光时分复用信号，得到了性能良好且稳定的8 0 g b i t s 光信 号。同时就p m d 对高速o t d m 系统的影响进行了实验研究。实验中，由偏 振仿真器产生各种d g d ，观察p 刘脉冲展宽、信号接收眼图、误码率等方 面的影响。 关键词：光时分复用、r z 码、偏振扰偏器、偏振依赖损耗、偏振模色敞 北京交通大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h eg e n e r a 垃o no f 叩石c a lt i m e _ d i v i s i o nm u l 石p i e 妯唱s i 胡a 1i s eo fm e k e yt e c h n i q u ef b ro t d ms y s t c nf 剃y ，( ) n t h eb a s i so f d e 印s t u d yo nv a r i 邮 o p t i c a lt i m e d i v i s i o nm u l 石p l e ) 出1 9s l g n a lg 盯1 e r a d o nm e m o d s ，w es u c c e s s n d l y f a b 打c a t e da4 0 ( j b so l 虹1t i i n e “、r i s i o nm l l l 缸p l e x e rw h i c hh 罄al d w 访s e n l o s so f2 d bu s i i l g 撕o1 州- o p t i c a lf i b e rc o u p l 盯st h e 皿n t i p l e x e rc a i la c h i e v e s a i n eo u t p u tp o w e ff b rf b s l 印a lc l l a n n e l sb ya 由u s t i l l g 幽eb e n d1 0 s sh o r d e r t o i m p r o v e 出e m 锄l l 触矿咄舯c i s i 咀u s 堍p z t t o m o d i 母也e l e n g t h0 f o p t l c a lf i b e rw a sa n 却e d t oa d j u s t 在m ed c l a y _ f 0 rf h ef h tt i e ，p 0 1 a r i z a 虹o n s 盯锄b l e rw a si n 廿0 血c e di n t o4 0 g t ) ，so t d ms y s t 锄t or e 血c ep o l a r i z 斑i 吼 d 印e 1 1 d e n c el o s s ( p d l ) 蜥n g i i l gb yo p 廿c a l 肋盯c a u p l e r s m 锄w h n ew e i n v e s t i g a t e dh o wt 1 1 e c o h e r 曲c e1 e n g i ho f0 p t i c a lp i l i s es o u r c e 缸r e c t st l l e m u l 石p l e x i l l gs i g n a l sp e r f b r m a n c e s e c o n d l y ，w e3 e tu pa4 0 g b so t d ms y s t 咖b ys e 拉d e s i 驴e do 曲c a l 血e d i v i s i o nm 1 】l t i p l e x e r 锄dm v e s 石g a t e dt l l e 拄a n s m i s s i o np 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通信容量。随着各种光纤制造新技术豹产生和发展，通信窗口进一步向长 波长和短波长方向拓展，可供使用波长范围可达4 0 0 n m ，这相当于5 0 t b i t s 的通信容量。如何利用好如此之大的带宽资源成为近年各国研究的焦点。 由于电子瓶颈的限制，电域的复用很难突破4 0 g b i t s 的限制。因此， 人们开始把目光转向光域的复用技术。目前两种主要的光复用技术为波分 复用( 肋m ) 和光时分复用( o t d m ) 。 1 1 1 波分复用( 删) 技术 以无源光纤或混合光器件为基础的波分复用为提高系统容量提供了 个有效的方法。删技术实际上是一种光的频分复用技术。它利用多个不 同的波长来承载多路信号，从而实现通信容量成倍、数十倍、数百倍的增 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 长。它把光纤带宽分割成多个子波带，每个子波带传输一路波长信号，多 路e t d m 支路信号分别调制到不同的波长上的同一根光纤上同时传输。 w 蹦技术在8 0 年代末就已经出现，但直到掺饵光纤放大器( 助f a ) 的 研制成功和广泛使用以及可谐调光源等技术的成熟，w d m 技术才得到长足 的发展，并开始由实验室走向实用化。目前，删实验系统容量已经达到 1 0t b s 以上。 尽管w d m 技术已经比较成熟并被广泛地应用于世界各国干线和城域网 的扩容，但w d m 技术本身固有的一些缺点是无法避免的。首先，随着粕m 系统中复用信道数的增加，要求增加光源的光功率，因此，光纤的非线性， 如四波混频( f 删) 、交叉相位调制( x p m ) 、受激拉曼散色等对系统的影 响越来越严重。其次，删对掺饵光纤放大器的增益带宽和增益平坦性有 较高的要求，e d f a 的级联所引起的增益频谱的不平坦会严重影响信号的传 输质量，需要对光放大器进行复杂的增益均衡。最后，删对光源波长的 稳定性也有很高的要求，波长管理与控制也十分复杂。 1 1 2 光时分复用( o t 蹦) 技术 光时分复用技术与w d m 相比有如下诸多优点； 对光源波长的稳定性要求较低，波长的管理与控制相对简单； 无非线性和四波混频效应的串扰问题； 频带利用率很高，由于w 蹦信道之间必须有一定的保护频带，使帅m 系统的频带利用率不可能很高； t d m 本身的数字特性非常适合于全光数字信号处理，如3 r 数字光再生 和比特串处理等： 。2 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 o t d m 系统对放大器带宽和增益平坦度要求较低； 色散补偿以及信号再生相对简单和有效。 正是由于o t d m 有如此的优点，它越来越吸引国内外许多研究机构的兴 趣，这也推动了c r r d m 技术由实验研究走向实用化的步伐。 光时分复用( o t d m ) 与电时分复用( e t d m ) 相似，只是将复用技术移 到光频上。o t d m 技术利用超短脉冲及归零码( r z ) ，通过脉冲间插的方式 把多个光数据信道映射到一个低速电时钟周期中去，在时域上把多路的低 速光信号复用成高速光脉冲流。o t d m 信号经过光纤的传输后，由光域的解 复用器恢复出各路低速支路信号，如图1 2 。 传统的电时分复用光纤传输系统中( 如图1 1 ) ，支路信号的复用和解 复用、发送和接收单元、时钟提取电路、信号再生器都工作于高速复用信 号速率上，使得这些器件的速率和带宽日益成为传输速率提高的瓶颈。 图l tl 电时分复用光纤传输系统 图1 2 光时分复用光纤传输系统 3 醺 旦n 莉莉 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 与e t d m 相比，o t 删中电光( e o ) 和光电( o e ) 转换分别位于复用 之前和解复用之后。这样复用和解复用发备中的电子电路只工作在相对较 低的速率，从而克服了e t d m 存在的“电子瓶颈”问题。 近几年来，随着世界各国对超高速o r d m 系统的研究的不断深入，大 容量o t d m 系统成功传输的实验相继被报道。 1 9 8 8 年，b e l ll a b 建成了第一个4 4 g b s 0 t d m 点到点传输实验系统； 1 9 9 4 年，英国电信完成了第一个o t d m 网络实验，该网络由3 个节点 组成； 1 9 9 6 年，日本n t t 传输系统实验室使用全光电路进行了1 0 0g b s 的 光时分复用传输试验； 1 9 9 7 年，英国b t 实验室报道了有关实现4 0g b s 的o t d m 局域网的实 验研究： 1 9 9 8 年，日本n t t 采用4 0 0 f s 的超短脉冲成功地进行了速率为6 4 0 g b s ( 1 6 4 0g b s ) ，4 0k mo t d m 点到点传输实验； 2 0 0 0 年，日本n t t 又采用2 0 0 f s 的超短脉冲，利用极化复用实现了1 2 8 t b s ，7 0k m 的o t d m 传输试验； 2 0 0 2 年，e c o c 会议上s i e m e n si c n 阐述了用于1 6 0g b i t so t d m 系统 新的传输设备和高速转换技术能使点对点的传输系统降低成本和使之 商业化成为现实。 1 1 30 t d m + w d m o t d m 和w d m 相结合是国际上近期研究的新动向。o t d m 和舳m 各有其优 缺点，二者相结合，取长补短可以有效地提高系统的带宽容量、降低系统 4 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 的复杂度。o t d m w 跏网络，可以同时利用时域和波长域的上下路，可以增 加网络的灵活性，降低网络管理的难度。 1 9 9 6 年，日本m t 利用一个超连续源，成功进行了4 0 0g b s ( 1 0 0g b s ， 4 个波长) 、1 0 0 k 无中继混合0 t d m + w d m 传输试验“。同年，又在色散位 移光纤( d s f ) 上成功进行了1t b s ( 1 0 0 g b s ，1 0 个波长) 4 0 l 【j 的混合 o t d m + 叨m 传输试验“1 。1 9 9 9 年，0 f c1 0 0 c 9 9 上，又报道了3t b s ( 1 6 0 g b s ， 1 9 波长) d s f4 0 k m 混合o t d m + w d m 传输试验“。 1 20 t 删中的关键技术 o t d m 的关键技术有：超短光脉冲的产生技术，时分复用解复用技术 同步和时钟提取技术，超高速光脉冲的传输和测量技术。 1 2 1 超短光脉冲产生技术 对于4 1 0g b it s 光时分复用系统，超短光脉冲源是其中一项关键技 术。时分复用系统由于要求的是归零码( r z ) ，因此，要求光源产生高占 空比的超窄光脉冲。因为光脉冲越窄，可以复用的路数越多，单位时间内 发送的脉冲就越多，可以利用的频宽就越宽，系统传输的信息量就越大。 高重复频率超短脉冲光源的具体要求是：重复频率高( 1 0 g h z ) 、脉冲窄 ( p s f s 量级) 和工作稳定等。 目前，超高速o t d m 光源主要有：电吸收调制型半导体激光器( e a m l d ) 、 增益开关半导体激光器( g s l d ) 、全光纤锁模激光器( 扎一f r l ) 、超连续光谱 激光器( s c - f l ) 和多量子阱混合锁模半导体激光器等。其中全光纤锁模激光 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 器具有；脉冲脉宽窄、啁啾小、波长调谐简单、结构简单、输出波长范围 广等优点，因此吸引了人们的广泛研究。然而，这种光源由于光纤长度很 长，环境温度变化引起的光纤长度和折射率的漂移将导致纵模频率间隔的 漂移，从而引起失锁，表现为光脉冲的崩塌，这就导致了光纤锁模激光器 的长期不稳定现象。要克服这种长期不稳定性，必须控制谐振光学长度。 2 0 0 2 年，清华大学报道了利用光纤锁模激光器为发射源( 激光器稳定输出 脉宽l o 9 p s ，重复频率l o g h z ) 实现了4 x l og b i t so t d m 信号3 3 0 k m 传 输试验。在该报道中他们采用了闭环反馈误差信号锁定谐振光学长度的 方法来提高长期稳定性。具体方法为：激光器输出光脉冲的一部分光由p i n 接收，经前置放大器和滤波器后注入混频器与调制信号混频，借助混频器 输出的误差信号控制腔内的可变时延线可实现谐振腔光学长度的锁定。 1 2 2 时钟提取技术 时钟提取是实现0 t d m 系统正确同步、解复用的关键技术。在高速凹d m 系统中，为了获得良好的时钟脉冲，往往要求时钟提取单元高速、高灵敏 度、偏振不敏感、稳定等。时钟提取模块基本上可以分为电时钟提取、光 电锁相环( p l l ) 时钟提取和全光时钟提取。 电时钟提取技术方案简单，但是受到速度的限制很难用于高速c r r n m 系统中。光纤锁相环时钟提取技术是目前使用最多的，可以实现最高频率 为4 0 g b i t s 的时钟提取”1 ，其基本原理是利用光鉴相器来检测本地光时钟 与入射信号光的相位差，利用电锁相环控制产生本地时钟的压控振荡器。 鉴相器可以用半导体光放大器中的增益调制使本地光时钟与信号光脉冲发 生增益调制效应或四波混频效应实现，也可以用非线性光纤环镜( n o l m ， 6 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 n o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r1 0 0 pm i r r o r ) 伽实现。 为了提高速率全光时钟提取技术成为人们研究的重点。例如，自脉 动半导体激光器注入锁定时钟提取技术、锁模光纤激光器注入锁定时钟提 取技术、锁模半导体激光器注入锁定时钟提取技术等。在未来高速o t d m 系统中，全光时钟提取技术将得到更多的研究和使用。 1 2 3 光时分复用和解复用技术 光时分复用和解复用技术是o t d m 的关键技术之一。电域的复用与解复 用技术由于电子瓶颈的限制，速率很难高于4 0 g b i t s 。因此，人们将研究 的焦点转移到了光域的时分复用和解复用上。 光的时分复用技术是本论文讨论的重点，在以后这章节中会有详细的 论述。全光时分解复用技术主要有两种类型：光电开关型和全光型。前者 解复用速率低，因此，全光时分解复用技术更适合于高速o t d m 通信系统。 全光时分解复用技术主要有光学克尔( k c r r ) 开关法、四波混频( f 删) 开 关法、光纤交叉相位调制( x p m ) 开关法、非线性光学环路镜( n o l m ) 开关 法等。其中光学克尔开关是一种偏振旋转开关，是利用高功率的泵浦光使 信号光的两个正交偏振成分产生相位差，开关发生动作实现解复用技术。 四波混频开关是利用光纤中发生感应四波混频过程的光开关实现解复用。 光纤交叉相位调制技术是利用时间一光频变换的光开关实现解复用技术。非 线性光学环路镜是将光耦合器的输出两端用光纤耦合器成环形结构来实现 解复用。 目前，采用四波混频的偏振无关型全光时分解复用技术和利用光纤非 线性光学环路镜构成的偏振无关型全光时分复用技术最引人注目，它们已 7 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 应用于1 6 0 g b i t s 全光时分复用传输系统中。 1 2 4 中继放大与色散补偿技术 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的成功推动了超高速光通信系统长距离传输 的发展。与w d m 相比，o t d m 由于是在同一个波长上时间域上的复用，因此 对e d f a 增益的平坦度要求相对较低。然而，由于e d f a 自发辐射噪声以及 光纤色散、偏振模色散和非线性等因素的影响，使得全光3 r 再生成为o t d m 系统中的重要技术之一。3 r 再生技术包括放大( r e g n i f y ) 、整形 ( r e s h a p e ) 和定时( r e t i m e ) ，核心器件包括非线性光学开关或光判决门。 色度色散( c d ) 导致的脉冲展宽将会产生严重的码间干扰，成为限制 光纤通信系统向高速度长距离发展的主要因素之一。此外，随着单信道速 率的不断提高，偏振模色散( p m d ) 也成为不容忽视的一个因素，但是与色 度色散相比，偏振模色散是随时间变化和波长相关的一个统计量，对系统 的影响很难彻底消除。 光纤传输系统所能承受的色度色散与传输速率的平方成反比，即系统 的传输速率越高，系统所能承受的色度色散越小。目前常用的色度色散补 偿技术包括色散补偿光纡( d c f ) 、激光预啁啾、啁啾光纤光栅( c h i r p e d f i b e r g r a t i n g s ) 等。色度色散补偿技术已经相对成熟，偏振模色散补偿技 术成为近年来研究的重点。由于p 佃是一个随时问变化的统计量，因此p 岫 的测量是补偿的基础。目前国内研究的成果可以实现二阶动态自适应偏振 模色敞补偿，补偿速率可以满足4 0 g b it s 的传输要求。然而这一技术仅仅 局限于实验室，p m d 补偿的商用化还有很长的路要走。 8 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本论文的主要工作 本论文主要研究了4 0 g b i t s 及8 0 g b i t s 光时分复用信号的产生及优 化，并且分析了偏振模色散对高速o t d m 系统的影响，具体工作内容如下： 首先分析了实现全光时分复用的三种方法( 1 ) 1 x 4 光纤耦合器 分路时延法；( 2 ) m a c h z e h n d e r 干涉仪连接法：( 3 ) 光纤耦合环 连接法。比较了三种方法各自的优缺点，并且用l 4 光纤耦合器 分路时延法实现了4 1 0 g b s 光时分复用信号。 针对用1 4 光纤耦台器分路时延法制作的4 l o g b s 光时分复用 器，分析了影响复用器精度的因素，并利用压电陶瓷效应来微调 各路光脉冲之间的延迟。具体方法为将连接两耦台器各端口之间 的光纤缠绕在压电陶瓷上，通过改变压电陶瓷上所加电压来实现 光纤长度的微量变化，达到调整时延的目的。 利用制作的光时分复用器搭建了4 0 g 6 i t so t 咖系统，并对背靠 背及传输后的眼图进行分析。 分析了造成复用信号脉冲幅度抖动的主要原因有( 1 ) 时分复用器 的偏振依赖性；( 2 ) 各支路信号合路时发生的干涉现象。 针对时分复用器的偏振依赖性提出了利用偏振扰偏器减小系统偏 振影响的方法，经过实验证明了该方法的可行性。 采用光纤与空间相结合的方法，利用四个半透半反的透镜实现了 8 0 g b j t s 光时分复用信号，得到了性能良好且稳定的8 0 g b i t s 光信号，并且就p 对8 0 g b i t so t d m 系统的影响进行了实验研 究。 超高速光时分复用系统是一个十分复杂而又高深的研究课题，由于时 间仓促和作者水平有限，文中错误与不当之处在所难免，恳请专家学者不 9 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 吝指正。 1 0 北京变通人学硕士学位论文第二章4 0 0 弘光时分复用信号的产生 第二章4 0g b i t s 光时分复用信号的产生 在4 1 0 g b s o t d m 系统中，光时分复用器是一个关键器件。4 0 g h s 光时分复用系统的四个信道问的时间间隔为2 5 筇，若信道间隔不准确则 可能导致系统性能的恶化。因此，系统对光时分复用器的指标要求是： 准确实现等幅编码输出 v ， 复用后备信道间隔误差 1 脚 复用器的插入损耗 2 d b 2 1l 4 光纤耦合器法实现光时分复用 制作光时分复用器的方法有很多种。例如，存硅衬底上单片集成的石 英波导构成的半面光波导电路( p l c ) 。平面波导的时延调节性好，但 插入损耗大且价格昂贵。再如利用光程差微调法实现光时分复用信号。通 过精确调节悬臂粱之间空气的间隙而改变一路信号的光程差，从而使一路 信号比另路信号有一个精确的延时。该方法调节性好，倜是制作相对复 杂，需要较高的加工工艺，不宜实验室制作。 在这里，我们采用了种原理简单，容易实验室实现的制作方法制作 出了4 l o g b l t s 的光时分复用器。其基本原理如罔2 1 所示： 图2 14 0 g b 赴b 光时分复_ r 玎器 图2 】4 0 g b z 以光时分复用器 - 1 1 北京交通大学硕士学位论文第二章4 0 g b ，s 光时分复用信号的产生 图2 21 ：4 光纤耦合器 首先，l 4 光纤耦合器将光脉冲源产生的重复频率为l og b i t s 的光 信号功率分为四路，四路信号分别通过不同的时延后再由一个1 4 的光纤 耦合器合为一路。这就可以产生4 1 0g b i t s 的光时分复用信号( 注意这 里的光脉冲源产生的1 0 g b i t s 的光信号必须为r z 码) 。 上面所用到的1 4 的光纤耦合器是由三个2 2 的光纤耦合器连接丽 成的，如图2 2 所示； 2 2 的光纤耦合器是采用熔融拉椎法制作面成。利用美国o e l a n d 公 司生产的光纤耦合平台，对耦合器制作过程中豹各种制作控制参数进行了 大量实验研究并对这类耦合器进行了大量的试制，终于解决了耦合器分 光比的严格控制问题，制作出了分光比准确、损耗极低的光纤耦合器，且 成品率较高。经过多次试验，附加损耗可以做到小于o 2 d b ，分光比小于 o 2 d b 此种光时分复用器的制作难点在于精确控制时延差，使每路光脉冲之 间相隔2 5 p 口( 4 0 g b i t s ) 。具体做法如下：选取第一路信号作为参考，其 余三路与第一路产生t ；的时延差。 蜗= 4 t + ( i 1 ) 2 5 芦 ( 2 1 ) 其中k = 0 ，l ，2 。3 i = 2 ，3 ，4 为第i 路信号。相应的光纤长度差根 据下式计算得到； a l f = z 三 ( 2 2 ) 刀 其中c 为光在真空中的传输速度，n 为光纤芯区的折射率。根据上式， 1 2 北京交通大学硕士学位论文第二苹4 蜥光时分复用信号的产生 对于1p 悖的时延差光纤长度差约为o 2 m m 左右，因此对切割精度有极高 的要求。 对光时分复用信号的分析实验装置如图2 3 所示： 厂 r _ 厂 净譬? 卜芸岩叫光科鞭十一1 i 。j1 1 1 1 + 。1 。ji 。1 1 。1 j 厂 厂 r i 卜麟卜糕叫光蔷茹嚣卜t 兰i 图2 _ 34 0 g h z 光时分复用信号产生原理图 频率合成器h p 8 3 7 儿b 产生l o g h z 的r f 信号，通过电放大器( d c - 1 0 g h z ) 后输入光脉冲源。由于激光器调制的脉冲存在有啁啾，所以脉冲宽度较宽， 此时光脉冲宽度为6 0 彤。因此我们采用了一段d c f 对光脉冲进行压缩。 压缩后的光脉冲宽度为1 5 筇。在d c f 之后加入了一级光放大，这是由于 d c f 有较大的插入损耗。放大的光信号通过光时分复用器后产生了4 0 g b s 的光信号，接入到示波器，示波器采用a g i1 e n t8 6 1 0 0 b 。示波器产生的波 形如图2 4 、2 5 所示： 图2 4 光脉冲源产生的1 0 g b ，s 光信号 北京交通大学硕士学位论文 第二章4 0 g b 悖光时分复用信号的产生 图254 1 0 g b ，s 光时分复用信号 由示波器观察可得到，各路光脉冲的幅度并不是处于稳定的状态，而 是时刻无规则地起伏，尤其当晃动光时分复用器输入端光纤时，脉冲波动 更加显著。这是由于半导体激光器输出的光均为偏振光，而光纤传导介质 存在着残余双折射和外界环境变化导致的双折射所以沿光纤传输方向的 任何位置其偏振态和偏振主轴方向均随外界干扰而随机改变。光纤耦合器 的性能与通过的激光的偏振态有关。在输入功率不变的条件下，某输出支 路的功率随着输入偏振态的改变而改变，其最大相对变化量称之为偏振依 赖损耗( p d l ) 。由于光时分复用器是由光纤耦合器制成，因此也成为偏振敏 感的器件。 实验系统1 结构见图2 6 ，其中，增益开关d f b 激光器( g sd f b ) 在误码仪的输出时钟信号的驱动下，产生重复频率为9 9 5 3 2 8 g h z 、脉宽 2 3 琊的光脉冲( 脉冲重复频率与时钟频率相同) 。此光脉冲先注入色散补 偿光纤( d c f ) 中进行线性压缩，之后用功f a l 放大，放大后的光脉冲注入梳 状色散光纤( c d p f ) 再进行非线性压缩，从而获得系统所需的超短光脉冲。 经优化设计增益开关d f b 激光器的工作状态、d c f 压缩长度、c d p f 压缩长 度及压缩功率，我们获得了脉宽“5 p ，、时间抖动“1 3 f 疆的超短光脉冲。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 第二章4 0 g b 居光时分复用信号的产生 脉冲中心波长为1 5 4 5 8 n m ，谱宽“l n m 。经过压缩后的的光信号经叻f a 放 大后注入光时分复用器，复用成4 0 g b s 的信号。复用后的光脉冲经l i n b 0 3 光外调制器调制，调制信号是由误码仪m p l 5 7 0 a 产生的归零伪随机序列， 调制后进入5 0 k m 光纤传输。传输后的光信号经过光电变换模块和时钟提取 模块。 图2 64 0 g b ，so t d m 实验系统 图2 7 及2 8 均是4 0 g b i t s 光信号的眼图，2 7 为系统中未加扰偏 2 8 为传输系统中添加扰偏器。关于扰偏器的用途在下章中详细论述。 图274 0 g b 甜s0 1 d m 眼图( 未加扰偏器) 图2 8 4 0 g b i t ，so r m m 服图( 加扰偏器) 北京交通大学硕士学位论文第二章4 0 g b 内光时分复用信号的产生 2 2 光时分复用信号精度的提高 2 2 1 影响o t d m 精度的因素 对于4 0g b i t s 的光时分复用系统，光脉冲的重复频率为4 0g h z ，即 各个光脉冲之间的问隔只有2 5 脚。因此，对各路信号光刚延的精确度提 出了很高的要求。影响o t d m 精度的因素主要有： 1 )切割精度有限：切割刀的切割精度是影响光延迟精度的主要因素。由 p 公式必= z 二可得，当切割误差o 5 删就将引入1 p 左右的光 胛 延迟误差。对于4 0 g b i t s 系统来说，l 瑚的误差是不容忽视的。经过 多次试验，只能将切割精度控制到2 5 筇。 2 )温度和应力引起的相位抖动：光纤的长度和折射率会随着外部环境温 度和应力等的影响而发生变化，从而引起相位的抖动。 当长度为l 的光纤，当温度变化为，时，相位抖动为： 啦半 三等七期 位。， 毋= l 一一十一一i ( 2 3 ) 7 五 l 上刀拧刀i 当光纤受机械应力作用时，光纤的长度( 应变效应) 、光纤纤芯直径 ( 泊松效应) 、纤芯折射率( 光弹性效应) 都将变化，这些变化会引起相位 抖动。当光纤只受横向应力作用时，由横向应力j p 引起的相位抖动为： 妒竽隆丢叫+ ( 1 砌) 只： ) 。， 当只受轴向应力作用时，由轴向应力芝引起的相位抖动为 班半丢 咿巾_ 1 ) a ： 亿s ， 1 6 北京交通大学硕士学位论文第二章4 0 g 弘光时分复用信号的产生 式中力为光纤纤芯折射率，五为光波波长：e 为杨氏模场；盯为泊 松比；a 1 、只2 分别为光弹性系数，相位抖动等效为时间延迟 式中光速c = 3 o 1 0 8 肌，j ，从而可得到温度、横向应力、轴向应力 变化所引起的相位抖动等效为时间延迟 = 36 7 5 1 0 一2 三丁( p s ，( c 坍) ) ( 2 6 ) f 西1 = 1 舯2 1 0 4 凹( 芦埘砌) ( 2 7 ) 2 = 2 0 2 2 1 0 。8 l 易( p ，珏砌) ( 2 8 ) 一般地说，光纤在自用状态下所受横向和轴向应力都很小，与温度变 化引起的相位抖动相比可以忽略。由上式可以得出，当光纤长度达到l o 坍 时，温度变化2 0 9 c 所引起的相位抖动等效为时间延迟为o 7 3 5z 璃。对于 2 5 脚的时延差，要求5 1 2 删的光纤长度差。在实际制作光时分复用器 的过程中，由于无法保证一次切割误差足够小，通常取2 5 j 坫整数倍的时 延差，对应光纤长度差可以为1 0 ，2 4 m m 、1 5 3 6 栅等，所取光纤长度越 长，对温度、应力等环境的影响就会越敏感。 2 2 2 利用压电陶瓷改善o t 珊的精度 光时分复用器各路光延迟的精确度很大程度上影响了光时分复用信号 的质量和接收端解复用的难易程度。因此，本文提出了利用压电陶瓷p z t 微调光纤长度，实现光纤相位调制。利用压电效应实现光纤相位调制，与 直接在晶体上加电场以改变晶体折射率的相位调制方法相比，强度弱、速 度慢。但是这种相位调制方法由于是直接在光纤内调制光信号，所以它消 1 7 北京交通大学硕士学位论文第二章4 0 g b s 光时分复用信号的产生 除了光耦合、减少了器件连接中的插入损耗、易于连接，同时还具有便于 实现、价格低廉、性能稳定等优点。对于实现光时分复用光纤长度的调整 非常适台。 压电陶瓷制成的压电元件，其材料一般为锆钛酸铅酸方材料。压电陶 瓷是具有压电效应的陶瓷材料，即在经过极化处理的陶瓷体上沿其极化方 向施加一个机械力( 或释放压力时) 时，陶瓷体就会产生充( 放) 电现象， 这就是正压电效应。反之，若在陶瓷体上施加一个与极化方向相同( 或相 反) 的电场，则会引起陶瓷体伸长( 或缩短) 的形变，这被称为逆压电效 应。压电陶瓷在外电场作用下，产生的应变与电场之问的关系可以表示为 式 s ：趣+ m e 2( 2 9 ) 式中：d f 为逆压电效应；m e 2 为电致伸缩效应。d 压电系数( m 矿) e 电场强度( ，所) m 电致伸缩系数( m 2 ，矿) s 应变。 利用压电效应实现光纤相位调制的最常用的结构是把光纤缠绕在压电 陶瓷上( 如图2 9 ) ，把电压加到p z t 筒上以产生逆压电效应，使p z t 简的 外径周长发生变化，带动缠绕在p z t 筒上的光纤长度及折射率也发生变化。 图2 94 0 g b s 光时分复用信号产生系统图 北京交通大学硕士学位论文 第二章4 0 g 弘光时分复用信号的产生 这里我们所使用的压电陶瓷管采用改进的锆钛酸铅酸方材料，它的稳 定性、线性度、一致性和重复性好，具有较高的压电常数，电致伸缩效应 可以忽略不计。根据式( 2 2 ) ，产生0 5j 口俘的时延调整，需要o 1m m 的 光纤长度的伸缩。由逆压电效应，光纤长度的应变为“： 竽：0 丛l 一：呸吨 ( 2 1 0 ) l 咖务( 1 + 4 ) ( 1 + u ) 一 a = ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中，4 是一个常数，它与压电陶瓷管的材料及外形有关。为缠 绕在p z t 管上的光纤的匝数。“为压电陶瓷管上所加电压。p z t 管的参数 为i = o 0 5 m ；吃= o 0 4 6 册：，、吃分别为压电陶瓷管的外径和内径； = o 0 7 饼，为高度iu = 0 | 3 4 ，= 3 6 1 0 9 尸口，吃l = 4 o 1 0 - 1 0 c 。 k 为负载系数，主要是考虑光纤绕在p z t 上应变的不一致及滑动所产生 的灵敏度下降，这里由于p z t 较为光滑取t 审= o 1 。= 1 0 4 1 0 3 为 光纤的刚度。= “+ 乇) 2 为p z t 管的平均半径。 将上述参数带入式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 中，可以得到 如= 9 6 4 1 0 。坼 ，1 1 8 6 4 5 9 3 万萄 1 9 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 生 黼片可 兰 m 一 南 i 呸 北京交通大学硕士学位论文 第二章4 0 g b s 光时分复用信号的产生 当压电陶瓷管上缠绕光纤匝数坼= 2 0 时，光纤长度l = 6 2 8 m ， g j 4 l = 7 3 1 7 3 l o - 9 ，代入式( 2 1 0 ) 中计算得到，产生o 1 聊”的光纤 长度应变需要电压= 2 1 7 6 y ；当压电陶瓷管上缠绕光纤匝数 ，p = 5 0 时，光纤长度l = 1 5 7 埘，呸码l = 7 1 1 5 3 1 0 _ 9 ，代入式( 2 1 0 ) 中计算 得到，产生o 1m m 的光纤长度应变需要电压= 8 9 5 矿；当压电陶瓷管上 缠绕光纤匝数坼= 1 0 0 时，光纤长度l = 3 1 4 埘，g f 以l = 6 8 0 2 6 1 0 _ 9 ， 代入式( 2 1 0 ) 中计算得到，产生o 1 加竹的光纤长度应变需要电压 材= 4 6 8 矿。 由上述计算可以得出，利用压电效应可以进行光时分复用器精度的微 量调整，但是压电陶瓷管的形变量小，使得实现o 1 聊m 的光纤长度调整 也需要付出几百伏的电压。 2 3 实现4 0g b p s 时域光信号复用的其他方法 2 3 1 c h _ z e h n d e r 型光时分复用器 光纤耦合器m a c h z e f l r i d e r 犁连接法产生时分复用信号的基本原理如图 2 1 0 所示， 图2 1 0 妇c h z e h n d e r 型光时分复用器原理图 2 0 北京交通大学硕士学位论文 第二章4 0 g b ，s 光时分复用信号的产生 两个光纤耦合器连接成马赫一陈德尔干涉仪的形式，光源发出重复频率 为bg h z 的光脉冲，在第一个光纤耦合器处，光功率被平均分成两路。通 过调整一路臂长光纤长度，使一路光信号相对于另一路产生一定的延迟， 即相当于在一路光信号之间插入了另一路光信号。这样在第二个光纤耦合 器处合路后就得到输出重复频率为2 bg h z 的光脉冲。如果想得到更高速率 的光脉冲，就使用多个光纤耦台器串联。例如，3 个光纤耦合器串联就可 以得到重复频率为4 bg h z 的光脉冲，4 个光纤耦合器串联就可以得到重复 频率为8 b g h z 的光脉冲，n 个光纤耦合器串联就可以得到重复频率为船g h z 的光脉冲。 利用3 个光纤耦合器可以实现4 0g b i t s 的光时分复用信号。光源产 生1 0g b i t s 的光信号，经过三个光纤耦合器之后重复频率就变为4 0 g h z 。 这种信号复用方式与l 4 光纤耦合器法相比具有结构简单、使用光纤耦合 器少、插入损耗相对较小的优点。但是，由于光纤耦合器的耦合比并非理 想状态的1 ：1 ，lx 4 光纤耦合器法可以通过微弯信号幅度大的那路光纤以 增大其损耗以调整使各路光信号幅度达到一致，而m a c h z e h n d e r 型无法实 现。 2 3 2 环状型光时分复用器 环状型光时分复用器的提出可以解决m a c h z e h n d e r 型光时分复用器 复用信号幅度不一致性不可调整以及l 4 光纤耦合器法插入损耗大及结 构复杂等缺点。其基本原理如图2 1 1 所示， 2 1 北京交通大学硕士学位论文第二章4 0 g 弘光时分复用信号的产生 2 21 2 光钎音先纤 1 _ 、l 八、 一一一一7 l 、 一， 图2 1l 环状型光时分复用器原理图 将2 2 光纤耦合器的一个输入端与一个输出端相连，构成光纤环路。 通过调整光纤环路光纤的长度，使其产生相对于第一路光信号半周期的延 迟，即可将一路脉冲信号插入到了另一路脉冲信号中，产生二倍频的时分 复用信号。如此，使用两个环状连接的光纤耦合器串联就可实现四倍频的 光脉冲信号。这种结构的光时分复用具有结构简单、对光纤耦合器需求少、 复用信号幅度可调整、插入损耗小等优点。 2 2 北京交通大学硕士学位论文 第三章4 0 g b s 光时分复用信号的特性研究 第三章4 0 g b i t s 光时分复用信号的特性研究 上一章中主要介绍了利用光纤耦合器制备全光时分复用器，并且用压 电陶瓷微调法改善复用器的精度。另外，4 0 g b i t s 时分复用信号的性能还 与光的偏振以及光的干涉有很大的关系，本章就分析这两个方面的影响。 3 1 与偏振相关的几个基本概念 在高速光通讯网络系统的设计中，光波的偏振是不容忽视的一个重要 因素。随着速率的提高，光纤通信系统对偏振相关损害越来越敏感。这类 损害包括：光纤叶1 的偏振模色散( 咖) ，无源光器件的偏振相关损耗 ( p 0 1 a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ，p d l ) ，电光调制器中的偏振相关调制 ( p d m ) ，光放大器中的偏振相关增益( p d g ) ，帅m 滤波器中的偏振相关波 长( p d r ) ，传感器和相干通讯系统中的偏振相关灵敏度( p d s ) 等。 3 1 1 单模光纤中的双折射效应 当光纤的结构尺寸使光纤的归一化频率满足v 2 4 0 5 条件时，光纤 中将只传输基模乒涵。而基模码。包含两个相互正交的本征模嬲。，和 码。在理想的光纤中，光纤的横截面无畸变，为完整的圆，并且纤芯 内也无内应力，其折射率沿光纤轴也是均匀的。这时，两个本征偏振模 鸩，和h 巨。，在光纤中传输就像在各向同性介质中传输一样，其振幅和 2 3 。 北京交通大学硕士学位论文第三章4 0 g b s 光时分复用信号的特性研究 传播常数都一样，并且在传输过程中不变，两个本征偏振模处于简并状态。 但是，实际的单模光纤并非是理想的。例如，由于技术上或工艺上的 原因，在拉制过程中是光纤芯发生几何形变，呈现椭圆；光纤由于挤压、 弯曲、扭转，使纤芯受到非对成的横向应力作用以及外部电场、磁场和温 度的影响。所有这些因素，都会使光纤芯部的折射率在光纤横截面上发生 各向异性的分布，而且在光纤的轴向上发生不均匀的分布。上述的诸多因 素破坏了两偏振正交模蝎l ，和月石1 ，的简并性，引起双折射的产生，从 而导致两个相互正交的偏振模具有不同的传输常数，即屈成。 光纤的双折射可分为本征双折射和非本征双折射两种。前者主要是在 光纤生产过程中引入的，导致光纤的非圆度和非对称引力场的产生，包括 几何双折射和应力双折射；而后者是由光纤的成缆、光缆铺设和环境改变 等因素造成的，包括弯曲、外部应力、扭转、电磁场等双折射。 在一段较短的光纤中，一般可以认为双折射是均匀的，则快轴和慢轴 的传播常数之差可表示为： 口：盟一丝；竺鳖( 3 1 ) ccc 其中，珊是光的角频率，c 是光在真空中的传输速度，咋和分别 为慢轴和快轴的折射率系数，口7 谤= 怫一勺是两轴问的有效折射率