（通信与信息系统专业论文）高速光纤传输系统及新型光路交换网的研究.pdf

中文摘要 摘要：全光网是未来光通信发展的主要方向，是目前光通信研究的热点之一。 本论文在国家自然科学基金项目的资助下，围绕全光网的传输和交换两方面展开， 主要研究内容包括高速光纤传输系统中的信道内非线性效应、高级相位调制技术、 基于啁啾光纤光栅( c f b g ) 色散补偿的高速系统传输和基于光路交换的全光交换 网的实现。在深入研究的过程中，取得了以下主要研究成果： 1 首次分析了基于啁啾光纤光栅( c f b g ) 色散补偿的高速光纤传输系统中 的信道内非线性效应。利用微扰法推导出了同时考虑群时延纹波( g d r ) 和信道内四波混频( w m ) 时信号幅度的计算公式；同时，利用变分法 推导出了基于c f b g 补偿色散的传输系统中由信道内交叉相位调制 ( i x p m ) 引起的相邻脉冲时间抖动的理论模型。并基于这两个模型详细 的分析了g d r 对信道内非线性效应的影响，所得到的结论对深入研究和 设计基于c f b g 补偿的高速光纤传输系统具有重要的意义； 2 比较了归零码( 1 屹) 、载波抑制归零码、归零一交替反转码以及载波抑制 归零一交替反转码对由i f l t q - l 所引起的“影子 脉冲( g h o s tp u l s e ) 的抑制 能力。所得结论为高速光纤传输系统设计提供了参考： 3 分析了归零一差分相位调制传输系统中的相位噪声。详细比较了几种相位 噪声对系统性能的影响；推导出了色散预补偿和色散后补偿这两种补偿方 式下非线性相位噪声的计算公式，并对这两种色散补偿方式下的相位噪 声、功率容限以及最优信号峰值功率进行了详细的分析和讨论，所得结论 对相位调制系统设计有实际指导意义； 4 实验比较了4 0 g b i t s 非归零码( n l 屹) 在分别采用c f b g 和色散补偿光 纤补偿色散的传输系统中的性能；在全组成员的共同努力下，首次实现了 基于c f b g 色散补偿的4 0 g b i t s n r z 信号无误码传输5 0 0 k m ； 5 分析了单驱动z 切调制器无法产生占空比为3 3 和6 7 r z 光时钟脉冲的 原因，在此基础上提出了一种解决方案，利用该方案得到了占空比分别为 2 5 和5 6 的4 0 g b i t s 无啁啾r z 光时钟脉冲； 6 提出了一种新颖的调节r z 光时钟脉冲宽度的方法，该方法通过改变调制 器的啁啾系数实现对脉冲宽度的调节，理论上可以实现的脉冲占空比调节 范围为2 3 8 3 3 3 和4 7 4 - 5 6 1 ； 7 构建了基于“新型分布式波分纤分光路交换系统 全光交换网构思的演示 网。该网络通过引入新型的信令系统从结构上保证了网络的安全性。同时， 利用l a b v i e w 高级程序设计语言编写软件，实现对该网络的节点管理。 关键词：光纤通信；全光网；高速光纤传输系统；信道内非线性；高级调制 码型 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a l l o p t i c a ln e t w o r k ( a o n ) i st h em a j o rt r e n do ff u t u r eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hm a k e si tb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c ha r e a s s u p p o r t e db yt h e n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , w ef o c u s0 1 1 1 r e s e a r c ho nt h et w o a s p e c t so fa o n ，t r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n g t h ec o n c r e t er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h e i n t r a c h a n n e ln o n l i n e a r i t ye f f e c t si n h i g h - s p e e do p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ， a d v a n c e dp h a s em o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，h i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o no fs y s t e m sw i t h d i s p e r s i o nc 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 ，a n dr e a l i z a t i o no ft h ea l l o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r kb a s e do no p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n dt h em a i n a c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i n t r a c h a n n e ln o n l i n e a r i t yi nh i g h s p e e do p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s w i t hd i s p e r s i o nc o m p e n s a t e db yc f b gi ss t u d i e df o rt h ef i r s tt i m e a t h e o r e t i c a lm o d e lf o rt h ec a l c u l a t i o no fs i g n a la m p l i t u d ew h e ng d ra n d i f w ma r eb o t ht a k e ni n t oa c c o u n ti sd e d u c e db ys m a l l - f i e l dp e r t u r b a t i o n m e t h o d b e s i d e s ，a n o t h e rt h e o r e t i c a lm o d e li sp r o p o s e df o rt h ea n a l y s i so f t i m i n gj i t t e ri n d u c e db yi x p mi no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s u s i n gc f b ga sd i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r b a s e do nt h e s et w om o d e s ， i n f l u e n c eo fg d ro ni n t r a c h a n n e ln o n l i n e a r i t yi ss t u d i e d ，i nd e t a i l t h e c o n c l u s i o n sa r ev e r yu s e f u lf o rr e s e a r c ha n dd e s i g no fc f b g - c o m p e n s a t e d l l i g h - s p e e do p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s 2 t h ep o t e n t i a lo fr z ，c s r z ，r z a m i ，a n dc s r z - a m it os u p p r e s st h e g h o s t p u l s ei n d u c e db yi f w mi sc o m p a r e d t h ec o n c l u s i o ni sag o o d c o n s u l tf o rd e s i g n i n go fh i g hs p e e do p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s 3 p h a s en o i s ei nr z d p s kt r a n s m i s s i o ns y s t e m si sa n a l y z e d t h ee f f e c to f p h a s en o i s eo nt r a n s m i s s i o ns y s t e m si sc o m p a r e d ，i nd e t a i l b e s i d e s ，t h e f o r m u l a st oc a l c u l a t en o n l i n e a rp h a s en o i s ea r ep r o p o s e df o rb o t h p r e - c o m p e n s a t i o na n dp o s t - c o m p e n s a t i o n s c h e m e s b a s e do nt h e s e f o r m u l a s ，t h ep h a s en o i s e ，p o w e rt o l e r a n c ea n do p t i m a ls i g n a lp e a kp o w e r o fb o t hd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns c h e m e sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di n d e t a i l ，r e s p e c t i v e l y t h ec o n c l u s i o n sa r ec o n s u l t a b l ef o rd e s i g no fp h a s e m o d u l a t i o ns y s t e m s 4 e x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n i s a c c o m p l i s h e d b e t w e e n d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nf i b e ra n dc f b gw h e nt h e ya r eu s e d 弱t h ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t o ro f4 0 g b i t sn r zt r a n s m i s s i o ns y s t e m s a n d ，w i t ht h ej o i n t e f f o r t so ft h ew h o l et e a mm e m b e r s ，5 0 0 k me r r o r - f r e et r a n s m i s s i o ni s a c h i e v e dw h e nt h ed i s p e r s i o ni sc o m p e n s a t e db yc f b g , f o rt h ef i r s tt i m e 5 t h er e a s o nw h yr zo p t i c a lc l o c kp u l s e sw i t hd u t yc y c l eo f3 3 a n d6 7 c a l l tb eg e n e r a t e db ys i n g l ed r i v e rz - c u tm z mi sa n a l y s e d a n dan o v e l m e t h o di sp r o p o s e da n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t e d 6 an o v e lm e t h o di sp r o p o s e df o rt u n a b l ew i d t hr zo p t i c a ld o c kp u l s e s g e n e r a t i o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o ns h o w st h a t b yt u n i n g t h e c h i r p c o e f f i c i e n to ft h em o d u l a t i o n , r zo p t i c a lp u l s e sw i t hd u t yc y c l et u n a b l ei n t h er a n g eo f 2 3 8 3 3 3 a n d4 7 4 - - 5 6 1 w i l lb eg o t t e n 7 ad e m os y s t e mb a s e do nt h ec o n c e p t i o no f “an o v e ld i s t r i b u t e d w a v e l e n g t h d i v i d e da n df i b e r - d i v i d e do c ss y s t e m ”i se s t a b l i s h e d t h e s e c u r i t yo ft h es y s t e mi sg u a r a n t e e db yan o v e ls i g n a l i n gs y s t e m a n d p r o g r a m m i n gs o r w a r ei sc o m p l i e dw i t l ll a b v i e wf o rn o d em a n a g e m e n t o ft h ed e m os y s t e m k e y w o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；a l l o p t i c a ln e t w o r k ；h i g h s p e e d f i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；i n t r a c h a n n e l n o n l i n e a r i t y ；a d v a n c e dm o d u l a t i o nf o r m a t s v 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： 森旅 导师签名 签字日期：汐以年b 月z 日 签字日期：川年6 月o h 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： 豪壤 签字日期： 溯占 年6 月2 日 致谢 首先要感谢我最尊敬的导师简水生院士。7 年前，当我还是一个本科三年级学 生的时候，导师的一席讲座深深的打动了我，他那拳拳爱国之心深深的感染了我， 使我毅然踏上了攻读博士学位这条充满艰辛却又注定收获满满的道路。在攻读博 士学位的这几年中，导师的爱国心、报国情更是深深的令我感动，导师把报国的 情怀转化成科学研究的动力，几十年如一日，在科学的道路上勇攀高峰。导师治 学态度严谨、学术思维活跃；导师在学术上对学生要求严格、在生活中关心学生 疾苦；导师在科研过程中耐得住寂寞、甘于享受掌声背后的平淡导师的行为 深深影响着周围的每一个人，使我们受益匪浅。我在博士阶段所获得的每一点成 绩、每一次进步，都与导师的关心和指导息息相关，整个博士学位论文的完成过 程中，更是凝聚了导师的心血和汗水。在此谨向恩师致以最诚挚的谢意! 特别感谢曹继红师兄、陈勇师兄、王目光副教授和张建勇副教授，你们在理 论和实验上的无私帮助使我受益良多，同时还要感谢同一实验小组的张峰、吕博、 卢丹、陈明、龚桃荣等同学，与你们的实验和讨论也使我收获颇多；感谢延风平 教授在我本科毕业设计过程中和攻读博士学位的这几年里给与的指导和帮助；感 谢裴丽教授、童治副教授在论文写作方面的指导；感谢宁提纲教授在实验方面的 指导；感谢娄淑琴教授、江中澳教授、李唐军教授、陈根祥教授、傅永军副教授、 谭中伟副教授、刘艳副教授曾经给予我的指导和帮助；感谢李彬、鲁韶华、许欧 等同学在光栅制作方面的贡献；感谢李红雷同学在论文修改上所提供的帮助；感 谢3 0 6 办公室的老师和同学，与你们的愉快相处将成为我最美好的回忆。 最后，要感谢我的家人，是他们无尽的勉励和无私的支持，使我最终完成了博 士学位论文。感谢父母在我这么多年的学习生涯中不求回报的付出，这篇博士学 位论文是我献给他们的微薄回报! 感谢哥哥嫂子在我困难的时候给予我精神上的 安慰和物质上的帮助，使我能够毫无后顾之忧的继续我的学业! 感谢爷爷奶奶、 叔叔婶婶、姑姑姑父在我求学期间给予我的关怀和帮助! 还要感谢方宏同学，他 在学习和生活上给予了我很大的帮助，在我彷徨的时候给了我最大的精神上的支 持，使我最终顺利的完成学业。 第一章绪论 第一节引言 科学技术的发展方向总是与人类的实际需求息息相关，在光网络领域也不例 外。近年来，随着基于i p 的数据业务呈爆炸式的增长，使得对于光纤传输容量的需 求越来越大，驱动着光纤传输技术的快速发展，其发展速度甚至超过了由摩尔定 律所定义的增长速度；另一方面，在交换领域，业务的快速增长使得网络对交换 机的处理能力要求更高，而目前广泛使用的电交换由于电子技术的发展已经达到 了极限，“电子瓶颈”问题凸显，已经远远满足不了光网络的发展需求。光网络目 前的现状就好像“高速路上缺少了立交桥 ，只有采用光交换，才能“疏导交通”， 使光网络真正进入“高速”时代，满足人们的需求。因此，整个光网络在期待实 现更高速率、更长距离、更大容量的传输系统出现的同时，也在呼唤着成熟的全 光交换技术的出现。 本论文中，我们将在国家自然科学基金重点项目“高速光通信系统中的偏振 模色散补偿及相关技术与基础研究”( 合同号：6 0 4 3 7 0 1 0 ) 和“全光波长交换关键 技术研究”( 合同号：6 0 3 3 7 0 1 0 ) 的资助下，围绕全光通信网的传输和交换两个方 面，展开对高速光纤传输系统中的信道内非线性、高级相位调制技术、基于啁啾 光纤光栅色散补偿的高速长距离光纤传输系统和基于光路交换的全光交换网等方 面的深入研究，取得了一些有益的研究成果。 第二节高速长距离光纤传输系统的研究现状 1 2 1 高速光纤传输系统的新特点 随着人们对带宽的需求越来越大，光纤传输系统单信道的传输速率也逐步提 高，从2 5 g b i t s 到1 0 g b i t s 再到4 0 g b i t s 甚至更高。随着传输速率的提高，系统 中出现了一些新的特点，这些新特点影响信号在系统中的传输性能，增加了高速 传输系统实现长距离传输的难度，这些新特点包括： 1 ) 色散容限大大减小，增加了色散补偿的难度 色散是光纤传输系统最主要的限制因素之一，它由于光纤折射率随波长变化 而产生，它的存在使不同频率的光具有不同的传输速率。对于普通的幅度调制数 据而言，“l 码和“0 ”码通过光强的有无来表示，其中表示“l ”码的脉冲通常 包含着很多频率分量，这样的脉冲在光纤中传输时，由于色散造成“l 码展宽到 相邻的脉冲所占的比特周期，使传输后的信号产生误码。通常，利用色散长度( 亦 称色散容限) 【l 】来估计色散对信号传输距离的影响，它定义为脉冲展宽一个比特周 期所传输的距离，与信号的比特率、光纤的色散、脉冲的谱宽成反比，也就是说， 信号速率越高，色散长度越小。目前，在光信号的产生方面，高速光纤传输系统 已基本摈弃内调制的方式，而是采用外调制的方式，这种调制方式所产生的脉冲 谱宽约等于信号比特率，因此，色散容限可以通过式( 1 1 ) 来计算： 厶器 ( 1 - 1 ) 其中，幻为色散容限，d 为光纤色散，曰为信号比特率。计算表明，对于在1 5 5 0 n m 处色散约为1 7 p s n m k m 的普通单模光纤( s m f ) 来说，如果传输的数据速率为 1 0 g b i t s ，那么，色散容限为6 0 k i n ，但是，当速率达到4 0 g b i v s 时，色散容限仅为 4 k m ，当速率进一步增加时，色散容限将会更小，如此小的色散容限给色散补偿和 色散管理带来了很大难度，使得精细的色散和色散斜率补偿成为高速光纤传输系 统实现较好传输性能的必须途径，为实现累积色散的精细调节，可调色散补偿器 应运而生【2 击】，很多传输实验也证明，可调色散补偿器的运用为系统性能优化立下 了汗马功劳【7 。10 。 2 ) 信道内非线性( 也称带内非线性) 现象对系统性能的影响超越信道间非线 性现象，成为抑制系统传输速率的最主要因素之一 1 墨 4 0 o o51 01 52 0 051 01 52 0 ( a )( b ) 图1 - 1 信道内非线性效应对系统的影响【1 4 】，( a ) i x p m ( b ) i f w m 。 通常所说的光纤非线性现象包括自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) ，它们被称为信道间非线性，由于展开研究的时间较早，对这 几种非线性现象的研究已经相当透彻【1 1 。13 1 。但是，在研究高速光纤传输系统的过 程中，研究者们发现另外一类非线性效应：信道内非线性效应【1 4 】【1 5 】，包括自相位 调制、带内交叉相位调制( 脚m ) 和带内四波混频( i f w m ) ，其中，带内交叉相 位调制引起相邻脉冲间的频率抖动，并通过色散的作用使频率抖动转化为时间抖 动【16 1 ，带内四波混频则引起脉冲间的幅度抖动以及产生“影子 脉冲【1 4 】【l7 1 ，这两 2 种效应的共同作用，将导致信号眼图恶化，眼开度下降，误码率增加，从而限制 系统的传输距离，图1 1 显示了这两种效应对眼图的影响。并且，文献【1 8 】的研究 表明，在速率达到或超过4 0 g b i t s 的高速传输系统中，信道内的非线性效应的影 响已经超越信道间非线性效应，成为抑制系统传输性能的最主要因素之一，如何 在高速信号传输过程中抑制这种非线性效应，是目前研究的热点之一。 3 ) 偏振模色散( p m d ) 对系统性能的影响开始凸显，并且随着单信道速率的 提高，其影响能力进一步增加 偏振模色散对系统性能的影响与色度色散类似，都是引起脉冲展宽，从而增 大通道代价，限制系统的传输距离。所不同的是，偏振模色散的产生是由于光纤 双折射的存在，使不同偏振态具有不同的时延，从而使脉冲展宽。造成p m d 的因 素很多，包括外界温度变化、玻璃表面应力、外部应力、弯曲和扭曲等等，这些 因素均具有不确定性，这使得光纤的偏振模色散也具有随机性，是一个服从 m a x w l l i a n 分布的随机变量，这种随机性使得对偏振模色散的抑制具有很大的困 难，其难度远比补偿色度色散要大得多。通常情况下，偏振模色散比色度色散小 几个数量级，但是，随着单信道传输速率的增加，随着光纤色度色散和非线性的 补偿和消除，光纤传输系统中的偏振模色散效应越来越突出，将有可能成为限制 系统传输的最终因素。 和色度色散一样，偏振模色散同样存在一个与p m d 和传输速率成反比的色散 容限，表1 1 列出了不同p m d 和传输速率对应的系统受限距离。从表中可以看出， 在速率相对较低时，如2 5 g b i t s 时，偏振模色散对系统的影响并不明显。但是， 对于速率达到1 0 g b i t s 以上的传输系统来说，偏振模色散的影响已经非常严重， 以通常传输中所采用的普通单模光纤为例，它所具有的偏振模色散值为0 5 p s k m 忱，在误码率不高于1 0 母的情况下，2 5 g b i t s 系统的传输距离最多为6 4 0 0 k m ， 当速率达到1 0 g b i t s 时，系统的最大传输距离降低到4 0 0 k m ，而当速率增大到 4 0 g b i t s 时，系统的最大传输距离将不得超过2 5 k m ，这显然不能满足现代通信的 需要。虽然随着光纤制造技术的发展，目前已经能制造出偏振模色散低于o 2 p s k m l 2 【1 9 之1 】的光纤，但是，在传输系统中采用一定的偏振模色散补偿技术已经势 在必行。 表l l 不同p m d 和传输速率对应的受限传输距离 p m d ( p s k m l “) 2 5 g b i t s10 g b i t s4 0 g b i t s 31 8 0 k m 1 1 k m 3 0 根) ，系统的性能将会严重恶化 1 1 0 3 】，因此，在目前的光栅制作条件下，要进一步延长基于啁啾光纤光栅补偿色散 的传输系统的传输距离，光纤光栅的纹波特性有待进一步提高。 表1 3 近年来采用啁啾光栅补偿色散得到的代表性实验成果 速率( g k t f s )通道数传输距离( o n )使码码犁完或日 j 问参考文献 4 2 8111 4 0 r z d q p s k 2 0 0 7 【1 0 2 】 1 0 73 23 8 0 0n r z2 0 0 7 【1 0 3 】 1 0 12 6 5 0r z c s r z 2 0 0 6 【10 4 】 1 0 74 03 0 0 0n r z2 0 0 4 【5 2 】 1 011 4 0 0n r z2 0 0 4 1 0 5 】 4 015 0 0r z2 0 0 1 1 0 6 图1 - 24 0 1 0 7 g b i t s 传输3 0 0 0 k i n 实验系统结构刚5 2 1 。 第三节全光交换的研究现状 全光交换是指不经过任何光电转换，直接将输入光信号交换到不同的输出端。 在光传输技术已经相对成熟的条件下，全光交换的实现可以使用户问的信息交互 过程完全在光域内进行。光交换技术可分成光路光交换和分组光交换两类，分组 光交换技术主要包括光分组交换( o p s ) 技术、光突发交换( o b s ) 技术、光标记 分组交换( o m p l s ) 技术、光子时隙路由( p s r ) 技术等。 o p s 技术由于可以实现细粒度的交换，并且具有带宽利用率高、能提供各种服 务、满足客户的多种需求等优点，成为目前普遍被看好的全光交换技术之一。但 是，由于光分组交换对光器件的性能有更高的要求，而目前相关光器件的功能还 比较有限，不易在光域实现对交换的控制，因此，实际上采用的是电控光交换的 形式，即由电信号来实现对网络中的交换进行控制，光交换的发展趋势和终极目 标是实现光控光交换，使光交换完全在光域内进行，彻底摆脱“电子瓶颈 对全 光通信网的限制。近年来，很多研究者对光分组交换所需的关键器件进行了大量 的研究，包括光开关、光逻辑器件、全光存储器等，取得了一些进展，其中最具 代表性的有：由l u c e n t 公司报道的利用微光机电技术( m e m s ) 实现的2 5 6 2 5 6 l a m b d a r o u t e r f l 9 全光路由器【1 0 7 、由n o t e l 公司实现的o p t e r ac o n n e c tp x1 0 0 8 1 0 0 8 无阻塞全光交叉连接【1 0 8 1 、以及一些“慢光”技术等【1 眇1 1 1 1 。这些技术的出现， 给举步维艰的全光分组交换的研究带来了一线曙光，但是，目前的研究成果还远 远不能满足实际应用的需要，要真j 下用于实际系统中还有很长的路要走。 而光路交换可以利用光分插复用器( o a d m ) 、光交叉连接设备( 0 x c ) 来 实现，难度相对于光分组交换来说大大减小，因此，光路交换成为目前研究最成 熟的全光交换形式。在光路交换中，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目 的端的光路，每一个链路上均需要分配一个专门波长，这就需要传输媒质具有相 当大的容量。光纤作为光网络的传输媒质，完全可以满足全光交换的需求。实际 上，目前两根光纤可以通一至两千万话路，在实验室中的通信容量可高达 2 5 6 t b p s 3 7 1 ，相当于4 亿数字话路，而每根光缆中有数十至数百根光纤，为人类社 会提供了前所未有的最为廉价的信息光路，已经远远超出了人类社会的需求。目 前每公里光纤的售价远远低于铜线的价格，而且其它光电子器件的价格都在成倍 地下降，为人类社会实现光路交换奠定了坚实的基础。在这种条件下，研究光路 交换比研究光分组交换具有更重要的实际意义【1 1 2 j 。 第四节本文的主要工作 本论文的主要工作围绕全光网的高速传输和全光交换两个方面展开，得到了 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相关技术与 基础研究”( 合同号：6 0 4 3 7 0 1 0 ) 和“全光波长交换关键技术研究 ( 合同号： 6 0 3 3 7 0 1 0 ) 的资助，取得的主要研究成果如下： 第二章从理论和数值仿真两方面对基于c f b g 色散补偿的高速传输系统中， 信道内非线性效应的影响进行了大量的研究，主要包括以下两方面内容： 基于微扰理论推导出了同时考虑g d r 和i f w m 时，信号幅度的计算公式，根 1 2 据该公式分析了g d r 与i f w m 对基于c f b g 色散补偿的高速传输系统的影响， 得到了一些有益的结论，并采用数值仿真对这些结论进行了验证；同时，分析了 两个脉冲相互作用时，g d r 对由i f w m 引起的幅度抖动和“影子”脉冲的影响； 此外，还分析了不同的归零码型对由i f w m 引起的“影子”脉冲的抑制能力，所 得的结论有助于高速传输系统设计中码型的正确选择； 通过利用变分法推导出了基于c f b g 色散补偿的系统中，由i x p m 引起的相 邻脉冲时间抖动的理论模型，基于该模型展开了以下三方面的研究：首先，分析 了g d r 对由i x p m 所引起的时间抖动的影响，结论显示：当g d r 周期约为输入 脉冲半极大全宽的2 5 时，g d r 对时间抖动的影响最大，并通过数值仿真对这一 结论进行了验证，仿真结果与理论推导一致，从而证明该理论模型以及以上结论 的正确性；其次，采用数值仿真模型分析了g d r 和i x p m 共同作用对实际传输系 统性能的影响，结论显示：g d r 的存在加剧了系统中脉冲问的时间抖动，不利于 系统的传输；最后，结合推导出的理论模型分析了对称色散分布用于抑制时间抖 动的原理； 第三章主要对r z d p s k 传输系统中的相位噪声进行了研究。首先，介绍了 r z d p s k 信号的产生和接收的基本原理；然后，详细分析并比较了线性相位噪声和 非线性相位噪声对系统性能的影响，主要就采用e d f a 级联放大的传输系统中， 由a s e 带来的线性相位噪声、由a s e 与s p m 相互作用引起的非线性相位噪声以 及由w m 引起的非线性相位噪声对系统的影响进行了详细的比较，结果显示， a s e 噪声是限制系统无中继传输距离的最主要因素；最后，推导出了色散预补偿 和色散后补偿这两种补偿方式下非线性相位噪声的计算公式，并通过数值计算对 这两种色散补偿方式下的相位噪声、功率容限以及最优信号峰值功率进行了详细 的分析和讨论，所得结论对相位调制系统的设计有实际指导意义； 第四章中主要介绍4 0 g b i t s 传输实验方面取得的成果。首先，实验比较了 4 0 g b it s n r z 码在基于色散补偿光纤( d c f ) 色散补偿和基于c f b g 色散补偿的 系统中的传输性能，所得结论显示，在不采用在线光滤波器的情况下，啁啾光纤 光栅可以得到更好的传输效果。在此基础上，我们利用全啁啾光纤光栅补偿色散， 在整个实验小组成员的共同努力下，实现了4 0 g b i t s n r z 码5 0 0 k m 无误码传输， 在误码率le 1 0 时，系统功率代价为2 2 d b ；然后，针对实验过程中遇到的单驱动 z 切马赫曾德尔调制器无法产生占空比为3 3 和6 7 的r z 时钟脉冲的问题，提 出了一种解决方案，并通过实验验证了这种方案的正确性；最后，设计了一种产 生宽度可调节r z 时钟脉冲的方法，有利于提高基于r z 时钟的码型( 如r z 、c s r z 、 r z d p s k 、c s r z d p s k 等) 在高速系统中的传输性能； 第五章实现了基于“新型分布式波分纤分光路交换系统 全光交换网构思的 演示系统，分别介绍了系统的拓扑结构、系统的波长分配、节点的内部结构以及 系统信令处理流程等内容，并给出了系统的性能测试结果。同时，利用l a b v i e w 高级程序设计语言实现了演示系统的节点管理； 第六章将总结本文取得的主要研究成果，并介绍拟将继续开展的一些工作。 参考文献 【l 】i v a np k a m i n o wa n dt i n g y el i ，o p t i c a lf i b e rt e l e c o m m u n i c a t i o n si vbs y s t e m sa n d i m p a i r m e n t s ，a c a d e m i cp r e s s ，p p 21 4 ，2 0 0 2 2 】c r d o e n , l w s t u l z ，s c h a n d r a s e k h a r , a n dr p a f c h e k , “c o l o r l e s st u n a b l ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t o rw i t h4 0 0 - p s n mr a n g ei n t e g r a t e dw i t hat u n a b l en o i s ef i l t e r ，”i e e ep h o t o n i c s t e c h n o l o g y l e t t e r s ，v 0 1 1 9 ，p p 1 2 5 8 1 2 6 0 ，2 0 0 3 【3 】m s u m e t s k y , n m l i t c h i n i t s e r ，p s w e s t b r o o k ，p i r e y e s ，b j e g g l e t o n ，y l i ，r d e s h m u k h ， c s o c c o l i c h ，f r o s c a ，j b e n n i k e ，f l i ua n ds d e y ，“h i g h - p e r f o r m a n c e4 0 g b i t sf i b r eb r a g g g r a t i n gt u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o rf a b r i c a t e du s i n g g r o u pd e l a yr i p p l e c o r r e c t i o n t e c h n i q u e , e l e c t r o n i c s l e t t e r s ，v 0 1 3 9 ，p p 1 1 9 6 1 1 9 8 ，2 0 0 3 【4 】j o s 6m o r a ，a n t o n i od i e z ，m i g u e lv a n d r o s ，p i e r r e - y v e sf o n j a l l a z ，a n dm i k h a i lp o p o v ， t u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o rb a s e do naf i b e rb r a g gg r a t i n gw r i t t e ni nat a p e r e d f i b e r ，”i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 16 ，p p 2 6 31 - 2 6 3 3 ，2 0 0 4 【5 x u e w e ns h u r , k a t es u g d e n ，p h i l i pr h e a d ，j o h nm i t c h e l l ，i a nf e l m e r i ，g l y n nl l o y d ，k e v i n b y r o n ，z h i j i a nh u a n g ，i g o rk h r u s h c h e v , a n di a nb e n n i o n , “t u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r b a s e do nd i s t r i b u t e dg i r e s - t o u r n o i se t m o n s ，”i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 1 5 ，p p 1 l l l - 1 1 1 3 ，2 0 0 3 【6 】j a j f e l l s ，s e k a n e l l o p o u l o s ，ep j b e n n e t t ，v b a k e r ，h f m p r i d d l e ，w s l e e , a j c o l l a r ，c b r o g e r s ，d p g o o d c h i l d ，l 乙f e c e d ，b j p u g h ，s j c l e m e n t s ，a n da h a d j i f o t i o u ， t w i nf i b e rg r a t i n gt u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r , ”i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ， v 0 1 1 3 ，p p 9 8 4 9 8 6 ，2 0 0 1 【7 】x i a n g f e ic h e n ，x i m i n gx u ，m i n g y u a nz h o u ，d i a n j i ej i a n g ，x u h u il i ，j i af e n g ，a n ds h i z h o n g x i e ， t u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni na10 - g b so p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mb y e m p l o y i n gan o v e lt u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r ，”i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ， v 0 1 1 6 ，p p 1 8 8 1 9 0 ，2 0 0 4 【8 】y l i ，b z h u ，c s o c c o l i c h ，l n e l s o n ，n l i t c h i n i t s e r , gh a n c i n ，“m u l t i - c h a n n e l h i g h p e r f o r m a n c et u n a b l ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o rf o r4 0g b i st r a n s m i s s i o ns y s t e m s ”o f c 0 3 ，p a p e rt h l 4 ，2 0 0 3 9 】y w s o n g ，d s t a r o d u b o v , z p a n ，y x i e ，a e w i l l n e r , j f e i n b e r g ，at u n a b l ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t o rw i t hf i x e db a n d w i d t hf o rw d