（通信与信息系统专业论文）25gbits无中继长跨距光纤通信系统的设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 构建无中继长跨距光纤通信系统对于利用我国特高压电网传输电力系统信息具有 重要意义。本文介绍了无中继光纤通信技术及其在电力系统中的研究现状，研究和分 析了色散补偿光纤和啁啾光纤光栅两种色散补偿技术，并确定在系统方案中采用啁啾 光纤光栅进行色散补偿；讨论了无中继光传输系统中引入光纤拉曼放大器后受激布里 渊散射阈值的变化，为系统优化配置提供参考；最后，给出了2 5 g b i t s 单信道3 8 0 k i n 超长跨距无中继光纤通信系统的方案，为将来实际应用提供了配置依据。 关键词：无中继传输，长跨距，光纤通信，色散补偿，受激布里渊散射 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fu n r e p e a t e r e dl o n g s p a 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 si so f g r e a ts i g n i f i c a n c e f o rt h et r a n s m i s s i o no fp o w e rs y s t e mi n f o r m a t i o nu s i n gc h i n e s e u l t r a h i g hv o l t a g ep o w e rg r i d u n r e p e a t e r e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei t s r e s e a r c hs t a t u si np o w e rs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ；t w od i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s - - t h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e ra n dc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n ga r er e s e a r c h e da n d a n a l y z e d ，c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n gi sd e t e r m i n e dt ob eu s e di nt h es i m u l a t i o ns y s t e m ； d i s c u s s e st h ec h a n g e so fs t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n gt h r e s h o l da f t e ri n t r o d u c i n gf i b e r r a m a na m p l i f i e ri nu n r e p e a t e r e df i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hc a np r o v i d er e f e r e n c e f o rs y s t e mo p t i m i z a t i o na n dc o n f i g u r a t i o n ；f i n a l l y ，as c h e m eo f2 5 g b ss i n g l ec h a n n e l u l t r a l o n gs p a nu n r e p e a t e r e df i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m o v e r38 0 k mi s g i v e n ，w h i c h p r o v i d e sac o n f i g u r a t i o nb a s i sf o rt h ef u t u r ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s m a o y i n g c h a o ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db y p r o f s u nf e n g j i e k e y w o r d s ：u n r e p e a t e r e dt r a n s m i s s i o n ，l o n g s p a n ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ， d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g 华北电力大学硕士学位论文 摘要 构建无中继长跨距光纤通信系统对于利用我国特高压电网传输电力系统信息具有 重要意义。本文介绍了无中继光纤通信技术及其在电力系统中的研究现状，研究和分 析了色散补偿光纤和啁啾光纤光栅两种色散补偿技术，并确定在系统方案中采用啁啾 光纤光栅进行色散补偿；讨论了无中继光传输系统中引入光纤拉曼放大器后受激布里 渊散射阈值的变化，为系统优化配置提供参考；最后，给出了2 5 g b i t s 单信道3 8 0 k i n 超长跨距无中继光纤通信系统的方案，为将来实际应用提供了配置依据。 关键词：无中继传输，长跨距，光纤通信，色散补偿，受激布里渊散射 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fu n r e p e a t e r e dl o n g s p a 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 si so f g r e a ts i g n i f i c a n c e f o rt h et r a n s m i s s i o no fp o w e rs y s t e mi n f o r m a t i o nu s i n gc h i n e s e u l t r a h i g hv o l t a g ep o w e rg d u n r e p e a t e r e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei t s r e s e a r c hs t a m si np o w e rs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ；t w od i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s - - t h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e ra n dc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n ga r er e s e a r c h e da n d a n a l y z e d ，c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n gi sd e t e r m i n e dt ob eu s e di nt h es i m u l a t i o ns y s t e m ； d i s c u s s e st h ec h a n g e so fs t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n gt h r e s h o l da f t e ri n t r o d u c i n gf i b e r r a m a na m p l i f i e ri nu n r e p e a t e r e df i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hc a np r o v i d er e f e r e n c e f o rs y s t e mo p t i m i z a t i o na n dc o n f i g u r a t i o n ；f i n a l l y ，as c h e m eo f2 5 g b ss i n g l ec h a n n e l u l t r a l o n gs p a nu n r e p e a t e r e df i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m o v e r38 0 k mi s g i v e n ，w h i c h p r o v i d e sac o n f i g u r a t i o nb a s i sf o rt h ef u t u r ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s m a oy i n g c h a o ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db y p r o f s u nf e n g j i e k e y w o r d s ：u n r e p e a t e r e dt r a n s m i s s i o n ，l o n g s p a n ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ， d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g 声明尸f 1 月 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文2 5 g b i t s 无中继长跨距光纤通信系统 的设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力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：五丕良丝e l 期：1 玉：；，! 乒 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：j 2 独塾 日 期： 艘2 二；一y 导师签名：磷魄 e t 期：一塑蚍 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使 光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，而在接收端把信息从光波 中检测出来( 解调) 。典型的数字光纤通信系统方框图如图1 1 所示。 图1 - 1 数字光纤通信系统 从图1 - 1 可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发射机、光纤与光接收机组 成。在发射端，电端机把模拟信息( 如话音) 进行模数转换，光波经光纤传输后到 达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，进行数 模转换，恢复成原来的模拟信息。就这样完成了一次通信的全过程。 光纤通信的特点有：( 1 ) 传输数率高，频带宽，质量高，可满足的大容量信号 传输；( 2 ) 中继距离长；( 3 ) 不受外界电磁干扰；( 4 ) 光在纤芯中传播时，基本上不 会向外辐射，同一光缆中各条光纤之间几乎没有串扰；( 5 ) 在相当宽的频带内，光 纤对各频率的传输损耗几乎不变，不需要采取均衡措施；( 6 ) 光纤的主要原料二氧 化硅资源丰富、价格低廉。光纤通信所具有容量大、信号质量好、不受电磁干扰影 响等特点，非常适合电力系统通信的需要【i 之k 但我们必须认识到，衰减、色散和非线性效应限制了光纤通信系统的无中继距 离。为此，科学家研究出了各种使能技术以延长无中继传输的距离。下面作简要的 介绍： ( 1 ) 色散补偿技术：色散使得脉冲展宽，会引起信号畸变，严重影响系统传输性 能。色散补偿技术为这一难题提供了解决办法，它的核心思想是采用色散系数符号 相反的光纤或装置补偿传输光纤的色散。目前有两种主要的补偿方式，即传统的色 散补偿光纤( d c f ) 法和新型的啁啾光纤光栅( c f g ) 法。在第二章将详细分析色散补偿 华北电力大学硕士学位论文 技术，并通过仿真对比这两种色散补偿方式。 ( 2 ) 光放大技术：光放大技术是实现无中继光纤传输所不可或缺的，它能够提高 发射机的功率，提高光接收机的灵敏度，补偿光纤传输损耗，延长传输距离。 目前的光放大器主要有两种：掺铒光纤放大器r ( e d f a ) 和光纤拉曼放大器( f r a ) 。 e d f a 的工作原理是掺杂稀土元素铒在泵浦作用下发生受激吸收，在信号光的诱导 下同时发生受激辐射和自发辐射，但受激辐射占主导地位，从而使得信号功率得到 增强。e d f a 具有输出功率大、增益高、噪声低、放大特性与系统比特率无关等优 点，提高传输距离的同时降低了中继站建设成本，成为高速超长跨距光传输系统中 不可缺少的器件。在第四章给出的方案中将采用e d f a 作为功率放大器和预置放大 器。 随着传输距离的增大，e d f a 所带来的放大自发辐射( a s e ) 噪声将越来越严重， 因此人们提出新的放大技术应用于超长跨距和多波段无中继光传输系统中。利用光 纤的非线性效应受激拉曼散射( s r s ) 进行光放大的f r a 应运而生。s r s 是由光 波和光纤中的分子振动作用引起的一种非线性效应。当适当波长的泵浦光注入到光 纤中，拉曼频移处的光信号将得到放大，基于这种原理的放大器称之为f r a 。f r a 具有噪声系数低、增益特性平坦、增益介质为传输光纤本身等特点【3 4 】。与e d f a 和 半导体光放大器( s o a ) 相比，f r a 优势明显：拉曼放大器可放大e d f a 不能放大的 波段，在整个1 2 9 2 - 1 6 6 0 n m 光谱带宽上对信号进行有效的放大，放大的光谱范围 是由光泵浦源决定的，由于增益波长仅由泵浦光波长决定，理论上只要泵浦源的波 长适当，就可放大任意波长的信号光；可以实现分布式放大，增益介质就是传输光 纤本身；信号间差拍噪声小，噪声指数低；不需要另占光芯，没有资源的浪费；拉 曼放大沿光缆将信号分布式放大，不引入光噪声，可极大地提高光信噪比、增加传 输距离，这点是其它放大方式不具备的。总之，对超长跨距无中继光纤通信系统， f r a 具备明显的优势。但是，采用f r a 的无中继系统必须考虑受激布里渊散射( s b s ) 阈值的影响，在第三章中将通过公式推导和数值计算确定出拉曼泵浦光纤中s b s 的 阈值。 ( 3 ) 高灵敏度的光接收机：光接收机作用是将光纤传输的光信号转换为电信号， 经放大、均衡后送到判决电路，恢复出发射端的原始信号。目前主要有两种光接收 机，其中雪崩光电二极管( a p d ) 接收机是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高 灵敏度探测器。它相对于p i n 光电二极管灵敏度高、增益高、相应速度快、光电转 换效率高，所以更常用于长距离传输。 ( 4 ) 前向纠错技术：纠错编码是超长距离传输中增加系统余量的_ 项有效的关键 技术，它通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由噪声引起的 误码，以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输。前向纠错编码( f e c ) 技术 2 华北电力大学硕士学位论文 是目前高速光通信系统中运用最多的纠错编码方式。它是指信号在被传输之前预先 对其进行一定的格式处理，在接收端则按规定的算法进行解码并检错纠错。 f e c 属于差错控制编码中的信道编码，在高速光传输网络系统中的应用方式可 分为带内编码f e c ( i n b a n df e c ) 和带外编码f e o ( o u t o f - b a n df e c ) 。所谓带内编码 f e c ，是指利用信道本身未使用的传输开销字节，作为f e c 纠错编码字节，实施编 码后，信道码速不变。带外编码f e c 是指把f e c 纠错冗余字节加入传输信道，实 施f e c 编码后，信道码速增加，能够较大地改善系统性能。总体来讲，若对编码增 益要求不太高，不想对现有系统进行大的调整，带内f e c 是一种最佳方案，方便平 滑升级。带外f e c 具有灵活的开销，可用于需要更大的编码增益的通信系统，但由 于会改变调制速率，需要根据码率对整个发送接受设备作一定的更换。在信号的带 内( 帧结构内) 或带外( 帧结构外) 插入纠错码，采取相应的纠错算法，只依靠前向传输 的单方向码流实现纠错的技术，本质上是以信号开销为代价来提高接收灵敏度和克 服光信噪比限制。带外f e c 由于增加了线路速率，具有较高的纠错能力，可以灵活 地选择纠错容限以满足系统的需要。使用带内f e c 不会增加线路速率，从而可以避 免由于增加高速信号速率而受到光纤传输色散限制等问题，应用在具有标准s d h 光 接口的w d m 光网络系统中，增加系统的兼容性，但它对光传输系统的性能提高有 限，在s d h 中通过带内f e c 技术一般可以改进系统的误码性能3 d b 。带外f e c 采 用r s 编解码，编码增益高于带内f e c ，使用带外f e c 时系统总体性能改善能够达 到约7 - 9 d b ，因此超长距离系统均采用带外f e c 编码。 除了以上四项技术之外，大有效面积光纤、远程泵浦放大器( r o p a ) 、光孤子 等新型技术也是当前技术热点，可以提高无中继光传输系统的性能，但其实际应用 仍需要进一步验证。 根据国家电网公司的战略发展规划，“十一五”期间将大力发展覆盖国网公司 各大区域的特高压电网和直流输变电工程，逐步形成强大的国家级电网，为实现更 大范围、更大规模的资源优化配置创造条件。在光纤传输系统中，受到光衰减、色 散、非线性等因素的影响，光信号在传输过程中会衰减和恶化，在信号衰减到接收 机灵敏度以下、光信噪比恶化到一定程度以后，就需要加中继站或再生中继将信号 进行放大或优化，使光信号继续传输。但是由于特高压输电的特性，交流特高压电 网的站间距离将更比目前的5 0 0 k v 网架结构站间距更大，多数站的站间中继距离达 3 0 0 - - 4 0 0 公里，直流输电系统换流站间距离则长达上千公里。而目前我国电力系统 普遍的无电中继距离多为8 0 公里。由于光通信中继站在建设、运行中既存在安全 隐患又增加了成本，因此研究超长跨距无中继技术以提高光纤无中继距离具有重要 的现实意义。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无中继光传输在电信行业中的研究现状 自从光纤通信系统问世以来，超高容量和超长距离光传输系统一直是光通信系 统的发展方向。单信道速率从2 5 g b i t s 升到1 0 g b i t s 再升至4 0 g b i t s 。国内外各研究 机构、生产厂家主要从采用特性优良的光纤和改善端机性能两方面加大高速光通信 系统的中继跨段距离。我国电信体制的改革，形成了中国电信、中国联通、中国移 动、中国广电、中国网通及中国铁通等多家运营商激烈竞争的局面。各个运营商都 在加快光纤网的建设。2 0 0 5 年我国铺设光缆总长度4 0 5 万公里，新增光缆长度6 8 万 公里左右。设备应用方面，各个运营商纷纷采用先进的s d h 和d w d m 系统构筑自己 的通信网络。在国家级和省级干线上，运营商们大量使用3 2 x1 0 g 或3 2 2 5 g 的 d w d m 系统组网，尽量扩展骨干带宽。各站点之间的无中继光纤传输距离也从最初 的8 0 公里，增加到1 6 0 公里甚至数百公里。而随着无中继光传输技术的日益成熟， 必将伴随我国国民经济信息化的发展而发展，促使高速宽带通信网、本地网、接入 网和有线电视网的建设规模逐步扩大。 1 2 2 无中继光传输在我国电力行业中的研究现状 电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的。“十五”期间 全国各大网、省电力公司都在积极建设光纤通信网络。目前我国的电力通信形成了 以光纤环网为主干，同时采用电缆、无线等多种通信手段的综合通信网。而正如1 1 节所说，在电力通信系统中采用超长距离和无中继光纤通信方案是“十一五”期 间战略发展规划的要求，可以提高通信系统建设和运行维护管理水平，降低建设和 维护成本。 在已建成的国网公司一级骨干电路三纵四横的网架中，目前多采用b a + p a + d c m 的常规技术实现超长跨距的无中继光信号传送，有l o 余个2 5 g b i t s 中继跨段的 站间距离达到了1 6 0 公里。根据国家电网公司的“十一五”战略发展规划，为满足 多数站的站间中继距离达3 0 0 - - 4 0 0 公里的要求，必须研究并采用先进技术增加光通 信的站问传输跨距，尽量减少新建光中继站的数量，提高我国电力通信系统的建设、 管理、安全运营水平。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 为适应信息化社会的发展以及电力系统本身的需要，未来必然要建立以光纤通 信为主体，结合卫星通信、无线电通信的宽带化、综合化、个人化、智能化的新型 通信网。根据国家电网公司的战略发展规划，“十一五期间将大力发展覆盖国网 公司各大区域的特高压电网，逐步形成强大的国家级电网，实现更大范围的资源优 化配置。由于特高压输电的特性，交流特高压电网的站间跨距通常为3 0 0 - - 4 0 0 公 里，因此建设与电力特高压电网相配套的长跨距无中继光纤通信线路具有非常重要 的现实意义。传统解决高速率超长距离传输的方式是在光纤线路上加入中继器，以 补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形再生。中继站的建设与维护成本便成为高 速传输的“瓶颈”。因此，长跨距无中继光纤通信系统对我国电力特高压电网的安 全运营具有重要作用。 随着传输通道速率的提高和传输距离的加长，光纤的衰减、色散、非线性效应 等成为限制系统性能的主要因素。本文针对电力通信网特点，逐一分析各种使能技 术，对色散补偿光纤和啁啾光纤光栅两种色散补偿技术进行了比较，讨论了无中继 光传输系统中引入光纤拉曼放大器后受激布里渊散射阈值的变化，最后给出了 2 5 g b i t s 单信道3 8 0 k m 超长跨距无中继光纤通信系统的方案，为将来实际应用提供 了配置依据。在此基础上，更高速率、更长跨距无中继的光纤传输也会得到迅速的 发展。 华北电力大学硕士学位论文 第二章无中继长跨距光通信系统色散补偿方式的选择 2 1 引言 考虑到电力通信网的实际需求，开发2 5 g b s 单信道超长跨距的无中继光纤通信 系统具有现实意义。针对电力特高压长跨距输电的实际需求，要实现无中继传输， 必须优化光放大器配置以及光纤色散的补偿，来满足系统对光信噪比、误码率等的 要求i5 1 。众所周知，在光纤通信系统中，色散和非线性是限制无电中继长距离传输 的主要因素。对于非线性的影响，可以通过控制适当的入纤功率加以利用或者减弱， 这将在第三章中纤细分析。而对于色散，在已经铺设大量g 6 5 2 光纤的现实情况下( 占 全世界铺设总量的8 0 ) ，就成为限制传输距离的瓶颈。在现有的1 5 5 0 n m 波段常规 单模光纤( s m f ，即g 6 5 2 光纤) 传输系统中，色散补偿是延长传输距离和提高传输速 率的有效手段之一。 当前，人们已经提出的色散补偿方案有：d c f 、c f g 、色散支持传输( d s t ) 、 频谱反转、预啁瞅和光纤孤子传输等技术。其中d c f 补偿是传统方案的代表，c f g 补偿则是新型色散补偿的代表。本章将从技术层面对比分析传统的d c f 和新型的 c f g 两种方式，并以单信道1 0 g b i t s 无中继系统为例，仿真带有色散补偿的无中继 系统，该仿真结果在2 5 g b i t s 无中继通信系统中同样适用。根据本章的仿真结果我 们将选择c f g 用于第四章的无中继光纤通信系统中。 2 。2d c f 和c f g 两种色散补偿方式的分析 2 2 1 色散补偿的一般原理 色散在光纤通信系统中表现为光源信号中不同波长的分量在光纤中群速度不 同而引起的脉冲展宽、强度下降，从而增加误码率，影响通信质量。在色散对光脉 冲影响过程中，正色散使得光脉冲被展宽，负色散使得光脉冲被缩窄。光纤色散包 括材料色散、波导色散、模式色散、偏振模( p m d ) 色散。材料色散是由于光纤折射 率随波长改变而产生的，波导色散则是由于波导的结构参数与波长有关而产生的， 材料色散、波导色散与光源相对带宽九( 或频宽f ) 有关，减小九或( f ) 有利于减小 色散。模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，仅在多模光纤中占主导 地位，它主要取决于光纤的折射率分布。p m d 色散与光纤的双折射率n 。o 有关，它 对长距离、高速率的数字系统的影响不可忽略。尤其是在传输速率高于1 0 g b i t s 的光 6 华北电力大学硕士学位论文 通信系统中，p m d 被认为是限制系统性能的重要因素。因此，本实验主要考虑材料 色散、波导色散。 光纤色散对通信系统的性能影响主要表现为对传输中继距离和传输速率的限 制。当色散引起光信号脉冲的展宽大于0 3 倍的输入脉宽时，便使得光接收灵敏度急 剧下降、均衡困难、误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不 得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。另外色散随着传输距离的增加将越来 越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。 一般用色散补偿光纤对光纤通信系统中的色散进行补偿，近来人们对用光纤光 栅作色散补偿的器件产生了广泛的研究兴趣。无论用什么方法，其基本原理类似， 都是在通信系统中插入具有负色散系数的装置，平衡掉系统中积累的色散，或者用 脉冲压缩工具将被展宽的脉冲压窄。 2 2 2d c f 色散补偿 改变光纤结构参数，如减小芯径、不同掺杂浓度等可增大其折射率，使零色散 波长移至大于1 5 5 9 m 波长的位置，从而在1 5 5 p m 处得到较大的负色散，这样便可得 至i j d c f ，又叫负色散光纤。 目前，利用d c f 来进行补偿是最常用的色散补偿方法。d c f 卒f 偿技术是早在1 9 8 0 年提出的，如今它已经成为应用最广泛的色散补偿技术。色散补偿光纤是无源器件， 使用方便，技术更为成熟。但是，d c f 缺点同样存在：造价昂贵；线路损耗大， 商用d c f 产品损耗很大，通常0 5 d b k m ，同时会引入插入损耗；普通d c f 色散斜 率与不能与g 6 5 2 光纤或( 3 6 5 5 光纤完全匹配，当某个波长的色散得到完全补偿时， 在其余波长就会形成剩余色散，且总的残余色散随传输距离的增加而加大，尤其不 适用于长跨距w d m 传输系统。 2 2 3c f g 色散补偿 1 9 7 8 年，h i l l 等人观察到掺锗光纤的光折变成栅效应，其后m e l t 等人发展了紫外 光栅写入技术。到1 9 8 7 年，e o u e l l e t t e 从理论上证明间距不均匀的啁啾光纤光栅在较 大的带宽内有反射时延特性，可以用来补偿色散【6 】。其基本原理是：紫外光使光敏 光纤的折射率发生变化，这种变化是周期性的，使得沿着光纤轴线的方向出现层状 结构，犹如反射多层膜或者布拉格反射中晶格点阵构成的晶面，只有满足干涉条件 ( 正入射时2 n d = k l ，n 是折射率，k 是干涉级次，丸是波长，d 是膜厚或者晶面的间距， 这里就是光纤光栅的光栅常数1 的波长才能有反射极大值。啁啾光纤光栅就是给均匀 光栅的光栅常数d 个啁啾调制，即d 是光纤轴线位置的函数，使得反射的波长九也是光 7 华北电力大学硕士学位论文 纤轴线位置的函数。因而在较宽的九范围内的波长都能得到反射，且因反射的位置 不同而具有不同的时延。 关于啁啾光纤光栅的色散补偿作用，一个直观的解释是，假设前面的光纤色散 系数为负，我们便把光纤光栅周期短的一端置于前侧，短波长部分在光纤光栅开始 处被反射，而长波长部分在光纤光栅后面被反射，从而造成一定的延时，补偿了前 面色散造成的啁啾。而普通单模光纤在1 5 5 0 r i m 波长处为正色散。要补偿正色散，我 们只需将光栅周期长的一端置于前侧即可，如图2 1 所示。光纤光栅的色散补偿作用 大小完全由光纤光栅内部的光栅周期变化决定，而啁啾光纤光栅的带宽由光纤光栅 长度决定。图2 2 为反射模式光纤光栅色散补偿器的结构示意图。 啁啾光纤匕栅 图2 1 啁啾光纤光栅补偿色散示意图 。 图2 - 2 光纤光栅色散补偿器的结构示意图 总之，啁啾光栅易于集成、无光学非线性效应，而且可以通过改变作用于其上 的应力或温度达到改变c f g 啁啾，最终实现动态色散补偿的目的。同时它也起到滤 波器的作用，抑制了传输链路上e d f a 引起的a s e 噪声的累积。同时，由于c f g 为无 源偏振不敏感器件，具有插入损耗低、波长选择性好、与偏振无关、易于与其他光 纤器件耦合等优点，被认为是极具发展前途的技术方案。 2 3 两种色散补偿光传输系统性能的比较 2 3 ：1 采用d c f 补偿色散的系统及仿真结果 系统所用传输光纤为g 6 5 2 光纤，采用d c f 作为色散补偿器件，进行单波长 1 0 g b i t s 无中继传输仿真实验，经入优化设计入纤功率、前后色散补偿配比、e d f a 增益功率，该系统见图2 3 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 31 0 g b i t s1 9 8 k i nd c f 色散补偿传输系统 本实验为单信道1 0 g b s ，t x 为光发射机，采用无啁啾外调制方式的d f b 激光 器，中心波长1 5 5 0 n m ，n r z 编码方式，信号码流是2 1 5 _ l 伪随机二进制序列，消光 比设为1 0 d b 。p m 为相位调制器，以提高受激布里渊散射( s b s ) 阂值。调制后的 光信号经2 4 k md c f 进行色散预补偿，进入e d f a 放大，然后注入长为1 9 8 k ms m f ， 最后经1 6 k md c f 进行色散后补偿。在接收端，先进行e d f a 预放大，以提高接收 性能。然后接收机r x 对信号做四阶贝塞尔滤波、接收码元判别和误码分析。仿真 系统综合考虑了光纤信号的损耗、色散、主要的非线性效应( s p m 、s b s 等) ，采 用分布傅立叶方法对光脉冲的传输方程进行数值求解。仿真使用的主要参数如表2 1 所示。 表2 - 1 色散补偿光传输系统的参数 参数：单位取值 信号中心波长：n m1 5 5 0 s m f 色散系数：p s n m k m 1 6 s m f 衰减系数：d b k m 0 2 s m f 横截面积：n r l 28 0 1 0 0 2 s m f t 线性指数：m 2 w 2 6 1 0 。2 0 d c f 色散系数：p s n m k m 8 0 d c f 衰减系数：d b k m 0 5 d c f 横截面积：m 2 2 2x1 0 0 2 e d f a 噪声指数：d b 4 5 接收机灵敏度：d b m 2 6 图2 - 4 为发射端1 0 g b i t s 调制信号的眼图。图2 5 为信号经1 9 8 k m 光纤传输后 的眼图。由图2 4 、2 5 比较可见，脉冲宽度基本恢复到了传输前的宽度，眼图张开 良好。同时测得信号的信噪比为2 5 0 4 d b ，误码率为4 6 6 1 0 j 3 ，满足无误码传输 的要求。 华北电力大学硕士学位论文 图2 4 发射端1 0 g b i t s 调制信号的眼图图2 5 信号经1 9 8 k m 光纤传输后的眼图 2 3 2 采用c f g 补偿色散的系统及仿真结果 本系统主要参数与系统结构与2 3 1 节所述系统基本相同，区别在于色散补偿 部分。实验采用如图2 - 6 所示的色散补偿方案，加入3 个光纤光栅对信号进行色散 补偿，色散值依次为3 5 0 p s n m 、1 4 0 0 p s n m 、1 4 0 0 p s n m 。光纤光栅经过环行器后 的平均插入损耗为l d b 。发射机发出的1 0 g b i t s 信号首先经过e d f a ( b a ) 放大后 用一个宽带c f g 进行色散预补偿，色散补偿量为3 5 0 p s n m ( 即2 2 k m 色散补偿模块) ， 然后经过一段长为7 3 k m 的g 6 5 2 光纤传输并用c f g 色散补偿，色散补偿量为 1 4 0 0 p s n m ( 即8 7 5 k m 色散补偿模块) ，再经过另一段长为1 4 7 k m 的g 6 5 2 传输并 进入e d f a 预放( p a ) 、c f g 色散后补偿，最后进行误码测量。 图2 6i o g b i t s2 2 0 k mc f g 色散补偿传输系统 接收端信号的信噪比为2 1 3 4 d b ，误码率为1 6 6 x1 0 j 2 ，满足无误码传输的要 求。图2 7 为发射端1 0 g b i t s 调制信号的眼图，图2 8 为信号经2 2 0 k m 光纤传输后 的眼图。由图2 8 可见，眼图效果明显比图2 5 好，说明经c f g 补偿的信号经更长 距离传输后效果仍然比d c f 补偿效果更好。 l o 华北电力大学硕士学位论文 图2 7 发射端1 0 g b i t s 调制信号的眼图 2 4 本章小结 矿 信号缝璐耐匕坪静麓岳竹t 田 0 6n 9tt 2- j 6i e22 32 州 i 佰。 图2 - 8 信号经2 2 0 k m 光纤传输后的眼图 色散是影响光纤通信向高速率长跨距发展的一个主要因素。在现有的常规单模 光纤传输系统中，色散补偿是延长传输距离和提高传输速率的最有效手段之一。本 章通过数值计算对比了d c f 和c f g 两种主要的色散补偿方案，在1 0 g b i t s 单信道 无中继光纤通信系统仿真实验中进行了验证，无论从传输距离、传输效果( 色散补 偿效果、非线性效应) 、传输成本等方面，采用c f g 补偿均优于d c f 。该实验结 果在2 5 g b i t s 通信系统中同样适用。因此在第四章的无中继光传输系统中，我们选 择c f g 补偿系统色散。 华北电力大学硕士学位论文 第三章拉曼泵浦光纤中受激布里渊散射阈值的确定 3 1 引言 f r a 所具有的分布式放大、噪声系数低等优点，使得它成为超长跨距无中继光 纤通信系统中必不可少的器件。但是f r a 的使用改变了信号功率在光纤中的演化特 性，引起了s b s 阈值的变化f 7 1 。并且在所有的光纤非线性效应中，s b s 阈值最低，为 此本章推导并给出了拉曼放大光纤中s b s 阈值的理论估算公式，并利用实际光纤参 数对s b s 阈值进行估算。给出的结论为第四章的系统仿真提供了相关依据。 3 2s b $ 的基本原理及研究的意义 在1 9 7 2 年，由i p p e n 等人在光纤中观察到了受激布里渊散射现象，特别是在 1 9 8 2 年，b a s l e v 在多模光纤中观察到s b s 的相位共轭现象以后，光纤作为一种新 型的s b s 介质开始引起人们的广泛关注。s b s 是一种可以产生在光纤中的非线性的 非弹性散射过程，它具有较低的阈值。经典理论将其描述为泵浦光场和斯托克斯 ( s t o k e s ) 光场借助声波而产生的非线性相互作用：泵浦光场利用电致伸缩机理在 光纤中产生声波，声波反过来调制光纤的折射率，进而在光纤中形成折射率周期变 化的光栅。泵浦光在光栅中发生布拉格衍射而最终将其能量转移给频率下移( 约 1 1 1 g h z ) 的s t o k e s 光场。通常将与s t o k e s 光功率急速增加点对应的入纤光功率称 为光纤的s b s 阈值。当光功率达到s b s 阂值时，相当大的一部分入纤光功率转化 为后向传播的s t o k e s 散射光，导致光纤中信号光功率的迅速下降，这将严重影响系 统的传输性能【8 】。为此，光通信系统设计者必须保证信号入纤光功率低于光纤的s b s 闽值。 s b s 与s r s 有着显著的不同，这种不同在于：受激布里渊散射参与的是声频声 子，而受激拉曼散射参与的是光频声子。s b s 过程可以描述为泵浦波、s t o k e s 光通 过声波进行的非线性作用，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。泵浦波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 移与以声速移动的光栅有关，散射光产生了一个斯托克斯光子和一个声频声子，如 图3 ，1 所示。s b s 源于光波对声波的散射，散射在单模光纤中的原则上沿背向传输， 背向散射光从前向传播光中获得增益，它导致信号光的衰减。s b s 效应可以将信号 光能量转移给频率下移且反向传输的斯托克斯光，s b s 效应不仅会给系统带来噪声， 而且会造成信号的一种非线性损耗，s b s 有明显的阈值效应，如果光功率密度高于 1 2 华北电力大学硕士学位论文 此门限就会产生s b s ，低于此门限就不会产生。 o p i t c a lf i b e r a c o u s t i cg r a t i n g l 兰兰竺竺i 图3 - 1光纤中的受激布里渊散射 s b s 由三个参数描述：阈值功率圪，增益系数g 和频移q 。阈值功率弓的定义 是这样的：因为沿光纤传输的散射损耗的大小与入射光功率有关，假设光纤长度为 l ，在输入光功率为某个数值时，输出光功率恰好为输入光功率的一半，我们就将 该输入光功率称为阈值功率。随着入射光沿光纤的传输，它不断地将部分能量转移 给散射光，散射光强度沿光纤长度不断增强。增益系数g 是用来描述散射光增强程 度的，它并不是一个常数，它是一个与频率有关的量，它取决于介质的光学性质、 分子振动状态、泵浦光波长等因素。 因为受激布里渊散射过程必须保持能量和动量守恒，所以三个光波的角频率缈 和波矢量霞满足如下关系式： q b2 嘭一哆，k a = k p k ( 3 1 ) 这里下标p 、s 和a 分别代表泵浦光、斯托克斯光和声波，q 口为斯托克斯光相 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： 2 刚2 阱i n ( 耽) ， 。( 3 2 ) 这里臼为泵浦光和斯托克斯散射光的夹角，为光纤中的声速。考虑到光纤中9 只 能取0 、7 ，而0 。所以，只有p = i 才是可能的，也就是说，受激布里渊散射 只发生在反向。则由上式可得：当9 = 7 1 时，q 口最大，且满足： t i 脚 华北电力大学硕士学位论文 vb=q812#=2nva|久p(3-3) 这里甩为在泵浦波长勺处的光纤模折射率，为与虬b 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，背向散射光从前向传播光中 获得增益，它导致信号光的衰减。在二氧化硅中，这种能量交互发生在很窄的布里 渊线宽内，在1 5 5 0 n m 附近且在勺2l ”聊处斯托克斯光相对泵浦光的频率下移量 1 1 1 g h z ( 取玎= 1 4 5 ，= 5 9 6 k m s ) 。这说明s b s 效应被约束在w d m 系统的单 个波长信道内。因此，每个信道的s b s 效应独立累加，结果每个信道产生的s b s 功 率等级都与单信道系统相同。当散射波与信号波的功率可以相比拟时，就会产生系 统损伤。对于典型的光纤，该过程的单跨门限为1 0 r o w 左右。对于一个含有光放大 器的长光纤链路，通常会有光隔离器阻止背向散射光进入光放大器。因此，s b s 导 致的损伤则限制在放大器与放大器之间。典型的s b s 增益谱线为洛伦兹线型，取如 下形式： ( y ) = 石丽g o ( a 可v b 丽2 ) z 。在典型的光纤参数下，其峰值增益繇o 5 x 1 0 训m w ，全半宽度5 0 m h z 。决 定s b s 在哪一点真正成为问题的判别标准是看s b s 阈值功率。它定义为使背向光 与光纤输入功率相等的信号光功率。s b s 的阈值仅为几十m w ，但由于g 口增益谱较g r 增益谱窄很多，所以s b s 的影响频率的范围要比s r s d 很多。 新一代的光通信系统为了降低噪声，普遍采用分布式光纤拉曼放大器( d f r a ) 对衰减信号进行放大，而拉曼放大由于改变了信号功率在光纤中的演化特性，它必 然引起s b s 阈值的变化。下面将给出拉曼泵浦光纤中s b s 阈值的理论估算公式， 并结合实际光纤参数对无中继光通信系统的s b s 阈值进行估算。给出的结果可以为 我国电力特高压输电配套的无中继光纤通信线路的设计和建设提供理论参考。 3 3 拉曼泵浦光纤中的s b s 阈值计算模型 早期的一些关于s b s 阈值的相关理论并不能应用于拉曼泵浦光纤【9 】。 a k o b y a k o v 等