（电磁场与微波技术专业论文）dwdm系统中用扰相法减小干涉串扰.pdf

d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 摘要 引入0 a d m 和o x c 设备在光域中进行交换是d w d m 技术下一 步自然的演进方向。光器件非理想的滤波和开关特性等性能缺陷，不 可避免地带来损伤，其中的干涉串扰与有用信号同波长，不能被滤波 器滤除，随信号一起在网络中传送，在多个节点中积累剧增，使系统 性能更加恶化，从而严重限制了光网络的应用范围。另外，d w d m 网络对光节点器件的串扰隔离度的要求相当高，即使是在串扰干扰源 相对较少的情况下，串扰隔离度也必须优于3 5 d b 以使功率代价小于 1 d b 。在目前的技术下，这一要求对集成光交换机和交叉连接设备而 言仍然是个较高的要求。 本文中阐述的用以减小干涉串扰的扰相法( p h a s es c r a h l b l i n g ) ， 能够大大提高系统的串扰容限。已有研究表明，在标准单模光纤传输 的2 5 g b sl0 0 k m 和2 0 0 k m 光纤链路中，当功率代价要求低于2 d b 时， 系统的串扰容限分别改善了7 d b 和5 3 d b 。该结果表明，以目前的集 成光设备水平完全可以将扰相法应用在实际网络中。 本文的研究将扰相法的应用拓展到1 0 g b p s 的更高速率的系统 中，通过对扰相的系统仿真说明，背靠背的1 0 g b p s 系统中，当功率 代价限定为1 d b 和2 d b 时，扰相能够带来的串扰容限的改善量分别 为5 d b 和5 5 d b 。由于建立的仿真模型的简化因素，在与2 5 g b p s 系 统的实际测量结果拟合时，仿真的结果和实际大小有一定的偏离，但 是差值并不大，故而1 0 g b p s 的结果是可用的。 同时，1 0 g b p s 系统与2 5 g b p s 系统的差别还在于其更高的速率 带来的色散问题。计算可得，由于色散和扰相带来的频谱展宽，1 0 g b p s 系统在g 6 5 5 光纤上的电再生域传输距离为5 5 k m 。为了延长传输距 离，可以使用e d f a 让光信号直通而不必经过光电光转换，同时结 合色散补偿和色散管理等方案。计算可得，为了达到8 0 k m 的传输距 离，选择调制指数不变，噪声带宽由2 0 0 埘z 减小到1 6 0 m h z ，这样 n 町t e r f e r ( ) t r i cc r o s s t a l km i t i g a t l 0 nb y p h a s es c r a m b l i n gi nd 、d m a b s t r a c t u s i n go p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e ra 1 1 dc r o s s c o 姗e c t e rf o ro p t i c a l s w i t c m n g i sm ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fd w d mn e 帆o r k s b u tm e n o n i d e a lf i l t e r i n ga 1 1 ds 州t c h i n gp e r f b h n a l l c eo fa i l 叩t i c a ln o d ew i u i n e v i t a b l yc a u s el i n e a rc r o s s t a l k t h ei n t e r f 色r o m e t r i cc r o s s t a l ki nl i n e a r c r o s s t a l k ，w h i c hh a sm es a n l en o m i n a l 、v a v e l e n g mw i t l l 廿l ed e s i r e ds i g n a l ， w i l lb el o c a t e di nt h ee l e c t r i c a lr e c e i v e rb a n d w i d t h m o r e o v e r i tw i l l p r o p a g a t ew i mt h ed e s i r e ds i g n a l sa l o n go p t i c a ln e t w o r k ，a c c u m u l a t ei 工1 o p t i c a ln o d e s ， c a u s ea ne v e nm o r es e r i o u s d e g r a d a t i o n i n s y s t e m p e r f o r m a n c e s ot h ei m e r f e r o m e 订i cc m s s t a l kc o n s t h l t e sam a j o rl i 血t i n g f a c t o rf o rt h es c a l a b i l i 哆o fo p t i c a ln e 聃o r k s f u r t h e rm o r e ，d w d m s y s t e m si m p o s e s t r i c tr e q u i r e m e n to no p t i c a lc r o s s t a u ( i s 0 1 a t i o nw i m c o m p r i s i n ge l e m e n t s f o ri n s t a n c e ，c r o s 咖l ki s o l a t i o nl e v e l sb e t t e rm a i l 35 d bs h o u l d b eu s e dt og u a r a n t e ep o w e rp e n a i t i e ss m a l l e rm a n1d bw i t h e v e nas m a un u m b e ro fc r o s s t a u (s o u r c e s ，w h i c hi ss t i uah i 曲 r e q u i r e m e n tf o ri m e 铲a t e do p t i c a l s w i t c h e sa 工1 dc r o s sc o n n e c t sa t 也e c u r r e n tt e c h n 0 1 0 9 yl e v e l p h a s es c r a m b l i n g ，a ni n t e r f 色r o m e t r i cc r o s s t a l km m g a t i o nt e c h n i q u e ， i sr e p o r t e dt ob ec a p a b l eo fi m p r o v i n gs y s t e mt 0 1 e r a l l c et oc r o s s t a l k a si s r e p o r t e d ，i na2 5 g b p sl i n ko f1 0 0k ma n d2 0 0k m ，p o w e rp e n a i t i e s s m a l l e rt h a n2 d bf o rc r o s s t a l ku pt o 一1 5d ba n d - 1 6d ba r em e a s u r e d ，a 1 1 d t h j sc o r r e s p o n d st oa 1 1i n l p r o v e m e n to fs y s t e mt 0 1 e r a l l c et oc r o s s t a u ( o f 7 d ba 1 1 d5 _ 3 d b ，r e s p e c t i v e l y t h i sr e s u l td e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l 姆o f p h a s es c r a m b l i n g i n o p t i c a l n e t w o r kw i mc u r r e n ti m e 铲a t e do p t i c a l t e c h n o l o g y i nm i st h e s i s ，p h a s es c r a m b l i n gi sa n a l y s e df o rs y s t e m so fh i g h e rb i t r a t e s ，e 瘩10 g b p s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，i n1o g b p sb a c kt ob a c k l o c a ls y s t e m s ，t h ei i 工l p r o v e m e mo fs y s t e mt 0 1 e r a l l c et oc r o s s t a l ki s5 d b 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：醯：丞 日期：z 1 6 ：三! ! 笪 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：4 直：墨日期：2 1 生= 墨：! 叁 导师签名： 零寰； 日期：2 1 1 厶：三! ! 墨 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 1 1 选题的科学依据 第一章序论 在目前光通信系统中，w d m 传输系统在骨干通信网中己得到普遍的应用。 w d m 波分复用技术在这些系统中只是用在结点之间点到点的连接，信号的交换 和处理仍在电域中完成。引入o a d m 和o x c 设备在光域中进行交换是w d m 技术下一步自然的演进方向。 由于光器件不理想的滤波和开关特性，不可避免地出现串扰损伤。因为在光 网络中，限制信息容量的往往不是光纤本身，而是网络中设备的带宽。所以，波 长信道必须尽可能小问隔的分配，以适应设备的带宽。当光波长选择器件无法识 别间隔紧密的各个波长时，系统就会产生损伤。另一方面，当波长信道的综合功 率极大，使得光纤不再是线性媒质时，系统也会产生损伤。 w d m 中可能出现的各种串扰( c r o s s 诅l k ) 有：非线性串扰：自相位调制s p m 、 交叉相位调制( x p m ) 、四波混合( f w m ) 、受激拉曼散射( s r s ) 、受激布里渊 散射( s b s ) ；线性串扰：光纤带外( 0 p t i c a lo u t _ b a n d ) 、光纤带内( o p t i c a li n - b a n d ) 、 电带外( e l e c t r i c a lo u t _ b a l l d ) 、电带内( e l e c t r i c a l i n b a n d ) 。电带内串扰又分：差 拍( h e t e r o d ”e ) ( 不相干) 和零差拍( h o m o d y n e ) 串扰( 相干的和不相干的) 。 非线性串扰的抑制方法主要有：不均匀化信道间隔、减小功率电平、增加信道间 隔、使相位不相干。 光节点设备的性能缺陷，即不理想的波长选择性和交换特性，是线性串扰的 主要来源。例如光交叉连接( o x c ) 中的串扰，其源于相邻的w d m 信道，或 是经不同光路在交叉连接点中传输的同一信号的延迟。在交叉连接的输出端，复 用器复用所有波长的信号，使得总输出信号受到所有的串扰的累积影响。这种串 扰与有用信号同波长，而且输出脉冲落在接收机的带内，对信号的影响更大。同 时，多个交叉节点的串扰积累剧增，使得系统性能更加恶化。在检测过程中，由 相同的标称波长信道中的无用信号所产生的干涉串扰，会给系统带来较大的功率 损失和误码率，从而严重限制了光网络的应用范围。 荷兰埃因霍恩大学的博士e 1 h g d i o n g g a 对串扰以及通过扰相来减小干涉串 扰进行了大量的理论和实验研究。从他的研究中可以看到，当功率代价小于2 d b 时，在标准单模光纤传输的2 5 g b p s1 0 0 k m 和2 0 0 k m 光纤链路中，系统的串扰 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 容限分别改善了7 d b 和5 3 d b 。该结果表明，以目前的集成光设备水平完全可以 将扰相法应用在本地局域网( l a n ) 和城域网( m a n ) 中。这个结果之所以适 用于局域网和城域网，是因为这两者对当前的集成光交换和交叉连接的串扰有相 对较高的容忍度。 他的研究还表明，光元件( 如光交换机、光波分复用与解复用器、光路由器) 性能的不完善，是光网络中干涉串扰的主要来源，而干涉串扰是限制光网络覆盖 范围的主要因素。例如，即使是在串扰干扰源相对较少的情况下，为使功率代价 小于1 d b ，串扰隔离度也必须优于3 5 d b 。但是以目前的技术水平，这一要求对 集成光交换机和交叉连接设备而言仍然太高。虽然能够预见的是，设备性能可能 得到进一步的提高，但是，用扰相法优化光网络中单独元件的串扰容限还是很有 必要的。这样，紧迫的串扰隔离度的需求与目前仍不令人满意的数值之间的矛盾 就能得到解决了。 基于上述己有的2 5 g b p s 系统中的研究结论，可以初步推断，在1 0 g b p s 这 一速率仍不算太高的系统中，扰相法对干涉串扰的减小同样有效。由于2 5 g b p s 的系统中也应用了目前广泛使用的e d f a 等元件，故而若能推广到1 0 g b p s 的系。 统，对实际的应用将有很大的价值。目前，1 0 g b p s 的骨干网已经得到了相当广 泛的应用，光城域网也在向1 0 g b p s 演进，通过在系统中加入一个扰相模块就可 以一定程度的减小干涉串扰，提高整个系统抗串扰的能力，这显然是有很大的吸 引力和发展潜力的，也是很有必要的，这也是本课题研究的意义所在。 1 2 国内外发展动态 开题阶段查阅了多方的资料，就目前所掌握的数据表明，国内迸行扰相法相 关研究的还非常非常少。国外进行扰相法相关研究的有一些，其中荷兰埃因霍恩 大学的博士e t 趴酣i o n g g a 在攻读博士学位期问做了大量的研究工作，具体的研 究成果在他所写的c m s s t a l km i t i g a t i o nt e c h n i q u e si n m u l t i w j v e l e n 垂h n e t w o r k s c o m p r i s i n gp h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c 血s ( 2 0 0 1 年出版) 一书中有详尽的阐述。另 外，他还发表了多篇相关论文：i n t e r f e r o m e t r i cc r o s s t a l kr e d u c t i o nb yp h a s e s c m m b l i n g ( 2 0 0 0 ) 、i n t e m m e t r i cc r o s s t a l kr e d u c t i o nb yp h a s es c r a m b l i n gi n w d mi n t e g r a t e dc r o s s - c o 工u l e c t s ( 2 0 0 0 ) 、0 nt h ed i s 埘b u 廿0 na n dp e 怕m a n c e i m p l i c a t i o n so ff i h e r e di n t e r f e r o m e t r i c c r o s s t a l ki n0 p t i c a lw d mn e t w o r k s ( 1 9 9 9 ) 、e x p e 曲l e n t a le v a l u a t i o no f0 p t i c a lc r o s s 诅l km i t i g a t i o nu s i n gp h a s e s c r 锄b l i n g ( 2 0 0 0 ) 、 p e r f o 咖a 1 1 c ee v a l u t i o no fo p t i c a lc m s s c o n n e c t sb y d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 s a d d l e p o i n t a p p r o x i m a t i o n ( 1 9 9 8 ) ，都从相关的各个方面阐述了扰相法减小干涉 串扰的理论和实验研究成果。 由上述可见，扰相法的相关研究比较少，可以借鉴的资料和经验较少，国内 也是刚刚起步，尚未得到广泛的应用。这一点，是本课题研究进展的又一个比较 大的难题。 1 _ 3 课题及论文的工作安排 2 0 0 4 年1 0 月2 0 0 5 年1 月：阅读e 1 h g d i o n g g a 对2 5 g b p s 系统中扰相法 减小干涉串扰的研究成果以及相关资料，理解扰相法的原理及其在2 5 g b p s 系统 中的应用，分析在1 0 g b p s 系统中和o 8 n n l 波长间隔时扰相法的应用可能性，分 析大致可能得到的技术指标。 2 0 0 5 年3 月2 0 0 5 年7 月：进行系统仿真，拟合e t h g d i o n g g a 所得到的 2 5 g b p s 系统中的结论。进一步的，在2 5 0 b p s 系统仿真的基础上对1 0 g b p s 系统 进行仿真，同时结合不同的波长和光纤类型进行讨论。 2 0 0 5 年9 月2 0 0 6 年1 月：结合光网络中必不可少并已得到广泛应用的元 件和技术，如掺铒光纤放大器e d f a ( e r b l u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 、前向纠错 f e c ( f o r 、v a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 进行进一步的研究，分析扰相法对干涉串扰的减 小作用在实际系统应用中的可行性，并完成硕士论文。 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 第二章w d m 光网络中的串扰 2 1 串扰的分类 2 1 1 概述 限制信息容量的往往不是光纤本身，而是网络中设备的带宽。所以，波长信 道必须尽可能小间隔的分配，以适应设备的带宽。这样，当光波长选择器件无法 识别间隔紧密的各个波长时，系统就会产生损伤。同样，当波长信道的综合功率 极大，使得光纤不再是线性媒质时，系统也会产生损伤。光信道的串扰极大的限 制了光传输的性能。 w d m 系统中可能出现的各种串扰( c r o s s t a l k ) 分类如下： 1 ) 非线性串扰有：自相位调制s p m ( s e l f p h a s em o d u l a t i o n ) 、交叉相位调制 x p m ( c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 、四波混频f w m ( f o u rw a v em i x i n g ) 、受 激拉曼散射s r s ( s t i m u l a t e dr a m a i ls c a t t e r i n g ) 、受激布里渊散射s b s ( s t i m u l a t e db r i l l o u i i ls c a 仕e r i n g ) 等等。 2 ) 线性串扰有：光带外( 0 p t i c a l0 u t b a n d ) 串扰、光带内( o p t i c a li n b a n d ) 串扰、电带外( e l e c t r i c “0 u t b a n d ) 串扰、电带内( e l e c t r i c a li n b a i l d ) 串扰、 差拍( h e t e m d y n e ) 串扰( 不相干) 、零差( h o m o d y n e ) 串扰等等。 2 1 2 非线性串扰概述 w d m 网络中，光纤中总的光功率是所有光信道的和。当总光功率比较大时， 光纤的折射率会随光纤中传输信号的光强度而变化。光传输系统中，强度调制是 经常使用的调制方式，而且光纤中光信号的功率不是常数，这样，光信道中的强 度波动引起了光纤折射率的变化。当w d m 系统中的多个信道都发生这样的变化 时，折射率波动又引起相位的变化。因此，产生了交叉相位调制和四波混频等光 串扰，从而影响了系统的性能。 交叉相位调制( ，m ) ：由信号的强度变化导致的光纤折射率的变化所导致 的交叉相位调制( x p m ) ，使其他波长信道信号的相位受到影响，并进一步引发 频谱展宽或啁啾现象。频谱展宽会给色散光纤带来额外的功率代价。 4 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 自相位调制( s p m ) ：光信号的相位变化来源于其自身的功率波动时导致自 相位调制( s p m ) 。在w d m 系统中包含了很多个信道，单个信道中s p m 带来的 性能恶化又会受到其他信道的x p m 的进一步影响。 四波混频( f w m ) ：四波混频会产生新的波长分量( 九。九，k ) 。所产生 的新的波长分量有可能与原有的主信号波长非常接近，从而对相应的波长信道产 生干扰。f w m 的影响取决于信道间隔和光纤色散。 用来抑制依赖于强度的非线性干扰的技术在很多文献中都有所阐述，如不均 匀的信道间隔配置、减小信道的功率等级配置、增加信道间隔等等。由于光波与 硅分子振动的相互作用，光纤的非线性还会导致散射效应，从而带来受激拉曼散 射。或是由于光波与声波的相互作用而产生受激布里渊散射。 受激拉曼散射( s r s ) ：使光能从短波信道转移到长波长信道，具有宽带性 的干涉作用( 1 5 t h z ) 。w d m 系统容易受其影响( 因为w d m 系统的带宽小于 s r s 作用的带宽) 。所以，在充分利用带宽的高密度光通信系统中，串扰的产生 更加容易。另外，s r s 对短波长信道的影响较大。 受激布里渊散射( s b s ) ：使入射信号衰弱，并产生一个反向传输的较强的 散射信号，对双向单纤传输系统产生损伤1 2 】。散射信号被转移到相对低的频率上， 也就是相对长的波长上，改变的幅度大致为1 1 g h z 。与s r s 不同，s b s 的作用 带宽很窄，对于1 5 0 0 1 1 1 1 1 波长窗口来说作用带宽为1 0 1 0 0 m h z 。所以s b s 不会 在不同波长的信道间产生干扰，因为波长间隔远大于s b s 的作用带宽。 2 1 3 线性串扰概述 线性串扰主要由光节点性能的不完善引起。如图2 1 所剥“。一个光节点可 能包含波长选择性和交换性不完善的设备。在只有一个波长选择设备，如w d m 解复用器的情况下，该节点分离光信道并将它们传送到其他节点，这时解复用器 中的串扰是由于有限的邻道抑制。当同时存在选择和交换设备时，例如在交叉连 接或上下路节点中，串扰的产生原因还包括光交换设备的有限的信道隔离度。 线性串扰根据串扰的频谱相对于光滤波器通带的位置，分为光带内串扰和光 带外串扰。光带外串扰位于光滤波器通带之外。在w d m 网络中，光带外串扰产 生于不同波长的信道。这种光串扰的影响不大，因为它可以被窄带光滤波器滤除。 光带内串扰产生于信号和干扰波长非常接近的信道，信号和干扰位于光滤波器的 通带之内，使得光接收机系统的性能下降。带内串扰不能被光滤波器滤除，会随 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 有用信号沿着光网络传输。这种串扰的影响在路由和交换的光节点中累积。如图 2 2 所示。接收端信道中同时包含了有用信号和积累的串扰项。 篮彳 ( 1 ) w d mf i i t e r ( 2 ) w d mc m s s c o n n e c t o u t - b a n d c r o s s t a l k i n - b a n d c r o s s t a l k i n b a l l d c r o s s t a i k o u t _ b a n d c m s s t a l k ( 3 ) w d ma d d d m p 图2 1w d m 光交叉连接器和分插复用器中的线性串扰 图2 2w d m 网络中的光串扰 光带内串扰基于光信号和串扰的电频谱差异可以分为两类。当频谱差小于光 接收机的电带宽时，为电带内串扰；反之，当频谱差大于电带宽时为电带外串扰。 电带外串扰可以通过窄带电滤波器滤除，故对系统性能影响不大。 电带内串扰又可以分为零差拍串扰和外差串扰。零差串扰发生在有用信号和 串扰同频时。此时信号和串扰的拍频功率集中在电基带附近。当信号和串扰频率 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 非常接近时，串扰叫做外差串扰，因为光信号来自于不同的激光源，所以这种串 扰的光相位和信号相位不相关。因为拍频不在基带附近，所以一部分外差串扰的 功率在检测后将位于接收机的电带宽之外，也就是会引发一部分功率损失。 零差串扰可以分为相关的和非相关两种。当差拍在激光器相干长度以内时， 零差串扰叫做相关串扰。反之是不相关串扰，此时会引入快速的相致接收机光电 流的幅度波动或是干涉噪声，由于接收机判决门限是带限的，无法适应这种快速 的波动，从而导致误码，带来系统性能损伤。如下文所述，可以通过拓宽光信号 的频谱使串扰功率谱分布从零差拍到外差拍甚至转为电带外串扰来减轻影响。 2 1 4 光交叉连接中的串扰 w d m 交叉连接设备中有波长选择元件和波长交换元件，将单独的波长信道 从输入交换到输出端。对于w d m 信道的交叉连接来讲，交叉连接器应该能够覆 盖所有这些信道的频谱范围。由于节点设备的不完善性，光信号经过光交叉连接 点时会受到光串扰的影响。串扰来自于相邻的w d m 信道，或是经不同光路的有 用信号的延迟信号，该延迟信号经由该交叉连接设备的不同的光路和原信号相混 和。 图2 3光交叉连接节点的光带内和带外串扰【1 2 光交叉连接节点存在的光串扰如图2 3 所示。图中的交叉连接器能够对两个 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 波长的信道进行单独的交叉连接。实际应用中，集成的w d m 元件的优越性和其 更易产生串扰的特性，使得对其进行的串扰分析和减小更为重要【1 j 。 如图2 3 ，该交叉连接器由光解复用器( d e m u x ) 、光交叉连接开关( s s ) 、 以及光复用器( m u ) 【) 构成。某一特定的波长信道可以经由中间的交叉连接开关 接到所需的输出端。在光解复用器中，相邻波长的信道之间不可避免的产生了光 带外串扰，如图2 3 中d e m u x l 和d e m l l ) 【2 所示。对于光带内串扰，主信号和泄 漏信号的波长相同。 图中，波长为九i 的信号进入输入端口1 ，即信号九在空分交换开关s s l 受到了信号九，的光带内串扰的影响。在交叉连接器的输出端，复用器复用所有 波长的信号，最后的总输出信号受到所有的串扰的积累影响，分别表示为 d e m u x l 、d e m u x 2 、s s l 、s s 2 。这种累积的串扰和有用信号的波长相同，信号 和串扰的差拍项落在接收机的带宽以内，所以给系统的性能带来了严重的损伤。 当光网络中的几个交叉连接器级联时，光带内串扰的数量会急剧增加，从而对系 统的性能产生更大的恶化。 2 2 串扰的初步数学分析 2 2 1 光接收机中的串扰模型 如图2 4 ，光信号和光串扰一起经过光电探测器，进入检测后滤波器。使用 通断键控的情形下，脉冲能量和判决变量值进行比较。带内串扰是在多路同一波 长的信号进入同一个光电二极管时形成的。由于光电探测器的光电流和输入光场 的平方成正比，所以光电流中会包含不同的差拍分量。 e 。h = e 。 s q u a r el a w d e t e c t o r p o s t d e t e c t i o n e 1 e c t r i c a lf i l t e r d e c i s i o n t | l r e s h o l d 图2 4 光串扰分析中的接收机模型 设激光器发出的光信号功率为p 5 ( t ) ，光场表示为连续波( c w ) 的形式【1 1 邮) = 最丽e x p i ；t + 州t ) ( 2 1 ) 其中，；。是极化态，。是光信号的角频率，巾。( t ) 是瞬时光相位。 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 干扰信号的一系列串扰琐表不为： 吾x ( t ) = 。巨t ( t ) ( 2 - 2 ) 光电探测器接收到的包含有n 个串扰项的总入射光场为下式( 2 3 ) ： e 一“( t ) = e s ( t ) + e x ( t ) = ；。小丽e x p j 。t + 吨( t ) + 芝虱止丽e x p j q t + j 妣( t ) 其中，参数。= p k p s 是第k 个串扰项和s 所代表的有用信号的相对功率比 值。b 咄是构成幅度凋制信号的二进制信号：b 。，。 p ，1 ( o p 1 ) 代表消光比。 定义瞬态光功率和电磁场的平方值成正比，光电探测器接收到的场密度是： i p h ( t ) = rj 巨p h ( t ) 2 = r i 百。( t ) + 吾。( t ) f 2 ( 2 4 ) 其中，r = t 1 q 。( h v ) 是光电二极管的响应度，t 1 是量子效率，q 。是电子电量， h v 是光子能量。为了简化分析，设r = 1 ，代表理想光电探测器的响应度。有1 ： i p h ( t ) = e lb 。( t ) + b 。( t ) e 。 + 2 芝蔬厄何而而c 。s 一吼) t + ”) 一心) ( 2 5 ) + 2 艺兰虱；磊厄雨丽c 。s ( 。咱) t + 机( t ) 一十，( t ) i 上式中忽略了角频率的差拍分量。+ 。和+ q ，因为他们落在探测器的 带宽之外。上式中的四项分别是信号项和三个独立的串扰项。 第一项是电带外串扰，该项正比于串扰的功率，对信号的影响也仅仅表现为 功率的叠加。第二项是主信号和干扰串扰的差拍分量，即信号串扰差拍噪声。 该差拍项是基本的串扰项，其表达式为= 旺c o s 中。其中，中是在o 和2 兀之间均 匀分布的随机变量。是差拍噪声的幅度2 p s i 。的概率密度函数为1 1 ： 咏，- 声 一 c e l s e w h e r e ( 2 - 6 ) 第三项是串扰一串扰差拍噪声。在大多数实际系统中这个串扰项是可以忽略 不计的。这样，通常考虑串扰时可以不考虑串扰串扰差拍噪声。总之，光串扰 对光信号的影响可以归结为两项。第一项不受波长和相位的小变化带来的影响， d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 而是随变化的。它对光信号的影响可以通过计算叠加到信号上的串扰功率来得 到。第二项的幅度是i ，其波动是波长和相位差的函数，所以它的计算要将串 扰场叠加到信号上去 3 。 2 2 2 信号和串扰的极化态 如上所述，极化量r s t 用来表示信号和干扰串扰的极化态。大多数分析文献 中，都忽略了信号和串扰极化态失配的影响，并且假设，平均极化态趋于最差情 况，那就是极化匹配。 是否考虑极化态取决于相位和极化变量之间的相对时问域。激光器的相干时 间是纳秒等级的，而极化改变的速率通常至少是相关时间的八倍。这样的话，对 两个随机变量的密度函数进行卷积时，时间域的选择只能用激光器的相干时间。 更长的时间会得到错误的结果。基于这些很不相同的时问域，串扰常常在一个比 特间隙的慢极化波动的情形下进行计算。无论如何，这个估值仍然是不精确的。 我们要做的是一个可信的估值，来确定网络是否满足服务要求。所以进行最差情 形的假设是必要的。 2 2 | 3 信号和串扰的波长 检测过程中的干涉串扰噪声的电平是与落入接收机带宽的差拍项成正比的。 有两个因素：信号和串扰的光频差( 0 。一0 ) 。和光源的带宽v 。 第一个因素依赖于系统的波长需要。对于密集w d m 系统来说，波长很密集， 可能的串扰项和光频的差值将很小。第二个因素与调制格式有关，也就是将电基 带信号加到光域的方式。激光器的连续波带宽的典型值是4 0 m h z ，而光链路的 带宽则是几g h z 。通过使用外部调制，源带宽增加到调制带宽的大小。如果调 制带宽和频率差都小于系统带宽时，差拍噪声功率将被探测到，此时为最差的情 形。通过使用检测前光滤波器和检测后电滤波器，差拍噪声的高频分量将被滤除， 从而减小了噪声方差值。此时只存在低频波动值，检测电路可以跟上信号的动态 变化。这样，可以将串扰损失减小几个d b 。 2 2 4 信号和串扰的相位 基于信号和串扰的相位是否相关，可以将串扰分为相关的和不相关的。激光 1 0 d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 器的相关长度( 典型值是1 m ) 和激光器的本征特性对于定义相位相关度是非常 重要的。当串扰干扰项和信号来自不同的激光源或虽然来自同一个光源但是经历 了远远大于激光器相关长度的延迟时，差拍项将具有不相关特性。对于这样的光 串扰，相位差将在o 和2 兀之间随机分布，并在一个比特时间内快速波动。不相 关串扰的概率密度函数p d f ( p r o b a b m t y d e n s 时f u n c t i o n ) ( 式2 6 ) 再次给出： 咏，- 寿 一 c 1 时，y 的方差随即。的增加而增加，并且从最小值。增大到最大值l 2 。当k = o 时， 卸( t ) 是一个标准的布朗( b r o w n i a n ) 过程。 从另一个角度说，要使干涉噪声对系统的影响较小，也就是使它的方差较小。 由图3 2 中可知，当t 。t 和p t 较大时，干涉噪声的方差较小。这个情况对应于 不相干的干涉噪声( 干涉延迟时间远远大于光源的相干时间) ，同时，激光器线 宽大于滤波器带宽的情况。 所以，滤波后干涉串扰的重要特性是，其方差随d t 的增大而减小。这样， 在光网络中可以通过保证较大的p t = d b 。的值来减小干涉串扰的大小。又因为 检测后滤波器的带宽由系统的比特率决定，所以可以通过扩展激光器的频谱( 即 相位抖动) 来得到较大的p b 。的值。 另外，y 的较高阶项可以由下式得到： ：蒜i ；， 2 两f 备1 m ， i ? 】_ fe 盹 i d t 。 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 初始态为：i r = e 。阢，参数b 。和c 由附录2 中的公式给出【见附录2 】。其 中，三阶项的值为： 肾南 ( 1 + p t ) e 寺+ 旧州3 哪( p t ) 2 ) e 一；b 1 6 + ( 。t 一，) e 2 p t 一；。t d e 一；b t d 一2 p 在有些应用中，例如在w d m 网络中，干涉延迟时间远大于激光器相干时间， 即即d ”1 ，这种情况叫做不相干( i n c o h e r e n t ) 的干涉( i n t e m r o m e t r i c ) 噪声域。 对于这种情况，含有一p k 指数值的项可以忽略，所以，滤波后干涉串扰的奇数项 略去，同时偶数项仅仅是参数b t 的函数。得到高达四阶的偶数项的表达式为： 铲v 神 2 志 e 川哪一 ( 3 _ 2 2 ) “5 j i i 品 e _ 4 盯+ 7 8 3 + 1 4 4 ( b t ) 2 5 4 。p t 一( 2 4 。p t + 7 8 4 ) e b 1 ( 3 2 3 ) d w d m 系统中用扰相法减小干涉串扰 3 5 滤波后干涉串扰的概率密度函数 3 5 1 最大平均信息量法 一个随机变量的概率密度可以由最大平均信息量进行计算【l “，最大平均信息 量法在有限的瞬态值的基础上可以用来估计未知的p d f 包络型。具体的方法在这 里不再赘述，仅仅利用其得到的结论来求滤波后干涉串扰的p d f 。设激光源3 d b 线宽为v = 4 5 m h z ，d = 2 兀v 。同时令均衡带宽( b 。= 1 t ) 分别为3 4 m h z 、 1 4 1 3 m h z 、5 6 5 2 m h z ，则相应的参数d t 为8 3 、2 o 和o 5 。图3 3 显示了3 个p t 值所对应的p d f 值。由图3 3 可知，随着p t 的增加，p d f 的包络从一个顶端分叉 的函数变化为一个类高斯函数型。 图3 3 最大平均信息量法得到的滤波后的干涉串扰的p d f 随p t 变化的曲线6 1 3 5 2 实测的p d f 值旧 实验中激光器