（通信与信息系统专业论文）基于光纤自相位调制全光再生器时间抖动的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 = = = = = 暑= = = = = 皇= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 鲁= 鲁= = 皇= = = = = = = = 掌喜畜霉i ii ii i11i 暑鲁盲= = = 昌= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 全光再生技术由于可以克服电子“瓶颈限制并且对信息格式和传输速率透明， 而成为全光网络的核心技术之一。基于光纤自相位调制的全光2 r 再生器，由于可以提 高消光比，抑制幅度波动，并且结构简单，成本较低，易于与光纤网络融合等优点而 受到了广泛关注。 本文主要就再生信号的时间抖动特性进行了研究。首先针对单波长再生系统中的 时间抖动效应，研究了二次再生结构对时间抖动抑制的效果，着重分析了a a 型( 两个 再生器都为a 型) 、b b 型( 两个再生器都为b 型) 和c c 型( 两个再生器都为c 型) 的性 能。结果表明在研究的三种类型的二次再生结构中，受再生器输出幅度变化的影响， c c 型对时间抖动的抑制效果最好，b - b 型次之，而a a 型非但不能抑制反而会加剧 时间抖动，此外，二次再生结构受到自身因素的限制并不能够完全抑制再生器引起的 时间抖动。 其次，分析了带内交叉相位调制和带内四波混频效应对再生信号时间抖动的影响。 结果表明，在带内非线性效应的影响下，再生信号的时间抖动情况变得复杂，不利于 后续的处理，并且还会降低再生器对幅度噪声的抑制能力；滤波器的偏移方向也会在 一定程度上影响再生信号的时间抖动，但是这种影响程度，随着输入脉冲的增加而减 小。 最后讨论了多波长再生系统中剩余色散对再生信号的影响，并根据转移函数的产 生方式讨论其在实际系统中的局限性。结果表明，受剩余色散的影响，系统的交叉相 位调制效应以及信号的频谱都会发生明显的变化，从而对再生信号产生影响；部分剩 余色散和总剩余色散都会对再生器产生影响，但是相对而言部分剩余色散的影响要更 大一些，略微偏正的部分剩余色散有助于提高再生性能，而适当地调节总剩余色散则 能提高再生器稳定性；在实际系统中，受信号变化的影响，转移函数曲线已不能准确 的反应出再生器的性能，一种可替代的方法是用峰峰值来表示幅度均衡能力。 关键词：全光再生；时间抖动；自相位调制；带内非线性效应；剩余色散；转移函数 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t a l l - o p t i c a lr e g e n e r a t i o ni sl i k e l yt ob eo n eo f t h ek e y t e c h n i q u e si na l l - o p t i c a ln e t w o r k s ， 硒i tc a l lo v e r c o m ee l e c t r o n i cb o r l e n e c ka n di sc o m p l e t e l yt r a n s p a r e n tt ot h em e s s a g ef o r m a t a n dt r a n s m i s s i o nr a t e 皿1 ea l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o nb a s e do ns e l f - p h a s em o d u l a t i o ne f f e c ti s p a i dm u c hm o r ea t t e n t i o nd u et o t h a t i tc a l li m p r o v et h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dr e d u c e a m p l i t u d ef l u c t u a t i o n s f u r t h e r m o r ei th a sa d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ec o n s t r u c t , l o wc o s t ， e a s i l yc o u p l e dt of i b e rn e t w o r ka n ds oo n i nt h i st h e s i s ，t h et i m i i l gj i t t e ri n d u c e db yr e g e n e r a t o ri sa n a l y z e d f i r s t l y , a i m i n ga tt h e s i n g l e - w a v e l e n g t hr e g e n e r a t i o n , t h et i m i n gj i t t e rc a u s e db yt h er e g e n e r a t o rb a s e do n s e l f - p h a s em o d u l a t i o ne f f e c ti sa n a l y z e da n dw eu s ed o u b l e s t a g er e g e n e r a t o rt or e d u c ei t t h ep e r f o r m a n c eo ft h r e ed i f f e r e mt y p e so fd o u b l e s t a g er e g e n e r a t o rt y p ea - a ( t w o r e g e n e r a t o r sa r eb o t ht y p ea ) ，t y p eb - b ( t w or e g e n e r a t o r sa r eb o t ht y p eb ) a n dt y p ec - c ( t w o r e g e n e r a t o r sa r eb o t ht y p ec ) ，i si n v e s t i g a t e d w es h o wt h a ti nt h et h r e ed o u b l e s t a g e r e g e n e r a t o r s ，d u et ot h ec h a n g eo fp u l s ed e n s i t ya f t e rt h er e g e n e r a t o r , t h ep e r f o r m a n c eo f t y p ec - ci nt i m i n gj i t t e rr e d u c t i o ni sb e t t e rt h a nt y p eb - b ，a n dt y p ea ac a u s e sm o r es e r i o u s t i m i n gj i t t e rt h a nt h ef i r s tr e g e n e r a t i o n b e s i d e s ，d o u b l es t a g er e g e n e r a t o rc a n tr e d u c et i m i n g j i t t e rc o m p l e t e l yd u et ot h el i m i t a t i o no fi t s e l f s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo fi n t r a - c h a n n e lc r o s sp h a s em o d u l a t i o na n di n t r a c h a n n e lf o u r w a v em i x i n ge f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fr e g e n e r a t i o ns i g n a l si si n v e s t i g a t e d w es h o wt h a t i n t r a - c h a n n e ln o n l i n e a re f f e c t sm a k et h es i t u a t i o no ft i m i n gj i t t e rc o m p l e x i t y , r e s u l t i n gi n l i m i t e dp e r f o r m a n c ew h e nu s i n gc a s c a d e dr e g e n e r a t o r s ，i ta l s o d e c r e a s e st h ep e r f o r m a n c eo f r e g e n e r a t o ri na m p l i t u d en o i s es u p p r e s s i o n n 硷o f f s e td i r e c t i o no ff i l t e rh a sa i li m p a c to n t i m i n gj i t t e rb u tt h i sk i n do fi n f l u e n c ed e c r e a s e sb yi n c r e a s i n gt h em p u ts i g n a l s f i n a l l y , i nt h em u l t i - w a v e l e n g t hr e g e n e r a t o rb a s e do nd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t , t h e i n f l u e n c e o fr e g e n e r a t i o ns i g n a l si n d u c e db yr e s i d u a ld i s p e r s i o ni sd i s c u s s e d ，a n dt h e l i m i t a t i o no ft r a n s f e rf u n c t i o ni sa l s od i s c u s s e d a st h er e s i d u a ld i s p e r s i o nh a sg r e a ti m p a c t o nx p me f f e c ta n ds p e c t r u mb r o a d e n i n g ，s oi tc a l lc h a n g et h eq u a n t i t yo fs i g n a l s w es h o w t h a tt h er e s i d u a ld i s p e r s i o np e rs e c t i o nh a sg r e a t e ri m p a c to nr e g e n e r a t o rt h a nt h et o t a l r e s i d u a ld i s p e r s i o n1 1 1 er e g e n e r a t o rh a sg o o dp e r f o r m a n c ew h e nt h ev a l u eo fr e s i d u a l d i s p e r s i o np e rs e c t i o ni ss l i g h t l yg r a t e rt h a nz e r o b e s i d e s ，b ya d j u s t i n gt o t a l l yr e s i d u a l d i s p e r s i o nc a r e f u l l y , t h er e g e n e r a t o rc a l lh a v es t a b l ep e r f o r m a n c e 田1 ec u r v eo ft r a n s f e r f u n c t i o nc a n tr e f l e c tt h ep e r f o r m a n c eo fr e g e n e r a t o re x a c t l y 嬲t h ec h a n g eo fs i g n a l s i n o r d e rt od e s c r i b ei t sa b i l i t yi na m p l i t u d ee q u a l i z a t i o n , o n es u b s t i t u t i o ni su s i n gp e a kt op e a k p o w e ri n s t e a do ft r a n s f e rf u n c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 = = = 昌= = = = = = = 昌= 昌昌= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 昌昌昌皇昌皇昌昌皇皇昌昌l 1 l = = = 昌昌= k e yw o r d s ：a l l - o p t i c a lr e g e n e r a t i o n ；t i m i n gj i t t e r ；s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ；i n w a - c h a n n e l n o n l i n e a re f f e c t s ；r e s i d u a ld i s p e r s i o n ；t r a n s f e rf u n c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 全光再生研究背景 近年来，信息网络的发展和应用已经渗透到社会的各个领域，推动了社会的进步 和变革，带动了经济文化的全面发展【l 】。尤其是i n t e m e t 应用的普及和深化，更是影响 了人们的方方面面，像网络购物、网络娱乐、网络社交已成为人们生活中的一部分。 光纤通信技术对信息产业的发展做出了不可替代的贡献。 新的网络服务层出不穷，对网络带宽、传输时延、网络服务质量等提出了更高的 要求。在技术进步、市场要求的激励下，光纤通信系统的传输速度也不断的提高，骨 干网中单信道传输速率已经达到4 0 g b s ，甚至更高【2 】。密集波分复用系统也实现了 1 0 1 7 t b s 3 1 的传输容量。为了适应不断增加的m 业务，以及实现高吞吐量、无阻塞透 明的网络，以光交换技术为核心的全光网络业也快速的发展起来i l 】。 但是光信号在这样的网络中传输，由于受到各种因素的影响会产生失真【4 j ，像光纤 和光器件造成的能量衰减，光放大器噪声导致的消光比降低，色散、偏振模色散导致 的脉冲展宽，非线性效应引起的包络畸变、幅度波动和时间抖动等。因此为了保证信 息传输的质量以及可靠性，需要对信号进行再生处理。 传统的再生方法是，先把恶化的光信号转化成电信号，在电域内处理后，再转换 成光信号。这种光电光再生方式受到电子“瓶颈”和对信息格式不透明等因素的限制 【l 】，难以满足网络发展的要求。对此人们提出了全光再生技术，全光再生是指在光域内 直接对光信号进行2 r ( r e a m p l i f y ，r e s h a p e ) 或3 r ( r e t i m e ) 处理。这种再生方式可以避免 电子瓶颈的限制，克服光电中继的缺点【5 】，对降低网络维护的成本，提高系统运行效率 有着非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 由于全光2 r 再生器在提高消光比、均衡幅度波动方面性能良好，因此当信号的时 间抖动积累不严重时，2 r 再生器完全可以替代3 r 再生器，达到降低成本简化系统的 目的。目前全光2 r 再生器是国内外的一个研究热点。可以用来实现2 r 再生的光器件 有光纠6 7 】、s o a 8 - 1 0 1 、干涉仪【1 1 】和电吸收调制器1 1 2 - 1 4 1 等。其中在利用光纤非线性效应 方面就有基于自相位调制网，四波混频【1 5 1 6 1 ，交叉相位调制【1 7 1 ，受激拉曼散射【1 8 】等不 同的再生方案。而基于自相位调制加偏移滤波器的再生方式，由于结构简单、价格便 宜、容易与光纤系统融合等优点而受到人们的广泛关注。 1 9 9 8 年，贝尔实验室的m a m y s h e v 首次提出了基于光纤自相位调制加偏移滤波器 的全光再生技术( 因此该再生器简称m r ) ，并实现了1 0 g b i t s 信号的再生【6 j 。2 0 0 2 年， 同实验室的gr a y b o n 等人实现了4 0 g b i t s 信号再生【1 9 】。2 0 0 3 年ys u 对4 0 g b i t s 的信 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 道内四波混频( i f w m ) 和信道内交叉相位调制0 x p m ) 的影响进行研究，发现该再生器能 够抑制i f w m 引起的幅度波动而不能改善i x p m 引起的时间抖动1 2 0 。2 0 0 4 年美国北卡 莱罗纳大学的t s i n g h u ah e r 对光纤长度，信号功率，和偏移滤波器三者之间的关系进 行了研究，并在优化的系统中使q 因子改进量提高了1 5 d b 2 1 1 。2 0 0 6 年p r a s h a n tp b a v a j i a 就光纤色散的作用进行了重点研究，得出如果采用色散值大的光纤，再生性能 要好，但是所需的入射光功率也相应增大圈。随后m a o u d e h 分别就剩余色散和噪声 对再生系统的影响进行了研究团】。2 0 0 6 年德国的a gs t r i e g l e r t 2 4 1 并l j2 0 0 7 年英国南开普 敦大学的l p r o v o s t 2 5 j 根据再生器的相关参数分别提出了具体的优化数学模型，使得再 生器在光纤参量和偏移滤波器的设计选择上有了很强的理论依据。2 0 0 8 年，l p r o v o s t 就再生器引起的时间抖动问题进行了研究并提出了具体的解决方案刚。 在单波长2 r 再生研究的同时，人们也对多波长2 r 再生进行研究。2 0 0 3 年日本的 t o h a r a 提出了利用多组单模光纤( s m f ) 和反向色散光纤( r d f ) 交叉组合的方式采用光 孤子脉冲压缩原理实现了4 x4 0 g b s 再生 2 7 1 。随后在这一方案基础上，2 0 0 5 年美国德 州大学的m i c h a e lv a s i l y e v 提出了采用高非线性光纤( h n l f ) 和周期群延时器件( p g d d ) 色散管理方案1 2 8 1 。2 0 0 8 年，l p r o v o s t 对色散管理方法进行改进，采用色散补偿光纤( d c f ) 和单模光纤( s ) 的组合方式，。在实验中实现了4 x1 0 g b s 再生【2 9 】。随后，该小组采用 同样的方法实现了4 x 4 3 g b s 的再生【3 0 】。2 0 0 9 年，美国德州大学p a l l a v igp a t l d 和 m i c h a e lv a s i l y e v 在实验中实现了8 1 0 g b s 信号再生【3 l 】。除了色散管理方法外，2 0 0 8 年l p r o v o s t 等人利用双向传输加偏振复用的方法也实现了4 x1 0 g b s 信号再生瞰j 。 在国内，2 0 0 7 年北京邮电大学的卫艳芬等人利用具有可控制色散特性和高非线性 系数的微结构光纤替代高非线性光纤实现了全光2 r 再生【3 3 3 4 j 。2 0 1 0 年西南交通大学 的张婧研究了色散效应的对再生器转移函数和q 因子的影响，并提出了一种通过改变 再生器结构提高再生性能的方案【3 5 】，同时发现了自相位调制再生方式对r z - d p s k 信号 再生的局限性 3 6 1 。2 0 1 1 年，徐梦蝶研究了单级和双级系统中输入功率和滤波器的偏移 量对抑制信号幅度波动和消除寄生脉冲的影响 3 7 1 。在多波长2 r 再生方面，2 0 1 0 年， 张婧针对色散管理的多波长再生系统，实现了4 x 4 0 g b s 的再生，分析了平均色散对再 生器q 因子改进量的影响，提出了一种通过优化色散管理来改善系统性能的方法郾j 。 1 3 论文的主要工作和结构安排 随着光纤技术的发展，光纤系统的传输容量越来越大，传输速度越来越快，对系 统的性能也提出了更高的要求。全光2 r 再生器相对于3 r 再生器所具备的优势就是成 本低，结构简单。作为一个好的2 r 再生器件，理想的状况是能够对信号的时间抖动有 所改善，如果不能也不应该带来额外的时间抖动。但是m r 再生器由于受到本身结构 的限制，会对信号的定时抖动造成一定的影响，在高速系统中，可能会限制它的应用， 因此有必要针对再生器引起的时间抖动进行相关研究。除了对时间抖动进行研究外， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 文章最后还讨论了剩余色散对多波长再生系统的影响。 本文的主要工作包括以下三方面： 针对利用二次再生结构来抑制时间抖动的方案，就三种典型的二次再生结构a - a 型、b b 型和c c 型进行了研究，通过数值仿真和理论分析发现，c c 型对时间抖动 抑制的效果最好，而a - a 型非但不能抑制反而会加剧时间抖动。 研究了带内非线性效应对再生信号时间抖动的影响。发现带内非线性效应能够使 再生信号的时间抖动情况变得复杂，并且还会降低再生器的幅度均衡能力。 针对色散管理多波长系统，研究了剩余色散对再生器的影响。发现相对于总剩余 色散d 瞄，部分色散d u 对系统的影响更大，略微偏正的部分色散有助于再生性能的提 高，而适当地调整总剩余色散能够提高再生器的稳定性。 论文的结构安排如下： 第一章绪论。介绍了全光再生的背景。针对光纤自相位调制再生器，详细介绍了 国内外研究现状。 第二章全光再生理论基础。以非线性薛定谔方程为基础，介绍了自相位调制和色 散效应对信号的影响。并介绍了基于光纤自相位调制效应的全光2 r 再生器的原理和结 构。 第三章对全光再生器时间抖动抑制的研究。针对单波长再生系统，讨论了再生器 对再生信号时间抖动的影响，研究了二次再生结构对时间抖动抑制的效果，就三种典 型的方案进行了详细研究。 第四章带内非线性效应对再生器的影响。介绍了带内非线性效应原理，分析了带 内交叉相位调制和带内四波混频对时间抖动以及对再生器幅度均衡能力的影响。并研 究了剩余色散对基于色散补偿再生系统的影响。最后分析了转移函数在描述再生器性 能上的局限性。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章全光再生基础理论 研究脉冲在光纤内的变化情况，对深入把握再生器的工作机制以及对于器件的选 择和设计都十分必要。本章以非线性薛定谔方程为基础，主要就群速度色散和自相位 调制对脉冲信号的影响进行了分析。并绍了基于光纤自相位调制全光2 r 再生器的工作 原理，以及系统结构。 2 1 光脉冲在光纤中的传输方程 非线性薛定谔( n l s ) 方程是描述光信号在光纤内传输情况非常重要的方程。本文后 续章节所有的研究内容都是基于该方程进行的。 若光脉冲脉宽t o 5 p s ，它在光纤中的传输情况可由n l s 方程表示为【4 】 暑毛展筹+ 詈a = i y 2 么 ( 2 1 ) 式中a 表示光脉冲的慢变包络振幅；t = t - z v g ，表示在以v g 为运动速度的参考系中 的时间变量；及为群速度色散，又称二阶色散；口为光纤的衰减系数，代表光脉冲在 光纤内传输时的能量衰减：y 为非线性系数，与各种非线性效应有关。 衰减系数口，通常用口豳( d b k m ) 来表示，二者的关系为嗍 = 4 3 4 3 a ( 2 - 2 ) 及常用色散参量d 来代替，二者的关系为 4 1 d = 一学展 ( 2 3 ) 式中c 为光在真空中的速度，旯为波长。 非线性系数y 定义为 4 1 ，：- 2 7 _ r n 2 ( 2 - 4 )，2 _ 式中如表示纤芯有效截面积，1 12 表示光纤的非线性折射率系数。 2 2 群速度色散 如果定义归一化振幅u 并令y = 0 ，式( 2 1 ) 变为【4 】 a u j b ! a 2 u i 一= 二- - = 一 a z2a 丁2 对上式进行傅里叶变换并求解【4 】 t t ( z , 回= 疗( 0 ，国) e 尾以) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 式中0 ( o ，c o ) 是初始脉冲u ( 0 ，r ) 的傅里叶变换。从式( 2 6 ) 可以看出，在传输过程中脉冲 频谱和初始脉冲的相同，说明群速度色散没有引起新的频率分量，但是脉冲的相位却 随着传输距离的改变而不断变化。 对初始啁啾为零的高斯型光脉冲【4 】 丁2 u ( o ，t ) = e x p ( 一希) ( 2 - 7 ) 式中瓦为脉冲半宽度，而习惯上用半极大全宽度( f w n m ) 表示脉冲宽度，二者的关系 为【4 1 1 0 8 c lo 6 i - - 彗o 4 o 2 0 1 0 删= 2 ( 1 n 2 ) 2 t o 1 6 6 5 t o ( 2 - 8 ) 图2 - 1 色散引起的脉冲展宽情况 f 逸2 - 1t h eb r o a d e n i n go f p u l i n d u c 蜘b yd i s p e r s i o n 脉冲沿光纤的变化情况为【4 】 = 南e x p 卜丽耐t 2 ( 2 - 9 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，经过传输后，脉冲仍保持其高斯形状不变， 却发生了变化。为了看清这种变化把式( 2 9 ) 表示成如下形式【4 】 u ( z ，r ) 刊b ( z ，丁) le x p i ( z ，丁) 】 式中 驯= 南时番， 但是脉宽和相位 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 她刃一错象弓断1 ( 纠确 把式( 2 1 1 ) 和式( 2 7 ) 相对比，可得脉冲半宽度1 4 】 互= t o o + p 2 2 2 2 露) 2 ( 2 1 3 ) 引入色散长度l d = 露i 岛i ，式( 2 1 3 ) 3 妫 4 1 五= 瓦【l + ( z l d ) 2 】l 佗 ( 2 - 1 4 ) 方程( 2 1 4 ) 表明，在色散的影响下，脉冲获得展宽，而三d 决定着展宽程度。对长 度一定的光纤，入射脉冲宽度越小，展宽就越显著。图2 - 1 描述的是，脉冲展宽随传 输距离的变化情况。当z = 3 三n 时，脉冲宽度为初始脉宽的两倍。 从式( 2 1 2 ) 可以看到，妒( z ，t ) 与丁相关，这说明在不同r 处脉冲的瞬时频率不同， 频率差面是时间的倒数一a # a t 1 4 j 泖卜等= 焉舞等 方程( 2 1 5 ) 表明，横过脉冲的频率变化是线性的，故成为线性频率啁啾。当为正常 色散时( 尾 o ) ，高频分量向脉冲后沿( 丁 o ) 偏移，而低频分量向脉冲前沿( 丁 0 时，脉冲后沿发生蓝移而前沿发生红移；与反常色散的情况正好相反，如图 2 - 2 所示【3 9 】。所以当脉冲在光纤内传输时，受g v d 的影响，不同的频谱分量传输速度 不同，从而导致脉冲展宽。 量 詈 i 笔 善 z 图2 - 2 高斯脉冲在正反色散区的频率啁啾及频移情况 f i g 2 - 2f r e q u e n c yc h i r pa n ds h i f to fg a u s s i a np u l s ew i t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v eg v d 2 一自相位调制 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 1 非线性相移 ， 如果令履= 0 ，则n l s 的解析解为【4 】 、 、 u ( l ，t ) = u ( o ，t ) e x p i # m ( l ，d 】( 2 1 6 ) 式中三表示光纤的长度，u ( o ，丁) 是z = o 处的场振幅，非线性相移鱿为【4 】 妃( l t ) = iu ( o ，t ) 1 2 ( l 酊上舰) ( 2 - 1 7 ) 式中j 线性长度三舰= ( r p o ) ，有限长度上够= 1 - e x p ( 一越) 】口。 受上谚的影响，光纤越长，非线性相移妣越大。而对于同一脉冲，最大值出现在 中心时间处，因为u 是归一化的，所以1 4 】 = 三够三舰= 成k ( 2 - 1 8 ) 由方程( 2 - 1 7 ) 可以看到，妣( 厶r ) 与时间有关，表明在不同的位置处，瞬时频率不 同，对妣，f ) 求导【4 】 泖) - - 等一舞) 寿川 ( 2 - 1 9 ) 面随时间的依赖关系称为频率啁啾，这种啁啾是由s p m 引起的，它随传输距离 的增大而增大，也就是说，脉冲在光纤内传输时，会连续地产生新频率分量，使得脉 冲频谱展宽。 之 葺 o 墨 正 京 拿 专 图2 - 3s p m 作用下高斯信号的相移和频率啁啾 f i g 2 3s p m - i n d u c e x ip h a s es h i f ta n df r e q u e n c yc h i r p 。从式( 2 - 1 9 ) 可以看到，不同形状的脉冲对时间求导后，其值不同，所以s p m 效应 引起频谱展宽情况就不同，对于高斯型脉冲，啁啾胁( r ) 为吲 泖，音篆丢e 卅c 净2 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 = = 皇= 篁= 盲篁= = 昌薯昌= = = = = = = = = 昌= = = = = = = = = 皇篁= 昌ii = 畜昌= = = = = = = 昌= = = = = 如果从频率改变上来看，前沿发生了红移而后沿发生了蓝移。虽然看起来s p m 和 g v d 都会导致脉冲频移，但是g v d 只是对原有频率的一种重新安排，不会产生新的 频率分量。 2 3 2 脉冲频谱的变化 通常，s p m 引起的频谱变化除了受脉冲形状影响外，还会受初始啁啾的影响。对 于初始啁啾为零的高斯脉冲其频谱展宽情况如图2 = 4 1 4 1 所示。 图2 - 4 初始啁啾为零的高斯脉冲频谱展宽随最大相移的变化情况 f i g 2 - 4s p e c t r u mb r o a d e n i n go f 觚i n i t i a l l yu n e h i r p e dg a u s s i a np u l s ev 睨n 3 u sm a x i m u mn o n l i n e a r p h a s es h i f t s p m 引起的频谱由许多峰组成，峰的数目与丸。有关，通常最外层的强度最大。 这种现象的产生，是由同频率的两个波因相位不同发生干涉造成f 搀t 4 j 。 当脉冲带啁啾时，脉冲频谱展宽情况会发生很大地变化。在丸。= 3 5 x ，具有正 负啁啾( c = 5 ) 的高斯脉冲的频谱如图2 5 【4 】所示，与无啁啾的频谱相比，负啁啾使频 谱峰数目减少，而正啁啾使得频谱峰数目增加。这是由于c 0 时，初始啁啾与s p m 引起的啁啾符号相同，二者相互叠加，使得啁啾增强，加剧了频谱振荡程度；而c 1 时，表示s p m 起主要作用；而当n 0 ) ，与只有g v d 作用时相比，s p m 能够加速脉冲展宽。而脉冲形状的变化反 过来会对s p m 生产的啁啾造成影响，并与g v d 产生线性啁啾相互作用，对脉冲频谱 产生影响。由图2 - 6 可以看到这种变化。与s p m 单独作用相比，脉冲的频谱波动变小， 谷点也变浅，基于此，m r 再生器常常用选用正常色散的h n l f t 4 0 j 。 2 5 基于光纤自相位调制全光2 r 再生原理 基于光纤s p m 效应的再生原理图如图2 7 所示1 4 0 1 。根据2 3 中的内容知道，s p m 产生的频谱展宽与自身光强相关，信号的功率越大其频谱展宽程度就越大。“0 处的 寄生脉冲功率比较小，经过h n l f 后，频谱展宽不明显，在h n l f 的输出端放置一个 偏移滤波器( b p f ) ，如果滤波器设置合适，则能够实现滤除噪声的目的，如图2 - 7 ( a ) 所 示。而“l ”信号由于功率比较大，经过m 儿f 后频谱展宽明显能够通过偏移滤波器， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 信号被恢复如图2 - 7 ( b ) 所示。 萎 & 芎 詈 _ _ 墨 芎 拿 营 霉 尝 矗 言 a 甚 芎 o w a v e l e n g t h g h o s tp t a s ei nt h et i m ea n df r e q u e n c y 九 。窃 皇 q 葛 b p f t i m e w a v e l e n g t h t i m e ( b )s i g n a li nt h et i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n 图2 - 7 基于光纤s p m 效应的2 r 再生原理图 f i g 2 7s c h e m a t i co f2 rr e g e n e r a t i o nb a s e do ns p m e f f e c t s 基于光纤s p m 效应的全光2 r 再生器的结构如图2 一所示【3 5 , 4 1 】。再生器主要由掺 铒放大器( e d f a ) ，高非线性光纤( i - i r 也r ) 和偏移带通滤波器( b p f ) 组成。进行再生时，先 把需要处理的信号经过e d f a 放大，然后进入到h n l f 中让高功率的信号获得大的频 谱展宽，最后经过偏移滤波器，消除寄生脉冲并对“l 信号进行整形。 图2 - 8 基于光纤s p m 效应的全光再生器结构图 f i g 2 - 8s y s t e md i a g r a mo f a l l - o p t i c a lr e g e n e r a t o rb a s e do ns p me f f e c t s 2 6 本章小结 对全光再生器造成影响的因素有，放大器、偏移滤波器以及光纤的各个参数等， 但是为了从物理角度深入了解再生器的原理，本章根据脉冲在光纤内的传输情况，介 绍了群速度色散，自相位调制以及初始啁啾对脉冲形状以及频谱的影响。后续部分都 是依据该章内容进行研究分析，或是在该基础上进行延伸。本章从物理层面对一些现 象的分析和认识，尤其是在不同的频率啁啾之间的相互作用对脉冲频谱的影响上所采 用的一些分析和解释，也是后面在处理一些相似情况时所采用的方法。 u ja参oa苫a芎()吐 西南交通大学颟士研究生学位论文第1 1 页 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 皇篁= = 皇= 皇昌蛊暑= 掌i 昌昌昌= = = = = = = = = = = = 昌= 昌= = = = = = = = = = = = = = = = = = 皇 第3 章对全光再生器时间抖动抑制的研究 基于光纤自相位调制效应加偏移滤波器的全光2 r 再生器以其结构简单、经济、受 环境影响小、易向多波长扩展等因素【3 5 】而受到人们的广泛关注，并在下一代全光系统 中具有很大的应用潜力。但是该再生器受到自身因素的影响，会对再生信号造成时间 抖动【2 6 】，这可能会限制其在高速系统中的应用。本章将介绍再生器引起时间抖动的原 因，并用二次再生的方法来加以抑制。 3 1 再生器类型 自从m r 再生器1 9 9 8 年被提出后，人们就从实验和理论上对其进行了大量的研究。 设计出性能优良的再生器一直是主要的研究方向【2 5 ，3 5 1 。但是再生器性能受很多因素的 影响，除了光纤的参数外，信号的占空比，e d f a 的放大倍数，b p f 的带宽以及偏移量 等都会对再生信号产生影响。为了方便直观起见，常常采用转移函数( t r a n s f e rf u n c t i o n ， 简称t f ) 来描述再生器的性能。 简单地说，转移函数就是信号的输出功率随输入功率变化的情况。根据转移函数 曲线形状大致可以分为三种【2 5 】：非单调型( a 型) ，局部平坦型型) ，单调上升型( c 型) ， 如图3 1 【2 5 】所示。相应的，把产生这三种转移函数的再生器，分别称为a 型再生器、b 型再生器和c 型再生器【4 。 从转移函数的形状可以直观的看出再生器对信号“l ”幅度波动的改善情况，以及 对寄生脉冲的消除情况。转移函数曲线越平坦，表明在该输入功率区域内码元“1 ”再 生后的幅度波动越小，再生质量越高，所以常常会选用b 型再生器的平坦区作为工作 窗口。图3 - 1 ( a ) 和图3 1 ( c ) 将输入功率设置在转移函数曲线斜率较小处也能改善信号的 幅度波动，但是效果不如图3 1 ( b ) 好。 ： 母 、 3 o 正 ( a ) 非单调型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 了 叮 、_ 了 。 山 了 、_ 3 o 正 p h ，a u ( b ) 局部平坦型 ( c ) 单调上升型 图3 - 1 基于光纤s p m 效应再生器的三种转移函数类型 f i g 3 - 1t h r e et ft y p e sf o rs p m - b a s e dr e g e n e r a t o r 根据文献【3 7 】的参数设置，选取中心波长为1 5 5 0 r i m ，初始信号为4 0 g b s 的高斯脉 冲信号( 脉冲宽度为6 2 5 p s ) ；滤波器为高斯滤波器( 带宽0 5 6 3 n m ) ，偏移中心波长 1 8 4 r i m ；h n l f 长度三- - 2 4 k m ，非线性系数y = 8 4 w q - k i n ，损耗系数口= 0 6 d b 妇， 群速度色散晟= 0 9 4 p s 2 k m 一，得到的系统转移函数如图3 2 所示。从图中可以看到， 当信号的输入功率小于0 1 w 时，经过再生器后输出功率几乎为零，所以功率小于0 1 w 的寄生脉冲，就会被滤除掉，消光比会得到很大的提升。如果增加滤波器的偏移量， 再生器对寄生脉冲的消除范围会相应增加。图中阴影部分是再生器的工作窗口区，输 入功率范围1 0 w 1 2 w ，该段范围内的信号经过再生后幅度波动范围很小，大概只有 0 4 m w ，改善情况明显。 当初始信号的峰峰值同( m 缸“l s ”) m a x ( “l s ”) ) 为0 8 ，功率波动范围在平坦区内时， 信号再生前后的眼图如图3 3 所示。从图中可以看到信号的幅度波动情况得到了很大 的改善，信号的质量得到显著的提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 0 1 2 0 0 8 砉 3 芎0 0 4 o 0 i = x i x 冀i 茸 00 511 52 i n p u tp o w e r w 图3 - 2 b 型转移函数曲线 f i g 3 - 2t h ec t l r v eo f t y p ebt r a n s f e rf u n c t i o n 图3 - 3 信号再生前后眼图 f i g 3 - 3e y ed i a g r a m sb e f o r ea n da f t e rr e g e n e r a t o r 3 2 再生器引起的时间抖动 3 2 1 再生器造成时间抖动的原因 从图3 3 中也会注意到再生器对再生信号带来了时间抖动。对于引起的时间 抖动，一般认为是由于不同功率的输入信号在高非线性光纤( h n l f ) t 勾传输时，在非线 性的作用下引起频率啁啾不同，而不同的频率啁啾在偏移滤波器的作用下造成了时间 抖动阴。具体表现为，如果偏移滤波器相对原始信号的中心频率是正向偏向的，那么 具有低峰值功率的信号要比高峰值功率的信号先到达m r 终端；反之，当滤波器负向 偏移时，具有高峰值功率的信号要比低峰值功率信号先到达m r 终端。如图3 - 4 所示1 2 6 j ， 卵为滤波器的偏移量。 ：、1鸯之6q一毋uld3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 f r e q u e n c y c h 卸， f l t i m e 图3 4 再生器导致的时l 司延迟示意图 f i g 3 - 4s c h e m a t i co f t e m p o r a ld e l a yi n d u c e db yr e g e n e r a t o r 根据上面的参数，把脉冲序列的平均输入功率设定为1 5 w ( 把工作窗口设定在这个 功率段，是由于该段的t f 是单调上升的，这样再生信号间的功率值大小关系与原信号 相比没有发生变化，方便观察) 。得到的时间延迟结果如图3 5 所示。图3 - 5 ( a ) 是滤波 器正向偏移时的眼图，可以看到高功率的信号在时间上要滞后低功率的信号，而图3 - 5 ( b ) 是滤波器负向偏移时的眼图，情况正好相反。 图3 5 时间延迟眼图 f i g 3 - 5e y ed i a g r a m so f t e m p o r a ld e l a y 3 2 2b 型再生器引起的时间抖动 在m r 的诸多研究中，设计出性能良好的b 型再生器是其中一项非常重要的工作。 对此人们也提出了一些行之有效的方法【3 5 1 。但是随着研究的深入，