（电磁场与微波技术专业论文）光网络中全光信号再生关键技术的研究.pdf

摘要 本论文是在北邮电信研究院资助的课题“全光3 r 再生设备的研究”的基础 上展开的。 目前，由于人们对信息量需求的激增，对传输的带宽和速率有了更高的要求， 随着传输信道数目的增加和传输速率的提高，色散、自发辐射噪声和光纤非线性 效应等影响显著，经长途传输的光信号受到损伤，必须对受损的光信号进行再生。 同现有电域中的再生相比，全光再生系统具有高速率和成本低等潜在的优势，全 光再生技术成为未来全光网的关键技术之一。 在本论文中，我们对光网络中的全光再生关键技术进行了深入的研究，获得 了如下成果： 1 对各种全光时钟恢复技术进行了讨论和比较，指出了基于d f b 激光 器自脉动的时钟恢复技术具有更大的优势和实用潜力。 2 对双区和多区d f b 激光器的自脉动现象进行了理论分析，通过数值 计算得出在d f b 激光器中，在不同的外界控制条件下，可产生两种 不同机制的自脉动，即色散自q 调制和差拍型自脉动。 3 提出了种新型的双区d f b 激光器件作为光时钟恢复模块，对它的 特性进行了数值模拟。它同原有的双区d f b 激光器相比，具有自脉 动频率高、调谐范围大的优点；它同原有的多区d f b 激光器件相比， 具有结构简单、调谐范围大的优点。 4 对基于s o a 的对称马赫一曾德光判决门进行了理论分析，得出了光 判决门的开关窗口与脉冲宽度、增益压缩因子和时间延迟的依赖关 系。对非对称和对称的双s o a m z i 光判决门进行了试验研究。 5 阐述了s o a - d i 型光判决门的工作原理，对s o a d i 型光判决门进 行了试验研究。表明了基于s o a d i 型光判决门具有结构简单、易于 控制、较高消光比和较平坦开关窗口的优点。 6 对时钟恢复模块采用双区d f b 激光器，判决门模块采用s o a - m z i 的全光再生系统进行了分析，通过数值模拟表明，受到损伤的信号 经过全光再生系统后，其噪声和时间的抖动得到了有效抑制。 提出了在w d m 光网络中基于超连续谱和同步调制的多波长再生方 案 关键词；全光网：波分复用；全光再生；时钟恢复；光判决门；d f b 激光器件； 自脉动；s o a - d i ；s o a - m z i ；线性啁啾光栅：超连续谱；同步调制 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r kd e s c r i b e di nt h i s p a p e r i su n d e rt h ep r o j e c t s t u d yo n a l l - o p t i c a l3 rr e g e n e r a t o r w h i c hi sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt e l e c o m m u n i c a t i o n r e s e a r c hi n s t i t u t eo f b u p t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n df o rw i d eb a n da n dh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o nh a s g r e a t l yi n c r e a s e db e c a u s e o f r a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e r n e ts e r v i c e ，h i g l lc a p a c i t yd a t a s e r v i c e ，e t c t h ee f f e c t so fd i s p e r s i o n ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) n o i s e ， a n df i b e rn o n l i n e a r i t i e s a g g r a v a t e w i t l lt h e i n c r e a s i n g n u m b e ro fc h a n n e l sa n d t r a n s p o n i n gs p e e d s t h es i g n a l sh a v e t ob er e g e n e r a t e da r e r t r a v e l i n g al o n gd i s t a n c e t h ea l l - o p t i c a lr e g e n e r a t i o ns y s t e mh a saf e wa d v a n t a g e so v e rt h er e g e n e r a t i o ni n e l e c t r i cd o m a i ns u c ha sh i g hv e l o c i t ya n dm o r ec o s te f f e c t i v e a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o n i st h ek e y t e c h n i q u ef o rt h ef u t u r ea l l - o p t i c a ln e t w o r k s i nt h i s p a p e r ，w eh a v es t u d i e di n d e t a i lo nt h ek e yt e c h n i q u e so fa l l o p t i c a l r e g e n e r a t i o na n dg e ts o m e v a l u a b l er e s u l t s 1 a l lk i n d so f t e c h n i q u e sf o ra l l - o p t i c a lt i m er e c o v e r yh a v eb e e nd i s c u s s e da n d c o m p a r e d t h et i m er e c o v e r yt e c h n i q u eb a s e d o n s e l f - p u l s a t i o no f d f bl a s e r s h a sm o r e p o t e n t i a l ， 2 w eh a v ea n a l y z e dt h ep h e n o m e n ao fs e l f - p u l s a t i o ni nt w oa n dm u l t i s e c t i o n d f bl a s e r s c o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w nb yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt h a tt h e r e a r et w om e c h a n i s m sa b o u ts e l f - p u l s a t i o n ，i e t h es e l f - q d i s p e r s i o np u l s a t i o n a n dt h eb e a t i n gt y p es e l f - p u l s a t i o nt h r o u g hc h a n g i n gt h ec o n t r o l l i n go u t s i d e c o n d i t i o n s 3 an e wt w o - s e c t i o nd f bl a s e rd e v i c ei sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t ht t 妇- s e c t i o n d f bl a s e r , i th a s s i m p l e r s t r u c t u r ea n d l a r g et u n i n g ；c o m p a r e d w i t h t h r e e s e c t i o nd f bl a s e r s ，i th a ss i m p l e rs t r u c t u r ea n dl a r g e t u n i n g 孵 4 w ea n a l y z e dt h eo p t i c a ld e c i s i o ng a t eb a s eo ns y m m e t r i c a ls o a m z i ，a n d r e s u l t sa r eo b t a i n e da b o u tt h ed e p e n d a n tr e l a t i o nb e t w e e nt h ew i n d o w s a n dt h e w i d t ho fp u l s e s ，t h en o n l i n e a rg a i nc o m p r e s s i o nf a c t o r , a n dt h et i m ed e l a y e x p e r i m e n t s h a v eb e e nd o n ef o r a s y m m e t r i c a n d s y m m e t r i c s o a m z i d e c i s i o ng a t e s 5 t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e o fs o a - d i o p t i c a l d e c i s i o n g a t e i s e x p l a i n e d e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ef o rs o a - d id e c i s i o ng a t e s t h es w i t c h i n g w i n d o w so ft h e mh a v eb e e na n a l y z e d _ t h es o a - d id e c i s i o ng a t eh a st h e a d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t m 屯，e a s yc o n t r o l ，h i g he x t i n c t i o n , a n d f l a ts w i c h i n g w i n d o w 6 w eh a v ea n a l y z e d 锄a l l - o p t i c a lr e g e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do nt w o s e c t i o n d f bl a s e r 鲢c l o c kr e c o v e r ym o d u l ea n ds o a - m z i 雒d e c i s i o n g a t em o d u l e r h r o u z hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i ts h o w st h a tt h en o i s ea n dt i m ej i t t e rh a s r e d u c e da f t e rt h ed e f o r m e ds i g n a l sp a s s e dt h r o u g ht h ea l l - o p t i c a lr e g e n e r a t i o n s y s t e m 7 w eh a v ep r o p o s e dm u l t i - w a v e l e n g t h a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o np r o j e c t sb a s eo n s u p e r c o m i n u u m a n ds y n c h r o n o u sm o d u l a t i o nu s e di nw d m o p t i c a ln e t w o r k s k e y w o r d s ：a l l - o p t i c a ln e t w o r k s ；w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ；a 1 1 - o p t i c a l r e g e n e r a t i o n ；c l o c kr e c o v e r y ；o p t i c a ld e c i s i o ng a t e ；d f b l a s e rd e v i c e ；s e l f - p u l s a t i o n ； s o a - d i ；s o a - m z i ；l i n e a rc h i r p e d g r a t i n g ；s u p e r e o n t i n u u m ；s y n c h r o n o u s m o d u l a t i o n 北京邮电大学博上学位论文 声明 声明 独创性声明 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己在论文中 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， 本人签名：鲍盔丕 本人承担一切相关责任。 日期：型竺= ! 二堑 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) 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：必查垂 ：日期：。础= = 互 导师签名： 一 1 2 0 0 l j u q 4 u q1 5 u q 波长 图1 2 标准非色散位移单模光纤的波导色散和 材料色散随光波长的变化曲线 对于长途传输的高速大容量的光纤链路，偏振模色散是导致脉冲展宽的另一个重 要因素。对入射脉冲的两种偏振分量，由于群速度色散，它们以不同的速率在光 纤中传输，由于光纤双折射的变化是随机的，群速度也随机的变化，因此脉冲在 传输中变宽，这种现象称为偏振模色散”】。如图1 3 所示： ：黧，s o p 图1 3 光纤的偏振模色散 偏振模色散，是由于光纤传输介质的截面偏离了其理想的圆形，或者其折射 率分布偏离了理想的轴对称性，使得两正交偏振的光波在光纤中传输速度不一 样从而使传输的脉冲展宽，影响信号速率的提高。光纤在制造、运输、铺设， 以及外界环境的变化等过程中，都可能引起光纤的偏振模色散。在9 0 年代以来， 随着光纤通信系统传输速率的进一步提高，随着人们对衰减等问题的解决，偏振 模色散对系统的影响逐渐的显现出来。它成了限制高速率长距离传输系统的主要 因素之一。 1 j l 塞堡垒玉兰签圭趋塞 第一章绪论 1 1 3 光纤中的非线性效应 在常规的光纤通信系统中，光纤中的光场强度较弱，此时光纤是线性媒质， 光纤中的参数随着光场作线性变化。但是随着w d m 系统中信道数目的增加，光 纤放大器在线放大，在光纤中一些地方的光功率增强，光介质在高功率光场的作 用下产生菲线性极化，高功率光信号与光纤相互作用会产生各种非线性效应 6 a 0 - 1 2 。非线性光学效应的强弱不仅与光强有关，而且与相互作用的长度有关， 由于光纤的损耗已经较小，可以在较长的距离上保持高的光强度，这样就大大增 加了相互作用的长度从而使非线性效应更为突出。非线性效应不仅带来某一信 道的能量的损耗、信号的失真，还会使光网络中这一信道的强度和相位受到其它 信道信号的影响，产生非线性串扰等问题，对光纤通信系统的性能造成不良影响。 有两类非线性效应对光纤中的信号传输产生影响一类是非线性非弹性散射 过程，即是受激拉曼散射( s r s ) 与受激布里渊散射，在这类非线性效应中，参 与作用的介质中的原子的状态发生了变化。这类非线性作用不仅存在着入射光场 之间的耦合作用，而且还存在着入射光场与物质激发态之间的耦合；第二类非线 性效应是起因于光纤中与光强度相关的折射率变化，这类效应有自相位调制、交 叉相位调制和四波混频等。 受激拉曼散射和受激布里渊散射：当光纤中传输信号的光功率较小时。主要 表现出的是自发拉曼散射和布里渊散射，它们对传输的光信号并不产生明显的影 响，但随着传输信号的光功率的增大，就可能引起受激拉曼散射、受激布里渊散 射。受激拉曼散射、受激布里渊散射所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的 强度有关，这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损 耗，从而使不同的波长信道问产生串扰，形成串扰噪声，对系统的性能造成影响。 受激拉曼散射是信号光与光纤中的二氧化硅分子的振动之间相互作用的结 果。若有一个能量为 v ，的光子( 泵浦光) 入射到振动频率为v 。的分子上，分子 从光子中吸收一部分能量，在相互作用中发生了散射，产生了一个较低频率能量 为自n 的光子，这个二次光子成为斯托克斯光子，生成的散射光的波长比入射光 长，在该波长位置的光信号被放大，而泵浦光的功率下降。结果是：受激拉曼散 射将短波长信道的能量搬移到邻居较长波长的信遒中，可以严重地影响多信道光 通信系统的性能。图1 4 描述了这一现象。等功率的输入信号经光纤中的受激 北京邮电大学博士论文第一章绪论 拉曼散射效应，输出信号的功率发生了相对的变化。 丝理 九f 九3 九2 九l e q q 九1 九2 九3 九4 九l 九2 九3 九4 图1 - - 4s r s 将一部分光功率从短波长搬移到长波长 在受激拉曼散射中，能量的转移与两个信道的码型有关，当两个信道都为 “l ”码时引起的拉曼散射最严重，串扰最为明显。 受激布里渊散射源于光波对声波的散射，散射波在光纤中沿背向传输，背 向的散射光从传输的光信号中获得增益，从而导致了信号光的衰减和串扰。受 激布里渊散射所需的入射光功率远低于受激拉曼散射所要求的泵浦功率，一旦达 到布里渊散射域值，受激布里渊散射将大部分功率转换为后向斯托克斯波。在光 纤中，这种能量的转移发生在较窄的布里渊线宽以内。 自相位调制和交叉相位调制：介质的折射率”与光强i ( 单位有效面积的光 功率) 的关系为：”= h 。+ n ：，其中是光纤介质的常数折射率，n ，是非线性 折射率系数。在单波长信道中，自相位调制将光波的功率波动转化为该光波的相 位波动。图1 5 表示了光脉冲沿光纤传输时的自相位调制现象。横轴坐标是时 间与光脉冲半宽度的归一化表示，上半部分表示了光功率随时间的变化，脉冲沿 代表了随时间变化的强度信号，它很快从零达到最大值，然后又返回到零，时变 图1 5 光脉冲沿光纤传输时的自相位调制现象 的信号强度将产生时变的折射率，因此脉冲顶端的折射率将与脉冲沿的折射率有 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 微小的不同，脉冲前沿将获得正的折射率随时间变化，而脉冲后沿产生负的折射 率随时间变化。图的下半部分所示时变的折射率导致了时变的相位，使得脉冲上 各点的频率与初始频率不同，由于相位的波动与光强相关，脉冲的不同部分所经 历的相移也不同，从而导致了频率啁啾，脉冲上升沿产生频率红移，而下降沿的 频率发生了蓝移。 由于群速度色散引起了光纤中传输脉冲的频率展宽，时变相位可以引起信号 损伤，在正常色散的波长区域，红移的脉冲前沿传输的较快，因此离脉冲中心越 来越远；而蓝移的脉冲后沿传输的较慢，同样也远离脉冲中心，此时的啁嗽恶化 了群速度色散引起了脉冲展宽效应。当波长处于反常色散区域时，红移的前沿传 输的较慢，而蓝移的后沿传输的较快，这种情况下，自相位调制可使脉冲变窄。 自相位调制和交叉相位调制影响信号的相位，从而使脉冲信号产生啁啾，这 将会加快色散引起的脉冲展宽，这种效应在高速通信系统或输入光的功率大于 1 0 m w 时尤为显著。 四波混频：四波混频是起源于折射率的光致调制的参量过程，在大容量高速 的w d m 光网络中，需要高发射功率和低色散，这容易导致四波混频而产生新的频 率。四波混频效应引起信道串话，从而限制了w d m 系统的性能。 四波混频是光纤中的三阶非线性，当波长信道位于零色散附件时，三个光频 可混合产生一个新的光频： ”m = v 。+ v ，一”i且i ，j 舌 ( 1 - - 4 ) 当这个新频率落入原有频率的传播窗口时，就会产生严重的干扰。当有n 个光波 在光纤中传播时，混频产物的数量为： 1r 2 生( 一1 1( 1 - - 5 ) 2 、 。 若各信道等间隔，一些新波长与原注入信号有相同的频率，因此，所产生的串扰 再加上原信号的衰减，严重影响信号的传输质量。 四波混频与光纤色散和各信道的间隔相关，光纤的色散越小，复用的信道间 隔越小，四波混频越容易发生。对于群速度色散较大的常规光纤( g 6 5 2 光纤) 中，相位匹配条件难以满足，四波混频效率较低：而对色散位移光纤( g 6 5 3 光 纤) ，相位匹配条件较容易满足，四波混频效率较高。 北京邮电大学博士论文第一章绪论 传输信号的劣化还包括光信号通过网络节点，波长变换等会引起信号的噪 声。包括因为光学器件的非理想特性( 如非理想滤波器件、非理想光开关、光纤 连接器和光纤耦舍器折射率不连续产生的内反射等) 引起的线性串扰和非线性 串扰。它们通过多个节点后不断积累，对通信系统性能产生严重损伤【1 3 】。 通过以上的分析可知，由于光信号在光纤链路中传输时，受到诸多因素的影 响，使得光信号的质量的不断劣化。带来了信号再生的问题。并且如果采用高速 率的线路速率。这个问题就会更加严重。即使是在性能较好的超长距离传输系统 中，那些距离较长的传输链路或一些通过许多中间节点的光脉冲信号，也不可避 免地需要信号再生。只有及时对光信号进行再生，才能保证信息传输的可靠性。 现有的电域中的再生系统，在高传输速率的光网络中受到“电子瓶颈”的限 制，并且光一电一光的转换方式使系统结构复杂、成本高、难以集成化，无法满 足对传输速率和数据格式透明性等要求。使网络传输与交换设备严重依附于信号 的速率、格式等因素，在网络升级时不可避免地要替换原有的大量设备，造成投 的大量浪费，提高了网络升级的成本，对通信网的发展形成了相当大的经济方面 的阻力。然而在光域中对信号进行再放大、再定时、再整形，即全光3 r ( r e 锄p l i f i c 撕。玛r e - t i m i n g ，r e s h a p i n g ) 再生技术可克服以上弊病，大大地提 高网络的级联能力和传输距离i l 5 ，。 在现阶段对于信号处理方面，光子器件与传统的电子器件的性能相比尚有一 定的差距，对传输信号的全光交换和全光再生技术尚处于研究阶段。目前国外一 些公司和科研机构正在探索实现全光3 r 再生。国内的研究机构或通信设备厂商 在这方面的研究工作尚有差距。具有全光3 r 再生功能的新型器件是当前全光传 输网研究的关键技术，对于未来实现全光通信具有举足轻重的作用。成为未来全 光网络发展的重要技术之一。这一课题属前沿课题，全面了解目前国外全光3 r 再生设备的发展现状以及其发展趋势，对全光再生系统进行细致的理论研究、设 计和试验模拟尝试，对把握光纤通信的发展趋势、研制新一代全光通信系统是具 有非常重要的意义。 1 2 全光3 r 再生技术及其发展动态 全光再生，是指在光域中对传输的信号进行再放大、再定时、再整形，即全 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 光3 r ( r e a m p l i f i c a t i o n ，r e f i m i n g ，r e s h a p i n g ) 再生。全光3 r 再生技术的发展，就 其技术实现的过程可分为三个阶段，即1 r 、2 r 和3 r 再生 1 7 】。1 r 再生是指再放 大过程，补偿光信号在传输中损耗的光功率。八十年代末掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术的成熟，实现了在光域中直接对信号的放大，使l r 功能得以实现。目前人 们正致力研究拉曼光纤放大器( f r a ) ，希望在全光波段放大光信号来满足信道 不断扩展的要求。用e d f a 和f r a 放大技术与传输速率与数据格式无关，使多 个w d m 信道可同时被放大。但e d f a 和f r a 只有提高功率补偿损耗的功能， 级联的e d f a 和f r a 的自发辐射( a s e ) 噪声，随传输距离的增加而不断地积 累，加重了传输中的嗓声和串扰。 2 r 再生通常是指再放大和再整形技术，整形的功能可由光判决门来实现1 1 8 1 ， 光判决门即为非线性的光开关，其非线性传输特性可有效地抑制噪声的积累和串 扰。只有足够能量的光信号可通过光开关，而噪声不能通过光开关，所以噪声被 滤掉。设计的光开关的窗口略大于时钟脉冲宽度，避免了注入信号噪声和波形失 真加载到再生信号上。 3 r 是在2 r 的基础上增加了再定时功能，当时间抖动的积累严重时，再定时 成为必要。传输信号的时间抖动主要是由w d m 系统中的非线性效应或脉冲边缘 失真引起的。通过时钟提取单元，提取出损伤信号的同步无抖动的时钟信号。全 光3 r 再生原理如图1 6 所示。入射损伤信号进入全光再生器时被分为两路， 一路进入时钟提取单元以提取时钟光信号，提取出的时钟信号具有稳定的幅度和 时钟信息，另一路信号经e d f a 放大后，与时钟信号脉冲一同注入光判决门，经 过光判决门后可得全光再生信号。 图l 一5 全光3 r 再生原理图 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 1 2 1 光放大技术 光通信中的主要的光放大器有掺稀土元素的光纤放大器和人们正致力于研 究的喇曼光纤放大器( r f a ) 典型的稀土掺杂光纤放大器有工作在c 及l 波段的铒( e r ) 掺杂光纤放大器 ( e d f a ) 和1 3 0 0 r i m 波段的掺钕( n d f a ) d 1 及掺镨( p d f a ) 光纤放大器1 1 9 - 2 1 】 以及工作在s + 波段( 1 4 5 0 - - 1 4 8 0 n m ) 的掺铥光纤放大器( 1 1 ) f a ) 。c 波段e d f a 是目前技术最为成熟、在d w d m 系统中应用最为广泛的稀土掺杂光纤光放大器， 具有输出功率大、增益高、偏振灵敏度小等特点。p d f a 工作在1 - 3 1 t u n 波段， 已铺设的光纤9 0 都工作在这一窗口。p d f a 对现有光通信线路的升级和扩容有 重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的p d f a ，但是它的泵浦效率不高， 工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。n d f a 中信号光的放 大受到1 0 5 0 r i m 波长处的a s e 的限制，而且在1 3 0 0 波长附近有很强的激发态吸 收( e s a ) 圜，波长短于1 3 1 0 n m 的光不能得到放大，较高的增益只能在1 3 3 0 n m 以上波长获得，因此n d f a 在1 3 0 0 附近的应用有限。p d f a 在1 3 0 0 r i m 波段颇 具潜力，它具有宽带、高增益放大特性等特点 2 3 。2 5 】，在已建立的1 3 u r n 光纤通 信系统中有着巨大的应用市场，但因掺镨光纤的机械强度差，与普通光纤熔接困 难等因素，目前尚未获得广泛的商业应用。t d f a 为传输开辟了新的波段资源， 它和喇曼光纤放大器组合可以实现1 4 5 0 - - 1 5 2 0 的宽带传输】。最近，l 波段的 e d f a 也取得了非常显著的进步，已经有商用产品，这是d w d m 容量不断增长 的必然结果。l 波段e d f a 是利用c 波段的a s e 放大l 波段的信号，由于工作 在铒增益谱的尾部，故泵浦转换效率很低，为了获得足够的增益，需要较高的泵 浦功率去激发c 波段的a s e ，即需要大功率泵浦源，从而导致放大器成本的增 加。 喇曼光纤放大器基于石英光纤中的受激喇曼散射效应。由于现有c 波段 e d f a 的可用带宽不足，即使加上l 波段e d f a ，也只有不足7 0 n m 的带宽，远 远不能满足w d m 系统发展的要求。喇曼光纤放大器同其它光放大器相比具有的 主要特点为：增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得 到任意波长的信号放大；增益介质可以为传输光纤本身；拉曼放大的作用时间为 非秒( f i n ) 级，可实现对超短脉冲的放大。 1 0 北京邮电大学博士论文第一章绪论 1 2 2 时钟恢复技术和光判决门技术 时钟提取技术主要有外腔锁模激光器( m o d e l o c k e dl a s e r s ) 【2 7 1 、光纤环路激 光器( f i b e r - r i r 【gl a s e r s ) 1 2 8 1 、自脉动分布反馈激光器( s e l f _ p u l s a t i o nd f b l a s e r s ) 1 2 9 、光锁相环( o p t o e l e c t r o r t i cp l l ) 技术口o i 。光判决门技术主要有利用光纤非 线性效应的非线性光纤环路镜( n o l m ) 技术 3 ”、t h z 光学非对称解复用( t o a d ) 技术【3 2 1 、利用s o a 非线性的玛赫一曾德干涉仪( m z i ) 或迈克尔逊干涉仪( m i ) 技术和电吸收调制器( e a m ) 技术3 4 】。有关时钟恢复技术详见第二章，有关光判 决门技术详见第四章。 1 2 3 发展动态 全光3 r 再生系统实现的关键技术是光放大技术、时钟恢复技术和光判决门 技术。目前国外一些公司和科研院所对这几个关键技术进行理论分析和试验研究 3 4 - 3 7 j 。t u d ( t h et e c h n i c a lu n i v e r s i t yo f d e n m a r k ) 丹麦科技大学的一个研究小组， 对基于s o a 的光判决门进行了研究，对传输速率2 5 g b i t s 到4 0 g b i t s 的光信号 进行了试验，可有效地提高信噪比。u m ( u n i v e r s i t y o f m a r y l a n d ) 的一个研究小组， 利用e a ( e l e c t r o a b s o r t i o nm o d u l a t o r ) 电吸收调制器作为光判决门，对速率为 1 0 g b i t s 的光信号传输了3 0 0 0 0 k m ，试验结果表明可有效提高了信噪比，误码率 小于1 0 。b tl a b o r t a r i e s 的研究小组基于光纤锁模激光器进行时钟恢复，利用 非线性光纤环路镜m o l m ) 作为光判决门进行了全光3 r 再生试验的研究，传输 速率为1 0 g b i t s 的光信号的信噪比可有效地提高。德国 h h i ( h e i n r i c h - h e r t z i n s t i t u t ) 研究所利用d f b 激光器的自脉动效应，对传输速率为 4 0 g b i t s 的光信号提取出其时钟信号。阿尔卡特( a l c a t e l ) 公的一个研究小组利 用色散控制技术，对传输的光孤子脉冲信号进行相位调制和振幅整形，使四个信 道传输速率为4 0 g b i f f s 的脉冲信号传输5 0 0 0 k m 。朗讯科技公司( l u c e n t t e c h n o l o g i e s ) 的- - 个研究小组利用光纤的自相位调制和窄带滤波技术对传输的 光信号进行了2 r 再生。 国内院校和研究机构对全光3 r 再生的研究还处于初步的研究阶段，和国外 同行相比还有一定的差距。清华大学利用超快非线性干涉仪进行整形的试验研 北京邮电大学博士论文第一章绪论 究，并利用s o a 注入锁模技术提取时钟信号进行了理论的研究。北京邮电大学 基于非线性光学环路镜的全光再生器的研究。天津大学利用光纤环路激光器对传 输速率为2 5 g b i f f s 的光信号进行了提取时钟信号的研究。 同光放大技术相比，光时钟恢复技术和光判决门技术尚处于初步的研究与试 验阶段，有待于人们进行更进一步的研究。 l 3 论文的结构安捧 本论文分为四大部分： 第一部分( 邸第一章) 为绪论，讲述了研究全光3 r 再生的必要往、概念和 发展概况，以及论文的结构。 第二部分( 即第二章和第三章) 介绍了时钟恢复技术的各种方案，对d f b 激光器的性能进行了详细的研究。在此基础上对基于多区d f b 激光器件的时钟 恢复单元进行了数值模拟，提取了一种新型的基于双区d f b 激光器的时钟恢复 器件。 第三部分( 即第四章) 对光判决门技术进行了详细的理论和试验研究。 第四部分( 即第五章) 对基于双区d f b 激光器的时钟恢复模块和s o a - m z i 的光判决门模块的全光再生系统进行了数值模拟，提出了在w d m 光网络中的多 波长全光再生方案。 以下将逐章对这些工作进行详细的介绍。 参考文献 【i c a b r a c k e t t ，“d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gn e t w o r k s ：p r i n c i p l e s a n d a p p l i c a - t i o n s ”，i e e e j s e l e c t , a r e a sc o m m u n ，v 0 1 8 ，p p 9 4 8 9 6 4 ；1 9 9 0 【2 】h t a g a , l o n gd i s t a n c et m n s m i s m o ne x p e f i m e m su s i n g t h ew d m t e c h n o l o g y ， j o u r n a lo f l i g h t w a v e t e c h n o l o g y , v 0 1 1 4 , p p l 2 8 7 - t 3 0 8 ，1 9 9 6 3 】b m u k h e r j e e ，“w d m o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ：p r o g r e s s a n d c h a l l e n g e s ”，i e e ej o u r n a lo i l s e e c t e dt o p t i c si nq u a n t u me l e c t r o n i c s v 0 1 1 8n o 1 0 ，1 8 1 0 1 8 2 2 ，2 0 0 0 4 1 m i c h a e l ，s b o r e l l a ，j a s o n p j u e ，“o p t i c a lc o m p o n e n t s f o rw d m 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 l i g h t w a v e n e t w o r k s ”p r o c e e d i n g s o ft h e i e e e ，r o t 8 5 ，r t o 8 ， p p 1 2 7 4 1 3 0 7 ，1 9 9 8 5 顾畹仪等“光纤通信系统”，北京邮电大学出版社 6 】g p a g r a w a l ， n o n l i n e a rf i b e ro p t i c s ”，t h i r de d i t o n ，a c a d e m i cp r e s s 【7 】g k e i s e r , “o p t i c a t f i b e r c o m m u n i c a t i o n ，n 血de d i t i o n ，m c g r a w - h i l l c o m p a n i e s 8 】c d 。p o o l e ，“m e a s u r e m e n to f p o l a r i z a t i o n - m o d ed i s p e r s i o ni ns i n g l e m o d ef i b e r s w i t hr a n d o mm o d e c o u p l i n g ，”o p t i c sl e t t e r s ，v 0 1 1 4 ，p p 5 2 3 - 5 2 5 ，1 9 8 9 【9 】b l h e f f n e r , “a u t o m a t e dm e a s u r e m e n t o f p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o nu s i n g j o n e sm a t r i x e i g e n a n a l y s i s ”i e e e p 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 4 ， p p l 0 6 6 1 0 6 9 ，1 9 9 2 1 0 】cm d es t e r k e ，ng r a p h a e lb r o d e f i e ka n db je g g l e t o n n o n l i n e a ro p t i c si n f i b e r g r a t i n g s ”o p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g y ，1 9 9 6 2 ：2 5 3 2 6 8 ； 【11 】k s o n g ，m ，p r e m a r a t n e “e f f e c t s o fs p m ，x p m ，a n df o u r w a v e - m i x i n gi n l - b a n de d f a so nf i b e r o p t i cs i g n a lt r a n s m i s s i o n ，i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g y l e a e r s ，v 0 1 1 2 ，p p l 6 3 0 1 6 3 2 ，2 0 0 0 1 2 k t s u j i k a w a ，e t a l n e w s b s s u p p r e s s i o n f i b e rw i t hu n i f o r mc h r o m a t i c d i s p e r s i o nt oe n h a n c ef o u r w a v em i x i n g ”， 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 0 ，p p l l 3 9 一1 1 4 1 ，2 0 0 0 【13 】e s y a n g ，m ，e m a r h i c ，e ta 1 n o n l f m e a rc r o s s t a l ka n dt w oc o l i n t e r l n e a s u r e si n s c m - w d m o p f i c a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ”j o u r n a l o f l i g h t w a v e t e c h n o l o g y , v 0 1 1 8 ，p p 5 1 2 5 2 0 ，2 0 0 0 【l4 】顾豌仪等，“全光通信网”，北京邮电大学出版社 【15 】s i m o njc ，b i h e sl ，d u p a sa ，e ta 1 ”a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o n ”【c 1 m a d r i d ， s p a i n p r o c e c o c 9 8 ，2 0 ：4 6 7 4 6 9 ，1 9 9 8 f 1 6 l a v i g n e b f u l lv a l i d a t i o no f a n o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n a t2 0 0 b i t s c ，p r o e o f o f c 2 0 0 0 ，2 0 0 0 ，1 1 1 f 7 ：9 3 - 9 5 ( 1 7 ib s a r t e r i u s ，c b o r n h o l d t ，0 8 r o x ，e ta 1 “i t i _ s e c t i o nd f bl a s e r sf o r h i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n g r e g e n e r a t i o n 【c p r o c 0 f c 2 0