（电磁场与微波技术专业论文）光栅色散补偿wdm超长距离传输系统的实现与优化.pdf

光栅色散补偿w d m 赳故距离传输系统韵实脱与优化 摘要 超长距离的波分复用系统可以迅速提高骨干通信网的传输容 量，满足信息高速公路发展的需求。实现这一系统在保证良好的 传输质量的同时，还要考虑建设成本问题。在系统色散补偿方案 中采用啁啾光纤光栅是一种性价比高且极具竞争力的方案。 本文的研究工作是围绕着国家“8 6 3 ”项目“w d m 超长距离光 传输技术的研究与实现”( 批准号：2 0 0 1 a a l 2 2 0 1 2 ) 展开的，在 对w d m 超长距离传输系统的实现和优化方面主要完成了以下几 方面工作： 首先研究了啁啾光纤光栅色散补偿技术在w d m 超长距离传 输系统中的实现，内容包括：利用耦合模理论研究了啁啾光纤光 栅的色散补偿原理；在建立啁啾光栅在系统中理想数值模型的基 础上，考虑到光栅制作过程中引入的一些非理想因素，对数值模 型进行了修正；介绍了在实验中对光栅性能进行优化的若干方法； 针对多通道色散补偿的实现方案作了比较。由于光栅的非理想特 性对系统性能的影响是无法完全消除的，因此需要结合其它使能 技术来优化系统传输性能。 在系统优化部分主要研究了调制码型技术：分析了基于 “n b 0 3 调制器的非归零码、归零码与载波抑制归零码的调制方 式；仿真了三种码型在光栅补偿系统的传输性能：从色散容限和 抗非线性方面比较了三种码型的适用场合，仿真结果表明载波抑 制归零码在超过2 0 0 0 k m 的超长距离传输后仍能获得较高的系统 q 值，从而保证较大的系统裕最来应对”二色散补偿光栅不可避 免的非理想特性对系统带来的随机恶化。 光栅乜散补偿w d m 超长距离传输系统的实现优化 本文最后对基于光栅色散补偿的8 1 0 g b s w d m 系统的超长 距离传输进行了实验研究：首先在系统中通过使用高性能的色散 补偿光栅使无误码传输距离达到1 5 0 0 k m ；又通过调整功率和色 散在线路中的分布取得优化系统传输性能的效果；最后采用改进 调制码型，由非归零码变为载波抑制归零码传输，最终实现了该 系统的2 5 0 0 k m 无电中继传输。以上传输实验证明在优化光栅参 数的基础上，采用载波抑制归零码传输能进一步提高传输性能， 延长传输距离，与仿真结果一致。 关键词：波分复用系统超长距离传输啁啾光纤光栅色散补偿 调制码型性能优化 光栅色散补偿w d m 超眭距离传输系统的实现与优化 a b s t r a c t t h er e a l i z a t i o no f u l t r a l o n g h a u l w a v e l e n 昏h d i v i s i o n m u l t i p l e x j n go p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sc a ng r e a t l yi n c r e a s e t h e c a p a b i l i t vo fb a c k b o n en e t w o r ka n dm e e tt h ed e m a n d so ft h en e x t g e n e r a t i o ni n f o r m a t i o nn e t w o r k s u n d e rt h es u p p o r t so fn a t i o n a l8 6 3 h i 曲t e c h n o l o g yp f o g r a m “r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fw d m u l t r a l o gh a u lo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ”，t h i st h e s i s h a sm a i n l y s t u d i e dc h j r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g sd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n a p p l i c a t i o n i n l o n 争h a u lw d ms y s t e m a n d o p t i m i z e ds y s t e m t r a n s m i s s i o p e r f b 珊卸c eb ya d 叩t i n gn e w m o d u l a t i o nf o 衄a t s c f b g sp r i n c i p l eo fd i s p e r s i o nc o m p e s a t i o nh a sb e e ns t u d i e d w i t hc o u p l e d m o d et h e o r y as i m u l a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e lb a s e d o nc f b g si sd e v e l o p e dt os t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es y s t e m p e r f o m a n c ea n dt h en o n i d e a lc h a m c t c r i s t i c so fc f b gi n d u d i n gt h e g m u pv e l o c i t yr i p p l e ，r e f l e c t i v i t yr i p p l ea n dr e n e c t i v eb a n d w j d t h b e s i d e sm e t h o d so f 叩t i m i z i n gt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so fc f b ga n d m u l t i - c h a n n e ld i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e d 1 1 l ed i f f c r e n tm o d u l a t i o nf o m a t si l l c l u d i n gn o n r e t u l t o z e r o ( n r z ) ，r e t u m t o z e r o ( r z ) a n d c a r r i e 卜s u p p r e s s e d r e t u m t o z e r 0 ( c s r z )h a v e b e e na n a l y z e df 如mp m d u c t i o n m e c h a n i s ma n d t r a i l s m j s s i o np e r f 0 珊a n c eo nt h e 乒a t i n g c o m p e n s a t i o ns y s t e m a p r a c t i c a l8 1 0 g b sp o i n t t o p o i n t t r a n s m j s s i o ns y s t e mh a s b e c nc o n s t n l c t e dw i t he d f a sa i l dc f b g s t h eo p t i m j z a t i o no f s y s t e mp e r f o 珊a n c eh a sb e e n c a r r i e do u tt h i o u g h p o w e ra n d d i s p e r s i o nm a n a g e m e n ta sw e l la so p t i m i z i n gt h em o d u l a t i o nf o 珊a t w i t hc s r zf o m l a tf b rh i g hd i s p e r s i o nt o l e r a n c ea n dn o n l i n e a r i t y s u p p r e s s i o n i i i 光栅邑散补偿w d m 赳欧距离传输系统的实现与优化 t 1 l ea b o v ee x p e r i m e n lr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tl o n g - h a u lw d m t r a n s m i s s i o ns y s t e mc o u l db er e a l i z e dw i t hh i g hp e f f b r m a n c ec f b g a n dc s r zf o r m a t ，w h i c hj sc o n s i s t e n tw j t ht h es i m u l a t i o nr e s u ic s k e y w o r d s ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t j p i e x ，l o n g - h a u lo p t i c a l f j b e rt r a i l s m i s s i o n ，c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t j n g s ，m o d u l a t i o nf o n i l a t ， d i s p e t s i o nc o m p e n s a t i o n ，p e r f o m a i l c eo p t i m i z a t i o n i v 光栅色散补偿w d m 超眨距离传输系统的实现与优化 第一章绪论 1 1引言 光纤通信系统以其频带宽、速率高、抗电磁干扰能力强、容 量大、传输距离长等优点成为现代传输网的通信主体。目前，世 界上大约有6 0 的通信业务经光纤传输，同时随着因特网和数据 业务的飞速增长，对高容量、超长距离的通信系统的需求也不断 增加，进而产生了各种复用技术，包括光时分复用、波分复用、 频分复用以及微波副载波复用等方式，这些复用方式使通信网的 传输效率大大提高。 其中波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l i i p l e x ) 技 术充分利用光纤巨大的带宽资源，在多个通信窗口采用多个波长 通道同时进行信号传输，也就是实现了通常所说的纤多波”传 输，从而使系统的容量在短时间内就获得了大幅度的提高，对于 纤芯已接近用完而又需增加传输容量的现有网络内是最有效的扩 容方式。此外宽带光纤放大器特别是掺铒光纤放大器( e d f a ： e r b j u m d 叩e d f i b e r a m p l i f i e r ) 的发展使多个波长的光信号在光域 内同时得到放大，避免了光电光的中继器只能对单路信号进行 处理，从而直接推动了w d m 光传输系统投入商用化发展。 w d m 系统由于充分利用了光纤的带宽资源，在大容量长途 传输时可以节省大量光纤和再生器，从而大大降低了传输成本； 同时该系统在传输中间节点设备与信号速率及电调制方式无关， 可以直接引入宽带新业务。因此w d m 系统已广泛应用于通信骨 干网和城域网中。在建设骨干网中大跨距的传输链路时，w d m 系统能否实现超长距离传输是其重要的衡量指标，一方面因为 光栅乜散补偿w d m 超k = 距离传输系统的实现与优化 w d m 系统的超长距离传输叫l h ：u l t r a l d n gh a u l ) 可以减少电中 继站的数量，节约建设成本，提高传输质量；另一方面从长远发 展的角度考虑，w d m 系统的超长距离传输与节点上的光分插复 用设备( o a d m ：0 p t i c a la d d d r o pm o d u l e ) 结合可实现网络在 光域的交换和复用，从而建成透明的全光网络。因此超长距离 w d m 传输系统也是近几年光纤通讯领域的研究热点。在实验室 里光纤传输系统的最高数字容量已达1 0 9 2 n s 川，较多的容量在 1 t b p s 4 1 r b p s 之间【“。 光纤传输能力主要反映在通信容量和传输距离两方面，因此 通常我们在评价系统信息传输能力时，用比特率一长度积( b l ： g b i 柏k n 劬) 来衡量。波分复用技术提高了系统的通信容量， 但同时光信号的色散和非线性效应会影响信号的传输速率和复用 的波长间隔。一般系统的最大传输距离特指在保证一定的接收的 光信噪比( o s n r ：o p t i c a ls i 弘a 1 一t o n o i s er a t i o ) 的前提下，无 需对光信号进行电的再生和整形前可以跨越的最大中继段之间的 距离。当传输超过了这个距离后，就需要引入电的再生中继器， 这样就破坏了对信号和协议的透明性，增加了建设成本。 通过色散补偿模块和光放大技术可以使系统的无电中继传 输距离达到几百公罩以上。此时对色散补偿模块的色散斜率补偿 性能以及光纤放大器的噪声指数性能的要求都不是很高。但在超 长距离传输中，对各种器件的性能要求都会有所提高，需要考虑 色散、色散斜率、非线性、光放大器噪声等多方面因素对传输的 影响。因为光传输中光信噪比是最重要的指标之一，o s n r 直接 影响着接收端判决门限的选取和接收性能。光纤放大器在提高信 号功率的同时，引入了自发辐射噪声( a s e ：a m p l i f i e ds p o n t a n e 叫s 2 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实现与优化 e m i s s i o n ) ，在长距离传输中a s e 的积累是传输系统噪声的最大 来源。另外，由于拉曼放大器的价格相对比较高，在现有的光通 信系统中普遍采用e d f a 作为功率增益设备，而e d f a 在传输系 统中的集总放大的特性决定了在靠近放大器输出端的一段长度内 信号输出功率总是很大，这就可能引起光纤的非线性效应，造成 光信号功率的波动，这些都会使系统传输信号发生畸变。此外， 在w d m 系统中特别是多信道的w d m 中，由于信号需要在很宽 的一个波段内传输，为了保持各信道色散补偿效果的一致性对色 散斜率进行补偿也是个重要的技术，色散斜率补偿的不完全也会 造成额外的系统功率代价。 因此要实现超长距离w d m 系统的无误码传输，主要有三个 层次的优化思路和方法。首先是对系统各部分器件性能以及参数 进行较为细致的优化设计，器件的优化设计主要包括对色散补偿 模块和光放大器的优化设计，降低器件各种非理想特性对系统造 成额外的功率代价；其次可以辅助仿真系统优化系统各点的传输 参数，包括对功率补偿点的选择，色散图设置方案的比较以及不 同放大器的增益配比等参数的优化；最后可以考虑采用可以直接 增加系统裕量，改善光信噪比的使能技术，例如高级编码调制技 术和前向纠错技术。 光栅色散补偿w d m 超k 距离传输系统的实现与优化 1 2w d m 超长距离传输系统概述 实现波分复用的基本原理就是采用复用器将特定的不同波 长的光信号复用起来，送入光纤中同时传输；在接收端，由解复 用器将不同波长的信号分开，再分别接收。通常w d m 系统主要 由光波分复用终端和光线路放大两种类型的节点以及中间的传输 光纤组成，其中的光复用终端包括光波长转换器、合波器f o m u ： o p t i c a lm u l t i p l e xu l l i t ) 、分波器( o d u ：o p t i c a ld e m u l t i p l e xu n i t ) 、 色散补偿模块( d c m ：d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nm o d u i e ) 、光放大 器、监控单元盘等器件单元盘吼图1 1 表示了w d m 系统的组 成框图。 根据玎u tg 6 9 2 关于多通道系统光接口的规定，w d m 系 统的绝对中心参考频率为1 9 3 1 t h z ( 对应的波长为1 5 5 2 5 2n m ) ， 不同传输通道的频率间隔为5 0 g h z 或者1 0 0 g h z 的整数倍。大多 数借助w d m 系统传输的用户终端的光接口的波长并不符合这一 要求，所以需要通过光波长转换单元盘将用户终端的光信号转换 为指定波长上的光信号，同时还对客户端的信号加入丰富的光通 道层开销和前向纠错码，通过这种数字封装成帧后再送入合波器 中，完成信号的波分复用，再经过光纤放大器提高信号的发送功 率，才能送入线路中进行传输；在线路上再次通过e d f a 补偿传 输中的功率损耗，以及色散补偿模块补偿线路的色散；在接收端， 信号先经过功率放大器，再由分波器解复用后，通常仍需要波长 转换单元对信号做进一步的处理：首先将接收到的的光信号转换 为电信号，通过字节处理、设备定时等模块对信号进行再定时、 再整形和再放大( 3 r ：r e t i m i n 昏 r e s h a p e 、r e a m p l i f y ) 处理后， 4 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实现l j 优化 最后将恢复好的电信号通过光发射机重新转换为光信号，发送给 用户端设备。 * 4 t ( 】1 t 斟 o 1 。煮，；连2 k 2 1 克鲁照嚣 小瓦万l 叫妻 莎f wa 矿。f 。s l 露韭 1 洲p i 8 叫格兜嚣e ! i ：叫_ s 克苴拉信越 1 2 c c 6 s ：克坪 8 “4 1 墨警 克矗蓐置太f ol)2 压蒌西卜_ 厂 目t 。巨巫 一釜 2t 1 ：，1 一 ，尊5 杠m # 一卜1 未 司l f ) 8 l 。、。划：l ：n - l * 。8h 8 。目十檀示意一十佧精方嘶* 一个恃括方由克壹丰_ 月 图1 1w d m 系统组成框图【3 w d m 系统传输性能的提高关键在于如何减弱光信号在 w d m 系统传输时所产生的色散、非线性效应，还有传输和放大 时所引入的噪声。要实现w d m 系统的超长距离传输离不开各种 光传输技术的发展，其中宽带光放大技术、色散补偿和色散管理 技术、非线性抑制技术、前向纠错编解码和高级调制编码技术等 都是大容量超长距离传输系统所必需的关键使能技术。 1 2 1 色散补偿技术 首先，在w d m 系统中需要传输多个波长的信号，而不同波 长的信号在光纤中传输的群速度不同而引起色散，它使光信号脉 冲展宽，当脉冲扩展到指定的比特隙之外，就会引起码间干扰， 在接收端表现在探测过程中信号相互干扰从而导致误码率增加。 光纤的色散对光信号的影响程度主要与传输速率和传输距离有 光栅色敞补偿w d m 超眭距离传输系统的实士儿与优化 关。例如第一代d w d m 系统的每个信道的传输速率是2 5 g b s ， 对于最常用的g 6 5 2 光纤，在1 5 5 0 n m 波长附近的色散系数约为 1 7p “n m k m ，6 4 0 k m 光纤所累积色散量约为1 1 0 0 0 p s n m ，这一最 大色散量基本上达到了2 5 g b s 传输速率的色散容限，即脉冲展 宽到不影响门限判决的上限时所能忍受的色散裕量。当单信道速 率提升至1 0 g 彰s ，外调制1 0 g b s 光信号的色散容限典型值约为 1 0 0 0p “n m 。因此对于无色散补偿的g 6 5 2 光纤，色散受限距离 是6 0 k m ，这样长距离w d m 系统1 0 g b s 以上速率的信号传输必 须进行色散补偿【4 】。 缓解高速系统的色散首先要使用谱宽较窄的光源可以降低 色散对信号的影响，例如目前采用较多的分布反馈式半导体激光 器( d f b ：d i s t r i b u t e df e e d b a c kh s e r ) ，其光谱线宽很窄。电信号通 过高速的电光调制器加载成为传输的光信号，长距离w d m 传输 一般使用电吸收调制器来改善调制过程中的谱线展宽。其次，用 色散补偿的方式抵消普通光纤所产生的反常色散，使残余色散小 于系统的色散容限。在线色散补偿方法包括使用色散补偿光纤 ( d c f ：d i s p e r s j o nc o 埘【p e n s a t j o nf i b e r ) 或线性啁啾光纤布拉格光 栅( c f b g ：c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 、预啁啾( p r e c h i r p ) 、双模 光纤补偿阱及光谱反转( m i d - s p a ns p e c t r a li n v e r s i o n ) 等。此外， 系统获得的补偿效果虽然与上述补偿措旌密切相关，但也受数据 信号格式、脉冲占空比等的影响。调制形式和脉冲占空比会影响 色散引起的脉冲展宽和补偿后的剩留色散容限。下面主要比较一 下d c f 和c f b g 这两科- 技术在应用于w d m 长距离传输系统的 色散补偿中各自的优缺点。 光栅色散补偿w d m 超k 跗离传输系统的实现与优化 色散补偿光纤技术较容易实现宽带补偿，只需在每个光纤跨 段的输出端放置用d c f 色散补偿模块，周期性的使光纤链路上累 积的色散接近零。在已经实现的w d m 系统长距离传输中，基本 都是利用d c f 作为色散补偿手段。但d c f 对光纤的色散斜率补 偿不能实现完全匹配，因为在长距离传输中光纤色散斜率使不同 信道累积的色散量具有很大的差异。以g 6 5 2 光纤为例，在 1 5 3 0 n m 处色散系数约为1 5 5p s t 胁h ，在1 5 6 5 n m 处约为1 7 6 邯m n ，其色散斜率( 定义为色散系数对波长的微分) 约为 0 0 6 邯枷2 n m 。假设宽带色散补偿器件d c f 对所有c 波段 ( 1 5 3 0 i l m 1 5 6 5 n m ) 信号的色散补偿量是一样的，则经过1 0 段8 0 公里g 6 5 2 光纤段传输后，长波长信号( 1 5 6 5 n m ) 积累的色散将 比短波长( 1 5 3 0 n m ) 多1 6 8 0 p s n m ，如果d c f 没有对色散斜率进 行补偿，则蓝端信号的色散将超过色散容限从而导致部分边缘信 道的恶化，带来额外的系统代价。虽然目前已有通过优化光纤设 计实现色散和色散斜率同时补偿的d c f ，但其价格较高；其次 d c f 的非线性效应较大，不适合于高的入纤功率，并具有较大的 插入损耗，因此一般在系统中需要两个光纤放大器实现两级放大， 将d c f 置于中间，抵消d c f 对光功率的损耗，这就增加了光放 大器的成本；而且利用d c f 制成的d c m 的色散量不可调，不能 满足传输线路中的o a d m 器件需要可调色散补偿的要求。 啁啾光纤光栅是利用光的干涉原理实现色散补偿的，相比 d c f 具有插损小，对偏振不敏感，色散品质因子高，兼顾滤波作 用，可降低线路中的a s e 噪声，且成本较低等优点。随着光纤光 栅写入技术的成熟以及啁啾光纤光栅在色散补偿方面具有的一些 d c f 所不能替代的优势，国内外的众多实验室做了大量的研究工 光栅色散补偿w d m 超氏距离传输系统的实现与优化 作，证明了c f b g 在高速率以及大容量传输系统中作为色散补偿 模块有着非常大的潜力和实用价值。 有很多关于光纤光栅色散补偿的传输实验发表于o f c 和 e c o c 会议和文献中：比如m j c 0 1 e 和w h l 0 h 等人继用两根 1 0 厘米长的光栅实现了在5 3 7 k m 上传输1 0 g b s 信号无误码后i ”， 又实现了在7 0 0 k m 系统上传输1 0 g b s 双二进制信号无误码【6 d 而 k k a s h y a p 和a d e l l i s 小组则主要针对c f b g 在w d m 系统中的 应用进行了有益的传输实验，获得了用四根光栅分别补偿四路信 号色散的方法实现4 1 0 g b s 信号传输1 2 5 k m 【7 】以及利用单根 1 - 3 米长的宽带光栅实现了8 1 0 g b s 信号传输1 0 0 k m 8 】的实验结 果。此外，利用两根4 0 c m 长的光栅使4 0 g b s 的信号在非零色散 位移光纤( n z d s f ：n o l l z e r od i s p e r s i o n s h i f tf j b e r ) 上传输了1 0 9 k m 【9 也充分证明了光栅也能应用在高速信号色散补偿上。最激动人心 的是由l d g a r r e t t 和a h g n a u c k 小组利用1 1 根宽带光栅在 1 6 1 0 g b sw d m 系统上传输了8 4 0k m 【，其信道间隔为5 0 g h z ， 此传输结果证明光栅具有应用到大容量、长距离传输系统的潜力。 利用啁啾光栅色散补偿8 1 0 g b sw d m 系统传输超过1 0 0 0 k m 的 实验报道证明光栅可以很好的应用于超长距离传输【1 l 】。此外通过 温度调节和压力调节可以实现色散量具有一定的调节范围，这样 可以同时满足动态的色散补偿以及色散斜率补偿，从而满足高速 系统中对精确色散补偿的要求【1 2 】。 当然光纤光栅的一些不稳定因素，例如波长温度漂移特性和 时延曲线的纹波特性是客观存在的，因此在信道数多，波长间隔 小的系统中对光栅的波长一致性、带宽、稳定性以及光纤光栅的 级联等特性的要求就会更为严格。通过对光栅这些非理想特性的 光栅色散补偿w d m 超睦距离传输系统的实现j 优化 研究，进一步优化光栅的参数和探索损伤程度小的传输信号格式 将会使光栅色散补偿的应用领域得到扩展，这f 是本文要研究的 主要课题。 1 2 2 调制码型技术 随着对大容量、长距离光传输系统需求的持续增长，系统的 单波长信道码率以及波分复用系统的波长信道数都迅速增加，从 而导致波分复用的信道间距减小，各种传输限制效应也日益突出， 系统的色散和非线性容限也变得苛刻起来。选用合适的码型可以 进一步提高系统的传输能力，通过减少调制带宽来提高频谱利用 率，增大系统对色散和偏振模色散的容忍度，更好地抑制光纤的 非线性效应f 1 3 】。 常用的格式是非归零码( n r z ：n o n r e t u m t o z e r o ) 、归零码( r z ： r e t 啪e d t o z e r o ) 和载波抑制归零码( c s r z ：c a r r i e r - s u p p r e s s e d r e t u m t o z e r o ) 。最近又研究出更高级的编码格式如差分相移键控 归零码( r z - d p s k ) 、双二进制、单边带残余边带调制( s s b v s b ) 、相位整形二进制传输( p s b t ) 都可应用于高速率w d m 传输 系统。 差分相移键控码( d p s k ：d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y ) 将数据承 载于邻近光脉冲的差分相位上，由于脉冲幅度恒定，可以有效抑 制交叉相位调制导致的码间串扰的影响；在接收端采用的是平衡 检测，在达到同一误码率性能时，d p s k 信号所需的接收灵敏度 比0 0 k 要小3 d b ，因此比o o k 码可以传输更远的距离【1 5 】。 而载波抑制差分相位调制( c s r z d p s k ) 相比r z d p s k 能得 到更窄的压缩频带，因此具有更高的滤波串联容限和色散容限， 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实地与优化 从而成为了高容量长距离传输系统中最具有优势的调制码型。最 新的实验结果表明组合使用加强型前向纠错编码( f e c ：f o r 、v a r d e o rc o h e c t i o n ) 和拉曼放大器技术，采c s r z d p s k 码，可以 实现4 0 4 0 g b s 信号在u l t r a w a v e t m 光纤上1 0 ，0 0 0 k m 的无电中继 传输【1 6 1 。 色散容限是衡量码型优劣的参考量之一，通过对n r z 、r z 和 c s r z 码三种调制格式传输3 0 0 0 k m 的仿真结果表明【1 7 】，当入纤 功率为3 d b m 时，在1 7 d b 的q 值时c s r z 码的色散容限为 5 2 0 p s m ，r z 码的色散容限为3 6 0 p s n m ，而n r z 的性能最差， 只有1 2 0 口“n m 。为了得到更高的光信噪比，需要提高入纤功率， 此时码型的抗非线性能力变得更重要，在一实验仿真中r z d p s k 和c s r z d p s k 在一个8 通道4 3 g b s c h 的d w d m 系统中经过 2 4 0 k m 的传输后当为完全补偿时，1 d b 眼开度代价但o p ：e v e o p e n i n gp e n a l t y ) 的最大入纤功率分别为7 d b m 和1 0 d b m l l 8 】，这表 明c s r z d p s k 由于载波被抑制，所以具有很好的抑制非线性效 果。 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实现优化 1 3 本论文的研究内容 本文首先研究了啁啾光栅色散补偿方案在w d m 超长传输 系统中的实现。由于啁啾光纤光栅在制作中引入了一些非理想特 性，包括时延纹波以及反射率的不平坦，在应用时某些参数的不 稳定性，例如温度变化导致光栅中心波长的漂移和随机相位的变 化引起波形失真，这些对传输性能的恶化都使色散补偿光栅应用 范围局限于较短距离、信道较少的传输系统。针对上述问题本文 主要研究了以下内容： 研究了啁啾光栅的色散补偿原理；分析比较了利用光栅实现 多通道色散补偿的三种方案；建立了啁啾光栅的基于耦合模数值 模型；分析了啁啾光栅非理想特性产生的原因；对啁啾光栅参数 中的一些非理想特性，包括时延纹波、反射率纹波和波长漂移对 系统传输的影响进行了比较细致的仿真计算；通过光栅制作工艺 的改进有效的减小了反射谱和时延纹波以及波长的温度敏感性。 在调制码型技术方面研究了基于l i n b 0 3 调制器的n r z 、r z 与c s r z 码的调制方式，从抗非线性效应和色散容限方面比较了 三种码型的优缺点，并通过仿真比较三种码型对系统传输性能的 影响，仿真结果表明c s r z 码在超过2 0 0 0 k m 的长距离传输中仍 能获得较高的系统q 值，从而获得较大的系统裕量来应对由于色 散补偿光栅不可避免的非理想特性对系统带来的随机恶化。 为了优化基于啁啾光栅色散补偿w d m 系统超长距离的传输 性能，在实际的8 x 1 0 g b s w d m 传输平台上进行了几组优化系统 传输性能的实验。首先通过优化色散补偿光栅提高了原有传输系 统的性能，n r z 码的无电中继传输距离达到1 5 0 0 k m ：又通过优 光栅也散补偿w d m 赳k 距离传输系统的实现与优化 化设计系统的传输参数，包括线路中的功率和色散分布，进一步 提高系统接收的光信噪比；最后通过改进调制码型，实现了该系 统的2 5 0 0 k m 无电中继传输。通过比较n r z 、r z 和c s r z 码的 传输结果，得到了与仿真结果一致的结论：在优化光栅性能的基 础上，采用c s r z 码传输可以进一步提高无误码传输距离。 光栅色散补偿w d m 趟比距离传输系统的实现与优化 第二章啁啾光纤光栅色散补偿技术 对于长距离高速率的传输系统必须进行色散补偿，当非线性 影响较大时，还要进行细致的功率控制和色散管理。目前广泛使 用的两种色散补偿技术分别是基于色散补偿光纤和基于啁啾光纤 光栅的色散补偿，这两种技术各有其特点。基于色散补偿光纤的 技术在超长距离、高速率、超宽带w d m 传输系统中具有优势， 因为通过优化光纤设计可以较容易的实现色散和色散斜率的精确 补偿，但其价格较高，且非线性系数和损耗较大，需要置于放大 器间并细致调节其输入功率以避免非线性效应的增加。而光纤光 栅具有插损小，色散品质因子高，价格较低等特点，还兼具滤出 带外a s e 噪声的功能，并且由于长度很短可以忽略非线性影响， 在使用上更加灵活。但啁啾光纤光栅的两个固有缺点，即波长温 度漂移特性和时延曲线的纹波特性限制了其应用范围。 本章将针对啁啾光栅在波分复用长距离传输系统的色散补 偿应用方面进行研究。先建立了啁啾光栅的理想色散补偿模型； 研究了利用级联啁啾光栅进行多通道色散补偿方案的可行性以及 存在的问题；通过对光栅纹波和波长漂移对信号传输的影响的仿 真得到了一些有用的结论；还通过光栅切趾和负温度封装技术有 效的减小了光栅纹波和波长漂移特性，优化了光栅应用的传输系 统的性能。 光栅色散补偿w d m 趟陡距离传输系统的实现与优化 2 1 啁啾光栅理想传输模型 啁啾光纤光栅实现色散补偿的 二作原理可以用图2 1 来说 明：不同波长的信号通过光环形器进入啁啾光栅中，在不同位置 反射回来，从而使输出信号中不同频率成分有不同的反射时延。 这一现象是由光栅的啁啾特性决定的，由布拉格反射波长 a 。= 2 n 。a 0 ) 可知，光栅每一点的调制周期决定了在此反射的波 长。由于进入光纤光栅的光信号中不同频率分量在不同位置反射， 这个时延刚好和常规单模光纤在c 波段的反常色散特性相反，从 而达到色散补偿的目的。 图2 1 啁啾光栅色散补偿原理示意图【1 9 1 光纤光栅的轴向折射率分布可写成： 嘲= + 吨小s 尝郴( z ) ) 1 沼， 式中，a 为被调制的折射率余弦函数在该点的周期，l ，( 2 ) 为折射率调制的幅度，妒( z ) 为折射率调制函数在该点的相位。光 栅的啁啾既可以体现在调制函数相位的变化上，电可以体现在光 栅周期的变化上。 光纤光栅的折射率分布包含光纤光栅的折射率周期和折射 率的调制度等结构参数，这些参数决定了光纤光栅的b r a g g 波长、 带宽和反射特性等，从而使不同的折射率调制及不同结构的光纤 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实现，优化 光栅具有了不同的功能。我们所研究的色散补偿光栅为线性啁啾 光栅，即光栅周期沿光栅轴向变化是一阶线性的，所以其啁啾量 为常数。 在计算啁瞅光栅的反射谱和时延曲线时一般应用光场的耦合 模理论进行建模。对光栅利用耦合模理论分析光栅时可以把光栅 芯区的折射率调制看作是一种微扰，在忽略包层模耦合时，光栅 中传输的前向场r ( z ) 和后向场s ( z ) 可以用如下耦合模方程来描述 1 2 n 1 其中仃为直流自耦合系数定义为： 占：6 + 盯一三业 直流自耦合系数中的三个参量分别定义为： 1 6 为与光栅轴向无关的失谐量，定义为 a = 卢一吴2 2 巧n 前( 去一丢) a 。为光栅的中心波长： 2 掣是由于光栅啁啾引起的耦合项； 3 盯为直流耦合系数 r 为交流耦合系数，定义为 盯：塾n r ：要似n ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( r s 。 r r + + r s 一盯 一盯 = 一 一 = 搬一如邪一出 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实现与优化 对于啁啾光栅或切趾光栅，由于其调制折射率变化量沿光纤 轴向是变化的，方程不存在解析解，只能通过数值求解。常用的 方法有龙格- 库塔法和传输矩阵法两种。龙格库塔法是一种直接 求解微分方程组的方法；矩阵分析法则是将非均匀光栅分成m 小 段，假设每一小段是均匀光栅，每段为一个2 2 矩阵，令 r ( s ) 、e 一。( s 一，) 表示第i 段光栅前后的光场振幅，有 ：jj = ，。j 萎j ：j 。 其中鼻为每段光栅的传输矩阵为 耳=毗一尝州如锄 一丢蛐( 啦) 如 i 丢曲( 蒯州心+ 焉龇饷 ( 2 - 7 ) 式中，r 、盯、= r 2 一盯2 都近似看作第j 段“均匀”光栅 的常参数，最后把整个光栅m 段矩阵连乘起来，再根据边界条件 r 2 ) ；1 ；& 仁2 ) = o 得： 阱一”_ 阶f 嘲 b s ， 由式( 2 _ 8 ) 可以求出任意波长下光栅的反射系数，由于反 射系数为一复数，可用幅度和相位表示： r = 讲= h 2 2 l ( 2 9 ) 巳；p 口s p ( p )( 2 1 0 ) 利用以上公式我们可以对啁啾光纤光栅的反射谱和时延曲 线进行数值仿真，选用的参数为：光栅长度为1 4 0 m m ，啁啾系数 为2 l o _ 1 0 ，中心波长为1 5 5 7 5 n m ，折射率调制深度为1 1 0 ， 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实现与优化 光栅共分为1 4 0 段，由此确定每一段的直流和交流耦合系数，最 后得到的反射谱和时延曲线仿真结果如图2 2 所示： 图2 2啁啾光栅仿真反射谱和时延曲线 由这种数值方法得到的啁啾光栅的反射曲线和时延曲线都 存在振荡现象，原因在于用矩阵分析法时其折射率变化的周期取 了离散值，从而使每段光栅两端的折射率是突变的，所造成的 f a b 驴p e r o t 效应引起了振荡现象，通过减小啁啾的步长可以使仿 真的结果逼近于光栅理想情况。 在考虑光栅在系统传输中的仿真时，可以在频域上把光栅看 作具有幅度旧( 国) i 和相位特性f 烈。) 的带通滤波器滤波器，光栅 的响应函数可表示为： ，= 心m 淼吐 沼 对于理想情况下的啁瞅光栅，通频带内的幅频函数为常数，相频 函数为一线性曲线。因此在仿真时可以先在频域上将输入信号与 光栅响应函数相乘，再通过反傅立叶变换转换成时域，最后求得 信号在经过光栅补偿后的时域波形。 光栅色散补偿w d m 超长距离传输系统的实现_ 优化 2 2 啁啾光栅非理想特性分析 啁啾光纤光栅的光栅周期沿轴向呈缓慢变化，在不同位置反 射不同的波长，使得不同的波长都有一定的时延差。但是多种因素 造成啁啾光纤光栅的群时延曲线不是理想线性曲线，而是线性曲 线上面叠加振荡曲线，通常被称作群时延纹波( g d r ： g r o u p - v e l o c i t yd i s p e r s i o nr i p p l e ) 。同时光纤光栅的反射带宽内 的反射率也不是非常平坦，由于写入过程中的缺陷导致了反射率 纹波( r r ：r e n e c t i v i t yr i p p l e ) ，图2 3 为啁啾光纤光栅典型的反 射谱与时延曲线，可以看到反射带宽内的反射谱和群时延曲线都 存在许多振荡小峰，又称为纹波。 w a v e j e n g i h n m ) 图2 3 啁瞅光纤光栅典型的反射谱与时延曲线 纹波产生的物理原因是光栅两端折射率的突变所造成的 f a b r y p e m t 效应，另外还有很多随机因素造成了纹波的产生，下 面将逐一分析。 通常采用相位掩模衍射相干法来写入啁啾光栅，它的制作原 理如图2 4 所示。它是利用石英相位掩模板使入射的紫外光束发 生衍射，从而利用+ 1 阶和1 阶衍射光束之间的干涉在掩模板后面 光栅色散补偿w d m 超欧趴离传输系统的实现与优化 的光纤纤芯内形成周期的光强分布，这样光强通过衍射得到加强 或减弱，从而在纤芯引入周期性的折射率调制。 相位掩模 光敏光纤 l 阶+ 1 阶 图2 _ 4 相位掩模法制作c f b g 原理示意图 制作相位掩模板一般采用的方法为电子束扫描，由于扫描法 采用的是非连续的周期变化方式来制作相位掩模板，这样掩模中 相邻均匀段中存在着相差，因此它的相差直接决定了光纤光栅的 时延纹波系数，虽然通过切趾可以减小其纹波，但是不能从根本 上得到消除。又由于写入光栅的光纤波导结构不完善、光栅写 入过程中周围环境因素的扰动影响、制作光栅使用的大功率紫外 激光器的不稳定性等因素使纹波的变化增添了许多随机性。 波长温度敏感性是光纤光栅的又一不利于实际应用的非理 想特性。通常啁啾光栅的中心波长需要严格对准信号的波长才能 起到精确色散补偿的作用。但在实际系统中光源波长和光栅中心 波长都有可能发生微小的漂移，信号的有效带宽一旦落在了光栅 的带外就会严重恶化系统的传输性能，即使光栅带宽有一定的裕 量，波长的不稳定性导致光栅相位因子的随机涨落也会造成系统 的传输性能随温度而发生随机变化。这一点在实验和仿真中都得 到了验证。 光栅也散补偿w d m 超k 距离传输系统的实现与优化 此外光纤光栅各个参数之间相互制约的因果关系导致了在 制作中不能使光栅所有的参数达到理想值。在设计光栅的啁啾量 时，需要综合考虑色散量和带宽以及反射率的关系。 线性啁啾光栅的相位和长度的关系可表示为 比) = 等主 圳2 讹( 2 - 1 2 ) 其中c 为无量纲的啁啾参数；l 为光栅总长度；a 为z = o 处的 光栅周期。根据耦合模理论，线性啁啾光栅的时延近似表达式为 2 2 1 ： m ) = 掣= 亳 半 p 均 为了追求光栅高的色散品质因子，需要具有较大的群时延， 由式( 2 1 3 ) 可知在光栅长度一定的情况下光栅的群时延与啁啾量 是成反比的。 同时线性啁啾光栅的反射带宽与啁啾量的关系近似为【2 3 】： a 皇l 如聊咿 + 石c a o ) l 缸a o ) 2 一( 女+ 万c a 。) 2 i ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 得知在折射率调制深度一定的情况下光栅的反射带宽 和啁啾量成正比，所以追求大的色散量和宽的补偿带宽是不能同 时满足的。 此外由式( 2 1 4 ) 还可以知道通过提高光栅芯区的折射率调制 深度可以增加反射带宽，但过深的折射率调制又会减弱光栅切趾 的效果，加大时延纹波的幅度，这些矛盾都要求我们不能单方面 追究光栅的某项参数，而要综合考虑和设计啁啾光栅的参数。 光栅色散补偿w d m 超k 距辫传输系统的实现与优化 2