（通信与信息系统专业论文）高速光传输系统中的调制格式及其性能研究.pdf

摘要 目前，高速光传输系统正在向着单信道4 0 g b s 的方向发展，信道容量提高的 同时，所带来的传输损伤也更加严重。高级光调制技术作为高速、长距离光传输 系统的关键技术之一，可以明显减轻系统的传输损伤，并且不需要对现有的传输 线路作大的修改，具有很高的商业价值。现今1 0 g b s 系统中普遍采用的o o k 调 制格式已经难以满足更高速率系统性能的要求。本文针对4 0 g b s 高速光传输系统 中的相位调制格式和幅度相位联合键控调制格式进行研究。首先研究了不同相位 调制格式的调制接收原理，仿真分析了其传输特性以及由接收机频率失谐、移相 误差、延时误差所带来的系统性能影响：然后研究了幅度相位联合键控调制格式 的调制接收原理，仿真分析了其传输特性，并就自相位调制( s p m ) 对幅度相位 联合键控调制格式相位支路的影响展开深入分析；根据自相位调制影响相位支路 性能的原因非线性相移，提出了非线性相移的预补偿方式，通过仿真验证了 其有效性，并推导出了相位预补偿量参考公式。 关键词：相位调制幅度相位联合键控调制频率失谐非线性相移预补偿 a b s l r a c t a tp r e s e n t , h i g h - s p e e do p t i c a l 恤m i s s i o ns y s t e mi s i nt h ed i r e c t i o no f s i n g l e - c h a n n e l4 0 g b s w i t ht h ei m p r o v e m e n to f c h a n n dc a p a c i t y , o p t i c a ls i g n a l ss u f f e r m o r ea n dm o r et r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t s a so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e so f h i g h - a p h i d l o n g - h 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 ，m o d u l a t i o nf o r m a tc o u l dm i t i g a t et r a n s m i s s i o n i m p a i r m e n t sw i t h o u tg r e a tc h a n g e si nt h ee x i s t i n gt r a n s m i s s i o nl i n e s n o wo n - o f f k e y i n g ( o o k ) m o d u l a t i o nf o r m a ti sn o ts u i t a b l ef o rh i g h e rs p e e ds y s t e m t h i sp a p e r s t u d i e so nt w om a i nm o d u l a t i o nf o r m a t s ：p h a s em o d u l a t i o na n da m p l i t u d ep h a s e m o d u l a t i o n f i r s tt h et r a n s c 垃v e r so f p h a s em o d u l a t i o na n da m p l i t u d ep h a s em o d u l a t i o n 撇s t u d i e da sw e l la st h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e so naw d m s y s t e m f o rp h a s e m o d u l a t i o n , t h ep e n a l t yf r o mr e c e i v e rf r e q u e n c yo f f s e t ，p h a s ee r r o ra n dd e l a ye r r o ri s s t u d i e d t h e n , w ef o c u so nt h ei n f l u e n c eo f s e l f - p h a s e - m o d u l a t i o n ( s p m ) i na m p l i t u d e p h a s em o d u l a t i o n b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fn o n l i n e a rp h a s es h i f lap r o - c o m p e n s a t i o n m e t h o di sp r o p o s e da n dt h ep r e - e o m p e n s a t i o nf o r m u l ai sd e r i v e d k e y w o r d ：p h a s em o d u l a t i o na m p l i t u d ep h a s em o d u l a t i o nf r e q u e n c yo f f s e t n o n l i n e a rp h a s es h i f t p r e - c o m p e n s a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做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：丝 日期： 傩。孓。移 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：埘 日期： 导师签名：皇鸶垦 枷i f 3 b 日期：塑! ! ! ! ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 上个世纪7 0 年代光纤通信技术的出现，引起了通信技术的一场革命，而在2 1 世纪光纤通信技术将成为构建即将到来的信息社会的一大要素。当今通信技术的 发展日新月异，随着个人计算机和国际互联网络的普及，数据业务以及各种宽带 接入技术的飞速发展都给今天的通信网络提出了革命性的要求，并给整个网络的 传输体制、网络整体架构及业务节点的实现方式、组网形态、业务能力等诸多方 面都带来了深远的影响。 从上个世纪9 0 年代初以来，全球向信息密集工作方式和生活方式的转变，推 动了通信行业的发展。社会的信息化使得人们对通信容量的要求日益增加，这种 需求主要表现在数据业务上，自从1 9 9 8 年公用网中的数据通信业务量超过了电话 通信业务量，互联网通信业务量的增长率从每年4 5 上升到1 0 0 ，再加上未来的 3 g 无线通信，光纤到户( f t l h ) ，以及高清晰数字电视( h d t v ) 等业务的推动， 据统计未来全业务服务中每一用户需要的带宽可能超过1 0 0 m h z 。在这种需求的推 动下，作为现代主干网主要通信方式的光纤通信系统一直向着高速率、大容量和 长距离的方向马不停蹄地发展。 在这样的背景下，虽然进入2 1 世纪之后，全球电信业经历了高速增长，下滑， 缓慢复苏等各个阶段，但光通信技术的发展始终日新月异。在光通信的容量方面， 从p d h 发展至i j s d h ，从1 5 5 m b s 发展到1 0 g b s ，目前正在向着4 0 g b s 的信道速率迈 进。波分复用( w d m ) 技术的出现，大大提高了光通信的容量。目前3 2 x 1 0 g b s ( 1 p 3 2 0 g b s ) 的d w d m 系统已普遍应用，1 6 0 x 1 0 g b s ( r p1 6 t b s ) 的系统也已投入了商 用，实验室中超过1 0 t b s 的系统己在多家公司开发出来。在光通信的传输距离方面， t y c o g 邑信在2 0 0 3 年实现了3 7 3 t b s ( 3 7 3 x 1 0 gb 0 传输实验，无电中继传输距离达 到1 1 0 0 0 k m ”，并于同年进行了1 2 8 x 1 0 gb i f f s 系统野外实地传输8 9 9 8 k m 的实验【z 】； 2 0 0 4 年t y c o 电信在己铺设的1 3 0 0 0 k i n 色散斜率不匹配海底光缆链路上进行了 9 6 x 1 0 g b sr z - d p s k 信号传输试验网。 此外，光网络在组网方式上，开始从简单的点到点传输向光层联网方式前进， 改进组网效率和灵活性；从静态联网开始向智能化动态联网方向发展。光网络的 规模也在迅速扩展，光传送网的角色从原来的大容量宽带传送转变为提供端到端 的服务连接。 2 高速光传输系统中的调制格式及其性能研究 1 2 光网络发展趋势 可以用一个简单的公式来概括描述下一代光网络的发展趋势：下一代光网络 = a s o n 控制层面+ 多业务处理节点( m s t p ) + w d m 超长距离光传输。 ( 1 ) 自动交换光网络a s o n 。随着骨干网网络容量的日益提高以及城域网接入 能力的多样化，对传输网络具备良好自适应能力的需求逐步提上日程，对网络带 宽进行动态分配并具有高性价比的解决方案成为运营商追求的主要目标。在这种 背景下，网络的智能化成为光网络技术发展的必然趋势，a s o n ( 自动交换光网络) 则是这一趋势的最好体现。智能光网络能直接在光层上按需提供服务，能够适应 网络拓扑的改变，通过公共的控制平面加速服务，根据网络和相关服务的需要改 变网络规模，提供各种服务等级和保护机制。 虽然目前a s o n 己经逐步步入实用阶段，国外已有多个运营商开始初步商用 a s o n ，国内对a s o n 或者具有智能特征的光网络也日趋关注，几大运营公司也准 备大规模测试a s o n 设备。但a s o n 发展中仍有几个课题亟待解决，比如应考虑网 络结构从环网向网状网的演进，重视网状网物理平台的建立，如光纤网络、系统 资源的完善和优化；另外，a s o n 网络的应用定位，例如新业务的引入、保护、业 务配置等执行起来还存在着一定的难度。 ( 2 ) 多业务传送平台m s t p 。多业务传送平台，是指基于s d h 技术，同时实现 t d m 、a t m 以及以太网等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点， 其核心处理仍然是基于s d hv c 通道的。m s t p 技术的发展主要体现在对以太网业 务的支持上，以太网新业务的q o s 要求推动着m s t p 的发展。一般认为，m s t p 技 术发展可以划分为三个阶段： 第一代m s t p 的特点是提供以太网点到点透传。它是将以太网信号直接映射到 s d h 的虚容器( v c ) 中进行点到点传送。第二代m s t p 的特点是支持以太网二层交 换。相对于第一代m s t p ，第二代m s t p 作了许多改进，它可提供基于8 0 2 3 x 的流 量控制、多用户隔离和v l a n 划分、基于s t p 的以太网业务层保护以及基于8 0 2 1 p 的优先级转发等多项以太网方面的支持。但是，第二代m s t p 仍然存在着许多的不 足，比如不能提供良好的q o s 支持，业务带宽粒度仍然受限于v c ，基于8 0 2 3 x 的流 量控制只是针对点到点链路等。第三代m s t p 的特点是支持以太网q o s ，在第三代 m s t p 中，引入了中间的智能适配层、通用成帧规程( g f p ) 高速封装协议、虚级联 和链路容量调整机$ i ( l c a s ) 等多项全新技术。因此，第三代m s t p 可支持q o s 、多 点到多点的连接、用户隔离和带宽共享等功能，能够实现业务等级协定( s l a ) 增强、 阻塞控制以及公平接入等。可以说，第三代m s t p 为口业务的发展提供了全面的支 持。可以预期，市场对m s t p 的需求将会越来越强劲，传统s d h 将会逐步被m s t p 第一章绪论 所代替。 ( 3 ) w d m 超长距离光传输。根据国内关于w d m 系统的行业标准，我们可以把 长途光纤传输系统分为常规长距离传输系统( l h ，l o n gh a u l ) 、超长距离传输系统 ( u l h ，u l t r al o n gh a u l ) 。传输距离小于1 0 0 0 k m 的w d m 系统我们称其为常规长距离 传输系统，传输距离大于1 0 0 0 k m 的w d m 系统称为超长距离( u l h ) 传输系统。二是 由于传输距离可以高达2 0 0 0 3 0 0 0 公里，w d m 超长距离传输系统的优势是显而易 见的，它可以减少电再生站、光放站的数量，延伸光放站之间的距离，有效降低 系统成本。因此w d m 超长距离光传输系统仍将是各大运营商和设备制造商致力发 展的项目，尤其对于我国这样幅员辽阔的国家，w d m 超长距离传输系统将更具实 际意义，随着初期投资成本的降低，其维护成本低的优势将更加明显。 此外，由于w d m 超长距离传输系统综合应用了多种先进技术手段来提高系统 的容量和传输距离，并检验和吸纳新的技术，其积累的成果将福荫于其他领域的 传输系统。 1 3w d m 超长距离光传输系统的关键技术 在波分复用( w d m ) 系统，特别是密集波分复用( d w d m ) 中随着单信道速率 的提高和信道间隔( 波长数量提高) 的减小，要实现大容量长距离传输面临着许 多的极限性挑战，如光信噪比低，色度色散和偏振模色散及其非线性效应影响严 重，以及由此引发的多种传输损伤如码间干扰、多通道干涉、抖动等。为了克服 这些传输损伤就需要综合各种先进的技术来解决这些问题。目前，对于4 0 g b s 高 速长距离光传输系统的研究，主要有以下几个关键技术【4 】【5 】： ( 1 ) 宽带拉曼放大技术。在w d m 超长距离传输系统中，拉曼放大是非常受 瞩目的光传输技术，它可以放大e d f a 所不能放大的波段，并且利用普通的传输光 纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪比( o s n r ) 。拉曼放大器利用 光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补 偿。近年来被给予很多关注的分布式光纤拉曼放大器( d f r a ) ，可以有效的降低噪 声水平，增加光纤跨段距离和总的传输距离。对于w d m 超长距离传输系统来说利 用拉曼放大器提高系统的o s n r 、增加系统跨距长度、提高w d m 系统的通道带宽 和抑制光纤非线性效应是主要目的。 ( 2 ) 色度色散和偏振模色散补偿技术。在1 0 g b s 以上的高速长距离传输系统 中，必须考虑色散补偿问题。由于光纤在信号波长处的色散不为零，则经过长距 离传输后，信号中的各个频率分量到达接收端的时延不同，导致信号产生符号间 干扰( i s i ) 。为解决该问题需要对光纤中累积的色度色散进行补偿。目前使用最多的 是色散补偿光纤c f ) ，其色散符号与传输光纤相反，可以有效补偿传输光纤的色 4 高速光传输系统中的调制格式及其性能研究 散问题，但是这种色散补偿光纤具有较强的非线性效应，会使w d m 系统中不同信 道之间的串扰增大。 随着信号速率的提高和传输距离的增加，偏振模色散( p m d ) 的影响也凸现出 来，成为一道制约系统性能进一步提高的难关。p m d 问题起源于光纤制造过程中 产生的不规则的几何尺寸、残留应力导致的折射率分布的各向异性；光缆铺设过 程中由于外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化而产生的偏振模式耦合效应； 以及其他光通信器件自身引入的双折射。它使得光纤中的两个偏振模式之间产生 群时延差和能量耦合，导致输出信号脉冲发生展宽和变形。p m d 补偿可以采用光 域补偿和电域均衡，光域补偿的效果比较好，但控制复杂，需要多个控制变量和 快速收敛的算法；电域均衡比较简单，但效果有限，而且受电子器件速率限制， 只能用于4 0 g b s 以下信号。 ( 3 ) 动态增益均衡技术。对于超长距离传输，保证整个线路上的增益平坦是 非常重要的，增益均衡用于保证线路上各个波长之间的增益平坦，在发射端可能 各个波长之间的功率电平一样，但由于放大器增益平坦度以及各个波长在线路中 衰耗不一致，会导致在接收端各个波长之间的功率差异较大，影响正常的接收。 目前一种通用的方法是在各个光放站放置增益平坦滤波器，此外基于各个通道光 谱密度的大小，实施反馈控制，可以动态管理平坦进程。动态增益均衡的优势在 于可以增加超长距传输系统的跨段数目，可以在级联5 0 个e d f a 情况下，不进行电 再生中继：支持动态网络配置，在网络波长数目发生重大差异时不会对0 s n r 造成 损伤；由于输入光功率变化也会造成增益斜率劣化，而通过动态增益均衡，可以 代替目前正在使用的可调光衰减器。 ( 4 ) 前向纠错编码( f e c ) 技术。在光传输系统中采用前向纠错编码( f e c ) 技术， 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产生的误码，能够消 除系统性能曲线中的误码率平台现象，其编码增益也提供了一定的系统冗余量， 从而降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。由于纠错编码只需要在 收端和发端增加相应的编译码器，无需增加和改动线路设备，具有成本低、灵活 便捷、效果明显的优势。目前里德索罗门码r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) i 3 , 经被规范为标准的前向 纠错编码，成为最常用的纠错技术。 ( 5 ) 新型光调制技术。新型调制格式作为4 0 g b s 高速光传输系统的关键技术 之一，对于其商用化起着至关重要的作用。新型调制技术不仅能够增加系统容量， 延长系统传输距离，还能够改善系统的频谱效率。并且相对其它关键技术来说， 采用新型的调制格式只需要在光传输系统的发射端和接收端更换相应的设备，不 需要对已有的传输线路作很大的改动，就能升级为更高速的光传输系统，有利于 降低系统的升级成本，有很高的商业前景。 第一章绪论 5 1 4w d m 高速光传输系统中的调制技术 在光传输信道中，由于光纤的非线性本质，使得光信号在光纤的传输过程中， 不仅要考虑光放大器自发辐射噪声( a s e ) 的影响，还需要考虑群速度色散( g v d ) ， 偏振模色散( p m d ) 和非线性的影响。在1 0 g b s 传输系统中考虑色散补偿的情况 下，传统的非归零码n 】配由于简单实用而被广泛应用，但在4 0 g b s 及其以上的传输 系统中，原本不需要考虑的非线性效应和偏振模色散影响变得严重，要实现长距 离大容量传输变得困难，传统的n r z 码已经不能满足光传输系统的要求。 新型的调制格式可以有效的减小这些传输损伤，如光双二进制d u o b i n a r y 可以 显著的提高色散容刚6 】【7 】【钔，载波抑制归零码c s r z 可以有效的抑制光纤中的非线 性效应【9 】 1 2 1 。平衡接收机的出现使得相位调制再一次成为了人们的研究热点。 d p s k 和d q p s k 调制格式有较大的色散容限、p m d 容限和非线性容限，使用平 衡接收，相对于n r z 码的直检测接收机，接收灵敏度能提高大约3 d b ”】。最近国 内外主要研究的调制格式有d p s k t l 4 ) 4 m 、d q p s k 1 8 】【1 9 】、r z d p s k 2 0 h 2 2 、 c r z - d p s k e 2 3 】c 2 4 】、c s r z d p s k 2 5 ) z 6 1 、r z - d q p s k l 2 7 啦9 1 、c s r z - d q p s k 3 0 等。综 合考虑各种因素，r z - - d p s k 和r z - d q p s k 以其良好的性价比将成为4 0 g b s 高速 光传输系统调制格式的有力竞争者。 目前商用化的光放大器集中在c 波段，有限的传输通道使得人们对于频带利 用率的要求越来越高。随着信道速率的提高，偏振模色散对系统性能的影响越来 越大。为了解决这些问题，多级调制也开始进入人们的视野，从d p s k 发展到 d q p s k ，进而向更高进制发展。目前人们已经开始研究8 d p s k 以及更高进制的相 位调制【”】1 3 2 1 ，但是复杂的调制和解调结构制约着其短期内的商用化。随着光器件 的发展，多级相位调制也必将在光传输系统中发挥重要作用。 为了简化相位调制系统，人们将幅度调制应用于相位调制当中，幅度相位联 合调制也成为了人们研究的一个热点。a s k - d p s k 和a s k - d q p s k 以其相对同级 相位调制更加简化的调制和接收结构，成为了4 0 g b s 高速光传输系统的候选调制 格式【3 ”。 总体来说，对调制格式的要求为： ( 1 ) 压缩频谱，可以提高频谱效率、增大色散容限、降低对放大器放大范围 的要求。 ( 2 ) 高的非线性容限，为了减小由非线性造成的传输损伤。 ( 3 ) 发射机和接收机要简单化，以降低实现难度和成本。 调制格式在具体的传输系统中，包括不同的光纤种类( s m f 、l e a f 、 t r u c v a v e r s 、t e r a l i g h t 、p u r e g l i d e 等) 、不同的放大方式( 掺铒光纤放大器e d f a 、 6 高速光传输系统中的调制格式及其性能研究 分布拉曼放大d r a 、混合放大) 、不同的色散补偿方式( 前置、后置d c f 补偿、 过补偿、欠补偿、布拉格光栅补偿等) 中，它们表现出来的性能也不一样闭，因 此对其进行性能分析需要作复杂的系统仿真或实验。 目前国内关于调制格式的研究，尚处于起步阶段，还有许多工作要做。 1 5 本文的主要工作和章节安排 本文主要研究4 0 g b i t s 高速光传输系统中主要候选调制格式的调制与解调方 法，详细分析各种调制格式的性能，包括色散特性和非线性特性。基于此，本文 主要做以下几方面的工作： ( 1 ) 研究马赫一曾德尔光调制器和马赫一曾德尔时延干涉仪的工作原理，以及平 衡接收机和直接检测接收机的接收原理。 ( 2 ) 研究相位调制格式d p s k 、d q p s k 以及新型的8 d p s k 的调制与解调方法， 包括8 d p s k 预编码器的研究。 ( 3 ) 在搭建的w d m 系统模型中，分析相位调制格式的传输特性，包括色散特 性和非线性特性，并研究平衡接收机频率失谐、移相误差以及延时误差对d p s k 和d q p s k 系统性能的影响。 ( 4 ) 研究幅度相位联合键控调制格式a s k - d p s k 和a s k - d q p s k 的调制与解 调方法，并根据其幅度支路和相位支路分析其色散特性。 ( 5 ) 研究幅度相位联合键控调制格式的非线性特性，仿真分析自相位调制对相 位支路的影响，并提出补偿方式，进行仿真分析。 本文的章节安排：第一章简要介绍光纤通信系统的发展以及4 0 g 高速光传输 系统关键技术，研究调制格式的意义；第二章详述光调制器和光时延干涉仪的工 作原理，并研究了平衡接收机和直接检测接收机的接收原理；第三章详细研究 d p s k 、d q p s k 以及8 d p s k 的调制与解调方法，在此基础上研究8 d p s k 预编码 器的实现，并构建单信道速率为4 0 g b s 的w d m 系统模型，比较各种相位调制格 式的性能，包括色散和非线性特性，通过与现有的o o k 调制系统的比较，体现出 相位调制的优越性；第四章详细分析幅度相位联合键控调制格式a s k - d p s k 和 a s k - d q p s k 的调制和解调原理，根据幅度支路和相位支路分析其色散和非线性特 性，着重分析自相位调制对幅度相位联合键控调制格式相位支路的影响，并提出 补偿方式，进行仿真分析；第五章结束语总结全文。 第二章光调制的相关器件与系统模型 7 第二章光调制的相关器件与系统模型 光纤通信因其频带宽、容量大等优点而迅速成为当今信息传输的主要形式。 目前，1 0 g b i t s 系统已经广泛应用，4 0 g b i t s 系统也在迈向商用化。随着单信道码元 速率的提高，技术难度越来越大，需要解决的问题也越来越多。其中调制解调技术 是其中的关键技术之一。而调制解调技术当中使用的两个关键器件是马赫曾德尔 调制器( m 孙d ) 和马赫曾德尔时延干涉仪( m z i ) ，另外直接检测接收机和平衡 检测接收机也是常用的器件。在光传输系统中，光纤模型的建立是构建仿真平台 的基础。本章对这些问题进行了介绍。 2 1 马赫曾德尔调制器 要实现光纤通信，首先必须把信息加载到光源发射的光载波上，这就需要进 行光调制。高速光传输系统要求外调制器具有足够的调制带宽、低驱动电压和高 饱和功率。此外高消光比、低啁啾、低插入损耗和低偏振相关性也是重要因素。 适合4 0 g b i t s 等超高速光纤通信系统使用的外调制器有马赫增德尔调制器( m z m ) 和电吸收型调制器( 勘蝴) 两种类型，这其中m z 调制器以其高可靠性，低插入 损耗，高消光比以及波长无光等优良特性在高速光调制中得到广泛应用，本文研 究的光调制格式大部分都是基于m z 调制器得到的，这里我们介绍一下m z 调制 器的工作原理。 马赫一曾德尔调制器( m a c h 2 舫n d 盯，简称m z ) 是根据材料的电光效应所制成， 作为重要的新型光调制格式所用的调制器件，受到了广泛的关注和研究。本小节 将从m z 调制器所利用的电光效应、结构、调制原理等方面进行介绍。 2 1 1 电光效应 当把电压加到电光晶体上的时候，晶体的折射率和折射率主轴会发生变化， 引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体折 射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔( p o c k e t ) 效应； 当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔( k e f r ) 效应1 3 5 1 。目 前，普科尔效应是制作光调制器应用最广泛的物理效应【3 6 1 。 由晶体光学可知，对于垂直于折射率椭球主平面传播的线偏振光，电光效应 引起的折射率变化可以表示成：a n = 叫3 r e 2 ，式中，n 为电光晶体寻常光的折射 率，e 为外加电场强度，为电光晶体的有效电光系数，它是电光晶体电光张量的 各元素线性综合的结果，其值与光波的偏振方向和晶轴方向有关。在具有胛变化 高速光传输系统中的调制格式及其性能研究 的介质中，光波传出l 距离后，两偏振方向的光束相位变化为妒= 2 7 r l t l n 九， 式中厶为真空中的光波波长。 对于一定结构的电光调制器而言，可将电场强度e 设计在沿光波传播的方向 上。如果加在l 长度电光晶体上的电压为v ，则沿l 长度上的电场强度e 表示为 e = v l ，假设v = 匕的电压加在电光晶体上，可获得妒= 疗的相位变化，则由上 述两个公式可推导出：匕= 凡n ，r ；通常将圪称为半波电压。 电光效应所产生的血值很小，在通常的情况下，需要加很高的电压才能获得 明显的调制效果，但在波导结构的情况下，由于其尺度为微米数量级，即使是在 小电压作用下，也可以得到很高的电场强度，故所需调制电压并不大，这样使得 目前外调制器都做成光波导形式。 2 1 2m z 调制器的调制原理 图2 1m z 调制器结构 图2 1 为m z 调制器的调制结构图。输入光信号在一个y 分支处被分为功率 相等的两束，分别通过两路光波导传输。此处光波导由电光材料制成，其折射率 随外电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第二个y 分支处产生相位差，若 两束光的光程差是波长的整数倍，则相干加强；若两束光的光程差是波长的半整 数倍，则相干抵消，其具体表达式为： = 局z e x p ( # k v - - ) + 争e x p u # 姿匕) ( r ：掣( 2 - 2 ) 。 一6 + 1 e 0 为调制器输出电场，瓦为调制器输入电场，为调制器开关电压，k 、 分别为上调制电压和下调制电压，是考虑到输入输出y 分支器的非对称性和 m z 两臂损耗不一样等因素而引入的参量，0 7 l ，y 与消光比万( 最大光功率与最 小光功率之比) 的关系见式( 2 2 ) 。完全消光情况下( 即理想情况下) ，7 - - - 1 ，由此 式( 2 1 ) 可化为： 第二章光调制的相关器件与系统模型 9 t = 譬e x p c 弦净+ 譬c x p c 弦净 = 譬曲s 万鼍+ 歹咖石琶，+ 譬的s 乃岂+ ，血石琶， ：益【2 c o s 型i 妻盟c o s j r w , 一- v 2 ) + 2 啉 。2k2 es i a 掣z y 。n-w2,u-v2)(2-3)2 。益2s 型当2 唧f 型型 2 j 蚤# j n i = 邑c o s 掣唧j 警 由上式可看出，当v 2 = - v i 时，即m z 调制器工作在推挽方式，输出电场随上 下驱动电压的差值( v l j v 2 ) 变化，分两种情况：当v ；s 、，l - v a _ 2 v , 时，只进行 输出电场的幅度调制，e o s x 以一v 2 ) 2 k 为负值，输出电场五0 相对于输入电场 瓦相移冗：当畦v 1 - v 2 1 v l 时，也只进行输出电场的幅度调制，c o s x w l e ) 2 为正值，输出电场e 0 ，相对于输入电场e 。相移为0 ，调制特性见下图： 光 u 、 。 电j ) 8 二 二) c。 ( ) e 二 1 1bcdef 光信号 l 正弦电信号v z d 幅度为7 , , 2 伏， ) 上直流偏置电压v l d c 为v 以伏， | 下直流偏置电压v 2 d c 为- v 。2 伏 图2 2 双驱动m z 调制器光强调制特性 当v 2 = v 1 时，只对光信号进行相位调制( 产生啁啾) ，如后面讲到的d p s k 、 d q i , s i 【等调制格式都需要用到相位调制。 如果v ，、v 2 设置恰当的话，可同时对光信号进行光强调制和耜位调制，某些 情况下可降低调制器的使用数量【3 刀。 2 2 马赫曾德尔时延干涉仪 马赫一曾德尔时延干涉仪( m z i ) 在扭位调制光传输系统中得到广泛应用，如 l o 高速光传输系统中的调制格式及其性毹研究 图2 3 解释了一个独立的马赫增德尔干涉仪的组成。2 也m z i 包括三部分：对输 入信号进行分路的初始3 d b 耦合器；中心部分是长度相差l 的两根波导，用来在 两臂之问产生与波长有关的相移；最后是输出端将信号复合的3 d b 耦合器。 l _ v k v 、- 、一一 3 m 分路墨捆移m b 分路墨 图2 3 马赫一曾德尔时延干涉仪 长度为d 的耦合器的传播矩阵肘。为： m 一- 鬻等 ， c z 4 ， 等式中七是耦合系数。由于我们考虑的是平分功率的3 d b 耦合器，于是2 挝= 石，2 ， 因此有： 肘一= 扎习 沼s ， 在中心区域，当两臂的信号来自同一个光源时，两个波导的输出具有毋的相 位差： 卸：兰孚一兰孕( l 十蚴 ( 2 6 ) 相位差可以由不同的路径长度( 用l 给出) 或，l l 啦时的折射率差产生。这里， 考虑两臂具有相同的折射率，并且b = n z = 7 锄( 波导中的有效折射率) ，可以将式 ( 2 - 6 ) 写为： 妒=kal(2-7) 等式中七= 幼名 对于一个给定的相位差妒，与之相对应的传播矩阵肘。为： p 烈拙坨。怛悃 协s ， 两个臂的输出光场，和：与玩。和瓦：的关系为： 第二章光调制的相关器件与系统模型 1 1 黝= m 豳 ， 等式中： m = 蛳= 陇外鬣粉黜笼，卜。， 对于有玩t 和瓦。两1 ，入源的情况，我们得到输入光场与输鬯誓场的关系为： e o 叫哆“柏如噼缸坨) + 玩。他) c 0 8 他她佗! ( 2 - 1 1 ) ：2 ，l 瓦j ( ) c o s ( _ j l 2 ) 一瓦。( 五) s i n ( 吃己2 ) j 得到输出光强为： p j = j 圪j = s i n 2 ( k , a z l 2 ) 圪 l + 0 0 8 2 ( 如此2 ) 圪。2， 。= ，2 既o = c o s 2 ( 与址2 ) 最j + s i n 2 ( 哎址2 ) 1 2 ) ( 2 式中如果想要两个输入端的所有光功率全部离开同一个端口，需要有k 。a l 2 = 石 及岛越2 = 石，或者： ( 毛一也拙- 2 嘞畴一老拙卸 ( ：彤) 因此干涉仪两臂的长度差应为： 譬2 1 2 百1 一石1 ) j2 荔 c 二t 。， 2 3 光纤模型 光纤作为w d m 光传输系统的传输介质，是光仿真系统中非常重要的部分。 光信号在光纤中传输的过程中，时刻受到色散和非线性效应的影响，合理而有效 的建立光纤的数学模型在光纤通信系统中显得尤为重要。 分析光脉冲在光纤中的传输是一个非常复杂的过程。在本文中，我们只考虑 光纤的衰减、色散和部分非线性效应，在这些条件下光脉冲在光纤中传输一般通 过非线性薛定谔方程来描述 弼： 薯+ 三e + 等雾一譬雾= 例研n 丢昙o e f 乒睇刀c 厶t s ， 式中e 为脉冲包络的慢交振幅，i e l 2 是光信号的功率，t 是随脉冲以群速度v 移动 的参考系中的时间量度( r = l - - z k ) ，口为光纤的衰减系数( d b k m ) ，屈和屈分 1 2 高速光传输系统中的调制格式及其性能研究 别为二阶和三阶色散参量，五为拉曼增益普斜率。当光脉冲宽度1 p 5 p s 时，参量 ( 瓦) 4 和品写很小，方程( 2 - 1 5 ) 中的最后两项可以忽略，式( 2 1 5 ) 化简为： f警+一itze且豢+鱼等+，iml226 = o( 2 - 1 6 ) a z8 p a t j 。 非线性薛定谔方程是非线性偏微分方程，在一般情况下不适于解析求解，为 阐明光纤中的非线性效应，通常需要做数值处理。分步傅立叶算法是一种广泛应 用到解非线性色散介质的脉冲传输问题的方法。为了介绍分步傅立叶算法的基本 原理，把方程( 2 1 6 ) 改成如下形式： a e = ( z 一, t ) _ 西+ 府 e ( z ，f ) ( 2 1 7 ) 式中西是差分算子，它表示线性介质的色散和吸收；是非线性算子，它决定了 脉冲传输过程中光纤的非线性效应。 西= 譬景+ 譬导一詈 c z 砌， 其中 屈= 一冬易 ( 2 1 9 ) 式中尼表示群速度色散( g v d ) ，与脉冲展宽相关，屈是三阶色散参量 屈= 啬( 磅是+ 2 见) ( 2 2 0 ) 五。为参考波长，么为参考波长色散系数。 在忽略受激拉曼散射效应的情况下得到= 一j rie ( z ，f ) 1 2 ：兰兰竺丘(2-21)1 -7 = 一 呜 7 为非线性系数，如为纤芯有效面积，坞为非线性折射率系数( 与光纤材料有关) 。 一般来说，沿光纤的长度方向，色散和非线性是同时作用的。分步傅立叶算 法通过假定在传输过程中，光场每通过一小段距离 ，色散和非线性效应可以分别 作用，得到近似结果。更准确的说从到毛+ 的传输过程中分两步进行。第一步， 仅有非线性作用，此时6 = 0 ；第二步，仅有色散作用，此时疗= o ，j j i 的取值直接 影响着方程解的精度。我们这里采用对称傅立叶算法，即光脉冲从到气+ - d , 段内传输时，非线性效应包含在小区间的中间而不是边界，当步长h 足够小时，此 时其数学表达式为： 第二章光调制的相关器件与系统模型 1 3 e ( z o 眠f ) z c x p o d ) t e x p ( h 奶占力】c x p ( i l 争 ( 2 1 2 2 ) 其中指数操作c x p ( 矗西) 在傅立叶域内进行。 通过分步傅立叶算法可以比较近似的得到光脉冲沿光纤传输的倩况，为后续 传输特性的研究打下基础。 2 4 直接检测接收机 直接检测接收机( i m - d d ) 在幅度调制光传输系统中应用比较广泛，同时它也可 以作为幅度相位联合键控调制系统中幅度支路的解调接收机。一般直接检测接收 机可分为前端、线性通道和数据恢复三个部分 3 9 1 ，如图2 4 所示： 前端 ： 线性通道 ： 数据恢复 出 图2 4 直接检测接收机 接收机的前端包括光电二极管和前置放大器。光信号通过与发射机相似的耦 合系统耦合迸光电二极管，通常采用的是对接耦合方式。光纤传来的输入光脉冲 信号通过光电二极管转换为电流脉冲信号，并通过一个低噪声的前置放大器将其 转换为电压信号。 线性通道由高增益的放大器( 主放大器) 和均衡滤波器组成。无论接收机的平均 输入光功率是多少，系统都会对放大器增益进行自动控制，把平均输出电压限制 在一个固定的水平上。均衡滤波器是用来对电压波形进行整形的，它可以减小噪 声同时又不会引入较大码间串扰( i s i ) 。 数据恢复部分是由判决电路和时钟恢复电路组成。时钟恢复电路是用来从接 收信号中分离厂= b 处的频谱成分，这个频谱成分为判决电路提供了比特间隔 ( r = 1 b ) 的信息，并且也同步了判决过程。在抽样时刻，判决电路把线性通道的 输出和门限电平相比较，来判断收到的信号是1 还是0 。最佳的抽样时闻在1 和0 比特落差最大的时刻，它可以由眼图决定，眼睛张开最大的时刻就是最佳抽样时 刻。 1 4 高速光传输系统中的调制格式及其性能研究 2 5 平衡光电检测接收机 典型的平衡接收机包括两个光电二极管、一个可以产生平衡光电流的减法运 放，一个电滤波器以及抽样判决器组成，如图2 5 所示： 图2 5 平衡检测接收机 假设到达平衡接收机的信号光场的复包络为a ( t ) ，a s e 噪声为，l ( f ) ，在基带 等效下，经过光滤波器的电场( 信号+ 噪声) 可以表示为： e ( f ) = 一o ) + ( 0 + 玩( f ) ( 2 - 2 3 ) 式中a ( t ) 为经过光滤波后信号场的复包络，k ( f ) 和n a t ) 分别为栉( f ) 经光滤波得到 的窄带高斯过程n ( t ) 的同相分量和正交分量，它们互相独立，且 日心( f ) 】= 研吃o ) 】= 0 ，d n a t ) 】= d 【( f ) 】= 仃2 ( 2 - 2 4 ) 经过m z 时延干涉仪，进入两个p i n 光电二极管的电场分别为： e ( 力：e ( t ) - ：e ( t - 一t ) ：4 0 ) + + o ) + 以+ ( f ) ( 2 2 5 ) e ( o ：，型要生尘：以以( f ) + 一( f ) + i n , ( f ) 】( 2 - 2 6 ) 二 式中t 为信号比特周期。 一般来说光滤波器带宽2 b ( b 为码元速率) ，则滤波后窄带高斯过程的功率谱 密度的带宽也为2 b ，通常可认为( 力与n 。( t - - 乃独立，吃( f ) 与n , ( t - 乃独立。式 中k ( f ) 、吃一) 、k ( f ) 、k ( f ) 为两两独立的高斯随机变量，且均值和方差分别 为0 和仃2 2 。可以看到，进入两个光电探测器的噪声方差都只有原来的一半，同 时判决门限为固定值“0 ”，这两个因素我们认为是平衡接收机具有3 d b 性能优势 的内在原因。经过平衡探测的差分电流为： 毛= 题 巨o ) 1 2 一l 昱门 = 胄 r e m 例+ ) 2 + 尺 h 1 1 【4 ( f ) + ) 2 ( 2 - 2 7 ) 一r r e 4 0 ) 】+ ，o ( f ) ) 2 一r h 1 1 【4 0 ) 】+ ，0 0 ) 2 通过计算平衡接收机的差分电流的概率密度函数，就可以利用高斯近似或 者卡方近似计算得到接收信号的误码概率 4 0 1 。 第三章基于相位的光调制格式 第三章基于相位的光调制格式 上世纪末期，人们对于光相位调制的研究主要集中于相干光通信系统，着重 于分析接收机灵敏度。相干光通信系统对接收端相干光源提出了很高要求，在当 时的实验情况下，很难满足这样的条件。随着掺铒光纤放大器e d f a 的出现，人 们对相位调制系统的兴趣逐渐减小，转而研究实现较为简单的幅度调制格式。 随着单信道比特率、系统频谱效率及传输距离的显著提高，简单的幅度调制 已经难以满足更高速率光通信系统的需要。平衡接收机的出现，使得人们又重新 将注意力集中到相位调制中来。一 相位调制格式由于光功率均匀分布在相位调制信号的每个比特中，使得码间 串扰所导致的信号失真大大降低，故在抗噪声和信道利用率等方面，基于相位调 制原理的光调制格式相比强度调制更优越。经过理论和大量实验的证明：使用平 衡接收，d p s k 相比o o k 调制能提高3 d b 的接收机灵敏度，这样可以使光传输系 统的传输距离提高一倍。 人们对于系统频谱利用率的追求，使得多级调制也逐渐应用于相位调制当中， 这其中的代表就是d q p s k 。更高的频谱效率，更大的色散容限，d q p s k 一出现 就成为了人们研究的熟点。新型的8 d p s k 则