（通信与信息系统专业论文）高速光纤通信系统中光学解调器的研究.pdf

摘要 在波分复用( w d m ) 系统中，比特速率的急剧提高带来了许多极限性的挑战。 比如系统对色度色散( c d ) 与偏振模色散( p m d ) 容限降低，非线性效应影响严重， 光信噪比( o s n r ) 劣化等。因此，需要综合采取各种相关技术来克服这些限制因素， 而在系统中使用先进的光调制格式便是其中的最为有效的手段之一。 近年来，相位调制格式如差分相移键控( d p s k ) 与差分四相相移键控( d q p s k ) 由于在系统中优异的性能引起了研究人员的极大关注。在w d m 系统中使用d p s k 与d q p s k 调制技术能够提高系统对c d 、p m d 以及非线性效应的容限，延长了传 输距离。而在d p s k 和d q p s k 系统的接收端，需要有光解调器将相位调制信号转 换为强度调制信号从而提取载波相位中所携带的信息，因此光解调器是d p s k 与 d q p s k 系统中的最重要光学器件之一。本文对光d p s k 和d q p s k 解调器进行了 研究与设计，主要完成的工作如下： ( 1 ) 介绍了两种不同原理的新型d p s k 解调器：首先设计与分析了一种基于 标准具结构的m i c h e l s o n 干涉仪型d p s k 解调器。分析表明这种d p s k 解调器有着 较好的温度特性，可作为商用d p s k 解调器的一种理想的实现方案，相关内容已申 请知识产权保护。然后，从理论上提出并分析了一种偏振无关的晶体型d p s k 解调 器，这种解调器基于偏振光干涉的原理，并用j o n e s 矩阵法推导了解调过程。 ( 2 ) 重点分析了d p s k 解调器两个关键参数一频率失配与输出端口间传播时 延的产生及测试方法，该测试方法同样适用于d q p s k 解调器。实际制作了上述两 种d p s k 解调器，并进行了实验验证，比较了这两种d p s k 解调器的性能。 ( 3 ) 设计并实际制作了一种可商用的m i c h e l s o n 干涉仪型d q p s k 解调器， 通过实验验证了该d q p s k 解调器的性能。然后，在晶体型d p s k 解调器的基础上， 提出了一种基于双折射晶体的新型d q p s k 解调器，此种结构的d q p s k 解调器通 过两个1 8 波片来实现d q p s k 解调器中丌4 的相移，理论推导结果表明此种 d q p s k 解调器能够实现普通d q p s k 解调器同样的功能。 关键词：波分复用；调制格式；差分相移键控解调器；差分四相相移键控解 调器 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t i nw a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) s y s t e m s ，r a p i di n c r e a s eo fb i tr a t e p e r - c h a n n e lh a sb r o u g h tg r e a tc h a l l e n g e st o t h ew h o l es y s t e m s ，s u c ha sd e c r e a s i n g t o l e r a n c et oc h r o m a t i cd i s p e r s i o n ( c d ) a n dp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) a sw e l l a sn o n l i n e a ri m p a i r m e n t s ，h i g h e rr e q u i r e m e n to no p t i c a ls i g n a l t o - n o i s er a t i o ( o s n r ) ，e t c a sar e s u l t ，s o m ec o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e np u tf o r w a r da n ds t u d i e dt o o v e r c o m es u c hl i m i t a t i o n s ，a m o n gw h i c ha d v a n c e do p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t si so n eo f t h em o s te f f e c t i v em e t h o d s r e c e n t l y , p h a s e - m o d u l a t e df o r m a t ss u c ha sd i f f e r e n t i a lp h a s e - s h i f tk e y i n g ( d p s k ) a n dd i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g ( d q p s k ) a r eb e i n ge x t e n s i v e l ys t u d i e d d p s ka n dd q p s kt e c h n i q u e sh a v es h o w ng r e a tr o b u s t n e s st oc d ，p m da n dn o n l i n e a r i m p a i r m e n t si nw d ms y s t e m s ，s ot h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ec a l lb ee x t e n d e d i nd p s ka n d d q p s kr e c e i v e r s ，a no p t i c a ld e m o d u l a t o ri sn e c e s s a r yt oc o n v e r tp h a s em o d u l a t i o nt o i n t e n s i t ym o d u l a t i o n ，s ot h ei n f o r m a t i o nc o d e di nc a r r i e rp h a s ec a nb ee x t r a c t e d ，a n d o p t i c a ld e m o d u l a t o r sa r et h em o s ti m p o r t a n td e v i c e si nd p s ka n dd q p s ks y s t e m s t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fo p t i c a ld p s ka n dd q p s k d e m o d u l a t o r s ，t h e m a i nw o r ki sg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 ) t w on o v e lk i n d so fd p s kd e m o d u l a t o r si m p l e m e n t i n gd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e sa r e i n t r o d u c e d f i r s t l y , am i c h e l s o n - i n t e r f e r o m e t e r - b a s e dd p s kd e m o d u l a t o ru s i n ge t a l o n s t r u c t u r ei sp r e s e n t e da n da n a l y z e d ，t h a n k st oi t sg o o dt e m p e r a t u r es t a b i l i t y , t h i sn o v e l d p s kd e m o d u l a t o rc a l lb ea l li d e a lc a n d i d a t ef o rc o m m e r c i a ls o l u t i o n s ，a n di ti s p a t e n t - p e n d i n g t h e n ，ac r y s t a l - b a s e d ，p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n td p s kd e m o d u l a t o ru s i n g t h ep r i n c i p l eo fp o l a r i z a t i o nb e a mi n t e r f e r e n c ei st h e o r e t i c a l l yd e m o n s t r a t e d ，t h r o u g hj o n e s m a t r i c e sm e t h o d ，t h ep r i n c i p l eo fd e m o d u l a t i o ni si l l u s t r a t e d ( 2 ) t h ef u n d a m e n t a l sa n dm e a s u r i n gm e t h o d so fd p s kd e m o d u l a t o rf o rt w ok e y p a r a m e t e r s ：p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n tf r e q u e n c ys h i f t ( p d f s ) a n dp r o p a g a t i o nd e l a y d i f f e r e n c eb e t w e e no u t p u tp o r t sa r ed e m o n s t r a t e da n da n a l y z e di nd e t a i l ，w h a t sm o r e ，t h e 武汉邮电科学研究院硕士论文 m e t h o d so fm e a s u r e m e n ta r ea l s oa p p l i c a b l ef o rd q p s kd e m o d u l a t o r s w ea l s of a b r i c a t e a n dt e s tt h et w od p s kd e m o d u l a t o r sp r e s e n t e da b o v et ov e r i f yt h e i rp e r f o r m a n c e ( 3 ) ac o m m e r c i a 1m i c h e l s o n - i n t e r f e r o m e t e r - b a s e dd q p s kd e m o d u l a t o ri sd e s i g n e d a n df a b r i c a t e d ，t h r o u g hc a r e f u le x p e r i m e n t s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sd q p s kd e m o d u l a t o r i sv e r i f i e d t h e n ，ac r y s t a l - b a s e d ，p o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n td q p s kd e m o d u l a t o ri s t h e o r e t i c a l l yd e m o n s t r a t e d ，t h e 兀4p h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w od e m o d u l a t i n g t r i b u t a r i e si nt h i sd q p s kd e m o d u l a t o ri sa c h i e v e db yt w o1 8w a v ep l a t e s ，t h et h e o r e t i c a l r e s u l t si n d i c a t et h a ts u c hd q p s kd e m o d u l a t o rs h o w st h es a m ef u n c t i o n 勰t r a d i t i o n a l i n t e r f e r o m e t e r - b a s e dd q p s kd e m o d u l a t o r k e yw o r d 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 ( w d m ) ； m o d u l a t i o nf o r m a t s ： d i f f e r e n t i a lp h a s e - s h i f tk e y i n g ( d p s k ) d e m o d u l a t o r ；d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s e - s h i f t k e y i n g ( d q p s k ) d e m o d u l a t o r 武汉邮电科学研究院硕士论文 第1 章绪论 1 1 引言 尽管2 0 0 1 年以来光通信产业的泡沫破裂延缓了行业发展的步伐，但是市场对带 宽需求的增长却没有就此停止。基于m 的宽带业务的迅猛发展为超高速、大容量光 密集波分复用( d e n s ew d m ，d w d m ) 系统的发展提供了直接的驱动力。 自波分复用技术出现以来，光纤通信系统得到了飞速的发展，主要表现为单信道 速率的不断提高1 卜 4 1 ( 由1 0 g b s 到4 0 g b s 甚至1 0 0 g b s ，1 6 0 g b s 。注：本文中，若 无特殊说明，用g b s 代表g i g a b i t s ) ，信道间隔不断变窄( 由1 0 0 g h z 变为5 0 g h z t 习 甚至2 5 g h z 6 1 ) ，传输距离不断延伸( 无电中继传输距离达到1 0 0 0 k m 以上1 7 1 ) 。在这 种情况下，影响系统性能的各种限制因素也日益增多，主要表现为对系统中色度色散 ( c d ) 、偏振模色散( p m d ) 的容限降低，光信噪比( o s n r ) 灵敏度劣化，对系统 的噪声、非线性较为敏感等。为了克服这些不利因素，一些关键性的技术不断涌现， 包括新型的调制格式，低噪声、宽带的r a n l a n 放大器，色散管理技术，前向纠错码 ( f e c ) 等。其中，先进的调制格式特别是相位调制格式引起了研究人员极大的关注。 1 2 限制高速光通信技术进一步发展的主要因素 我国九十年代中期就开始部署w d m 系统，2 0 0 0 年左右运营商敷设的都是基于 1 0 g b s 速率的d w d m 系统，相对于速率为2 5 g b s 的系统，1 0 g b s 系统大大降低了 运营商的投资与维护成本，这也刺激了业界对4 0 g b s 以及更高速率的系统的开发热 情，单信道速率达到4 0 g b s 的系统又被称作为4 0 g 系统。目前来看，4 0 g 的技术已 经成熟，1 0 0 g 的系统虽然已进入了实验阶段，但离实用化还有一定的距离，当前高 速光通信系统的部署也主要是以升级1 0 g 到4 0 g 的方式进行。因此4 0 g 在1 0 g 网络 上的部署必须对当前的网络运营产生的影响最小，同时4 0 g 又需要具有同1 0 g 一样 的信号质量，这种无缝、平滑的升级方式使得4 0 g 的部署面临着极大的挑战，主要 表现在以下几个方面： 1 色度色散 武汉邮电科学研究院硕士论文 色度色散会导致光信号的脉冲展宽，造成接收端的码间干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，从而劣化了信号质量。由于系统对色度色散的容限与信号速率的平 方成反比【8 】，因此若由1 0 g 系统升级到4 0 g 系统，色散容限降低为原先的1 1 6 ，给 4 0 g 的传输带来了极大的影响。因此，4 0 g 的系统需要更加精确的色散补偿，而1 0 g 线路中的色散补偿精度不能满足4 0 g 的要求。在未来基于可重构光分叉复用器 ( r o a d m ) 的智能光网络中，由于波长灵活配置，采用固定长度的色散补偿光纤进 行色散补偿是行不通的，所以4 0 g 系统需要精确的、可调谐的色散补偿技术。 2 偏振模色散 偏振模色散( p m d ) 的产生是由于光纤的双折射( 包括本征双折射和非本征双 折射) 和随机模耦合导致了光纤中传播的两个正交的模式之间产生了随机变化的时延 差【9 1 。p m d 导致了正交的主偏振态( p r i n c i p l es t a t eo fp o l a r i z a t i o n ，p s p ) 之间差分群 时延( d i f f e r e n t i a lg r o u pd e l a y , d g d ) 的增大，因此在接收端的均方判决后，p m d 同 样造成了脉冲展宽从而产生了码间干扰。系统对p m d 的容限与系统的速率成反比， 为了确保p m d 对系统的性能不造成明显影响( 以系统的o s n r 代价小于l d b 衡量) ， p m d 应不超过一个比特周期的1 1 0 t l o 】( 对应的差分群时延大小为一个比特周期的 3 1 0 ) 。因此4 0 g 系统的p m d 容限只有约2 5 p s ，对于9 0 年代后期生产的光纤来讲， p m d 系数一般较小( 0 2 p s , f - - 丽) ，但光纤链路中的一些光器件也会引入额外的 p m d ，如光放大器、中继器、色散补偿光纤等，因此在4 0 g 及更高速率的光传输系 统中采用现有的非归零调制( n i 屹) 格式仍然要考虑到对p m d 进行补偿。同时由于 p m d 的随机变化特性，在系统中对p m d 的平均值进行静态补偿是行不通的，需要自 适应的p m d 动态补偿器。但p m d 补偿器的成本较高，而且现有的p m d 动态补偿器 只能补偿单通道的一阶p m d 9 ! 】。因此，提高系统对p m d 的容限、进一步减小光纤 本身的p m d 系数是缓解p m d 对光纤通信系统影响的有效手段。 3 光信噪比 4 0 g 接收机所要求的带宽是1 0 g 接收机的4 倍，因此接收机所接受的噪声功率 也增大到以前的四倍，即增大了6 d b ，可以理解为4 0 g 接收机o s n r 灵敏度降低了 6 d b 。由于o s n r 是衡量系统最大传输能力的一个重要指标，因此o s n r 灵敏度的降 低严重限制了4 0 g 在1 0 g 链路上的传输距离，4 0 g 系统需要更为强大的前向纠错 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( f e c ) 技术或者噪声指数更低的光放大技术来提高o s n r 的灵敏度。 4 非线性的影响 相对于1 0 g 系统，在4 0 g 乃至更高速率的系统中，通道内( i n t r a - c h a n n e l ) 非线 性效应的影响更为显著，主要表现为高速光脉冲的比特周期较短，色散引起的脉冲展 宽较快，于是造成了通道内相邻脉冲间的重叠和相互作用。当单通道速率达到4 0 g b s 及以上时，通道内的交叉相位调制( i n t r a - c h a n n e lc r o s sp h a s em o c u l a t i o n ，i x p m ) 和四 波混频( i n t r a c h a n n e lf o u r - w a v em i x i n g ，i f w m ) 效应成为了限制系统的主要非线性效 应【1 0 j ，这些效应使得光信号经光纤传输后发生畸变，限制了系统的传输容量和传输距 离。同时，由于色散和非线性之间的相互作用使得4 0 g 系统需要特殊的设计来抑制 这些非线性效应。 为了解决上述种种因素给高速光通信技术带来的限制，研究人员采取了各种技术 来克服这些障碍，而使用先进的调制格式便是其中最为有效的手段之一。 首先，光纤可利用的带宽和可达到的频谱效率决定了光纤传输的容量，在可利用 的带宽一定的情况下，提高频谱效率变得尤为重要。对于4 0 g 系统，如果采用传统 的强度调制非归零( n r z ) 码型，只能在1 0 0 g h z 的信道间隔上进行传输，频谱效率 较低( 0 4 b i t s h z ) 。而针对信道特点提出的一些新型调制格式，在相同比特率的情况 下，能够支持5 0 g h z 甚至更窄的信道间隔，大幅提高了光纤通信系统的容量。 其次，先进的调制格式特别是多水平( m u l t i l e v e l ) 的调制格式，由于谱宽较窄， 能够提高系统对c d 与p m d 的容限。另外，在抗非线性效应方面，一些新型格式也 要优于n r z 格式。因此，在系统中使用先进的调制格式能够从一个甚至多个方面改 善系统的性能，起到了一举多得的作用。 1 3 高速光纤通信系统中调制格式的简介 对信道速率为1 0 g b s 以下的系统，n r z 码型被广泛采用，因为相对于其他调制 格式，n r z 具有实现简单、成本低廉等优点。但当信道速率为4 0 g b s 及以上时，由 于n r z 码型的频谱效率较低、对系统中各种线性与非线性损伤的容限较差，其传输 能力受到了严重限制。虽然早期的4 0 g 实验系统仍然采用n r z 调制格式进行传输1 3 1 ， 但并不适合商用应用，基本上已经被淘汰。目前所有商用的4 0 g 系统都采用了较为 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 先进的调制格式，如光双二进制( o d b ) ，载波抑制归零( c s r z ) ，差分相移键控 ( d p s k ) ，差分四相相移键控( d q p s k ) ，四相相移键控( q p s k ) 等，同时为了进 一步地提高频谱效率以及对各种线性与非线性损伤的容限，有些系统采用了偏振复用 技术与先进的调制码型结合的方案，如偏振复用的d q p s k ( d u a l p o l a r i z a t i o n - d q p s k ， d p d q p s k ) 与偏振复用的q p s k ( d u a l - p o l a r i z a t i o n - q p s k ，d p q p s k ) 。 从物理角度来讲，c s r z 属于通断键控( o o k ) 强度调整格式，o d b 是基于相 位辅助的强度调制格式，而d p s k ，d q p s k ，q p s k 属于相位调制格式，其中d q p s k 与q p s k 的区别在于前者用相邻码元之间差分相位来表示传输的信息，而后者即采用 载波的绝对相位来表示传输的信息。 1 3 1 高速光纤通信系统中的主要调制格式 1 归零调制码型( r z ) 在r z 调制码型中，脉冲只占据了整个比特周期的一部分，比n r z 码型允许更 多的脉冲展宽，因此r z 码对p m d ( 一阶) 的容限较高，但由于r z 码的功率谱较宽， 对色散容忍度较差。由于r z 码展宽更快，脉冲的峰值功率迅速降低，因此r z 码相 对于n r z 码有较强的非线性抵抗能力。r z 码按照占空比的不同，又分为占空比为 3 3 ，5 0 ，6 7 的r z 码型。其中6 7 r z 码又被称为载波抑制归零码型( c a r r i e r s u p p r e s s e d r z ，c s r z ) ，其特点为相邻时隙光脉冲的位相相反，因此信号谱中原始的 载波分量被抑制，具有较好的非线性和色散容刚1 4 】。但r z 码由于谱宽比n r z 码宽， 并不合适于5 0 g h z 波长间隔的d w d m 系统传输。 2 光双二进制码( o d b ) o d b 码通过对数据信号的预编码和处理来实现对调制光信号的相位进行控制， 又称为相位整形二进制传输( p s b t ) t 5 】。经调整后的o d b 光信号中相隔奇数个“o 码的两个光脉冲位相相反，减小了调制光信号的光谱宽度( 相对于n r z 调制，o d b 的谱宽减小了约一般半) ，因此o d b 码的色散容限较大，可以支持5 0 g h z 信道间隔 的d w d m 光传输。与n r z 码型相比，o d b 调制虽然需要额外的预编码，但由于o d b 调制可以采用低速器件来实现，相对于其他码型较为简单，因此在城域、区域和长途 网络中均可以应用，目前多数的4 0 g 商用设备都能提供o d b 接口。但o d b 码抗非 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 线性能力较差，o s n r 容限也没有得到改善，因此传输距离被限制在6 0 0 k m 左右。 3 差分相移键控码型( d p s k 和d q p s k ) d p s k 与d q p s k 属于差分相位调制格式，码元信息由载波的相位差表示。d p s k 信号通过相邻码元之间0 或者丌的相位差来表示传输的“0 和“1 码。d p s k 调制 的结果导致信号功率谱中直流分量被抑制，有较强的抗非线性能力。d p s k 调制的最 大优点是：当采用平衡接收时，在达到相同误码率( b e r ) 的情况下，d p s k 信号对 o s n r 的要求相对于n r z 码降低了3 d b ，即o s n r 灵敏度提高了3 d b 。通过与r z 调制的结合后产生r z d p s k 信号，同时具有了r z 调制的优点，可以进一步提高信 号的非线性抵抗能力与p m d 容限。因此，d p s k 系统适合中长距离的传输，而且由 于d p s k 调制实现简单、成本相对较低，对城域网的应用也很有吸引力。 d q p s k 调制相当于一种多级的d p s k 调制，由载波的四种相位差( o ，2 ，兀， 37 【2 ) 来表示传输的码元信息，由于每两个比特的信息由一种相位表示，d q p s k 信 号的调制谱宽只有n r z 信号的一半。因此，d q p s k 信号的c d 与p m d 容限相对于 d p s k 信号有了大幅度的改善( n r z d q p s k 信号对c d 与p m d 的容限相对于 n r z d p s k 提高了约一倍) ，适合于在5 0 g h z 间隔上传输4 0 g b s 信号的d w d m 系 统。在接收端，d p s k 与d q p s k 需要采用基于延迟干涉仪的d p s k 与d q p s k 解调 器提取载波中携带的码元信息。 4 四相相移键控( q p s k ) 调制码型 与d q p s k 调制格式相似，q p s k 信号的调制谱宽也只有n r z 信号的一半，因 此具有和d q p s k 格式相似的特性。在q p s k 调制中，由载波的四种相位( 0 ，2 ，】【， 3 兀2 或者4 ，3 4 ，5 4 ，7 氕4 ) 来表示传输的码元信息，每两个比特的信息 由一种相位来表示。在接收端，不同于d q p s k 的差分探测，q p s k 信号要使用相干 探测【1 6 】的方式来提取加载于载波相位中的比特信息，即利用本地振荡光( l o c a l o s c i l l a t o r , l o ) 与信号光在相干解调釉0 。o p t i c a lh y b r i d 中干涉来实现对两个正交 通道的相位检测【1 7 】f 1 8 】，使用相干探测技术的光q p s k 调制的系统也被称为相干q p s k 系统。相对于直接探测方式，相干探测系统的接收端对接收到的光信号是一个线性的 变换，这样一来系统中的线性失真( 如c d 与p m d ) 在理论上可以无损地补偿【1 9 】， 同时非线性效应也可以被有效地均衡。近年来，有报道指出相干q p s k 可以与偏振复 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 用技术很好的结合起来【2 0 】【2 1 1 1 2 2 1 ，使得两个偏振方向正交的光载波分别携带不同的信 息，使得码元速率只有比特速率的四分之一，进一步提高了频谱效率。在接收端通过 偏振分集( p o l a r i z a t i o n d i v e r s i t y ) 接收，采用后继的d s p 处理【2 3 i 2 4 l ，自动补偿了c d 与p m d 。因此，为了能够实现更高速率、超大容量的长距离传输，d p q p s k 技术将 会是较为理想的选择。 表1 1 列出了几种主要调制格式输出的眼图及光谱特性比较【2 5 1 。其中，眼图与输 出光谱特性均为软件模拟得出。 表1 1 几种主要调制格式的眼图及光谱特性比较 眼图光谱系统复杂度 n l 讫盔篆 简单 c s l 辽较为复杂 o d b ； 专- l 谢| ：二墨习， 较为复杂 r z d p s k 复杂 r z d q p s k 复杂 注：没有列出d p q p s k 的眼图及光谱，其光谱宽度只有n r z 谱宽的四分之一， 但其系统复杂度最高。 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 除上述几种已经可以商用化的新型调制格式外，为了进一步提高频带利用率和系 统对色散的容限，可以采用m 进制的幅移键控( m u l t i l e v e l a s k ，m a s k ) 和相移键 控( m p s k ) 调制格式甚至幅度和相位结合的调制格式，有报道的如6 4 q a m 2 6 1 和 8 - p s k 2 7 1 ，a p s k 【2 8 1 等。在不使用偏振复用技术时，m 进制的调制格式理论上频带利 用率就可以达到l 0 9 2 mb 谢s h z 。但为保证系统的误码率必须以提高发送端的o s n r 为代价，会导致较强的非线性效应，同时其发送和接收端( 相对于( d ) q p s k 系统) 更为复杂。近年来，光正交频分复用( o f d m ) 引起了较为广泛的关注 2 9 1 3 们，光o f d m 调制技术能够消除由c d 与p m d 引起的码间干扰，同时o f d m 调制格式的频谱极窄， 适合未来基于r o a d m 的可重构的智能光网络，因此o f d m 也被认为是未来高速、 长距离光传输的理想的调制格式。 总之，目前调制格式的发展趋势是将电域中各种高效但比较复杂的调制格式运用 到光域当中。由于对光信号的控制与管理远比电信号复杂，且受到高速的光电子器件 本身发展的限制，使得一些复杂的调制格式在光纤通信中还没有得到很好的应用。目 前能够商用的调制格式主要集中在n r z ，r z c s r z ，o d b ，d p s k ，d q p s k ，d p q p s k 这几种当中。表1 2 列出了在4 0 g 系统中，这些可商用调制格式的性能比较【1 2 j 【3 。 表1 24 0 g b s 系统中主要调制格式的性能比较 调制格式 o s n r c d 容限d g d 容限非线性抵抗 【d b 】 p s n m p s 】 能力 ( 背靠背测试) n i 屹1 5 96 08参考 3 3 r z1 5 14 21 0 较高 o o k 5 0 r z1 4 45 41 0较高 c s r z ( 6 7 r z ) 1 4 95 6 l l 较高 o d b1 6 61 6 06 较差 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 续表1 24 0 g b s 系统中主要调制格式的性能比较 调制格式 o s n r c d 容限 d g d 容限 非线性抵抗 【d b 】【p s n m 】 【p s 】能力 ( 背靠背测试) n r z d p s k1 1 77 5l o 较高 3 3 r z - d p s k l l 4 6 l o 高 d p s k 5 0 r z - d p s k1 0 85 31 0 高 c s r z d p s k1 1 15 91 1 高 n r z d q p s k 1 3 22 4 02 0较高 3 3 r z d q p s k n a1 6 82 0 较高 d q p s k 5 0 r z - d q p s k 1 2 22 1 62 l 较高 c s r z - d q p s k n | k2 2 02 2 较高 d p q p s k n a 2 5 0 0 0 7 5 较差 注：d p q p s k 调制格式假设在接收端使用相干探测和d s p 处理方式：表中所列数 值均为典型值，具体数值取决于系统的配置。 在达到相同比特速率的前提下，d p q p s k 需要的波特率最小，即4 0 g 的系统只 需1 0 g 的光电器件就能实现，它对系统中c d 与p m d 的容限最高。但是，推动4 0 g 高速光传输系统走向规模商用的驱动力是上下游产业链的成熟，其中下游关键元器件 形成多厂商的规模供货能力是最关键的因素。目前d p q p s k 技术的相关元器件成本 极高，能够提供d p q p s k 系统的厂家也只有n o r t e l 一家。因此，d p s k 与d q p s k 调制技术由于其相对较低的成本与较为优异的性能得到了最为广泛的关注。 1 3 2 调制格式的应用情况 先进的调制格式的应用，使得对高速、大容量、长距离d w d m 系统的研究变得 丰富多彩，其性能也得到了突飞猛进的发展。其中，关于4 0 g 的实验研究从2 0 0 0 年 左右就已经开始3 2 】【3 3 】。目前，随着4 0 g 技术的发展与成熟，各大主流设备商如 a l c a t e l l u c e n t ，e r i c s s o n ，h u a w e i ，f u j i t s u ，n o k i a - s i e m e n s ，n o r t e l 等也相继推出了 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 支持不同调制码型4 0 g 的传输平台，一些新型的子系统提供商如o p n e x t ，m i n t e r a 也 能提供4 0 g 子系统的解决方案；在数据领域，c i s c o 和j u n i p e r 也相继推出了带有4 0 g 光接1 2 的商用路由器，并已有小部分的应用。表l - 3 列出了部分可商用的4 0 g 设备或 子系统的技术特点。 表1 3 一些可商用的4 0 g 设备与子系统 设备商设备平台调制格式信道间隔传输距离 a l c a t e l l u c e n t l a m b d ae x t r e ml6 2 5 d p s kl0 0 5 0 g h z1 0 0 0 k m e r i c s s o nm h l 3 0 0 0 o d b ，d q p s k 1o o 5 0 g h z1 0 0 0 k m f i b e r h o m ef o n s t 3 2 0 0 o d b ，d p s k 5 0 g h z1 2 0 0 k m f u j i t s u f l a s h w a v e 7 5 0 0 r z d q p s k 1 0 0 g h z1 0 0 0 k m h u a w e io s n 8 8 0 0 d r z ，d q p s k 10 0 5 0 g h z1 6 0 0 k m m i n t e r am 1 4 0 0 0 0a d p s k5 0 g h z1 0 0 0 k m n o k i a - s i e m e ms u r p a s sh i t7 5 0 0 o d b 5 0 g h z1 0 0 0 k m n e c s p e c t r a l w a v ed w 4 0 0 0 r z d p s k1 0 0 g h z1 0 0 0 k m n o r t e lc p l d p - q p s k 5 0 g h z2 0 0 0 k m s t r a t a l i g h t o t s 4 0 0 0o d b d p s kl0 0 5 0 g h z1 0 0 0 k m 在运营商方面，4 0 g 部署已经开始，而美国的a t & t 和v e f i z o n 在其中扮演了主 要角色，其中a t & t 从2 0 0 7 年正式发布4 0 g 的d w d m 全国骨干商用网络的部署计 划，紧跟着其它运营商如t e l e f o n i c a 、n t t 等也先后启动了4 0 g 的d w d m 网络建设， 纷纷试水4 0 g 的应用。从2 0 0 8 年开始，全球4 0 g 传输商用化进程出现明显的加速迹 象，运营商对4 0 g 的部署表现出浓厚的兴趣。v e r i z o n 继续在美国国内的网络上部署 4 0 g 链路，并开始升级其欧洲的长途网络到4 0 g ，而中国电信也于0 8 年8 月宣布上 海到江苏无锡段的4 0 g 波分传送网商用，这些都标志着蛰伏多年的4 0 g 终于从研究、 现场实验走向了广泛推广应用的前台。 随着用户对带宽需求的不断增长，有些运营商已经开始关注1 0 0 g 系统的发展。 对1 0 0 g 系统的研究目前还是一个科研的课题，离实际商用还有一定的距离，但是己 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 经有一些1 0 0 g 系统的实际演示，其中有几个还是在现有欧洲和美国实际运行的网络 上进行的。不过，作为一项重要的技术变革，除了需要本身技术成熟以外，1 0 0 g 的 商用还要依赖1 0 0 g e t h e m e t ( 1 0 0 g e ) 标准化的进程和1 0 0 g e 路由的情况。在 4 0 g 1 0 0 g 的研究如火如荼的今天，各种先进的调制技术在光纤通信系统中已经或者 正在得到大规模的应用。但在光纤信道中，不仅要考虑噪声，还要考虑色散和非线性 等各种效应对信道的影响。因此，实际中可以根据实际的网络传输需求、系统参数的 设计、实现成本等方面综合考虑以选择合适的调制格式。 1 4 本论文的主要工作 本文着重对用于解调差分相移键控( 包括d p s k 与d q p s k ) 调制格式的光学解 调器进行了研究与设计，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在详细讨论d p s k 解调器的原理及研究现状的基础上，设计并分析了两种 光d p s k 解调器一一分别基于m i c h e l s o n 干涉仪原理与双折射晶体的偏振光干涉原 理。其中，基于标准具结构的m i c h e l s o n 干涉仪型d p s k 解调器的相关内容已申请知 识产权保护，并重点讨论了d p s k 解调器关键参数的测试原理及方法。( 第三章) ( 2 ) 实际制作了这两种d p s k 解调器，通过实验验证并比较了这两种解调器的 性能。实验结果表明，这两种d p s k 解调器均达到了可商用的水平。其中，m i c h e l s o n 干涉仪型d p s k 解调器具有结构简单、成本低廉且可以通过简单的温度控制来微调相 位差从而实现器件的可调性等优点，可作为商用d p s k 解调器的一种理想解决方案， 而晶体型的方案更加适合制作中心波长固定的d p s k 解调器。( 第三章) ( 3 ) 在深入研究并成功制作了d p s k 解调器的基础上，设计并实际制作了一种 可商用的m i c h e l s o n 干涉仪型d q p s k 解调器，通过实验验证了其各项性能指标。提 出并分析了一种晶体型d q p s k 解调器，与普通d q p s k 解调器不同的是，它通过两 个1 8 波片来实现d q p s k 解调器中4 的相移，从而无须加入外部的温度控制。 用j o n e s 矩阵法推导了其实现原理，理论推导结果表明此种d q p s k 解调器能够实现 普通d q p s k 解调器同样的功能。( 第四章) 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章基于差分相移键控的新型调制格式 现有的1 0 g b s 系统主要采用传统的o o k 强度调制格式，如n r z 与r z 格式。 与这些强度调制格式不同，在相移键控调制格式( p s k ) 中，比特信息被调制于载波 的相位而不是幅度之中。而由于在使用直接检测的接收端没有一个绝对的相位参考， 使得p s k 系统需要用到相干检测的方式，这就导致了差分相移键控调制格式的产生。 在差分相移键控调制中，由相邻光脉冲之间的相位差来代表传输的比特信息。在本文 中，“d p s k ”代表差分二相相移键控( d i f f e r e n t i a lb i n a r y p s k ，d b p s k ) ，是差分相移 键控调制格式中最简单的一种，而差分四相( 正交) 相移键控( d q p s k ) 则是一种 多级的差分相移键控调制格式。 对于高速光通信系统( 1 0 g b s 以上) 来讲，一般采取外调制的方式。本章首先 介绍了基于铌酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体外调制器的工作过程，给出了产生不同占空比信 号的调制原理；随后简述了基于l i n b 0 3 晶体外