（物理电子学专业论文）基于pcf超连续谱的rof多波长载波源的研究.pdf

北京邮电大学硕士论文 基于p c f 超连续谱的w d m r o f 系统载波源的研究 摘要 r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 技术是为了提高无线谱资源的利用率和降 低远端基站模块的规模提出的。随着对r o f 技术研究的不断发展， 基于r o f 技术的通信系统还具有丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、 大容量、低损耗等优点使其在未来的3 g 和4 g 中有很大的发展空间。 由于用一根光纤传输一路r o f 信号显然是对光纤带宽的极大浪 费，而且在光通信技术中，波分复用( w d m ) 技术已经非常成熟，将 多路的光载射频信号复用在同一根光纤中传输，不仅技术上不存在问 题，而且会简化网络的结构，这种波分复用的r o f 系统( w d m r o f ) 必将成为今后发展的趋势。 本文研究了基于p c f 超连续谱的w d m r o f 系统载波源。其工 作主要分为三个部分： ( 1 ) 超连续谱产生的理论研究：主要包括了非线性薛定谔方程的 研究，数值分析和仿真。从理论上分析了影响超连续谱的产 生的机制和影响因素。 ( 2 ) 用于产生超连续谱的光子晶体光纤( p h o t o n i ec r y s t a lf i b e r , p c f ) 的结构研究：光子晶体光纤的色散和非线性特性可以通 过对其结构( 如包层孔径大小、孔径间距等) 的设计来实现的。 这部分从理论仿真着手，分析了其结构对其非线性的影响， 并利用p c f 实验产生了超连续谱。 ( 3 ) 用于超连续谱切割的超结构光纤布拉格光栅( s u p e r s t r u c t u r e f i b e rb r a g gg r a t i n g ，s s f b g ) 的光谱特性研究：从耦合模理论 入手，并利用其数值方法传输矩阵法，仿真分析了影响 s s f b g 光谱的物理参数，最后对理论分析进行实验验证。 本文从理论分析出发，对超连续谱以及超连续谱的切割进行了 仿真研究，最后对理论、仿真结果进行了实验验证，实验产生了满 足课题需要的1 0 信道的w d m r o f 系统载波源。为w d m r o f 系统 的发展起到了很大的作用。 关键词：光载射频系统( r o f ) ；波分复用( w d m ) ；光子晶体光 纤( p c f ) ；超连续谱；超结构光纤光栅( s s f b g ) ；滤波器 i l 北京邮电大学硕+ 论文 n 叮忱s t i g a t i o no nt 皿o p t i c a lc a r r 三rs o u r c e f o r 1 d m r o fs y s t e mb a s e do nt h ep h o t o n i c c r y s t a lf e ra n dt h es u p e r s t r u c t u ref i b e r a b s t r a c t t h el o d g i n go fr o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) i st oe n h a n c et h eu t i l i z a t i o n o ff r e q u e n c ya n dt oc u td o w nt h ec o s to fo u t l y i n gb a s es t a t i o n a l o n g w i t ht h es t u d yo fr o f , t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ni th a st h e a d v a n t a g eo ft h ea b u n d a n tt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h ，t h es e a m l e s s c o v e r a g e ，t h eb i g c a p a c i t ya n dt h el o wl o s s ，e t c i tm a k e sr o fas p a c i o u s r o o mf o rd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e3 ga n d4 gc o m m u n i c a t i o n s u s i n go n ef i b e rt ot r a n s m i tr o fs i g n a lo fo n l yo n ec h a n n e li sa h u g ew a s t i n g o ft h ef i b e r sb a n d w i d t h i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w d mt e c h n o l o g yi sm a t u r e e n o u g h t ot r a n s m i t m u l t i - c h a n n e ls i g n a l si no n ef i b e r t h ea p p l i c a t i o no fw d mm a k e st h e f r a m eo fn e t w o r kb r i e f e r s ot h ew d m r o fs y s t e mw o u l db et h et m n d o ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n t i i i 北京邮电人学硕：仁论文 i nt h i sp a p e r , o p t i c a lc a r d e rs o u r c ef o rt h ew d m r o fs y s t e m b a s e do nt h ep h o t o n i cc r s t a lf i b e ra n dt h es u p e r s t r u c t u r ef i b e rb r a g g g r a t i n gi sd e s i g n e d t h ew o r kc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a n s ： ( 1 ) t h es t u d y o fs u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o nt h e o r yi sd o n e i t i n c l u d e s t h ei n d u c i n go fn o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o n ，t h e n u m e r i c a la n a l y z i n ga n dt h ee m u l a t i o n t h em e c h a n i s ma n dt h e f a c t o rw h i c hc o u l da f f e c tt h eg e n e r a t i o no fs u p e r c o n t i n u u m s p e c t r u mh a v eb e e nt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ( 2 ) t h es t u d yo ft h es t r u c t u r eo ft h ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) i s d o n e t h en o n l i n e a rf a c t o r sa n dd i s p e r s i o no fp c fa r er e l a t e dt o t h es t r u c t u r eo fp c f ( t h es i z eo ft h ea p e r t u r e ，s p a c eb e t w e e nt h e a p e r t u r e ，e t c ) id ot h ed e s i g nf r a m et oa c h i e v et h en o n l i n e a r p a r a m e t e ra n dd i s p e r s i o nw ew a n t i nt h i sp a r t ，i s t a r tf r o m t h e o r e t i ce m u l a t i o na n a l y s i s ，t h e nih a v ed o n et h ee x p e r i m e n tt o g e n e r a t es u p e r c o n t i n u u ms p e c t r u mi np c e ( 3 ) t h es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fss f b gi sd o n et oi n c i s et h e s u p e r c o n t i n u u ms p e c t r u m ih a v es t a r t e df r o mc o u p l e d - m o d e t h e o r y t h e n ，ih a v eu s e dt h en u m e r i c a lm e t h o d ( t r a n s m i s s i o n m a t r i xm e t h o d ) t om o d u l a t et h es p e c t r u mo fss f b c tf r o mt h e m o d u l a t i o n ，if i n dh o wt h ep h y s i c a lp a r a m e t e rw o r k s i nt h ee n d ， ih a v e d o n et h ee x p e r i m e n t a lp r o o ft os u s t a i nm yt h e o r e t i cw o r k i nt h i sp a p e r , ih a v ed o n et h et h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h em o d u l a t i o n i v 北京邮电大学硕+ 论文 r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no fs u p e r c o n t i n u u ma n di t si n c i s i o n i nt h ee x p e r i m e n t ，ih a v ew o r k e do u tt h eo p t i c a lc a r r i e rs o u r c eo ft e n c h a n n e l sf o rw d m - r o ea l lih a v ed o n em a k eag r e a ts e n s et ot h e d e v e l o p m e n to fw d m r o fs y s t e m k e yw o r d s ：r a d i oo v e rf i b e r 限o f ) ；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 ( w d m ) ；p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ；s u p e r c o n t i n u u m ；s u p e r s t r u c t u r ef i b e r b r a g gg r a t i n g ；f i l t e r i n g v 独创性( 或创新性) 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已在论文中 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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 醐：协哆易 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书。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： 日期：加7 痨纱 导师签名：歹需确 日期： 硼j 弓。髟 l 北京邮电大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 通信，传统的理解就是信息的传输和交换。现代通信与计算机技术、传感技 术紧密结合，构成了信息社会的神经系统。随着社会的发展，人们对通信质量和 容量的要求也越来越高。理想的通信状态是能够在任何时候、任何地方、与任何 人都能及时地进行任何形式的信息交流。2 0 世纪9 0 年代以来的全球信息化浪潮 促使了因特网、交互多媒体、宽带视频、流媒体等业务以及专用网络的迅猛发展 和无线通信话务量的急剧增长，这些都对信号的传输速率、带宽和质量提出了更 高的要求。这样的通信要求必须由一个强大和完备的通信网络体系来支撑。 现在的通信网络大致可以分为核心网和接入网。核心网即长途网和中继网部 分，是电信网的骨干部分。近年来，世界各国利用光纤通信技术建造了国内和国 际间的大型骨干网络，实现了大容量信号的远距离传输。接入网是指电信网的边 缘部分，即从本地交换机到用户之间的部分。 以互联网为代表的新技术革命正在深刻地改变电信网的传统概念和体系结 构。随着各国电信管制政策的放松以及接入网市场的逐渐开放，新业务需求迅速 出现，与核心网相比，接入网由于是面向客户的，具有更多的实现方式和广阔的 市场需求，已成为人们关注的焦点。在巨大的市场潜力驱动下，产生了各种各样 的接入网技术，然而至今尚无一种接入技术可以满足所有应用的需要，接入技术 的多元化是接入网的一个基本特征【l 捌。按照接入方式划分，接入技术可以分为 有线接入技术( 包括光纤技术) 和无线接入技术两大类。 有线接入技术包括基于双绞线的a d s l 技术、基于光纤和同轴电缆混合( h f c ) 网的c a b l e m o d e m 技术、基于五类线的以太网接入技术以及光纤接入技术。有线 接入的优点是传输环境稳定，受外界环境干扰较少，能够很好地实现宽带的多样 化和数据的高速传输( 特别是光纤接入技术能够提供超大容量传输) ，但是由于网 络终端只能是通过线缆实现连接，其接入的灵活性受到严重的限制。 而无线接入技术能够克服上述问题的限制，可使网络终端灵活移动。无线接 入技术是指接入网的某一部分或全部使用无线信道，向用户提供固定和移动接入 业务的技术。该技术主要解决固定和移动电话通信的接入问题，同时也可以解决 移动终端访问i n t e r n e t 等窄带数据移动通信业务的接入问题。其优点是可以提供 一定程度的终端移动性，接入灵活方便，投资少，能迅速开设【3 4 】，它是当前电 北京邮电人学硕：i = 论文 信网发展最快的领域之一。无线接入系统主要由用户无线终端( s r t ) 、无线信 道、无线基站( i m s ) 、无线接入交换控制器以及与固定网的接口网络等部分组 成。其基站覆盖范围分为三类：大区制5 - - 一5 0 k m ，小区制0 5 - 5 k m ，微区制5 0 5 0 0 m 。按终端设备的移动性划分，无线接入网大致上包括无线移动接入和无线 固定接入。 蜂窝移动无线通信系统采用大区域覆盖蜂窝结构，频率可重复利用，支持漫 游和越区切换，能够实现高速移动环境下的不间断通信。从上世纪7 0 年代起无 线移动通信经历了模拟蜂窝系统( 1 g ) 、数字蜂窝系统( 2 g ) 并开始进入第三代( 3 g ) ， 未来必将向超3 g 过渡。1 g 和2 g 技术的初衷主要是为了提供语音服务，支持电 路交换。g s m 尽管通过g p r s 和e d g e 升级也可以向用户提供数字通信服务， 但是数据率只有有限的几十k b i t s 。移动通信用了3 0 年的时间创造了人类历史上 的奇迹，截止到2 0 0 1 年底，有1 0 0 多个国家的移动用户数超过了固定用户数； 截止到2 0 0 6 年全球移动用户数已达到2 5 亿。移动通信已成为通信接入的必要手 段之一，而不在是传统的固定电话的补充。 目前，定向话音业务是移动通信的主要业务，但是包括多媒体在内的高速数 据业务的市场份额近年来增长很快，预计到2 0 1 0 年话音业务和多媒体业务之比 将达1 ：2 。随着图像、视频等移动多媒体、流媒体业务的增加，更大带宽的无 线接入必将成为无线接入的发展方向。而构筑大范围覆盖的无线宽带接入网络， 这不仅需要提高无线接入网络的覆盖率以满足用户自由移动的灵活性，而且还需 要开辟信道无线电频谱资源以实现高的数据传输速率。这是因为实现1 0 0 m b i t $ 以上甚至上g b i t s 的宽带无线接入不仅需要的无线电载波频率为i o g h z 以上， 而且需要带宽在g h z 以上的连续无线电频谱资源。 为了满足宽带无线接入的高容量要求，蜂窝小区数量的连续增长和高频波段 的利用成为了今后的发展趋势。小区数量的增长导致了基站数量的大量增加，出 于减少系统成本的考虑，人们提出了光载射频( r a d i oo v e rf i b e r 或r a d i oo nf i b e r ) 通信技术，其字面意思是“在光纤上传输无线信号”，其本质是以光纤为传输媒介、 以光波为载波、微波为调制波传输信息的一种技术，它融合了无线通信与光通信 的模拟光纤通信技术。光纤技术的应用使调制解调以及控制电路移至中心站 ( c s ) ，中心控制站功能强大，并与基站( b s ) 分离，而基站的功能简单，这样可大 幅度地缩小和简化基站的装置、体积以及成本。毫米波可以提供低成本、可移动、 无线连接方式，而光纤提供低损耗、宽带连接和抗电磁干扰特性。光载射频通信 系统兼具光纤通信和无线通信的优点，必将成为满足人们对宽带业务需求的极具 竞争力的解决方案。随着宽带和多业务信息需求的增加，基于6 0 g h z 频段的r o f 无线接入网是研究的热点之一。 2 北京邮电大学硕上论文 毫米波在大气中传输时，很容易被氧和水分子吸收，衰减极大，6 0 g h z 的毫 米波的氧分子吸收峰为1 6 d b k m ，如图1 1 所示，有效限制了毫米波信号的传输 距离，缩小了小区范围，形成所谓的微蜂窝( 直径小于几百米) 。这样不相邻的小 区可以重复使用同一频率，使频率的利用率大大提高。而光纤传输也在许多方面 有着不少优势，如光纤可以很容易地实现空分、波分和时分，这是大气所无法替 代的。而且光纤传输与大气传输相比，还有着高速、海量通信的优点。所有这些 优点，使得基站和中心站之间利用光纤连接，而所谓“最后一公里接入”采用毫米 波通信成为超3 g 发展的必然趋势。光纤毫米波系统兼具光纤通信和无线通信的 优点，必将成为满足人们对宽带业务需求的极具竞争力的解决方案。 既然光纤毫米波系统有那么多的优点来满足未来移动通信的需求，那么高质 量的光载射频信号的产生技术，即将射频信号转换为光载波信号的技术，是光载 射频无线通信系统中的关键技术之一。而且光载射频移动通信系统很可能工作在 4 0 g i - i z , 一1 0 0 g h z 的频段，这是因为这一频率段允许很高的频率重复使用率，而且 是目前可以分配使用的，也是目前各国研究的焦点。 翻e 薏c 一) 蹦 鼍 蝌 矿 “ l 量j_ 1 l h i 歹 ci 螺警 i f f) 1 l r 磁 l m 量，-媛 ? 歹 r x 一一 奢 瞄【 膏鬟 l 曼纛翠疆z ) 图1 - 1 大气微波吸收谱 基于r o f 技术的无线通信系统主要由中心站( c e n t e rs t a t i o n ，c s ) 、基站( b a s e s t a t i o n ，b s ) 和连接两者的双向光纤链路三部分组成。链路包括上行( 基站至中 心站) 和下行( 中心站至基站) 两条光链路，如图1 2 所示。根据上面对毫米波 无线微蜂窝系统的分析，需要对基站的结构和功能尽可能地简化：将大量的数据 处理( 包括编码、复用等) 、控制管理等功能、甚至毫米波的产生和调制功能集中 在c s ，实现设备的资源共享；而所有b s 只需具备光电信号转换、射频信号放大 以及简单的无线信号收发等功能。用低损耗、大带宽、价格低廉的光纤连接c s 和 b s ，不仅能够保证系统的容量，而且使整个系统的成本大大降低。 北京邮电人学硕上论文 下行链路 i 中心站 一 基站 上行链路 图1 2r o f 链路的基本结构 r o f 系统中上行链路利用光纤传输信号的方式有下三种，且它们的特点分别 如下：( 1 ) 基带( 无副载波) ：基站结构最复杂，基站需要将下行链路的基带信号调 制到毫米波上，同时将上行链路的毫米波信号解调出基带信号并调制到光波上， 光纤的色散可以忽略。( 2 ) 用中频作为副载波：基站需要中频和毫米波信号的相 互转换模块以实现上下行链路信号频率的上下转换，光纤的色散一般不引起严 重问题。( 3 ) 毫米波作为副载波：只需要一个高频的光调制器将毫米波信号调制 到光载波上，一个高频的光电探测器从光载射频信号中解调出毫米波信号，基站 设备最简单；需要考虑光纤色散的影响。上述三种方案，在基站和中心站中所需 要的电光和光电( o e ) 转换器的响应频率是依次增加的；传输性能也不相同，其 中，方案( 3 ) 基站结构最简单。 如今r o f 系统中产生毫米副载波的主流技术有三种：直接调制技术、外部光 学调制技术和光外差技术：( 1 ) 直接调制技术是最为简单直接的毫米副载波产生技 术，其实现主要依靠一个直接调制的半导体激光器或发光二极管。( 2 ) 外部光学调 制是将本地振荡信号通过一个外部光学调制器调制到光载波上，通过调节 m a c h z e h n d e r 调制器( l n m z m ) 两臂上偏置的电压和射频信号的相位可以实现 不同的频谱结构。( 3 ) 光外差技术是产生高频的光载射频信号的有效方法，其主要 目标是产生频率差等于射频信号的两个光波，再将需要传输的基带数据通过其他 方法加载到其中一个光波上。在接收端两个光波发生拍频，从而差频产生所需要 的毫米波射频信号。 在比较上述几种光射频的产生方案，发现外差技术更适合产生高频的光射频 信号，而直接调制技术由于半导体激光器和发光二极管的驰豫振荡和频率啁啾特 性，该技术只能应用于低频系统，或者作为频率上转换的一部分，相比较而言， 光外差技术和外调制技术是更有发展前景的光学方法。 应用于r o f 系统中的光调制技术主要有：双边带( d s b ) 、单边带( s s b ) 、光 载波抑, u ( o c s ) 。双边带调制中，每个边带与中心频率发生拍频，产生所需要的 毫米波频段的射频信号。但是，双边带调制的光波在光纤中传输时，色散效应对 不同的频率成分产生不同的相位，使产生的两个拍频的射频信号具有不同的相位， 4 北京邮电大学硕士论文 以致射频信号功率随着传输距离和载波频率呈现周期性的变化，即双边带调制系 统中的“色散所致衰落效应”。单边带调制由于其中一个边带被抑制，因此在接收端 只有一个光学边带与载波发生拍频，产生一个射频毫米波信号，不存在两个射频信 号相干叠加的问题，因此由s s b 调制产生的光载射频能够消除“色散所致衰落”效 应。虽然s s b 技术可以消除衰落效应，但由于光纤色度色散的影响，光载射频的载 波和边带所携带的数据信号码元的上下边带经历的速度并不相同，边带携带的数 据信号码元将与光载波携带的数据信号码元逐渐走离，最终两个信号的同步传输 被破坏，表现为射频信号的脉冲宽度随着传输距离的增加而减小，直至完全消失， 这限制了光在毫米波信号的传输距离。相比d s b 和s s b 来说，o c s 调制技术有其 独特的优势。在o c s 调制系统中，由于在接收端是两个边带发生拍频，因此该技术 中对光信号进行调制时所需要的本地振荡信号的频率只是双边带( d s b ) 和单边带 ( s s b ) 的一半。 比较发现光外差技术和o c s 是较有优势的，所以本文的实验仿真目标是得到 可用于基于光外差和o c s 的r o f 系统的宽带光源。 光载射频通信的实验研究始于2 0 世纪5 0 年代末，一直延续n 8 0 年代初。 它的发展也经历了由低频到高频的过程早期的研究r o f 系统中，调制到光波 上的射频信号的频率都相对较低( 1 0 g h z ) ，所以光载射频载波的产生、放大、信 号调制和接收技术等都比较容易实现，光纤色散对信号传输的影响也较小。8 0 年代中期以后，毫米波有、无源器件日臻成熟和完善，特别是高电子迁移率晶体 管系列( h e m t 、p h e m t ) 和异质结双极晶体管( h m 3 等三极管和毫米波微波及微 波集成电路( m m i c ) 的出现为光载射频通信系统的实用化创造了良好的基础，9 0 年代开始频率较低的光载射频系统应用日益广泛。光载射频通信系统包括毫米波 波导通信系统、毫米波无线电地面通信系统和毫米波卫星通信系统，是解决在金 属波导和同轴电缆中传输4 0 , - - 7 0 g h z 频段的毫米波面临着的严重问题的一种很 有发展前景的解决方案。 2 0 世纪5 0 年代末至6 0 年代初发展起来的利用圆波导t e 0 1 模传输毫米波 的波导通信系统可以避免毫米波空间传输的不利因素，实现远距离、大容量的通 信，它属于有线通信的范畴，虽然一些发达国家建立了实验系统，但是很快被性 能价格比很高的光纤通信系统淘汰。毫米波卫星通信系统是现代化的通信手段之 一，特点是传输距离远，通信容量大，使用的频段主要是c 波段和k u 波段，新 一代的卫星通信系统多用k a 波段( 2 7 - - - - - 4 0 g h z ) 。 毫米波无线电地面通信系统的研发几乎和毫米波波导通信系统同步进行的， 其传统应用是中继通信，1 9 6 9 年日本研制出2 0 g h z 的数字无线通信系统，1 9 7 6 年实现了2 0 g h z 频段4 0 0 m b i t s 波导毫米波通信系统的实用化。该系统避免了地 5 北京邮电大学硕i j 论文 面微波在较低频段上的频率拥挤。随着无线带宽需求的进一步加剧、高频技术的 成熟和高频设备成本的降低，在开发高频段大容量远程通信的同时，利用4 0 - , 7 0 g h z 毫米波实现短程宽带无线接入也逐渐提上日程。 在欧洲，两个频段( 6 2 6 3 g h z 和6 5 6 6 g h z ) 分配给移动宽带系统，而 5 9 6 2 g h z 频段给w l a n 技术使用；欧洲先进通信技术和业务( a c t s ) 将1 9 、4 0 、 6 0 g h z 频段分给a w a c s 、s a m b a 、m e d i a n 三个研究组使用，其无线传输的 速率目标分别为7 0 、2 x 6 4 和1 5 0 m b s 。在日本，多媒体移动通信接入通信委员会 正在研究使用4 0 和6 0 g h z 频段支持1 5 6 m b i t s 的超高速无线室内u 蝌；在2 0 0 0 年制定的高速数据通信规则所用频段为5 9 - 6 6 g h z 。在美国，联邦通信委员会( f c c ) 分给非专用的频段是5 9 6 4 g h z ，这是迄今为止所分配的最大连续无线频段， 该频段允许1 0 w 的各向同性发射功率，在3 m 距离最大的功率密度为9 w c m 2 。因 此，在6 0 g h z 附近的5 g h z 频率空间，全世界重叠使用的频带有3 g h z ( 5 9 6 2 g h z ) 。另外，日本已经着手研究利用1 0 0 g h z 以上的毫米波传输1 0 g b i t s 信号。所 以目前要研究的基本问题仍然是，怎样最大限度地将这个巨大的频段资源应用到 多媒体通信领域。 目前，结合微波和光纤通信的光载射频通信技术已经引起广泛注意并得到研 究，其中日本在这方面作了相当多的工作，他们把毫米波信号直接载于光中，通 过光纤进行传送，己经开发出应用于道路通信的实验系统和相关设备，并利用 4 3 7 5 g h z 的毫米波成功地进行了活动图像传送。 在r o f 系统中，每路光载射频信号所占的带宽与光纤的可用带宽相比是非常 小的，以6 0 g h z 的光载毫米波为例，每路光载射频信号只占据l n m ( 双边带调制) 或0 5 n m ( 单边带调制或外差技术产生1 左右的频带，这远远小于光纤能够提供的 巨大带宽。一根光纤传输一路r o f 信号显然是对光纤带宽的极大浪费。在光通信 技术中，波分复用( w d m ) 技术已经非常成熟，将多路的光载射频信号复用在同 一根光纤中传输，不仅技术上不存在问题，而且会简化网络的结构，我们称这样 的系统为波分复用r o f 系统( w d m r o f ) 。 目前使用最多的是基于分布式负反馈( d f b ) 激光器的光纤毫米波技术，但是 d f b 激光器会产生固有的啁啾噪声，系统的器件很多也会产生很大的相位噪声。 对于w d m r o f 系统的中心站来说，如果每一个信道采用d f b 激光器作为一 个光载射频信号源，不仅不经济，而且随着激光器的频率漂移，还容易产生新的 相位噪声。能够产生多个波长的光载射频信号光发射机有着广阔的应用，其中一 种应用是对一束单模激光进行频率为洲相位调制产生多个边带，通过a w g 或 间插器进行放大和频谱分割，两相邻边带来作为光载射频载波【_ 7 ，8 】。另一种是利 用超连续( s c ) 谱滤波的方法获得多个光载射频载波【5 6 】。 6 北京邮电大学硕士论文 随着人们对频率稳定度的要求，提出了基于超连续谱光源的光纤毫米波技 术。这种技术有以下3 个优点： 1 ) 波长间隔稳定： 2 ) 脉冲重复频率等于泵浦脉冲重复频率，将其任一模式滤出都可以作为 单模激光加以调制； 3 ) 模式之间频率差稳定、精确，完全取决于泵浦的脉冲重复频率。 在r o f 系统中，如果混频的两路光波是由不同激光器产生，随着激光器的频 率抖动，两路光波频率差会产生变化，产生相位噪声，对生成的毫米波信号的性 能有很大的影响。而超连续谱切割的波长间隔稳定这一优点，使r o f 系统中的相 位噪声大大减小。特别是超连续谱切割技术价格相对低廉，是实现多通道信号源 的一个非常有前景的方案。 国外相关文献上己经研究基于信道间隔为1 0 0 g h z ，信道数为2 的6 0 g h z 频段 的波分复用的光纤毫米波系统。实验结果也表明超连续谱光源技术应用到i b f 系 统中有很大的潜力【9 】。 1 2 应用于r o f 中的超连续谱光源 超连续( s u p e r c o n t i n u u m ，s c ) 谱也称白光脉冲。大功率的超短光脉冲在非线 性光学介质( 包括固体、气体和半导体等) 中传输时，由于非线性效应和光纤色散 的共同作用，其频谱将获得极大展宽，频谱范围从可见光一直连续扩展到紫外和 红外区域，即形成超连续谱。其产生是光纤中的自相位调制( s p m ) 、交叉相位 调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 及受激拉曼散射( s r s ) 等非线性效应和光纤 群速度色散( g v d ) 共同作用的结果。 a l f a n o 和s h a p i r o 于19 7 0 年利用倍频锁模钕玻璃皮秒激光脉冲泵浦b k 7 光 学玻璃，首次获得4 0 0 7 0 0 n m 的超连续谱，从此宣告超连续谱研究的开始。由于 超连续谱的形成是一个极其复杂的非线性光学过程，当时并没有完善的理论解 释，所以人们最初的研究主要是集中在对超连续谱的形成机理的解释上。a l f a n o 和p e n z k o f e r 等人最先提出超连续谱的形成是一种f w m 过程。随之，v l o e m b e r g e n 和w l s m i o t h 1 0 , 1 1 】等人通过研究发现s p m 效应、自聚焦效应是超连续谱的主要 形成机制。在前人的基础上，j t m a m n a s s a h 1 2 , 1 3 】通过大量的实验，发现超连续谱 的结构、形状和谱宽都显著地依赖于介质非线性折射率系数，1 2 、泵浦脉冲形状、 波长、脉冲宽度、功率密度、相位调制和介质的有效长度。 与此同时，光纤技术的迅速发展，包括2 0 世纪8 0 年代中期超低损耗单模光 纤的研发成功，使得光纤中的非线性效应开始变得显著起来。1 9 8 9 年，m n i s l a m 等人首次在光纤中获得宽带的孤子脉冲【1 4 1 ；1 9 9 2 年，b g r o s s 和j t m a n a s s a h 对 7 北京邮电人学硕一l ：论文 光纤负色散区内超连续谱现象的产生进行了比较系统的理论研究【l5 1 ，由此在光纤 中产生超连续谱由此成为可能。为克服在普通非线性介质中产生超连续谱的作用 长度难以控制以及所需泵浦脉冲功率过高等缺点，人们逐渐地把目光投向了光纤 波导中产生超连续谱的研究，并取得了不少研究成果。 当泵浦光位于光纤不同的色散区域，产生超连续谱的主要因素以及超连续谱 形状也会相应的不同： 当泵浦脉冲位于正常色散区时，主要有s p m 、g v d 参与超连续谱生成，产 生的谱宽相对较窄。 当泵浦脉冲位于零色散点附近时，主要是f w m 引起，由于其相位匹配条件 受温度等外界影响，产生的超连续谱极不稳定。 当泵浦脉冲位于反常色散区时，由于s p m 和g v d 相互抵消，产生孤子效应， 所以主要由孤子分裂和f w m 引起，可以产生很宽的超连续谱，但是和近零色散 区一样，由于f w m 的参与造成超连续谱不稳定。 根据课题的不同需求，对泵浦脉冲色散区域的选择也会有所变化。在本文中， 根据项目需要，研究目标是l o 信道的r o f 光源，对带宽要求不高，所以选择在 正常色散区。 由于产生超连续谱所要求的非线性条件相对较高，本文引入光子晶体光纤来 产生超连续谱。 光子晶体光纤( p h o t o n i ec r y s t a lf i b e r , p c f ) 由英国科学家s t j r u s s e l l 等人利 用光子晶体的原理于1 9 9 6 年研制成功的一种新型多孔光纤。它是在石英光纤中 沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构，如果其中一 个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。与普通单模光纤不 同，p c f 是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光 纤( h o l e yf i b e r ) 或微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ) 。 p c f 最吸引人的特点是，合理的结构设计能使p c f 具备在所有波长上都支 持单模传输能力，即无休止单模特性 4 1 ，即可在相当大的范围内保持单模传输， 这个特性与绝对尺寸无关，无论缩小或放大光纤截面都可以保持单模传输；p c f 的第二个重要特点是它具有灵活可调的色散特性：通过改变p c f 包层空气孔的 形状、大小、位置等结构参数可以灵活地改变零色散波长的位置【1 6 1 7 1 ，也可以让 色散曲线趋于平坦【1 8 勉】，这是传统光纤所无法做到的，它为短波长光孤子传输提 供了可能性；p c f 第三个重要特点是高非线性效应，通过减小p c f 的模式面积， 可以极大地增强光纤中的非线性效应【1 6 】，这表明可以根据实验需要来设计光纤截 面，从而对p c f 的非线性效应强度进行有效控制。 由于p c f 的上述优点，使得p c f 产生s c 所需要的光脉冲强度大大降低， 北京邮电大学硕： 论文 而且不仅可以产生相对平坦且谱宽远远超过传统光纤的s c 谱【2 3 1 ，还对输入功率 的要求并不高，产生s c 谱需要的光强至少比传统光纤中需要的光强度低两个数 量级，同时所需p c f 的长度也非常短f 2 4 ，2 5 1 。故本文中，采用了p c f 来产生超连 续谱。 图1 - 3 超连续谱产生实验装置示意图 光子晶体光纤超连续谱的实验装置图如图1 3 所示。在实验研究中，采用的 是一个飞秒激光器作为泵浦，并采用了一根1 0m 光子晶体光纤来产生( s c ) 谱。 在对产生的超连续谱进行频谱切割上，现阶段最热门的方法分别是基于阵列 波导光栅( a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g , a w c ) 和超结构光纤布拉格光栅 ( s u p e r s t r u c t u r ef i b e rb r a g gg r a t i n g , s s f b c ) 的滤波器。这两种方法各有优势，但 是从实验室制备来说，s s f b g 更容易，所以本文选择了s s f b g 作为切割超连续 谱的器件。 最早的光纤光栅的制作要追溯到1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k 0 h i l l 及其合作者首次从锗掺杂光纤中观察到光子诱导光栅。k 0 h i l l 采用4 8 8 n m 可见 光波长的氢离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光照时间而在纤芯中形 成了光栅。后来m e l z t 等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧 面横向曝光来产生该光纤芯中的折射率调制或相位光栅，1 9 8 9 年，第一个谐振 波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。 光纤光栅从原理上讲是利用光敏光纤的光致折射率变化，把光纤放置于紫外 光形成的空间干涉条纹中曝光而在纤芯形成的空间相位光栅，制作出的光纤光栅 的波导原理是纤芯光致折射率的变化造成了光纤波导条件的改变，从而使具有一 定波长的光波在该区域发生相应的模式耦合。 根据模式耦合的不同，光纤光栅可分为光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gc r a t i n g ， f b g ) 和长周期光纤光栅( l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ，l p f g ) 。如图1 4 所示，光纤 布拉格光栅，其模式之间的耦合主要发生在纤芯，是正向传输的纤芯模式与反向 传输的纤芯模式之间的耦合，所以又称为反射光栅，由于因为其光栅周期相对较 短，又称之为短周期光纤光栅。这种光栅的窄带滤波特性，使其在光通信中有着 广泛的应用；长周期光纤光栅，其模式耦合主要是正向传输的纤芯模式与正向传 输的包层模式之间的耦合，所以又称之为传输光栅。 光纤光栅在时间或空间上的周期性排列会使频谱离散化，s s f b g 就是通过在 每段均匀光纤布拉格光栅( u f b g ) 之间插入一段空白光纤( 抽样光纤光栅) 或相 9 北京邮电大学硕十论文 移( 相移光纤光栅) 来达到梳状滤波的效果。 l 汰一) f = - 1 ： ，f = 0 厂、 j (：僻墨： l j 父 ， ：= 兰曼尘= = ! ：= 臻且一生t ) 努 。1 _ 一j 二二= = i 二= = = = ：二j 艮 一一二：竺。 卡) o c 默膨黝黝凇黝獭矸鼍掣1 7o 畔焱融畅黝黝凇黝黝磷。蚓p 。 孥譬孥 一 0 。 妾2 季r m , t2 率g n r o 。 1 3本文研究内容及安排 r o f 技术兼具了光纤通信和无线通信的优点，既能够提供低损耗，宽带、高 速传输，又提高了无线频谱的利用率，为未来的多媒体移动通信提供了技术保障。 因此围绕r o f 技术的研究是当前的热点。 本文针对4 0 1 0 0 g h z 的波分复用光载射频( w d m r o f ) 系统，对利用光子晶 体光纤产生超连续谱来实现其多波长载波源做出研究，并进行仿真和实验。本文 的主要安排如下： 第一章介绍本文的研究背景，接着对r o f 的多通道光源需求进行分析，确定 利用s s f b g 切割p c f 所产生的超连续谱的方案。 第二章研究影响超连续谱的相关问题：从非线性薛定谔方程出发，分析光纤 中s c 产生的主要机制，然后利用分步傅里叶算法进行数值计算仿真分析。 第三章研究p c f 的分析方法：首先，介绍p c f 的数值分析法，然后利用数 值法研究了p c f 结构对非线性系数】，的影响。 第四章研究用于频谱切割的s s f b g ：利用耦合模理论研究光在光栅中的传输 情况，接着利用传输矩阵算法进行程序计算，并研究影响s s f b g 频谱的参数。 最后，对本论文的工作进行了总结和展望。 1 0 北京邮电大学硕士论文 第二章超连续谱的相关问题研究 超连续谱产生最重要的两个因素是泵浦源和非线性介质。迄今为止，报道的 最宽的超连续谱宽度为3 5 0 n m - - 2 2 0 0 n m ，频谱展宽达到1 8 5 0 r i m 。超连续谱的产 生是诸多光纤非线性效应和群速度色散( g v d ) 共同作用的结果，其中非线性效应 包括自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、高阶孤子效应、自陡效应、受激 拉曼散射( s r s ) 、四波混频( f w m ) 及双折射效应等。为了很好的理解超连续谱的 形成机理，需要利用光脉冲