（电磁场与微波技术专业论文）scmwdm光纤通信系统中若干技术的研究.pdf

独创性声明 r 7 6 5 3 9 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 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谢意 学位论文作者签名 l q 灰签字日期：乒孵多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定 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，允许论文被查阅和 借阕本人授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：是i af 太 签字日期：2 时多月多日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师鲐童芬务 签字日期：一了7 年翻多日 电话： 邮编： 摘舞 摘要 最近几年，利用光学负载波复用技术进行高速率传输的研究，无论在实验上 还是在仿真上都已经开展。s c m m ，d m 光纤通信系统的光谱利用率比w d m 光 纤通信系统的光谱利用率要高的多。在s c m ，、d m 光纤通信系统中由于每一个 光信道中传输的速率都比较低，所以比起相应的n ) m 系统，s c m ，w d m 光纤通 信系统不易受到色散的影响。 非线性和自发辐射累积噪声是s c m m d m 光纤通信系统中信号劣化的最主 要因素。在s c m 刖d m 光纤通信系统中，由于相邻光波信道的间隔非常窄，所 以相邻光波信道间的非线性效应很严重而且产生的干扰信号会落入有用信号的 信道内形成寄生干扰。为了限制系统的非线性效应，输入的光信号能量不能过大。 然而，由于自发辐射累积噪声的存在输入的信号必须有足够的能量在接收端才能 有满意的误码率。因而，在系统设计时必须对各个参数进行优化。 在本文中，我们使用了双二进制调制。双二进制调制可以增加光谱利用率、 限制非线性效应、增加系统的色散容忍度且解调方便。我们又使用了光学单边带 调制技术，这样可以进一步增加光谱利用率和系统的色散容忍度。 双二进制调制的s c m m r d m 光纤通信系统的一个主要好处是该系统受到非 线性和色散的影响非常小，因而该系统特别适用于高的光谱利用率且无色散补偿 的情况。 关键词：非线性；色散；双二进制；光学单边带调制 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h s p e e d d a t at r a n s m i s s i o n u t i l i z i n go p t i c a l s u b c a r r i e r m u l t i p l e x i n g ( s c m w d m ) f e c t l i l i q u e sw a sr e c e n t l y s t l l d i e db ye x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n si n s c v e r a lw o r k s s c m m d mm a yh “eb e t t e is p e c t r a le 髓c i e n c yt h a nw d ma n d s c m 厂w d ms y s t e mc o u l db el e s ss u b j e c t e dt o 助e rd i s p e r s i o n 【h a nt d ms y s t e m b e c a u s et h ed a t ar a t ea te a c hs u b c a r r i e ri sl o w 1 1 1 e r ca r et w om a j o r1 i i n i t i l l gf a c t o r sf o r t h es y s t e mp e 怕帆a n c e ，n a m e l y n o n l i 玳a rd i s t o r t i o na n da c c u m u l a t e da s ei l o i s e f o rs c m 删d ms y s t e m ，t h e n o n l i n e a ri n t e r f e r e n c eb e t w e e ns u b c a r r i e fc h a n n e l si s s e v e r eb e c a u s ec h ec h a l l l l e l s p a c i n gi sv e r y n a r r o wa n dt h ei n t e r 氨：r e n c ec o m p o n e n l s f a l li n t ot h e s i g n a l f r e q u e 珏c i e s i no r d e rt ol i m i tn o n l i n e a fi n t e 彘搬l c e ，t h es i 弘a lo p t 主c a lp o w e rc a n tb e t o oh i g h o nt h eo t h e rh a n d ，i no r d e rt ok e e pa na c c e p t a b l es i g a 1 一t o 。n o i s er a t i o ( s n r ) i nt h ep r e s e n c eo fa c c u m u l a t e da s en o i s e ，t h eo p t i c a lp o w e rc a n tb et o os m a l l _ t h e l e 如f ep a r a m e t 。ro p t i m 泣a t b ni se s s e n t i a l 证t h es y s t e md 。s i g n i no u rs t u d y ，d u o b i f l a r ym o d u l a t i o nw a su s e dd u et oi t sh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y a n ds i m p l ed e m o d u l a t i o n d u o b i i l a r ym o d u l a t i o nc a ns i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e st h e d 却e s i o np e n 缸t y a n d“m hn o n l i n e a ri n t e r f e f e n c e 0 p t i c a l s i n 垂e s i d e 奄a n d m o d u l a t i o n ( o s s b ) w a su s e ds i n c ei tf u r t h e ri n c r e a s e sc h es p e c t m me f f i c i e n c ya n d s i g n i f i c a n t l yd e c z a s e st h ed i s p e r s i o np e n a l t y am a j o r b e n e 矗to fd u o b i n a r ys c m 隔母ms y s t e m si st h e i ri m m u n i t yt o6 b e r d i s p e r s i o na n dn o n l i i l e a ri n t e r f e r e n c e s ot h i s 锣p eo fs y s t e m si ss u i t a b l et ob eu s e di n t h o s es i m a t i o n st h a tr e q u i i eh i 曲s p e c t m me t ：f i c i e n c ya n dd on o t h a v ed i s p e r s i o n c o m d e n s a t i o n k e y w o r d s ： n o n l i n e a rd i s t o r t i o n； d i s p e r s i o n ； d u o b i l l a r y m o d u l a t i o n ； o p t i c a l s 证醇e s i d e - b a n dm o d u l a t i o n ( o s s b ) 2 s c m 耶m 光纤通信系统中若干技术的研究 第一章绪论 随着信息时代的到来，人们对通信的速度与可靠性不断提出新的要求。从而， 各种新的通信技术得到了迅猛发展。光纤通信以其巨大的带宽资源、近红外光的 载波频率，在大容量、长距离通信中有着其它通信方式无可比拟的优势。 相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多优点。1 容许频带很宽，传 输容量很大。2 损耗很小，中继距离很长且误码率小3 重量轻、体积小。4 抗电 磁干扰性能好。5 泄漏小，保密性能好。6 节约金属材料，有利于资源合理使用。 光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力。 常规石英单模光纤g 6 5 2 本身在1 5 5 0 哪波段提供了约2 5 t h z 的低损耗窗口， 也就是说在不考虑光纤损耗对传输的限制时，1 5 5 0 n m 处的单一光载波能够以近 2 5 t b s 的比特率进行基带调制。但是，当前的光电器件不可能达到这么高的速 率，激光器、外调制器、开关和检测器的带宽充其量不超过1 0 0 g h z 。因此，依 靠单路高速信道只可能利用光纤带宽的极小一部分，要提高光纤带宽的利用率， 必须依靠多信道系统。 波分复用( d m ) ，即在单根光纤中同时传输多个波长的光波。但由于器件 插入损耗大，w d m 一直没能走向实用化。直到9 0 年代初，随着e d f a 的实用 化，w d m 的应用才得到迅猛发展，因为e d f a 能够在1 5 5 0 n m 窗口的 1 5 3 0 1 5 6 5 n m 波长范围内提供较为平坦的增益。w d m 从双窗口的两波长复用发 展到单窗口的多波长密集型波分复用走向实用化。如，朗讯公司推出的d w d m 系 统w a v e s t a r t m o l s 4 0 0 g 可以复用8 0 个波长，信道间隔为5 0 g h z ，其最大传输容 量高达4 0 0 g b s 。可见。利用d w d m 技术可以在不增加光纤纤芯的情况下使传 输容量成倍甚至成百倍增加。美国1 9 9 5 年首次采用w d m 技术扩容，现在已将 其作为主要方式。我国也于1 9 9 6 年首次在河北石家庄至保定的通信工程中成功 地应用了w d m 技术。1 9 9 9 年5 月，青岛至济南国产8 2 5 g b ss d hd w d m 系 统工程通过验收，投入正常运营；几乎同时，广州至汕头的国产8 2 5 g b ss d h d w d m 系统工程也已开通。到目前，我国已经有几十条通信线路采用了w d m 第一章绪论 系统。 尽管w d m 技术在近几年取得了巨大发展，但也还存在问题。例如：它对激 光器的波长稳定性要求较高，要保证激光器的输出波长不受时间、温度的影响并 不是一件易事。w d m 的性能受光纤的色散与非线性效应等多方面因素的影响， 这些因素制约着w d m 技术的发展，同时也是w d m 系统设计者必须考虑的因素。 为了降低d w d m 系统对各种器件性能的要求、降低光纤的色散与非线性效 应等多方面因素的影响，用成熟稳定的射频技术代替光技术、增加系统的灵活性， 提出了多波长s c m 光纤通信系统( 即，s c m w d m 光纤通信系统) 。 射频振荡器的稳定性、射频领域中的滤波器的选频性比相应的光学器件的特 性要好的多。射频振荡器的相位噪声底、使得相干检测在射频中比在光频中容易 实现的多。s c m n d m 光纤通信系统提高了光纤带宽的利用率，增加了系统的 稳定性。另外，s c m w d m 光纤通信系统能够提供多种业务，这种网络能力是 由系统的实际结构决定的。例如，它只需一只光发射机就可以为很多用户服务。 每个用户只需要采用不同的微波负载波，一个光发射机，降低了终端设备费用： 能够提供不同业务而不需同步。如今，北美的一些大城市群的通信系统便采用了 s c m 聊d m 光纤通信系统。 非线性和自发辐射累积噪声是s c m ，w d m 光纤通信系统中信号劣化的最主 要因素。在s c m ，w d m 光纤通信系统中，由于相邻光波信道的间隔非常窄，所 以相邻光波信道问的非线性效应很严重而且产生的干扰信号会落入有用信号的 信道内形成寄生干扰。为了限制系统的非线性效应，输入的光信号能量不能过大。 然而，由于自发辐射累积噪声的存在使得输入的信号必须有足够的能量在接收端 才能有满意的误码率。因而，在系统设计时必须对各个参数进行优化。 在本文中，使用了双二进制调制。双二进制调制可以增加光谱利用率、限制 非线性效应、增加系统的色散容忍度而且解调方便。双二进制调制在其它的光纤 通信系统中使用时，需要为双二进制编码产生射频信号。在s c m m ，d m 光纤通 信系统中，不需要为双二进制编码再单独产生射频信号。因而，在s c m 懈，d m 光纤通信系统中特别适合使用双二进制调制。我们又使用了光学单边带调制技 术，这样可以进一步增加光谱利用率和系统的色散容忍度。 因而，双二进制调制的s c m ，w d m 光纤通信系统特别适用于大城市群的通 4 s c m w 眦光纤通信系统中若千技术的研究 信，因为它有高的光谱利用率、光纤的非线性效应小且无需色散补偿。 第二章s 删仰m 光纤通信系统 第二章s c m w d m 光纤通信系统 s c m ，w d m 光纤通信系统充分利用成熟的射频技术取代光技术，从而降低了 对光源和各种无源光器件的要求。 ，焉血圆 圈鸽越囤 a d d ，d r o p 薹 。遏山固 广 囝 凸 召 鸯 占 if 甚 匕篷： 囤血撼i 搁 圃工h 囊 i ! 囤斌i o 墩l 川慧岫 圈( 2 1 )s 盘* 嘲光纤通信系统结构圈： 如图( 2 一i ) 所示，s c m ，w d m 光纤通信系统中，n 路射频信号复合后在一路 光载波中传输。m 路光波共同可以传输m n 路信号。射频振荡器的稳定性、射 频领域中的滤波器的选频性比相应的光学器件的特洼要好的多。射频振荡器的相 位噪声底、使得相干检测在射频中比在光频中容易实现的多。另外，各种新的调 制技术在射频中容易实现。 在s c m ，w d m 光纤通信系统中由于各相邻射频信号的信道间隔非常窄，如 图( 2 2 ) 所示，因而在设计s c m ，w d m 光纤通信系统时必须充分考虑光纤的非 线性效应对系统的影响。 x lkb k iiii - x w d m s c m w d m 光纤通信系统中若干技术的研究 九 九 九 x w d m + s c m 幽( 2 2 ) w d m 和s c m ，w d m 光纤通信系统的波长分布示意凹 射频信号及光信号的调制方式及调制深度的不同对s c m ，w d m 光纤通信系 统的各项性能指标有着重要的影响。各路射频信号及光信号频率的选取、各路射 频信号之间的频率间隔的选取、各路光信号之间的频率间隔的选取也会影响 s c m ，w d m 光纤通信系统的各项性能指标。 因而，本文将首先对s c m 例d m 光纤通信系统中光纤的非线性、射频信号 的选取与调制、各路射频信号之间的频率间隔的选取、光信号的选取与调制、各 路光信号之间的频率间隔的选取分别加以讨论。然后，综合讨论s c m 例d m 光 纤通信系统的设计及其性能。 第一节s c m w d m 光纤通信系统中光纤的非线性 l 交叉相位调制 s p m 和x p m 效应在f 信道的相移： 妒c c ，。等c n 。+ n ：，+ z ；耋，n z ， 。：。一。， 其中：，是第j 信道的光强；n ：是k e r r 系数：等式右边第二项、第三项分 别由s p m 、x p m 引起。如果各信道有相同的平均功率，则州的影响是s p m 的二倍。 s p m 和x p m 只是引起信号的频谱展宽及频率偏移，并不改变脉冲的形状。 但是由于光纤存在色散，色散导致脉冲展宽，s p m 和，m 所产生的频率啁啾会通 过色散作用使得脉冲变形加剧。x p m 对系统的劣化程度最终由信道间的逸散功 率决定川。“，可以用归一化的第j 信道的噪声功率表示如下【1 】： 第二章s 删耶m 光纤通信系统 = 。妻，斫峨( 吼。) 厕q 其中： 肘 - 一1 喙( q ，) 叫 2 l 耳( q ，o ) e x p f f q d 譬o “】x ( 2 1 2 ) 型雩堕婴竺竺型些一p 鲤! 坚坠! 堑! ：型! 兰 f 0 一f q d 业+ l 卢2 q 2 2 ) f 0 一f q d m l 卢2 q 2 2 ) 1 2 其中：卢：一( a 2 h c ) d 是色散系数、a 是平均波长，d 是光纤的色散参数，q 是基带信号的频率、n 是系统的副载波数、m 是中继数，撕i 话西是接收端副载 波的电接收函数，l 。是整个系统的长度，d # 一d ，a p 是相邻信道的间隔， = h n ：( a 啊) 是光纤的非线性系数，只= i a1 2 是泵浦光功率，只= i a 1 2 是所 检测信道的射频信号的光功率。 假设一路光载波上传输的总功率为1 0 g h z ，用不同数目的副载波经过5 个中继 的距离传输后，其图如下： n u m b e ro fr fd 如n c l s 图( 2 - 3 ) 总功率一定副载波数与j 信道的归一化噪声的关系 由图( 2 3 ) 可知，一路光载波上传输的总功率不变时，使用较多的副载波 信道降低了每一个信道的平均功率从而降低了各信道功率的逸敞、抑制了x p m 的影响。 s 删一7 岫m 光纤通信系统中若干技术的研究 2四波混频 由于在s c m ，w d m 光纤通信系统中各相邻射频信号的信道间隔非常窄，因丽 极易产生f w m 现象。如果各相邻信道等间距排列，则。；q + ，一q 的频率组 合容易宣接落入信道上产生寄生干扰，而且这种干扰是无法消除的5 | 。 假设，三路射频信号f 、，、七共同调制到一路光载波上，其频率分别为q 、 i 、咄。则这三路信号相互作用产生f w m 的功率为： 胛卜器( 争2 啪e x p ( 删婶 ( 2 ，_ 3 ) 其忻南g + 等等产， 亿t 叫 其中卢。兰譬二l q 一。h ，一qi d ( 2 1 5 ) 由式( 2 1 3 ) 至( 2 1 一j ) 可知f w m 的功率与卢成反比。卢则主要取决于信 号的有效频率间距嘞= ( 1 q 一，一qi ) j 和光纤色散值乘积的大小。 为了便于图形观察，我们设定光载波的中心频率为1 9 3 1 t h z 、四路射频信 号经光载波调制后的频率分别为1 9 3 ，l t h z + 7 5 g h z 、1 9 3 。1 t h z + 2 2 。5 g h z 、 1 9 3 1 t h z 一7 5 g h z 、1 9 3 1 t h z 一2 2 5 g h z ，光纤长度为5 k m 。两次仿真时，光纤 的色散系数分别为o 1 p s n m k m 、l p s n m i ( l 。仿真结果如下： 9 笙三至! 型! 型查茎望堕墨堕 口o w 日【d 即1 l o 薄f r e q u e n c yr e v e t 0 1 9 3 1t 【t h z 】 p o w e r 【怕m l 幽( 2 4 ) a 输入的四路光信号 图( 2 4 ) bf 删效应影响后光纤输出的光信号 1 0 s c m w d m 光纤通信系统中若干技术的研究 p o w e r 【山 t 帅e 【n s 】 图( 2 4 ) c第二路输出信号的眼图 仿真系统中光纤的色散系数为o 1 p s n m i ( i i l 时，图( 2 4 ) a 表示输入仿真系 统的四路光信号的频谱示意图，图( 2 4 ) b 表示在仿真系统输出端接收到的经 f w m 效应影响后的四路光信号的频谱示意图，图( 2 4 ) c 表示在仿真系统输出端 接收到的经f w m 效应影响后的第二路光信号的眼图。 p o w c r 【d b m l o p 配酬f r 明u 酗c yr 咖i v e t 0 1 9 3 1t h z 丌1 1z 】 图( 2 5 ) a 输入的瞪路光信号 第二章s 删，帅m 光纤通信系统 p o w 目【龃m l 掣i m e q u e n c y 吲耐i v e t o1 1t h z 订- h z 】 图( 2 一j jbf 删效应影响后光纤输出的光信号 p o w e r 【州 c h ”e 1 2 图( 2 5 ) c第二踌输出信号的眼圈 仿真系统中光纤的色散系数为1 p s n m k m 时，图( 2 5 ) a 表示输入仿真系统 的四路光信号的频谱示意图，图( 2 5 ) b 表示在仿真系统输出端接收到的经f w m 效应影响后的四路光信号的频谱示意图，图( 2 5 ) c 表示在仿真系统输出端接 收到的经f 嘲效应影响后的第二路光信号的眼图。 图( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知，当光纤的色散较大时，可以有效地抑制f 啊的影响。 通过同样的仿真可以观察到当信道间隔约为5 g h z 时，d 1 8 筇n m 南竹1 则f w m 的影响可以容忍。我们把f 咖影响过后的n 路相邻信号( 即，图2 4 b 中所示信号) 看作一路非理想光源产生的信号，对其进行仿真可以发现，由于各信道的间距大 s c m 町m 光纤通信系统中若干技术的研究 和高的光纤色散值，各非相邻信道间的混频效应可以忽略。 对照图( 2 3 ) 和图( 2 4 ) 、可知f 1 l r m 效应比x p m 效应对系统的劣化严重的多， 因而在设计系统时要充分抑制f w m 效应。在s c m w d m 光纤通信系统中各相邻信 道的间隔基本保持不变时，抑制f w m 必须提高系统的色散。因而，必须对系统 进行色散管理。如果使用d c f 对系统进行色散补偿降低系统的总体平均色散值， 将极大地增加系统的复杂程度。因而，设计系统时我们使用单边带调制技术减小 群速度色散对系统的影响，同时使用新的调制方式减小非线性和色散对系统的影 响，这些技术将在以后的章节中分别讨论。 3受激喇曼散射 受激喇曼散射是光波与二氧化硅分子的振动模之间相互作用的结果。如果一 个具有能量的光子入射到振动频率为的分子上，分子能从光子中吸收一部 分能量。在相互作用中发生了散射，从而产生了一个较低的频率如以及相应的能 量 u 的光子( 即，斯托克斯光子) 。在这一过程中所生成的散射光的波长比入射 波长要长。若该波长位置上有任何信号，s r s 光将对其放大，因此泵浦信号的功 率下降。 假设喇曼增益谱为洛伦兹形，临界泵浦功率一个较好的近似为蝌 己= 1 6 以o 黝2 ) g r ( 2 1 6 ) 峰值增益系数；1 x 1 0 “m ，如果取：删2 ；5 0 _ f 上小2 、n | 量0 2 扭砌。则在 a 一1 5 5 肛肌附近，兄z 5 7 0 m 。由于在单信道光通信系统中，入射到光纤中的 功率典型值低于1 0 m w 。所以一般不产生s r s 。 喇曼增益现象对波分复用的多信道通信系统是有害的，其原因是短波长信道 可作为长波长信道的泵浦，将一部分脉冲能量转移到相邻信道中，这将导致信道 间的喇曼窜扰，大大影响系统的性能。 第二章s 删怕m 光纤通信系统 首先考虑一个两信道的喇曼窜扰，短波长信道作为泵浦，两信道间的功率转 移遵守如下两个方程【7 l ： 警v 。飞l 冬；一警弹 唧i p 出 一 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中，吸收系数n 。和，分别为斯托克斯频率和泵浦频率处的光纤损耗。在1 5 5 0 n m 处，我们可以假设两个信道的损耗相同( 即，n ，一郎) ，此时式( 2 。l 一7 ) 、( 2 。l 8 ) 可以解析求解，得到长波长的放大倍数g ：的一个近似表达式a 印毒知+ u 、” 短波长信道的功率降低可由泵浦消耗因子给出 即揣t 嚣 ( 2 1 9 ) 式中，；l 与光纤输入端的信号确懈的关系椰器；等等、 g 一e x p ( g 。晶盯a 盯) 是小信号( 未饱和) 增益a 1 4 s c m w d m 光纤通信系统中若干技术的研究 小信号未饱和增益 图( 2 6 ) 是通过几个不同r o 值做出的d ，随g 的变化关系，给出了泵浦消耗的 特性。从这些曲线我们可以得到喇曼效应引起的功率损耗情况。 功率损耗定义为：为了保持输出功率与没有喇曼窜扰时相同，所需泵浦功率 的相对增加。 功率损失为( 以分贝表示) ：t 1 0 l g ( 1 d p ) ( 2 1 一1 1 ) 多信道的情况更为复杂，居中的信道不仅向长波长传递能量，同时也从短波 长信道接受能量。斯托克斯频移= 珊。一，在s r s 过程中起重要作用，由分 子振动能级确定，其值决定了s r s 的频率范围。对于非晶态石英光纤，其分子振 动能级融合在一起，形成了一条能带，因此可以在较宽的频差( 。) 范围 ( 4 0 t h z ) 内通过s r s 效应实现信号光的放大。在s c m w 嘶光纤通信系统中，波长 最短的信道受到的影响最大，因为它可以通过s r s 效应向其它所用光波信道转移 能量。为了保证其能量损耗小于0 5 d b ，每个信道的入射功率最好低于1 5 m w 。 第二章s 删w 删光纤通信系统 4 受激布里渊散射 受激布里渊散射源于光波对声波的散射。在量子力学中，受激布里渊散射 可以看成一个泵浦光子的甄灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声频声子。由 于在散射过程中能量和动量必须守恒，则三个波之间的频率和波失有以下关系： = p 一， k a 奄k p k 。 式中，和吐分别为泵浦波和斯托克斯波的频率，k ，和k ，是泵浦波和斯托克斯 波的波失，声波频率和波失k 。是满足色散关系的声波的频率和波失。 = v 陬。卜2 v i k ，i s i n ( 8 2 ) ( 2 1 1 3 ) 式中，8 为泵浦波和斯托克斯波之间的夹角、k ，一抚，l 九，、k 为声速。在 s c m 例d m 光纤通信系统中用的是单模光纤。在单模光纤中，只有前、后向的相 关方向，因此，s b s 仅发生在后向，且后向的布里渊频移为： = ，h 2 n 叱砷 ( 2 1 1 4 ) n 为在泵清波长砧的折射率。则对石英光纤，在1 5 5 0 n m 处，取v - 5 9 6 m ，s ， h = 1 4 5 ，得v 。一1 1 1 g 肫e 又因为，布里渊增益谱很窄( 小于1 0 0 m h z ) ，所以 只有当信道间隔。与s b s 位移v 。相等时才能发生s b s 串音，在s c m ，w d m 光纤 通信系统中通过合理的信道间隔设置完全可以避免这类串音。 第二节s c m w d m 光纤通信系统中光纤的色散 1偏振模色散 多波长s c m 系统中在接受端使用相干检测、解调出各路射频信号。因而， 设计多波长s c m 系统时必须严格控制由于p m d 效应在光纤中产生的相移。如 图1 所示，假设在一路光载波上调制了n 路射频信号，光载波的频率为，n 路 1 6 s c m 删光纤通信系统中若干技术的研究 射频信号的频率为q 、( 【，：、鸭、和q ，即等于每路光调制过的射频信 号与其光载波的间距。在光纤中传输时，载波与副载波都可以分解为携带功率相 同的快慢两种基本极化态。令，载波、副载波的快极化态与慢极化态分别为e 。、 、和如。假设各路副载波的功率相等，则在接收端光载波与每一路光调 制过的射频信号拍频均产生两路光电流为： 0 枞洲删= 血“o n 0 01o d r j 一 圈( 2 7 ) 值振模色敬引起信号衰减效果示意圈 - i c e “ic o s ( q r ) = l e 。f lc o s ( q f + q ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 其中口l 是第f 路的d g d 。因而，在射频波段接收的第f 路副载波为 ，( r ) i i e c e j i c o s ( 皑f ) + l e 。f 日i c o s ( i f + q f j ) ( 2 2 3 ) 令，g p ) = l 毛e - h t 。b l ，由( 2 2 3 ) 式可得： ，0 ) _ 2 9 0 ) c o s ( q t 2 ) c o s ( q f + 。r f 2 ) ( 2 2 4 ) 在( 2 2 4 ) 式中，c o s ( q f + q 一，2 ) 表明由于p m d 的作用，副载波产生了 q 一2 的相移，c o s ( q ，2 ) 表明了由于p m d 的作用副载波衰减的程度。 由此可以看出，副载波的衰减的程度与副载波的相移量成正比。为了确保接收端 信号的质量，假设应使q f j 2 小于m 。至此我们可以看出靠光载波最远的 1 7 第二章s 凸i w d m 光纤通信系统 一路信号受p m d 的影响最严重。g 6 5 2 光纤的d _ p m d 在1 5 5 0 n m 处的值约为 o 2 筇j 翻，一般各相邻信道的间距约为5 g h z 【1 l 。所以要求： 5 x n x e 1 0 4 o 0 h ( 甜) 一f ( ) f ) = 一，s g n ( 3 2 一1 9 ) 由( 3 2 一1 9 ) 式可知，希尔伯特滤波器实质上是一个宽带相移网络，其传递函数 的模与相角特性如下图所示。 j- i h ( 甜) i 1 r 0 - 吼l 甜j 玎 2 玎 2 图( 3 2 - 5 ) 希尔伯特滤波器的传递函数 根据式( 3 2 1 9 ) 即，希尔伯特滤波器实质上是一个宽带相移网络。我们设计的 r ；l | i s 咖，咧光纤通信系统中若干技术的研究 调制器如下图所示： 图( 3 2 6 ) 在频域上，双边带调制和单边带调制的光信号频谱分布如下图所示： 矗一4f o - f 南一f 2 图( 3 2 7 ) 双边带调制的光信孕频谱分布示意凹 f o - f 4五i f 3岛f 2 丘l - f ln 如+ f岛+ f 2j + f 3 d + 厶 l 图( 3 2 8 ) 单边带调制的光信号频谱分布示意圈 由图( 3 2 7 ) 、( 3 2 - 8 ) 可知使用单边带调制技术，减小了信号的频谱宽度。 从而减小了群速度色散对系统中传输光信号的劣化，增加了系统的光谱利用率。 第三章双二进制调制的s c m w d m 光纤通信系统 3 载波的抑制 s 3 9 n e cl o o p 当连续或准连续光信号从光纤耦合器的某一端口入射时，s a g n e c 干涉仪的 透射率取决于耦合器的功率分比。 若输入功率r 沿顺时针方向传输的部分占全部功率的比例为_ i d 。利用光纤耦合器 的传输矩阵并假设a ( 0 ) - o ，则前向( 顺时针) 和后向( 逆时针) 传输光场的 振幅为： a ，= 扫aa = f 而， ( 3 2 2 0 ) 式中，p = c o s ： t ) ，是耦合长度。经过一次往返后，两个光场不但获得了线 性相移，而且还获得了自相位调制和交叉相位调制引入的非线性相移。结果两光 场到达耦合器后变为： a j a ，e x p 【f + 廿( 1 a ，1 2 + 2 i a1 2 ) l 1 ( 3 2 2 1 ) a - ae x p 【哦+ 印( i a l 2 + 2 i a ，1 2 汪1 ( 3 2 2 2 ) 式中，九t 卢是线性相移，l 是环长，卢是环内传输常数。 利用光纤耦合器的传输矩阵可以得到反射和透射的光场为： 为扩 2 峭， 利用方程( 3 2 2 0 ) ( 3 2 2 3 ) ，s a 印e c 环的透射率z _ | 1 2 l af 2 为； i l 一2 _ p ( 1 一p ) 1 + c o s 【( 1 2 j d ) y 昂三】) ( 3 2 2 4 ) 式中，昂= i a1 2 是输入功率。 s c 叨m 光纤通信系统中若干技术的研究 s a g n a c 环的透射率方程 图( 3 2 一1 0 ) 由图( 3 2 1 0 ) 可以看出，当顺时针方向传输的光功率占传输总功率的一半时 即，使用3 d b 耦合器时所有输入光信号全部被反射，没有透射光。 根据上述理论我们可以如下设计调制器。 如图( 3 2 1 1 ) ，将光纤耦合器的两个输出端口分别连接在光调制器的输入和输 出端口上。射频信号通过一个9 0 度混频器输入到调制器的信号输入端口。9 0 度 第三章双二进制调制的s c m 咖光纤通信系统 混频器输出的射频信号通过马赫一曾德光波导调制器后将产生单边带光信号。 s a g n e c 干涉仪则起到了抑制载波的作用。 。 。+ 。 7 。 。： 。 引：0 f 在接受端使用外差检测时需要信号与本地振荡进行拍频，从而解调出调制 信号来。因而，在s a 弘e cl o o p 上加一个可调节移项器，通过移项器的大小控制 剩余载波的量。留下的载波恰好作为本地振荡。从而简化了在接受端加入本地振 荡的问题。 图( 3 2 1 3 ) 抑制载波的双二进制光学调制器 s 酬仰m 光纤通信系统中若干技术的研究 由式( 3 2 1 ) 可知，当口= 0 时，n 随e 按比例变化，成为线性效应。m a c h z e n h d e r 调制器就是利用线性光电效应实现光信号调制的。因而，我们可以按下图设计光 学双二进制调制系统。 d u o b i n d u o b i n 一 畦粤 匿( 3 2 一1 4 ) 抻制载波的光学双二进制调制系统 如图( 3 _ 2 1 4 ) 所示的调制系统充分利用了调制器的调制带宽和光纤的有 效带宽，这样不但减少了所需的调制器的数目而且增大了系统的传输容量。其传 输原理和效果如下图所示。 ，l 圈( 3 2 1 5 )系统传输原理和效果图 第三章双二进制调制的s c m w d 光纤通信系统 如图( 3 2 1 5 ) 所示( 其中的信号源为双二进制码源) ，在同样的光纤有效 带宽、使用相同数目的调制器，使用单边带调制技术，使每一边带调制不同的基 带，从而使系统的传输能力扩大一倍。s a g i l e c 环有效地抑制了载波。 综上所述，可知伪二进制信号经过双二进制滤波器形成的双二进制信号，分 别调制到各路射频载波上。再结合负载波复用技术，构成光学双二进制调制的 s c m 光纤通信系统。 如图( 3 2 1 6 ) 光学双二进制调制的s c m 光纤通信系统，结合w d m 光纤 通信技术便构成了光学双二进制调制的s c m 厢，d m 光纤通信系统。 第三章双二进制调制的s c m ，w d m 光纤通信系统 t f 明l 面# 叮i f 把c e i v e f1 l 喜 l 薹| ( 32 一1 7 ) 光学双二进制调制的s c m ，w d m 光纤通信系统 图( 3 2 1 7 ) 即为光学双二进制调制的s c m m ，d m 光纤通信系统的整体结构图 由上述分析可知光学双二进制调制的s c m ，、 ，d m 光纤通信系统有如下优点： ( 1 ) d u o b i n a r v 编码容易实现，且不增加编码的长度。 ( 2 ) 发射端只需要加入d u o b i n a r v 编码设备，即可实现双二进制调制光信号的 产生。 ( 3 ) 使用普通的电光二极管作为接受机。 ( 4 ) 引入了相位相关，增加了系统的色散容忍度。 第四章双二进制调制对s c m ，w d m 光纤通信系统中也散与非线性的抑制 第四章双二进制调制对s c m w d m 光纤通 信系统中色散与非线性的影响 第一节光学双二进制调制减小色散对系统的影响 在n r z 的系统中，连零、连一的连续编码形式，由于系统色散而对系统的 退化贡献很小。由于系统色散而对系统的退化做出贡献的主要是1 o 1 这种 连续编码形式。通过d u o b i n a r ym t e r 的输出特性，或从表( 2 2 ) 的电平转换( t o v o l t a g e ) 中可以看出在经过双二进制编码( d u o b i n a r ye n c o d e r ) 后，输出的码形中不 会有1 0 l 、一10 1 的连续编码形式。只可能出现连零、连一、 连负一、1 o一1 、一1o1 这五种形式的连续编码形式。其中，连零、 连一、连负一的连续编码形式，由于系统色散而对系统的退化贡献很小。 现在，我们来研究由于系统色散而对系统的退化做出主要贡献的几种连续编 码形式。即，n r z 系统中的1 o l 这稃连续编码形式、双二进卷4 编码( d u o b i n a r y ) 系统中的1 o一1 、一lo1 两种连续编码形式。 + e+ e f 、一一 j ! jd j s p e r s e d 阿辽叫i s e s i 叠1 10- 1 j + ej j e ，i 1 d s p e r s e dd u 。b i m r yp u i s e s 图( 4 1 1 ) 由图( 4 1 一1 ) 中可以看出，在n r z 的系统中由于系统色散10 1 这种 连续编码形式很容易误码。双二进制编码( d u o b i n a 叻系统中由于1 码和一1 码的 电场强度之间有玎的相位差，从而由于系统色散而导致的脉冲展宽的电场强度在 s c m w d m 光纤通赢系统中若干技术的研究 lol 、lo l 两种连续编码形式的中间，即在o 码处电场强度相 互抵消始终基本保持为零。因而，只要l 码一l 码的脉冲强度不衰减到判决门限 以下，系统不会因为色散而产生误码。 有上述分析可知，双二进制编码( d u o b i n a r y ) 系统中l 0一l 、一1o l 两种连续编码形式的中间，即0 码处的电场强度始终基本保持为零。因而，双 二进制编码( d u o b i n a r y ) 系统中各脉冲比特可以排列的更紧凑。因而，使用双二 进制编码( d u o b i n a r y ) 不仅可以减少色散对系统的影响而且可以提高系统的传输 速率。 在仿真系统中，我们如下设置参数：激光器的平均功率为l m v 、中心频率为 1 9 3 1 t h z 、数据率为2 5 g b i t s ，光纤的长度为6 0 千米、衰减为o 2 + 1 0 。d b k m ， 色散为1 6 + 1 0 。s 小2 。图( 4 卜2 ) 为伪随机二进制信号源通过仿真系统的眼图。 图( 4 卜3 ) 为双二进制编码的信号源通过仿真系统的眼图。 a u 】 椭e 【n s 】 图( 4 1 2 ) 伪随机二进制信号源通过仿真系统的眼圈 一 一 删 一 一 一 一 。 第四章双二进制调制对s c m ，w d m 光纤通信系统中色散与非线性的抑制 【a u l 。_ ；。 i 二a ：乡 t l m e 【n s i 圈( 4 卜3 ) 取二进制编码的信号源通过仿真系统的限圈 由图( 4 1 2 ) 、图( 4 1 3 ) 可以看出，双二进制编码对系统的色散有明显的 抑制作用。 第二节光学双二进制调制减小自相位调制对系统的影响 在讨论光纤通信理论时，假设了光纤的折射率n 和入射光强( 光功率) 无关， 始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一致的效 果。然而，在高功率条件下，折射率盯随入射光强( 光功率) 而变化，这种效应 称为非线性效应。在强光作用下，光纤的折射率n 可以表示为： = n o + n 2 l 引2 ( 4 2 1 ) 式中，e 为电场，n 。为一0 时的光纤折射率，约为1 4 5 。这种光线折射率玎随 光强j e f + 而变化的特性，称为克尔( k e r r ) 效应，i = 1 0 4 ( m y ) 2 成为克尔系数。 设波长为 、光强为i e f 2 的光脉冲在长度为的光纤中传输，刚光强感应的 折射率变化纽枣) 一以：l g ) 1 2 ，由此引起的相位变化为： 妒( f ) ；竺，z ( f 汪；孚“o ) ( 4 2 2 ) 这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性，称为自相位调制( s p m ) 。如果 考虑光纤的损耗，式( 4 2 2 ) 中的l 要用有效长度盯代替。s p m 引起脉冲载 删 一 一 一 一 。 一 s c m w d m 光纤通信系统中若干技术的研究 坡频翠随时间的变化为： 删一掣一等杀眦) 】 ( 4 z 吲 在脉冲上升部分，i e ( r ) i ：增加，掣，o ，得到。o ，频率下移；在脉冲 的顶部， i e ( f ) l z 不变，掣：o ，得到；o ，频率不变；在脉冲的下降部分， l e ( f ) l ：减小，罢生。o ，得到，o ，频率上移。频移使脉冲频率改变分布，其 上升沿频率降低，其下降沿频率升高。这种隋况称脉