（物理电子学专业论文）wdm光网络系统中的非线性和色散管理技术研究.pdf

东南大学硕士论文 y 69 4 3 98 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：至盈导师签名：日期：。建；璺! ! 奎堕查堂翌主丝奎 塑坚垄塑笙墨竺童箜i ! 垡丝塑鱼墼篁里茎查堡壅 摘要 波分复用( w d m ) 技术具有高速率、大容量、对传输数据透明等诸多优点， 并且随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 的应用，极大地提高了传输距离，现已成为通 信网络带宽高速增长的最佳解决方案。但随着w d m 信道的不断增加和传输码率的 不断提高，光传输链路中色散以及各种非线性效应对光信号的影响越来越明显。成 为造成光信号传输损伤的主要因素。 本文深入分析了光纤中的色散和各种非线性现象，研究了它们对于w d m 通信 系统性能的影响：同时，利用m a t l a b 进行数值仿真，对色散补偿系统的配置方 案进行了研究与探讨；给出了w d m 光网络系统色散和非线性效应所引起的光信号 传输损伤，并用于w d m 光网络节点管理模型之中。本文第一章简要介绍了波分复 用通信系统的结构、原理和发展前景，以及w d m 通信系统中关于色散以及非线性 的关键问题。第二章详细讨论了光信号在光纤中的传输，分别讨论传输光纤中的色 散和非线性效应，主要有自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频 ( f w m ) ，并分析了各种非线性效应对系统性能的影响。分析结果表明，s p m 会由 于色散的存在对脉冲进行压缩；x p m 随w d m 光网络系统的信道数和码率增加而迅 速增加：f w m 则需要利用色散管理技术进行抑制：并且e d f a 中的a s e 噪声会随 级联数的增加产生噪声积累。第三章介绍了d c f 补偿系统及其应用，并分析该系统 对传输性能的影响。研究结果表明，d c f + s m f 通信系统可以抑制色散以及光纤中 的非线性的影响。同时，在最后一节建立起d c f + s m f 通信系统的简化模型。第四 章是应用m a t l a b 对w d m 通信系统进行数值仿真，从补偿方式、光源、传输码 率、信道间隔等多方面入手，分析了系统中各个参数选择对传输性能的影响。第五 章是本文研究结果在w d m 光网络节点管理中的应用。最后对本文所作的工作进行 了总结。 【关键词】：波分复用( w d m )光纤非线性色散补偿节点管理 查堕奎兰堡主鱼奎! ! ! 坚堂旦垒墨堕塑斐堡堡塑鱼墼笪堡垄查婴 a b s t r a c t w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) h a st h ep r o p e r t i e so fh i g hs p e e d ，l a r g ec a p a c i t y , w i d eb a n d w i d t ha n dt r a n s p a r e n tt o d a t at r a n s m i t t e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e l o n g - h a u lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d u et ot h ea p p l i c a t i o no f e d f a ( e r b i u m d o p e d f i b e ra m p l i f i e r s ) w d mi su s e dw i d e l ya st h eo p t i m u ms o l u t i o no ft h ed e m a n do f i n c r e a s i n gb a n d w i d t ho f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k h o w e v e r , t l i ec h r o m a t i cd i s p e r s i o na n d t h en o n l i n e a re f f e c t sc a u s e db yt h ei n c r e a s eo ft r a n s m i s s i o nc h a n n e l sa n db i t r a t ei nt h e t r a n s m i s s i o nl i n e b r i n g r e m a r k a b l e i m p a i r m e n t o n o p t i e a tp u l s e s a n dl i m i tt h e p e r f o i t n a n c eo f w d mo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mg r e a t l y 1 1 1t h i sp a p e rc h r o m a t i cd i s p e r s i o na n dn o n l i n e a re f f e c t si no p t i c a lf i b e rh a v eb e e n a n a l y s e dd e e p l ya n dt h ee f f e c t so f t h e mo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c eh a v eb e e ns t u d i e d m e a n w h i l e ，t oi n v e s t i g a t eo nt h es c h e m e so fd i s p e r s i o nc o m l ”n s a t i o ns y s t e m ，s p l i t s t e p f o u r i e rm e t h o di sa d o p t e dh e r et og e tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s i nc h a p t e r1 t h e d e v e l o p m e n t o ft h e o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o na n dt h eb a s i c s t r u c t u r e m a i n a p p l i c a t i o n sa n dt h et e e h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n th a v eb e e nr e v i e w e db r i e f l y c h r o m a t i c d i s p e r s i o na n dn o n l i n e a re f f e c t si nw d m h a v eb e e ni n t r o d u c e dh e r e i nc h a p t e r2t h e t h e o r e t i e a lm o d e lo f o p t i c a lt r a n s m i s s i o ne q u a t i o n si sp r e s e n t e d c h r o m a t i cd i s p e r s i o n a n dn o n l i n e a re f f e e t s ( i n c l u d i n gs e l f - p h a s em o d u l a t i o nf s p m ，c r o s sp h a s em o d u l a t i o n x p m 】a n df o u r - w a v em i x t u r e f w m 】) i no p t i c a lf i b e ra n dt h ei m p a i r m e n tc a u s e db y t h e ma r ed i s c u s s e d t 1 l ea n a l y t i cr e s u l t ss h o wt h a td u et op o s i t i v ec h r o m a t i cd i s p e r s i o n s p mc o m p r e s s e st r a n s m i t t e d p u l s e s ；x p me n h a n c e sg r e a t l y w i mt h ei n c r p t s eo f t r a n s m i t t e dc h a n n e l sa n db i t r a t e ；f w mc a nb er e s t r a i n e dw i t ht h e a p p l i c a t i o n o f d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t ；a n da s e n o i s ei ne d f aw i l ia c c u m u l a t ei nt h ea m p l i f i e dw d m n e t w o r k i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h ej n t r o d u c t i o no f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e rr d c f ) c o m p e n s a t i o ns y s t e ma n d i t sa p p l i c a t i o n ，c o r r e l a t i v ei n v e s t i g a t i o n sa r e b r o u g h t t oa n a l y z e t h ea d v a n t a g e so fc o m p e n s a t i o ns y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a td c f + s m f s y s t e mc a n r e s t r a i nt h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o na n dn o n l i n e a re f f e c t s g r e a t l y i nc h a p t e r4 ，w i t ht h e u t i l i z a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a b ，p a r a m e t e r s e f f e c t so nw d m s y s t e mp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e df r o ms e v e r a la s p e c t s ，s u c ha sc o m p e n s a t i o nm e t h o d s ， o p t i c a ls o u r c e ，b i t r a t e ，c h a n n e ls p a c i n g ，e t e i nt h el a s ：c h a p t e r , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e a p p l i e di nw d mo p t i c a ln e t w o r k n o d e m a n a g e m e n t f i n a l l yt h et o t a lw o r k so f t h i sp a p e r a r es u m m a r i z e d 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 ) o p t i c a ln e t w o r k s ， n o n l i n e a r e f f e c t s ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，n o d em a n a g e m e n t - 3 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 第一章绪论 1 1 光纤通信系统的发展n 自1 9 7 0 年光纤的损耗性能和半导体激光器性能取得重大突破之后，光纤通信进 入实用化时代。从1 9 7 4 年到现在短短2 0 多年中主要是随着光纤制造技术、半导体 激光器制造技术的发展，光纤通信系统的发展已经经历了几个时代，速率从1 9 7 6 年的4 4 m b i v s ，传输距离约l o k m 发展到目前的数十以至数百g b i t s ，传输距离达到 数千k m 。光纤传输业已成为当前通信，特别是干线通信的主要手段。从8 0 年代开 始，光纤通信的高速发展超乎了人们的想象，光通信网络逐渐成为现代通信网的基 础平台。在此期间，光纤通信系统的发展经历了几个阶段，从8 0 年代末的p d h 系 统，到9 0 年代中期的s d h 系统，直到现在的w d m 光网络系统，光纤通信系统自 身在快速地更新换代。 迸入实用阶段以后，光纤通信的应用发展极为迅速，除用作电话通信外，也用 于数据传输、闭路电视、工业控制、监测以及军事目的，应用的光纤通信系统也已 经多次更新换代。从1 9 7 7 年在美国芝加哥城的两个电话局间开通世界上第一条商业 服务的光纤通信系统以来，世界各地已开通了成千上万条光纤通信线路。7 0 年代的 光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长( 8 5 0 n m ) 波段。8 0 年代以后 逐渐改用长波长( 1 3 1 0 n m ) ，光纤逐渐采用单模光纤，到9 0 年代初，通信容量扩大 了5 0 倍，达到2 5 g b s 。进入9 0 年代以后，传输波长又从1 3 l o n m 转向更长的1 5 5 0 n m 波长，并且开始使用光纤放大器、波分复j 苇j ( w d m ，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 ) 技术等新技术，通信容量和中继距离继续成倍增长，光纤通信广泛地应用于市内电 话中继和长途通信干线，成为通信线路的骨干。 1 2 波分复用光网络系统 近年来，随着通信业务量的激增，原有通信系统的低容量已成为当前和未来信 息业务发展的“瓶颈”，急需对原有光纤传输系统进行扩容、升级改造，以及建设新 的高速、大容量通信网络。w d m 技术以其优异特征，成为最佳的技术选择：f 1 ) w d m 器件是光无源器件，结构简单，体积小，稳定可靠，在网络设计和施工中有很大的 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 灵活性；( 2 ) 可充分利用光纤的巨大带宽资源，使同一根光纤的传输容量增加数倍， 因而在大容量长途传输中，可节省大量光纤；( 3 ) w d m 通道对数据格式是透明，可 承载多种格式的“业务”信号：( 4 ) 在网络扩容、升级中，w d m 技术给系统提供“在 线升级、平滑过渡”的技术支持，是理想的扩容手段；( 5 ) 利用w d m 技术选路实现 网络交换和恢复，从而可实现未来透明的、具有高度生存性的全光网络。随着w d m 技术日臻成熟和不断发展，尤其是w d m 器件价格不断下降，它必将全面、深入地 应用于通信各个领域。 1 2 1 波分复用光网络系统原理及结构1 2 i 由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而 得到了广泛应用。从8 0 年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。 常规石英单模光纤同时具有1 5 5 0 h m 和1 3 1 0 r i m 两个窗口，最小衰减窗口位于1 5 5 0 n m 窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：1 3 1 0 r i m 窗口的衰减在( 0 3 0 4 ) d b k m ；1 5 5 0 h m 窗口的褒减在( o 1 9 o 2 5 ) d b k m 。 赫 图1 1 光纤损耗特性 从图1 1 可以看出，除了在1 3 8 0 n m 有一个o h 根离子吸收峰导致损耗比较大 外，其它区域光纤损耗都小于0 5 d b k m 。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱 ( 1 3 1 0 1 5 5 0 n m ) 极少的一部分。以常规s d h 2 5 g b s 系统为例，在光纤的带宽中 只占很小部分，大约只有0 0 2 n m 左右：全部利用掺饵光纤放大器e d f a 的放大 区域带宽( 1 5 3 0 1 5 6 5 ) n m 的3 5 n m 带宽，也只是占用光纤全部带宽( 1 3 1 0 1 5 7 0 n m ) 的1 6 左右。理论上，w d m 技术可以利用的单模光纤带宽达到2 0 0 n m ，即2 5 t h z 带宽，即使按照波长间隔为o s n m ( 1 0 0 g h z ) 计算，理论上也可以开通2 0 0 多个波 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 长的w d m 光网络系统，因而目前光纤的带宽远远没有利用。w d m 技术的出现正 是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为w d m 光网络系 统的应用和发展提供了可能。 w d m 本质上是光域上的频分复用f d m 技术，每个波长通路通过频域的分割实 现，如图1 2 所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆f d m 技术 不同的是：( 1 ) 传输媒质不同，w d m 光网络系统是光信号上的频率分割，同轴系 统是电信号上的频率分割利用。( 2 ) 在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信 号4 k h z 语音信号，而w d m 光网络系统目前每个波长通路上是数字信号s d h 2 5 g b s 或更高速率的数字系统。 h h w 冉h 麓长 图1 2w d m 光网络系统的频谱分步 w d m 光网络系统有3 种常规结构：( 1 ) 单纤单向多路复用传输，目前大多采用 单纤单向w d m 光网络系统；( 2 ) 单纤双向多路复用传输。亦称单纤全双工通信，但 双向w d m 光网络系统设计比较复杂。单纤双向w d m 光网络系统只适用于光缆对 比较紧张的情况，在通信干线中应用的机会并不多；( 3 ) 光分，插复用传输。通过各种 波长光信号的合流与分流，实现信息的上下光路，由此可根据光纤通信线路沿线业 务量分布情况，合理安排分出或插入光信号。w d m 技术在长途通信干线传输中的 应用w d m 光网络系统在长途通信干线传输中的模块结构如图1 3 所示。 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 广一一一一一一一一 i 。 广一一一一一一一一一 图1 3w i m 传输系统模块结构 在发射端，n 个信道的光发射机发出n 束不同波长的光载波，经合波器复用后 进入一根光纤，由于长距离光纤损耗的存在，需再经掺铒光纤放大器( e d f a ) 对其进 行预功率放大，然后进入光纤中传输。在传输途中，若距离过长，中途须分段设置 e d f a 进行线路放大；在接收端，由e d f a 对接收到的光信号进行前置放大，再经 分波器将不同的波长分开最后分别送往n 个信道的接收机进行信号处理。 1 2 2 波分复用光网络系统的发展 w d m 关键技术都已成熟，g b s 级系统得到广泛应用，t b s 级系统的商用也正 在计划中。目前w d m 技术体现出如下发展趋势。首先是系统传输容量的持续增长， 可通过提高通道速率、增加复用波长数量、扩宽应用波长范围等方案实现传输容量 的扩大。在提高通道速率方面，最先实用的w d m 光网络系统多基于2 5 g b s 的通 道速率，现在基于1 0 g b s 的多波长系统正在实用，基于4 0 g b s 速率的系统已进入 实验阶段，技术日渐成熟。此外应用o t d m 技术可将单通道速率提高至e t d m 方 式无法达到的高度，目前的实验系统已经使通道速率达到了1 6 0 g b s 。增加复用波 长数量方面，8 、1 6 、3 2 个波长的w d m 光网络系统已经大范围使用，1 0 0 个波长 的系统也走向商用。而实验室里的成绩尤为突出，已完成了1 0 2 2 个波长的复用试验。 应用波长范围受限时，要增加复用波长数量，必须缩窄通道间隔。目前的w d m 实 验中，通道间隔已达到2 5 g h z 。另外在扩宽应用波长范围方面，除了充分利用目 前使用的“c 波段”的传输能力外，w d m 光网络系统应用的波长范围正在向“l 查塑奎兰堡圭望壅! ! 型鲞塑垒墨竺生堕! ! 垡丝塑鱼墼篁里垫查壁墅 波段，发展，甚至有人将l 波段的长波长一侧延伸到1 7 0 0 n m 。此外，对“s 波段” 的应用也在计划之中。当1 3 8 5 n m 波长的o h - - 吸收峰被削减之后，s 波段与1 3 1 0 r i m 窗口便连接起来。对于比较短距离的传输，应用波长范围将扩宽至l l o o n m 1 7 0 0 n m 。 w d m 技术的另一个发展趋势是光再生中继器的开发。受光信噪比恶化、光信 号波形恶化等因素限制，w d m 信号经过数个光放段传输后必须再生一次，再生段 距离不可能无限制地长。随着通道速率提高、复用波长数量增多，解波分复用后分 别进行再生的电再生方式，设备庞杂、建设和运行成本高。开发光再生中继器不仅 对传输系统十分必要，对提高光网络的透明性、实现全光传送网络也是不可缺少的。 目前已有实验性光再生中继器，但其性能还不能与电再生中继器相提并论。如何实 现对w d m 光网络系统中的所有波长一起进行再生处理，仍在研究开发中。 w d m 技术已经开始向城域网发展，日趋价廉的w d m 产品及其软件对本地网 的建设和改造颇具有吸引力。各大设备厂商自1 9 9 9 年开始研制用于城域网的w d m 光网络系统，并声称已开发出城域w d m 产品；网络经营商也看好w d m 设备，b e l l a t l a n t i c 和b e l l s o u t h 这些老牌电信运营商都在考察这项技术并进行试验。据l u c e n t 公司预测北美城域w d m 市场将从1 9 9 8 年的2 亿美元发展到2 0 0 3 年的1 0 亿美元， 大约占w d m 市场的2 3 。世界范围内城域网和局域网所应用的w d m 设备市场年 增长率约为6 0 ，到2 0 0 5 年将会达到3 4 2 亿美元而长途传输用w d m 设备将为 3 0 4 亿美元。 w d m 虽然已经广泛应用，但基本上处于利用w d m 终端与光放大器组成点对 点传输线路的状态。随着光节点技术的进步，单纯点间传输的现状正在改变，开始 引入o a d m 设备构成光环路，最终还耍采用o x c 构成可选择波长路由的格形光网 络。如今，o a d m 已逐步投入商用，o x c 也开始提供小规模的产品。 1 3w d m 光网络系统中光的传输 目前，w d m 技术已成为通信网络带宽高速增长的最佳解决方案，今后无论是 广域网、城域网还是接入网，都将以w d m 为传输平台，基于w d m 的光传送网将 构成整个通信网的基础物理层，因此，光纤技术的发展与w d m 技术的应用与发展 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 密切相关。一般所说的w d m 即d w d m ，是密集的多波长光信道复用技术，随着 光纤放大器的出现，光纤的损耗性能已不再是限制系统性能的主要因素，而光纤色 度色散和非线性开始成为系统设计的主要考虑因素p j 。 1 3 1 色度色散 光纤色散引起的脉冲展宽光信号在光纤中传输时，光纤色散使脉冲的不同分量 在光纤内以略微不同的速度传输，造成光脉冲的展宽，并且随传输距离的增加展宽 加大。色散对于超高速光缆通信系统来说，起着重要的限制作用。系统的速率越高， 相邻脉冲的宽度就越窄，色散的效应就越明显，当色散大到一定程度，导致相邻的 光脉冲发生重叠时，会产生严重的码间干扰，引起系统误码，如图1 4 所示。色散 越小，波形的失真也越小。为了减少色度色教的影响，只有靠减少光纤的色度色散 影响或光源的谱宽影响。 响 出 时同 图1 4 色散现象对光脉冲的展宽作用 1 3 2 非线性效应 4 - 7 l 非线性效应光纤的非线性效应是由于光纤的折射率与入射光的强度有关。光纤 中的非线性现象包括受激喇曼散射( s r s ，s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ) ，受激布里渊 散射( s a s ，s t i m u l a t e db r i u o u i ns c a t t e r i n g ) ，四波混频( f w m ，f o u rw a v e m u t i p l e x i n g ) ， 自相位调制( s p m ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ) 和交叉相位调制( x p m ，c r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ) 等a 光场较强时光纤折射率将随光场强度的变化而变化，这种变化将通 过光纤的传输常数转化为光场传输相位随光场幅度的变化。因而随着光场在光纤中 的传输，对光场的幅度调制将转化为对光场的相位调制。这种由光场自身产生非线 性效应引起的非线性相移即为自相位调制，简称s p m 。多个波长的光波以较大的功 率在根光纤中传输时，一个光波的功率波动会改变其他光波的相位，即引起x p m 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 效应。x p m 的产生是因为一光波的有效折射率不仅与此波的强度有关，而且与另外 一些同时传输波的强度有关，所以x p m 总伴随有s p m 产生。s p m 和x p m 使光信 号产生非线性相移，非线性相移随光强的增大而增大，最大相移在脉冲中心。非线 性相移随时间变化形成频率啁啾，频率啁啾随传输距离的增大而增大，所以脉冲沿 光纤传输时新的频率分量不断产生。频率啁啾在脉冲前沿附近是负值，在后沿附近 是正值，这种变化称为正啁啾。由s p m 和x p m 产生的频率分量展宽了光脉冲的频 谱。在w d m 光网络系统中，每个波长信号本身产生s p m ，不同波长信号之间产生 x p m 。多个波长的混合可能产生一个新的波长，新波长的产生以及原有波长信号能 量的转移消耗会在多波长系统中产生串音干扰或过大的信号衰减。 光纤的非线性效应主要与光功率密度、信道间隔和光纤的色散等因素密切相关： 光功率密度越大、信道间隔越小，光纤的非线性效应就越严重；色散与各种非线性 效应之间的关系比较复杂，其中f w m 随色散接近零而显著增加。随着w d m 技术 的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来越小，传输功率越来越 大，从而使光纤的非线性效应对w d m 传输系统性能的影响也越来越严重。克服非 线性效应的主要方法是改进光纤的性能，如增加光纤的有效传光面积，以减小光功 率密度；在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应：减小光纤的色散斜 率，以扩大w d m 光网络系统的工作波长范围，增加波长间隔；同时，还应尽量减 小光纤的偏振模色散，以及在减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上 的色散，以适应单信道速率的不断提高。 对于光纤中的色散和各种非线性因素，目前的研究资料已经进行了大量得分析 和讨论。但是大多的研究资料都是基于实验给出了数据，虽然结果简单明了，但是 相应的物理概念不明确，给出的数据并不能放映出色散和各种非线性因素与系统参 数的关系，它们往往是分别单独考虑各种效应的影响。本文将从虽基本的非线性薛 定鄂方程出发，给出光纤中各种非线性效应的具体表达式，并讨论它对w d m 光网 络系统性能的影响。 1 3 3 掺铒光纤放大器在w d m 光网络系统中的应用 增益和噪声也对网络的总体性能有很大的限制，在4 0 g 系统中无中继的光纤长 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 度不能超过4 0 k m ，这将大大增加网络建设的成本，因此从经济的角度一般都要求 保证无中继的光纤长度达到8 0 1 0 0 k m 。要达到这个要求，必须解决好系统的噪声问 题。在现有的w d m 光网络系统中，噪声主要来自于掺铒光纤放大器( e d f a ， e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f e r ) 中放大的自发辐射噪声( a s e ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o n ) ，因为e d f a 在对信号光进行放大获得增益的同时，也放大了自发辐射 s l 。 a s e 的带宽很宽，相当于对所有的信号光都引入了白噪声基底。还有一个问题是在 长距离传输中e d f a 的级联使a s e 噪声累积，降低了光信噪比，进一步限制了系统 的总体性能。可以通过减小两放大器之间的距离或改善放大器的噪声指数以改善 s n r 。本文对e d f a 中a s e 噪声作了研究，得到了它对系统性能的影响情况。 1 3 4 w d m 光网络系统中的色散补偿技术【9 - 1 0 现有的色散管理技术主要采用以下几种方式： 色散补偿光纤( d c f 。d i s p e r s i o nc o m p e n s a t e df i b e r ) 啁啾光纤光栅( c f g ，c h i r p e df i b e rg r a t i n g ) 色散支持传输( d s t ，d i s p e r s i o ns u p p o r t e dt r a n s m i s s i o n ) 频谱反转( s p e c t r a li n v e r s i o n ) 正负色散位移光纤( d s f ，d i s p e r s i o n s h i f tf i b e r ) 交替传输 啁啾光纤光栅的性能参数对温度、应力比较敏感，不适合于工程运用；色散支持技 术只适应于严格的点到点传输，不能在传输途中实现上下话路，并且对系统接收机 和发射机的系统参数要求严格，不具备横向兼容性；在非线性传输中，频谱反转技 术很难彻底恢复脉冲初始形状，并且很难确定频谱反转点；采用正负交替d s f 进行 长距离传输时，四波混频( f w m ，f o u rw a v e m u t i p l e x i n g ) 和交叉相位调制( x p m ， c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ) 对系统的影响较大；而光纤色散补偿技术的优越性可归纳 为以下几点： ( 1 ) 采用光纤色散补偿技术对原1 3 1 0 n m 零色散标准单模光纤系统升级 和扩容，只需要增加少量的设备，即少量色散补偿光纤和掺铒光纤放 大器，就可以达到目的。这种方法可靠性好，不需要复杂的法布里一 泊罗标准具、外调制器以及光源的预啁啾技术等。 查宣查堂堡主堡茎 塑坚堂塑竺墨堡生箜韭垡丝塑鱼墼篁翌垫查堡窒 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 色散补偿光纤是一线性无源器件，可以放在光纤线路中的任何位置 ( 如发射端、接收端或被补偿端的1 3 l o n m 零色散标准单模光纤线路 上某一中间点) ，仅受到掺铒光纤放大器和光接收机可接收最小功率 电平的限制安放灵活方便。 能实现宽带色散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿。设计适当的色散 补偿光纤，如分层芯、多包层、双模光纤等，具有在掺铒光纤放大器 增益带宽的宽频带内色散补偿的能力。这个特点提供了利用色散补偿 光纤和光纤放大器相结合，将已经安装的1 3 1 0 n m 零色散标准单模光 纤线路改造为无色散、无损耗的“光通道”( 1 i g h tp i p e ) 的可能性。 它对系统参数，比如比特速率、光源波长以及波分复用通道的布置都 是透明的。 与1 3 1 0 r i m 零色散标准单模光纤兼容，只要适当控制色散补偿光纤的 模场直径和改善连接技术，能得到较小的插入损耗。 d c f 的色散补偿量可以控制，且性能稳定，具有较强的升级潜力、 足够大的带宽、对传输格式和比特率透明、与w d m 兼容、性能稳 定等等优点。 1 4 本文主要研究工作 本文主要是围绕w d m 光网络系统中光纤内的色散和非线性效应展开的，重点 讨论了光纤中的色散现象各种非线性效应，包括自相位调制( s p m ) 、交叉相位调 制( x p m ) 和四波混频( f w m ) ，并对各种非线性效应进行了进一步的分析，给出 了它们对w d m 光网络系统性能的影响情况。本章简要地回顾了光纤通信的发展概 况，并对波分复用光网络系统的结构、原理和发展前景作了介绍，对色散和非线性 效应以及d c f 技术进行了充分的调研：第二章将详细讨论光信号在光纤中的传输， 分别讨论传输光纤中的色散和非线性效应，主要是s p m 、x p m 和f w m ，并讨论各 种非线性效应对系统性能的影响；第三章将介绍d c f 补偿系统的应用，并分析该系 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 统对传输性能的影响；第四章是应用m a t l a b 对w d m 光网络系统进行数值仿真， 分析系统中各个参数选择对传输性能的影响。第五章是本文研究结果在光网络资源 动态分配中的应用。 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 第二章信号在光纤中的传输 本章首先介绍了传输光纤中光的传输方程；然后介绍了光纤中的损耗与色度色 散，并讨论了色散对系统性能的影响；而后研究了各种非线性及其对传输信号的影 响：最后，简单介绍了e d f a 中的a s e 噪声及其对传输的影响。 2 1 光纤中光传输方程i u i 要理解光纤中的非线性现象，首先需要掌握非线性色散介质中电磁波的传输理 论。本节简单介绍了单模光纤中光脉冲传输的基本方程。 光纤中普遍适应的传输方程采用如下形式： 跏莪i 届等+ 詈a = i v i a i z a + 9 1 p , - 批瓦r 弦h ， 一口l ( i a l 2a ) - r 1 2 爿掣 式中a 反映了光纤的损耗；b ，b ：反映了光纤的色散，其中b ：通常称为群速 度色散( g v d ) 参量：正比于b 。的项包含了高阶色散效应，由于超短脉冲的宽带宽， 高阶色散效应对超短脉冲很重要；正比于a 。的项对应于脉冲沿的自陡峭；方程最后 正比于a t 的项起因于与延迟非线性响应有关，对应于自频移效应。( 2 1 1 ) 适合于 脉宽短至l o t s 的脉冲的传输，对脉宽t 0 1 0 0 f s 的脉冲，可以采用简化的方程： 瓦a a + 属警+ 吾肛等+ c ：e a = i y 2 ( 2 - i - 2 ) 在解传输方程( 2 一卜2 3 ) 之前，通常采用延时系作变换，利用 t = t z v g = t 一届z( 2 一i 3 ) 代入( 2 1 3 ) 可以得到： f 暑一型2 + 三2 屈等引卵一出a r ( 2 - 1 4 ) 描述了光脉冲在单模光纤内的传输 效应，称为非线性薛定谔方程。 ( 2 - 1 - 4 ) 利用它已成功解释了许多非线性 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研究 2 2 光纤中的损耗与色度色散 光纤通信系统有两个主要现象：光纤的衰减和色散。光纤损耗导致传输光功率 的降低，从而导致信噪比的下降：色散则导致码间干扰，继而降低了抗噪声能力。 在发射功率不高的情况下，光纤非线性效应可以忽略，因而光纤损耗和色散成为限 制链路长度的两个主要因素i ”1 。 2 2 1 光纤中的损耗0 1 3 1 4 】 光纤的一个重要参量是光信号在光纤内传输时功率的损耗，若晶是入射光纤的 功率，传输功率弓= 最e x p ( - a l ) ( 2 2 一1 ) ，这里口是衰减常数，通常称为光 纤损耗，l 是光纤长度。衰减参数口通常用每公里d b 数表示，定义为： 口。竺一t 1 0 i o g l o 鲁( ：珈) 其中，弓和斥分别表示发射和接收到的平均功率，l 是链路长度，口。和口的关系 为： = 口l o l o g l o p ( 2 - 2 3 ) 用每比特平均接收光子数。来表示给定系统的灵敏度，利用( 2 2 - 2 ) 可得到链路 长度l 和比特率咒之间的关系： 三2 1 0l o g t o 丙 ( 2 - 2 - 4 ) h = 6 6 2 5 5 9 1 0 “，j ( 普朗克常数) ，u 是光频率，h o 是光子的能量。上式表明 在比特率和波长一定的情况下，可以通过增大发射功率耳或提高接收机灵敏度( e p 降低一n r ) 来增加链路长度。第一种方法要求使用大功率激光器或光放大器来增加 功率，而第二种方法可以通过相干接收和利用光放大器来实现。 2 2 2 光纤中的色度色散 色度色散引起的光脉冲展宽会造成数字信号码间干扰，因此最大的信号速率 ( e n “) 和脉冲宽度的均方根值( 盯) 应满足关系式： 5 磊丽1 ，式中 东南大学硕士论文w d m 光网络系统中的非线性和色散管理技术研塞 口( ，五) 表示接收端的盯值。盯与光纤色散及传输距离z 的关系为： 仃( a f ，a ) ：【譬 1 + ( 尾= ) 2 ( 1 + 露脚2 ) ，露+ ( 尼：) 2 ( 1 + 露国2 ) 4 霹) ) 】i 1 ( 2 - 2 - 5 ) 式中瓦是脉冲幅度1 e 点的半宽值，是脉冲1 e 的半谱宽，应和磊为一阶和二 阶群速度色散参量( g v d ) ，屐= d 2 ，d m 2 ，岛= d 3 f l l d ( 0 3 ，芦为传输常数，a 为 光波长，z 为传输距离。在w d m 光网络系统中，传输的信号总速率( 岛) 为各个波 长( ，五“) 传输信号速率( 占m 批) 之和：屏( f ) ；羔b 一( ，a ) ( 2 2 6 ) 。为 了获得最大的传输容量岛上，必须减小光纤的色散。在光纤的零色散波长且= 如， 岛= 0 ，屈数值很小，这时单模光纤的色散最小。但当五= 如时四波混频严重，若 把工作波长选在以附近，可兼顾色散和非线性效应。普通单模光纤( s m f ) 厶= 1 3 a n ，色散位移光纤s f ) 的如= 1 5 5 t u n 波长附近。 光脉冲的初始啁啾通常由调制产生。对半导体激光器进行直接调制时，随着调 制信号幅度的变化，会使光脉冲产生相位变化，形成啁啾，称为初始啁啾，用明啾 参量c 表示。有初始啁啾的光脉冲经过光纤传输后，脉冲的展宽如下式【1 1 ： 云- 【( + 警) 2 + r - 酝t o ： 2 + ( 1 + c 2 ) 皤) 2 】；( 2 - 2 - 7 ) 式中和盯是光纤传输前后脉冲的均方根宽度，t o 和z 的意义同式( 2 2 5 ) 。 式( 2 2 7 ) 说明，c = 0 即无初始啁啾，光脉冲展宽最小。当c 0 ，c 见 0 时，脉 冲在光纤中传输时展宽最大。若c p ： 0 ，一开始脉冲被压缩，经过一定距离又展 宽。在相同传输距离时，c p 2 0 的情况脉冲展宽要小。且当c 0 时，i 展 越大，色散作用的效果越显著。图2 1 通过画出各种情况下展宽因子作为传输距离 的函数表明了此趋势。 查壹查堂堡主堡奎 婴坚堂塑垒墨竺塑j ! 垡丝塑鱼墼篁望垫查婴壅 图2 1( a ) 不同啁啾因子商斯脉冲的展宽因子随传精距鬲的变化 ( b ) 在不同色散值下啁瞅高斯脉冲( c = 3 ) 的展宽因子随传输距离的变化曲线 ( 正d ，三d 分别表示色散长度及高阶色散长度) 2 3 传输光纤中的非线性效应 在传统的光纤通信系统中，由于发送的光功率较低( l m w ) ，一般认为光纤 是一种线性媒质。但随着长距离传输系统中光功率的增加，单模光纤的损耗又很低， 高光强在光纤中能保持很长的传输距离，虽然石英材料并不是高非线性的，但单模 光纤中的非线性效应仍会变的十分强烈，其输入输出特性将不再保持线性。尤其是 光纤通信技术发展到今天，作为主要传输媒质的单模光纤的非线性效应问题，越来 越成为影响系统性能的关键因素f “l 。单模光纤中非线性效应的影响越来越大，其原 因主要有以下几点：( 1 ) 光源性能的提高以及光放大器的广泛应用，使得入纤功率 可以达到1 0 d b m 甚至2 0 d b m 以上：( 2 ) w d m 光网络系统中复用信道数的增多和 信道间隔的减小会引起很大的非线性效应，使得信道间产生严重的相互串扰：( 3 ) 4 3 2 ， 0 疗b巾匝 东南大学硕士论文 w d m 光网络系统中的非