（信号与信息处理专业论文）基于光纤非线性的全光码型转换研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 归零码( r e t u r n - t o z e r o ，r z ) 因脉冲只占据整个比特周期的一部分，有较高的偏振 模色散容限和非线性抵抗能力从而广泛应用于较高速率的骨干网络中。和r z 码相比， ( n o n - r e t u r n - t o z e r o n r z ) 非归零码具有频谱效率高、码型简单和对时间抖动容忍性 大等优点，而在低速率的接入网中普遍采用。所以在高速的骨干网和低速的接入网节点 处实现r z 和n r z 的码型转换成为一种需要。 本文主要对基于高非线性光纤( h i g h l yn o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r , h n l f ) 中交叉相位 调制( c r o s s p h a s em o d u l a t i o n , x p m ) 效应和偏移滤波实现全光码型转换的方案进行了 研究，主要内容包括： ( 1 ) 从非线性薛定谔方程出发，建立了利用h n l f 中的x p m 效应和偏移滤波实现 码型转换方案的数值模型。基于此模型，讨论了不同占空比的啁啾r z 信号、无啁啾r z 信号对转换后n r z 码性能的影响。结果表明：转换后n r z 码的性能受输入r z 信号占 空比的影响，当r z 信号占空比在3 0 5 0 范围内可实现较好地转换，同时对比啁啾的 作用，说明啁啾对转换n r z 信号质量影响不大。另外，对超高斯型的r z 到n r z 的转 换也做了相应的数值模拟，分别对不同占空比的r z 信号、两路信号的色散值对转换后 n r z 的q 值做了分析，给出了q 因子变化曲线图。 ( 2 ) 实验实现了码率为1 0 g b i t s 、占空比为3 3 的r z 码到n r z 码的转换，对比 了连续探测光的原始谱和展宽谱，给出了转换前后信号的典型眼图和误码率特性。结果 显示在误码率为1 0 。9 时，r z 转换到n r z 码引入的功率代价不到l d b 。同时间接验证了 该转换方案在1 6 0 g b i t s 甚至更高速率的光纤通信系统中的可行性。 ( 3 ) 采用高非线性光纤结合滤波模型，数值仿真了码率为4 0 g b i t s 的非归零振幅 键控( o n - o f f k e y i n g ，o o k ) 码到归零二进制相移键控、四进制相移键控( b i tp h a s e s h i r k e y i n g 、q u a r m r yp h a s e s h i f tk e y i n g ，b p s k 、q p s k ) 码的转换，并讨论了两路信号的偏 振态变化对转换后r z b p s k 相位的影响。 关键词：光纤通信；全光码型转换；交叉相位调制；高非线性光纤；归零码；非归零码； 分步傅里叶算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t r e t u r n - t o z e r o ( 购f o r m a t ，w h i c ho c c u p i e so n l yap a r to f t h ew h o l eb i tp e r i o d ，i sw i d l y u s e di nh i g hs p e e db a c k b o n eo p t i c a ln e t w o r k s ，f o ri t sh i g ht o l e r a n c eo fp o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n ( p m d ) a n d r e s i s t a n c eo f n o n l i n e a r i t i e s c o m p a r e d w i t hr z f o r m a t , n o n 。r e t u m - t o z e r o ( n r z ) f o r m a ti sw i l d l yu s e di nt h el o wb i tr a t ea c c e s so p t i c a ln e t w o r k s ，f o r i t sh i i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , s i m p l ym o d u l a t i o n , a n dl a r g e l yt i m ej i t t e rt o l e r a n c e t h e r e f o r e ，i t i sn e c e s s a r yf o rr za n dn r zf o r m a tc o n v e r s i o na tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h eh i g h - s p e e d b a c k b o n en e t w o r k sa n dl o w - s p e e da c c e s sn e t w o r k s i nt h i sw o r k , ii n v e s t i g a t ea na l l - o p t i c a lf o r m a tc o n v e r s i o ns c h e m eb a s e do nc r o s s - p h a s e m o d u l a t i o n ( x p m ) i nh i g h l yn o n l i n e a rf i b e r ( h n l f ) a n do f f s e tf i l t e r i n gs u b s e q u e n c t l y , a n d i t i si n c l u d i n g ： ( 1 ) an u m e r i c a lm o d e lf o rf o r m a tc o n v e r t o ru t i l i z i n gt h ex p m e f f e c ti nh i g h l yn o n l i n e a r f i b e ra n do f f s e tf i l t e r i n gs u n s e q u e n t l yi se s t a b l i s h e db a s e do nn o n l i n e a rs c h r o d i n g e re q u a t i o n p e r f o r m a n c e so fc o n v e r t e dn r zs i g n a l sf r o mr zd a t as t r e a m sw i md i f f e r e n td u t yc y c l e sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e ，d u t yc y c l e o fr zd a t ad o e sa f f e c tt h e c o n v e r t e dn r zs i g n a l w i t har a t i o n a lv a l u eb e t w e e n3 0 a n d5 0 i na d d i t i o n , i no r d e rt o e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m a tc o n v e r t o rf u t h e r , s u p e r - g a u s s i a nr zt on r z c o n v e r s i o ni si n v e s i t a t e da sw e l l ( 2 ) r zt on r zf o r m a tc o n v e r s i o ni se x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e di n10 g b i t sd a t ar a t e w i t h3 3 d u t yc y c l eo p t i c a ls y s t e m s i g n a ls p e c t n m ab e f o r ea n da f t e rh n l f , t y p i c a le y e d i a g r a m sa n db i t - e r r o r - r a t e ( b e r ) a r em e a s u r e d l e s st h a n1 - d bp o w e rp e n a l t yi so b t a i n e da t 10 9b e ra f t e rt h ef o r m a tc o n v e r s i o n ( 3 ) w en u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t eas c h e m eo fa l l - o p t i c a lo n - o f fk e y i n g ( o o k ) t ob i n a r y p h a s e s h i f tk e y i n g ( b p s k ) a n dq u a t e r n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g ( q p s k ) f o r m a tc o n v e r s i o n b a s e do nc r o s s p h a s em o d u l a t i o ni nt h eh i g h l yn o n l i n e a rf i b e ri n4 0 - g b 州so o ko p t i c a l s y s t e m t h ee f f e c to fp o l a r i z a t i o nb e t w e e nt h ei n p u to o ks i g n a la n dp u m po nt h ec o v e r t e d p s k s i g n a li sd i s c u s s dd e t a i l e d k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ；f o r m a tc o n v e r s i o n ；c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ；h i g h l y n o n l i n e a rf i b e r ；r e t u r n - t o - z e r o ；n o n - r e t u m - t o - z e r o ；s p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 光纤通信技术的发展 古代我国的烽火台报警、希腊的火炬位置象征字母符号、欧洲的旗语、驿站传送信 息等，这些传输形式都属于原始的光通信【i 】。1 8 8 0 年，贝尔发明的“光学电话”是现代光 通信的雏型时代；1 9 6 0 年，梅曼发明了第一台红宝石激光器 2 1 ；1 9 6 6 年，高锟和霍克哈 姆提出用光纤进行数据传输的可能【3 1 ，这一论述给现代光通信奠定了基础( 高锟也因此 而获得2 0 0 9 年诺贝尔物理奖) ；1 9 7 0 年，美国康宁公司研究并制造出损耗为2 0 d b k m 的 石英光纤【4 】，正式拉开了光纤通信发展的序幕，1 9 8 6 年降到了光纤最低损耗的理论极限 值o 1 5 4 d b k m 。1 9 7 6 年在亚特兰大进行了光纤通信现场试验，随后1 9 8 0 年，美国标准 化f t - 3 光纤通信系统开始商用。此后光通信技术不断创新：2 0 0 1 年日本电气公司( n e c ) 在o f c 上提出1 0 9 2 t b s ( 2 7 3 x 4 0 g b s ) w d m 无电中继传输系绀5 j ；2 0 0 7 年，阿尔卡 特朗讯( a l c a t e l l u c e n t ) 在e c o c 上又给出1 2 8 t b s ( 1 6 0 x 2 x 4 0 g b s ) w d m 传输系统 【6 】；2 0 0 8 年，日本电信电话株式会社( n t t ) 在e c o c 上展示了传输容量和传输距离乘 积新突破的1 3 4 t b s ( 1 3 4 x 1 1 1 g b s ) 系统 7 1 ，随后2 0 1 0 年阿朗推出采用下一代相干通信 技术的单载波1 0 0 g b p s 光传输板卡。在不同技术的推动下，几十年时间内光纤通信技术 实现了快速的发展。 另一方面，随着各种宽带业务的迅猛增加，对通信系统的要求也日益增加，以电通 信为主的通信网难以适应人们的通信需求，因此迫切要求出现更高速率、更大容量的光 通信技术来满足人们的广泛要求，但是面对高速大容量的光通信传输，电信号处理技术 将面临严重的电子瓶颈问题，于是全光通信技术方案随之产生。现在已有许多商家从理 论、设备与部件以及材料的研究开发出发，通过实验推动，试图快速实现其实用化和商 用化过程，具体来说包括光传输、光放大、光交换、光存储和光信息处理等技术。其中 全光信息处理有信号的再生【8 】、波长转换1 9 、光逻辑f - i t l o l 、光标签处理以及最近研究 和讨论较多的码型转换，这些都是实现光通信系统传输的透明性、可重构性的关键技术。 1 2 光通信中常用码型介绍 目前有振幅键控( o n - o f fk e y i n g ，o o k ) 码以及各种相位键控码型在通信中均被广 泛使用，而实际通信网络系统中多种码型的并存现状对相互之间能够“按需”转换提出挑 战。具体来说常用码型有以下几种：非归零码( n o n - r e t u r n - t o - z e r o ，n r z ) 、归零码 ( r e t u r n - t o z e r o ，r z ) 、相移键控码( p h a s e s h i f tk e y i n g ，p s k ) 以及他们之间的组合，下 面将简单介绍几种码型的特点。 ( a ) n r z 码 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 n r z 是占空比为整个码元周期( 1 时隙) 的o o k 码，直接调制激光二极管l d 或 d f b + e o e a ( 半导体激光器加外调制) 就可以实删1 2 j ，如图l 一1 所示，n r z 码由l d 经马赫曾德尔调制器( m z m ) 调制产生。n r z 码由于实现简单经济、有较高频谱效率 等特点而适合于波分复用系到1 3 l 【1 4 1 ，在光接入网和城域网中也有较多应用。图1 2 给出 了码率为1 0 g b i t s 的n r z 信号码的光谱与典型眼图。 型 慧 整 寒 图1 1 典型n r z 码产生装置示意图 f i g u r e 一】s c h e m a t i cd i a g r a mo ft y p i c a ln r zg e n e r a t i o n 频率 图1 - 2n r z 码的频谱和眼刚1 3 l f i g u r e l 2s p e c t r u ma n de y ed i a g r a mo f n r z s i g n a l ( b ) r z 码 r z 指占空比小于整个码元周期的o o k 码，如图1 3 是用偏置法产生的r z 原理图， 由激光二极管l d 发出的连续光经过两个级联的m z m 调制后，产生无相位变化的r z 信号。r z 比n r z 有更小的脉宽，在色散的作用下展宽更快，峰值功率很快降低，对非 线性效应的影响比较小，有良好的传输性能，适合于高速的时分复用系统；另外有研究 表明r z 码对偏振模色散( p 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 ) 效应也有较好的容忍性【1 5 1 。 码率为1 0 g b i t s 的r z 信号码的光谱与眼图如图l _ 4 所示。 电随机n r z 脉冲 时钟脉冲 1101 图1 3 典型r z 码产生装置示意图 f i g u r e l - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t y p i c a lr zg e n e r a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 世 慧 彀 装 频翠 图1 - 4r z 码的频谱和眼图【1 3 】 f i g u r e l , 4s p e c t r u ma n de y ed i g r a mo f r zs i g n a l ( c ) p s k 码 相移键控p s k 码是用相位携带信息的码型，它的信号功率平均分布在每个码元之 间，因而由码间串扰引起的信号失真成分大大减少；在相同条件下，p s k 峰值比o o k 低，所以p s k 对非线性效应的容忍性更好。而差分相移键控d p s k 码相对p s k 码而言 能提高频谱利用率、增加色散和非线性效应的容忍性【1 6 1 ；同样的误码率条件下，对光信 噪比要求降低一半而延长传输距离，所以d p s k 码更适用于长距离传输的网络中【1 7 1 1 8 1 而受到越来越多的关注。d p s k 码产生原理如图1 5 所示，此方法可以实现n r z d p s k 和r z d p s k 两种码型，图1 - 6 ( a ) 、( b ) 分别给出了两种码型的光频谱和眼图。 差分编码时钟脉冲 疑 案 山 刨卜榴调 电光强度调 d p s k 制器 图1 5d p s k 码产生原理图 f i g u r e l 一5g e n e r a t i o np r i n c i p l eo f d p s k 频率 图1 - 6d p s k 码的频谱和眼图f 1 3 l 。( a ) n r z d p s k ( b ) r z d p s k f i g u r e1 - 6s p e c t r u mo f n r z - d p s ka n dr z d p s k 1 3 全光码型转换器的作用 光纤通信技术因其速度高、带宽大的特点而为世人关注，伞光通信将是光通信技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 发展的必然结果，它将满足人们对高性能通信的要求，从而避免电子信息处理的瓶颈效 应，提高网络的吞吐量和灵活性。目前光通信系统主要采用波分复用【1 9 l 和光时分复用 2 0 1 1 2 1 1 两种技术网络来实现超高速度和超大容量的数据传输通信。波分复用是在一根光纤 上同时复用多路不同波长的光信号来传输信息，通过增加单根光纤中的传输信道数来提 高传输容量；光时分复用指在光域上把时间进行分割复用来实现，是为提高单个波长信 道容量阻l 而提出的。而目前光通信中广泛应用的码型包括r z 、n r z 以及各种相位键控 码型，在整个通信系统中多种码型的并存现状对相互之间能够“按需”转换提出挑战，全 光码型转换器是一种可以直接在光域上实现操作，且无需经过光电光的转换过程。例如， r z 码因对光纤的非线性效应有较好的容忍性而广泛应用于光时分复用中，n l 迎有较高 的频谱效率和对延时抖动有较好的容忍而广泛用于波分复用中，所以，在高速的骨干网 和低速的接入网络节点处实现全光码型转换成为一种非常关键的接口技术 2 3 1 。 1 4 全光码型转换技术的研究现状 全光码型转换器的研究虽然还处于初始阶段，但是有关r z 和n r z 之间的码型转换 报道已有不少，本节将重点介绍基于光纤非线性效应、半导体激光放大器( s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r , s o a ) 以及锁模激光器这三种非线性元件的不同方案实现r z 和n r z 之间的全光码型转换器。 目前国外在基于光纤非线性效应实现码型转换研究方面处于领先地位：美国亚特兰 大佐治亚理工学院、物理科学实验室、马里兰大学巴尔的摩分校，日本大阪大学等均在 研究利用光纤非线性作用实现码型转换上取得了一些成果。2 0 0 5 年美国亚特兰大佐治亚 理工学院利用m z i 结构实现了n r z 到r z 的转换1 2 4 。2 0 10 年捷克科学院光电研究所采 用非线性光纤环镜实现码率为1 0 g b i t s 和2 0 g b i t s 的r z 到n r z 的转换1 2 5 】、采用光纤 非线性和走离效应实现r z 到n r z 的转换【2 6 1 。在o o k 到p s k 的转换方面，2 0 0 7 年日 本大阪大学利用高非线性光纤和滤波器实现了n r z o o k 到r z b p s k 、q p s k 、8 p s k 的转换【2 7 1 。2 0 0 9 年美国物理科学实验室利用双折射光纤的非线性效应实现了r z o o k 到r z b p s k 的转换，具有偏振不敏感的特点1 2 8 。 在国内，目前有华中科技大学，上海交通大学，香港中文大学都在利用光纤的非线 性效应实现全光码型转换方面取得了一定的成果。香港中文大学在2 0 0 2 年采用注入锁模 激光器实现了r z 和n r z 之间的码型转换1 2 9 1 1 3 0 l ，接着2 0 0 5 年采用色散位移光纤 ( d i s p e r s i o ns h i f tf i b e r , d s f ) 和光带通滤波器结构实现了r z 到n r z 的码型转换1 3 ， 在此基础上2 0 0 6 年用偏振分集环滤波器结构实现了偏振不敏感结构的n r z 到r z 的码 型转换【3 2 j 。2 0 0 6 年华中科大利用可调谐延迟干涉仪实现码率为2 0 g b i t s 的r z 信号到 n r z 码的转换【3 3 】。2 0 0 8 年香港中文大学利用光克尔开关效应和预啁啾脉冲信号实现了 延迟可调谐的n r z 码到r z 的转换1 3 4 1 。2 0 0 9 年华中科大采用单个相位调制器和光纤延 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 迟干涉仪结构，实现了多通道码率为1 0 g b i t s 和2 0 一g b i t s n r z 到r z 码的转换【3 5 】。 1 4 1 基于非线性光纤的全光码型转换器 目前基于非线性光纤的全光码型转换方案主要有以下几种。 ( a ) 交叉相位调制效应和滤波器结构 、基于d s f 的交叉相位调制( c r o s s p h a s em o d u l a t i o n , x p m ) 效应实现r z 到n r z 转 换【3 1 】原理装置如图1 7 所示。由d f b l 产生的光脉冲经m z m 调制产生r z 信号，与另 一路d f b 2 产生的连续探测光经放大送入d s f 中。随后用一个窄带o b p f 滤出展宽后探 测光谱中心处的谱分量成分，从而褥到转换后的n r z 信号码。 图1 7 基于d s f 的r z 到n r z 转换原理 f i g u r e l 一7r zt on r zf o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do nd s f 基于光纤的x p m 效应也能实现n r z 到r z 的转换【3 2 1 ，如图1 8 所示为基于d s f 或 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) x p m 效应的n r z 到r z 的转换。给出转换 原理相同的( a ) 和( b ) 两种方案，后者具有偏振不敏感特性。 (a)单向结构(b)pbs结构 图1 8 基- f _ d s f p c f 实现n r z 到r z 的全光码型转换原理。( a ) 单向结构( b ) 采用p b s 的偏振不敏 感结构【3 2 1 f i g u r e l - 8a l l - o p t i c a ln r z t or zf o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do np c fo rd s e ( a ) s i n g l es t r u c t u r e p o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v es t r u c t u r e ( b ) 延迟干涉仪d i 结构 基于光纤非线性效应的延迟干涉仪( d e l a yi n t e r f e r o m e t e r , d i ) 结构实现r z 到n r z 全光码型转换原理【3 3 】如图1 - 9 所示。输入的r z 信号分成两路信号分别送至d i 上下两臂， 一路通过加入延迟时间f 来改变相位，f 小于脉冲周期，另一路通过用一个可调谐的 相位偏移器就能获得转换后的n r z 码。同样类似此结构可实现n r z 到r z 的转换1 2 4 】， 将输入信号改为n r z ，在干涉仪输出端上下两臂信号的相位发生干涉，获得转换后的 r z 信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 r z 信号 口口 口 n r z 信号 口口 驴棚移 图1 - 9 基于非线性光纤的d i 结构实现r z 和n r z 转换原理。( a ) r z 到n r z 转换示意图( b ) n r z 到r z 转换示意图 f i g u r e l - 9r za n dn r z f o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do nd is t r u c t u r ea n dn o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r ( a ) r zt on r z c o n v e r s i o n ( ”n r zt or zc o n v e r s i o n ( c ) 基于非线性光纤环镜 这里我们利用倍频保偏光纤的环镜滤波器( f r e q u e n c yd o u b l i n gp o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b e rl o o pm i r r o rf i l t e r , p m f l m f ) 实现r z 到n r z 转换。转换原理如图1 1 0 所示 3 6 1 ，用p m f l m f 使信号速率加倍的特点，实现较窄r z 脉冲的速率加倍，随后在 输出端经滤波整形得到时域展宽的n r z 码。进入光纤环前用一个复制器进行复制处理 改善转换信号。这种方案得到的转换后信号光的波长不变，仍在原r z 信号波长处。 n r z 衄 图1 1 0 基于光纤环镜的l 屹到n r z 的码型转换原理i 蚓 f i g u r e l - 1 0r z t on r zf o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do nf i b e rl o o pm i r r o r 1 4 2 基于s o a 的全光码型转换器 目前报道的基于s o a 的全光码型转换方案有以下几种。 ( a ) 基于单只s o a 和o b p f 组合结构 基于s o a 的x g m 和x p m 效应实现r z 到n r z 的转换i 明，如图1 1 1 所示。主要 是利用s o a 的非线性效应设法提高占空比，实现脉冲展宽。为了得到足够占空比的理 想n r z 码，用复制器对r z 信号进行复制。码型转换的同时实现了一个波长到另一个波 长的转换，这有利于缓解实际网络中因信号延迟造成的阻塞。改变输入信号，人们同样 考虑用该结构来实现n r z 到r z 的转换p 剐。 n r z 信号 八n 1 图l - 1 1 基于s o a 和o b p f 组合结构实现的r z 到n r z 转换原理 f i g u r e l - l lr z t on r zf o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do ns o aa n do b p f 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( b ) 基于s o a 的马赫曾德尔干涉仪( m z i ) 图1 1 2 给出了基于m z i 波长转换器实现r z 到n r z 全光码型转换器的原理i 纠j 。干 涉仪的上臂，在s o a l 中由于x p m 作用，使得上臂输出端口处探测光相位发生改变， 在下臂探测光由于s o a 2 中产生s p m 效应，使探测光相位仍有一个改变。在干涉仪的 输出端，探测光信号相位干涉，得到反转的n r z 信号码，同时实现了波长转换。同样 地类似上述m z i 波长转换结构可以实现n r z 到r z 的转换1 3 9 1 。 图l 一1 2 基于m z i 波长转换器实现r z 剑n r z 的转换原理 f i g u r e l - 1 2r zt on r z f o r m a tc o n v e r s i o nb a s e d0 1 1m z lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ( c ) 基于s o a 的光纤环镜 如图1 13 是基于s o a 的光纤环镜结构实现r z 到n r z 的全光码型转换原n 1 4 0 。由 激光器发出的连续探测光经可调谐定向耦合器( t d c ) 后分两路传输，逆时针方向的州f ) 与r z 信号光一起送入s o a ，而顺时针方向的c 州，) 光经过乃忘，的延迟后到达s o a 。控 制光与不同时刻经过s o a 的探测光发生x g m 和x p m ，使逆时针和顺时针方向的两路 探测光信号发生不同程度的调制从而产生相位差，之后再经过t d c 耦合干涉输出。 图1 1 3 基于s o a 的光纤环镜实现r z 到n r z 转换原理 f i g u r e l - 1 3r zt on r zf o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do r lf i b e rl o o pm i r r o ro f s o a 1 4 3 外部注入锁模激光器 基于外部注入锁模半导体激光器实现r z 到n r z 的码型转换器原理如图1 1 4 ，原文 献用实验对码率为1 0 g b i t s 的r z 信号进行了转换研究1 2 9 1 ，说明转换后n r z 码的质量 和f p l d 的响应时间有关。r z 信号经过复制器复制后，与连续的探测光一同进入锁模 激光器。探测光经过f p l d 后被锁模，并受到r z 信号光的调制，使得探测光在f p l d 中开始锁定的模式产生红移，最后经过滤波整形后，就可获得n r z 信号。同样地，改 变输入信号为n r z 码，采用此结构可实现n r z 到r z 的转换p u j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 n r z 信号 口口口 图1 1 4 外部注入f p l d 的r z 到n r z 码型转换原理图 f i g u r el - 14r z t on r zf o r m a t c o n v e r s i o nb a s e do i le x t e r n a li n j e c t i o no ff p - l d 1 5 本文主要研究工作及结构安排 伴随信息技术的迅猛发展，光通信技术开始得到越来越多的应用和关注，而全光通 信是能够满足超高速和超大容量传输的必然发展。目前随着各种不同网络系统的广泛应 用，如超大容量海底光缆系统、超高速光纤干线系统、高速光纤局域网与城域网、万兆 本地网和万兆校园网等的应用，全光网络中的光传输、光交换、全光码型转换等全光信 息处理技术都将是未来设计全光网络的重要组成部分。未来的全光通信技术在提高传输 容量和速度的基础上，实现网络的灵活性也极其重要，因此研究作为全光信息处理技术 之一的全光码型变换具有重要的现实意义。 基于非线性光纤的全光码型转换技术有着不可估量的应用前景，具有结构相对简单， 功率代价较低、响应速度快、与现有光纤通信系统兼容性好等特点；基于s o a 的全光 码型转换方案具有高增益、低开关功率和高增益带宽的优点也受到广泛关注，但由于 s o a 受载流子恢复时间影响，从而限制了它在高速通信系统中的应用。 本文的研究工作是从基于高非线性光纤( h i g h l yn o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r , h n l f ) 的 交叉相位调制( c r o s s p h a s em o d u l a t i o n , x p m ) 效应实现码型转换展开的，文章具体内 容和结构安排如下： 第一章绪论。在介绍了光通信技术发展历程的背景下，说明目前全光信息处理技术 的重要性。由于不同码型适用于不同网络，说明研究全光码型转换器的必要性，并对码 型转换研究现状进行了概括。 第二章全光码型转换的理论基础。主要介绍了基于光纤非线性的全光码型转换的相 关理论基础。从非线性薛定谔方程出发，简要分析了分步傅里叶算法的基本原理，阐述 了脉冲在光纤中传输时存在的几种效应。 第三章r z 到n r z 的全光码型转换研究。重点对特定的全光码型转换器进行了详 细的研究。首先介绍了基于h n l f 的x p m 效应实现r z 到n r z 的转换的模型，在此基 础上仿真实现了码长为2 7 1 随机高斯型r z 信号码到n r z 的转换，并数值分析不同占空 比的r z 到n r z 的转换结果，给出了q 因子曲线图，同时对比了带啁啾和无啁啾r z 脉 冲对转换后n r z 的q 值影响；此外，还给出了两路信号的不同相对色散差对转换后n r z 码的q 值。在数值分析的基础上成功用实验验证了转换方案的可行性，给出误码率曲线 图，而且实验和仿真得到了一致的转换结果。另外，还对超高斯型的r z 到n r z 的转换 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 进行了分析，并给出了不同占空比的r z 到n r z 转换的q 因子、两路信号的不同相对 色散差对应转换后n r z 码的q 值。 第四章n r z o o k 到r z p s k 码型转换研究。根据基于h n l f 和o b p f 组合结构实 现n r z o o k 到r z b p s k 、r z q p s k 的转换原理，数值模拟该转换方案，给出转换前 后的信号图和典型眼图，并做了简要分析。 文章最后是结论、致谢和攻读硕士学位期间发表的论文情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章全光码型转换的理论基础 在基于非线性光纤的全光码型转换方案中，高非线性光纤是全光码型转换的核心部 件，其中脉冲在光纤内传输时的自相位调制、交叉相位调制以及色散效应对码型转换器 有着决定性的作用。 2 1 脉冲在光纤中的传输方程 皮秒级短脉冲在单模光纤内传输时满足下列非线性薛定谔方程【4 1 1 掣+ 吾卢2 学+ 弘删枇，r ) 1 2 挪( 2 - 1 ) 其中，a ( z ，丁) 是脉冲的缓变包络振幅；t = ，一衫v 暑是时间量度；损耗口表示光纤的 吸收效应；y 反映光纤的非线性效应；群速度色散卢：表示和脉冲展宽有关的色散效应， 这个方程从数学上描述了脉冲在光纤中传输时各个物理参量之间的关系，非线性系数， 定义为【4 1 l y2 瓦孝(2-2) 硷 ! r 3 其中材料的折射率系数是1 2 ，有效纤芯截面积彳取决于具体给定光纤的纤芯半径 和纤芯包层折射率差。 2 2 分步傅里叶算法 一般地非线性偏微分方程方程( 2 1 ) 不适合解析求解，但是为了阐明光纤中的非线 性效应，通常需要采用数值处理方法，这里重点给出用分步傅里叶算法f 4 1 】来求解脉冲在 光纤中的传输情况。 为了分析分步傅里叶算法的基本原理，把非线性薛定谔方程写成如下形式 要：p + 力b ( 2 - 3 ) 昆 、 7 上式中，差分算符西表示介质的色散和吸收；非线性算符村代表脉冲在传输过程中 光纤的非线性效应，这两个算符分别定义为h 1 1 西一喜皮景一号 ( 2 4 ) 叫h 2 + 一f 。1a ( i a 一) 一珏簪l 协5 ) 一般而言沿光纤长度方向色散和非线性效应同时作用，然而分步傅卑叶算法假定光 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 i i 场传输时每通过一小段距离h ，色散和非线性效应可以分开起作用，近似认为从z 到z + h 的传输过程中分两步进行。第一步当6 = 0 时只有非线性作用；第二步膏= 0 时仅有色散 作用，用数学方式表示为 a ( z + h ，丁) e x p ( h d ) e x p ( h n ) a ( z ，r ) ( 2 6 ) 指数操作符e x p g 6 ) 在频域内进行 e x p g 6 b g ，r ) ：巧| e x p l 商o 牡 b ( z ，丁) 】 ( 2 7 ) 式中国为傅罩叶域中的频率， 用i c o 代替微分算符影a 丁，使( 2 - 4 ) 式得到西g ) 恰 是傅里叶空间中的一个数，再直接计算方程( 2 7 ) 的值。 色散项 非线性项 图2 1 对称分步傅里叶算法不惹图 f i g u r e 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs y m m e t r i cs p l i t - s t e pf o u r i e ra l g o r i t h m 如图2 1 是对称分步傅里叶算法示意图，光纤被分成大量不需要等距的小区间，光 脉冲按要求从一个区间传到另一个区间，光脉冲最初传输时只与色散有关，此时需要用 到f f r 算法和( 2 7 ) 式；假定非线性效应集中在每个区间的中间，所以在z + h 2 处，光 脉冲乘以一非线性项来表示整个区间h 内的非线性效应，具体执行如图2 1 中的虚线所 示：光场在剩下的h 2 区间内传输时又只和色散有关从而得到a ( z + i l ，t ) 。脉冲在光纤中 传输时，采用分步傅里叶算法来执行是比较简捷的，而且比大多数有限差分法效率高， 只是在具体应用时要注意谨慎选择z 和t 的步长来保证对精度的要求。 2 3 自相位调制 功率变化的入射光脉冲在光纤中传输时，相位受到自身光功率的调制而导致光谱发 生展宽，这种由非线性效应引起的展宽现象称为自相位调制( s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ， s p m ) 。在非线性光学介质中，光脉冲的强度影响介质折射率发生变化而导致光脉冲的 频谱发生展宽，这一现象就是通过s p m 来体现的。 2 3 1 非线性相移和频率啁啾 设归一化缓变包络振幅为u ( z ，t ) ，对脉宽瓦 5 p s 的脉冲在卢：= 0 的极限条件下方 程( 2 1 ) 简化为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 石a u = i e x p ( - , 杞) l u l 2 u ( 2 - 8 ) l 一= a z n l 式中，z 是光脉冲的传输距离，光纤非线性长度是k 定义为4 1 1 上舰= ( r e o ) 一l( 2 9 ) 只是进入光纤的峰值光功率，解方程( 2 8 ) 得到 职厶d = 伙o ，乃e x p r p n l ( l ，丁) 】( 2 1 0 ) 光纤起点处的振幅是u ( 0 ，t ) ，脉冲在光纤内的传输距离，非线性相移满足下式一1 j 9 n l ( l ，r ) = p ( o ，r ) i 。2 ( 锄l n l ) ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 表明由s p m 产生的相位随光强的变化而变化，但脉冲形状保持不变。s p m 产生的频谱展宽是由和时间有关的非线性相移引起的，即光脉冲的中心频率和两侧的瞬 时光频率不同，差值硒的依赖关系定义为频率啁啾【4 1 1 ，而且随传输距离的增加而线性增 大，具体定义为1 4 1 】 泖卜等0 冬均哪) 1 2 协 由式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 可以看出，脉冲在光纤中传输的非线性相移和频率啁啾都 取决于脉冲形状，设输入的脉冲形式为 u ( 。，丁) = e x p 【一1 + 2 i cl ( r 2 聊】(2-13) 式中r o 是脉冲强度峰值1 p 处的脉冲宽度，c 为啁啾量，m 是输入脉冲阶数。 晕 浍 幂 誉 器 * 暴 图2 - 2 脉冲的非线性相移和归一化频率啁啾 f i g u r e 2 - 2n o n l i n e a rp h a s es h i f ta n dn o r m a l i z e df r e q u e n c yc h i r p 图2 2 分别给出输入脉冲如( 2 1 3 ) 形式的无啁啾高斯脉冲和m = 3 的超高斯脉冲时， 由s p m 产生的9 舭和在万= l n l 条件下的频率啁啾( 与文献【4 1 】一致) ：在脉冲前沿和 后沿分别对应红移和蓝移啁啾成分；对较陡前后沿的超高斯脉冲产生较大的啁啾量，说 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 明啁啾大小取决于脉冲前后沿的陡峭程度；超高斯脉冲在脉冲沿附近产生啁啾且不是线 性变化的【4 1 】1 4 3 】。 2 3 2 脉冲频谱形状和初始啁瞅的影晌 脉冲在光纤中传输时的频谱可通过式( 2 1 0 ) 的傅里叶变换来描述。对于给定光纤， 图2 3 给出了不同峰值功率条件下，无初始啁啾的高斯脉冲频谱图。 雠 惹 卷 晕0 垂 图2 - 3 无啁啾高斯脉冲在不同峰值功率p o 下的s p m 展宽谱 f i g u r e 2 - 3s p e c t r u mb r o a d e n i n go f