（光学工程专业论文）高阶效应条件下160gbits色散管理孤子传输性能研究.pdf

一 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：光纤通信与光波技术 作者：连建 指导教师：诸波副教授 题目：高阶效应条件下16 0 g b i t s 色散管理孤子传输性能研究 英文题目：r e s e a r c ho nt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo f16 0 g b i t s d i s p e r s i o nm a n a g e ds o l i t o nw i t ht h eh i g h e r - o r d e re f f e c t s 主题词：色散管理孤子；高阶非线性；传输控制；稳定传输 k e y w o r d s ：d i s p e r s i o nm a n a g e ds o l i t o n ；h i g h e r o r d e rn o n l i n e a r i t y ； t r a n s m i s s i o nc o n t r o l ；s t a b l et r a n s m i s s i o n j 南京邮电人学硕l j 研究生学位论文摘要 摘要 为实现高速长距离光通信，在色散管理系统中进行孤子传输引起了人们浓厚的兴趣。 色散管理孤子是一种周期性分布式补偿方案，它使光纤的色散在空间上交替变化，脉冲在 传输过程中经历周期性的展宽和压缩，表现更为稳定。类似于普通孤子系统，短皮秒色散 管理( d m ) 孤子脉冲传输时，必须考虑光纤的高阶效应对光孤子脉冲的影响。在1 6 0 g b i t s d m 孤子系统中，必须考虑高阶效应对系统的限制，它们分别是三阶色散，自陡峭效应和脉冲 内拉曼散射效应。 论文首先对光纤孤子通信的概念、传输理论、研究方法及其控制方案进行总结和评论， 然后对色散管理孤子( d m s ) 的概念、孤子通信的研究现状和发展前景进行了评述。接着介 绍了色散管理孤子的优点及传输性能，详细阐述了本文所采用的对d m s 的研究方法、数 学模型及其在通信领域中的应用。首次考虑多种扰动并存的d m s 系统，采用变分法进行 解析，导出了高斯准孤子在扰动因素作用下的各参数随传输距离演化的通用公式，研究了 三阶色散，自陡峭效应和脉冲内拉曼散射效应对该系统性能的影响，揭示了短皮秒高斯准 孤子脉冲传输演化规律。然后对d m s 系统时域和导频滤波复合控制方案进行了研究，建 立了光脉冲的传输方程。采用变分法分析了啁啾高斯准孤子在高阶效应及时域和导频滤波 复合控制条件下的传输演化特性。研究了短皮秒d m 光孤子系统中采用时域和导频滤波复 合控制高阶效应影响的可行性和有效性，实现了高阶效应条件下的稳定传输。对1 6 0 g b s 长距离高速d m 孤子传输系统的传输特性进行了数值模拟，所得结果与理论分析完全一致， 对色散控制孤子系统设计具有参考价值。 关键词：色散管理孤子；高阶非线性：传输控制；稳定传输 南京邮f u 人学颂j j 研究生学位论义a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt or e a l i z et h eh i g hr a t ea n dl o n g h a u lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，d i s p e r s i o nm a n a g e d s o l i t o n ( d m s ) s y s t e mh a sa r o u s e dp e o p l e sg r e a ti n t e r e s t s t h ed i s p e r s i o nm a n a g e ds o l i t o ni sa p e r i o d i c a ls c h e m ef o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，i tm a k e sd i s p e r s i o na l t e m a t e db e t w e e nt h e n o r m a la n da n o m a l o u sr e g i m e s ，w h i c hr e s u l t si np e r i o d i c a lb r o a d e n i n ga n dc o m p r e s s i n ga st h e d i s p e r s i o ni sr e v e r s e d t h ep e r f o r m a n c ei sm o r es t a b l e s i m i l a rt o t h en o r m a ls o l i t o ns y s t e m ， h i g h e r o r d e re f f e c t sm u s tb ec o n s i d e r e di ns h o r tp i c o s e c o n dd i s p e r s i o nm a n a g e ds o l i t o np u l s e t r a n s m i s s i o n i nt h e16 0 g b i t s d m ss y s t e m ，h i g h e r - o r d e re f f e c t sm u s tb ec o n s i d e r e do nt h e s y s t e mc o n s t r a i n t s t h ee f f e c t sa r et h i r do r d e rd i s p e r s i o n ( t o d ) ，s e l f - s t e e p e n i n ga n di n t r a p u l s e s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( i s r s ) t h e c o n c e p t ，t h et r a n s m i s s i o nt h e o r i e s ，t h er e s e a r c hm e t h o d sa n dt h ec o n t r o ls c h e m e so f o p t i c a ls o l i t o nc o m m u n i c a t i o na r es u m m a r i z e da n dr e v i e w e df i r s t l y , a n dt h e n ，t h ec o n c e p ta n d t h ep r o s p e c t so fd m sa r ec o m m e n t e di nt h ep a p e r t h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea d v a n t a g e s ，t h e r e s e a r c hm e t h o d s ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd m s ，t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n di t sa p p l i c a t i o ni n t h ec o m m u n i c a t i o nf i e l d t h ed m ss y s t e mo fm u l t i p e r t u r b a t i o n si sa n a l y z e db yv a r i a t i o n a l a p p r o a c ha n dt h eg e n e r a lf o r m u l a sf o rp a r a m e t e r so fc h i r p i n gg a u s s i a nq u a s i - s o l i t o na r ed e d u c e d f o rt h ef i r s tt i m e t h ei n f l u e n c e so f t o d ，s e l f - s t e e p e n i n ga n di s r so nd m st r a n s m i s s i o na r e s t u d i e da n dt h ee v o l u t i o np r o p e r t i e so ft h es u b p i c o s e c o n dc h i r p i n gg a u s s i a nq u a s i s o l i t o np u l s e i sr e v e a l e d t h es c h e m eo fc o m b i n e dc o n t r o lo ft i m ed o m a i nm o d u l a t i o na n df r e q u e n c y g u i d i n g f i l t e r i n gi nd m ss y s t e mi ss t u d i e d t h ep r o p a g a t i o ne q u a t i o no fd m sp u l s ei se s t a b l i s h e da n d a n a l y z e d i nt h ep r e s e n c eo fh i g h e r - o r d e re f f e c t sa n dc o m b i n e dc o n t r o lo ft i m ed o m a i n 一。 m o d u l a t i o na n df r e q u e n c y g u i d i n gf i l t e r i n g n e x t l y , t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h ef e a s i b i l i t ya n dt h e v a l i d i t yo fc o n t r o l l i n gi n f l u e n c e so fh i g h e r - o r d e re f f e c t si nt h es u b p i c o s e c o n dd m ss y s t e m t h e s t a b l et r a n s m i s s i o nw i t hh i g h e r - o r d e re f f e c t si sr e a l i z e db yu s i n gt h ec o m b i n e dc o n t r o lm e t h o d t h ep e r f o r m a n c e so fl o n g h a u ld m st r a n s m i s s i o ns y s t e m sa tt h er a t eo f16 0 g b sa r en u m e r i c a l l y s i m u l a t e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei nw e l la c c o r d a n c ew i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h e r e s u l t so ft h i sp a p e rh a v ev a l u a b l er e f e r e n c ei nd e s i g n i n gt h ed m s s y s t e m k e y w o r d s ：d i s p e r s i o nm a n a g e ds o l i t o n ；h i g h o r d e rn o n l i n e a r i t y ；t r a n s m i s s i o nc o n t r o l ；s t a b l e t r a n s m i s s i o n 南京i | | i f i u 人学硕二l ：研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论j 1 1 1 引言1 1 2 光纤孤子通信基本概念1 1 3 制约光孤子传输的因素和传输控制方案2 1 3 1 影响光孤子传输特性和传输容量的主要因素2 1 3 2 孤子通信系统的传输方案一3 1 3 3 孤子传输的控制方案一4 1 4 色散管理孤子技术6 1 5 孤子通信的研究现状和发展前景7 1 6 本文工作介绍8 1 6 1 课题的研究背景一8 1 6 2 论文要点一9 1 6 3 论文主要创新之处：l o 第二章色散管理孤子的基本理论1 1 2 1 基本概念一1 1 2 2 色散管理孤子的优点与其通信系统的性能1 2 2 3 色散管理孤子传输理论研究方法1 4 2 4 色散管理系统的传输模型一1 4 2 5 色散管理孤子的应用16 2 6 本章小结1 7 第三章色散管理孤子系统的扰动分析2 1 8 3 1 弓i 者+ 1 8 3 2 色散管理系统非线性扰动传输方程的变分解_ 1 8 3 3 高阶效应对色散管理孤子传输的影响一2 0 3 3 1 色散管理孤子系统中的高阶效应影响的理论分析2 1 i i l 南京邮l u 人学坝l ：研究生学位论义 目录 3 3 2 损耗系统中高阶效应对色散管理孤子各传输参数影响的仿真分析2 2 3 4 本章小结2 6 第四章色散管理孤子系统的传输控制2 7 4 1 引言2 7 4 2 光纤损耗与孤子放大技术2 7 4 3 光纤孤子的传输控制一2 9 4 3 1 a s e 限制的频域滤波控制2 9 4 3 2 光孤子传输的时域控制2 9 4 3 3 预啁啾对系统性能的影响3 0 4 4 时域和导频滤波复合控制下的d m s 的稳定传输3 0 4 4 1 时域和导频滤波复合控制下的d m s 传输演化方程和理论分析3 0 4 4 2 传输系统结构参数设计及性能分析3 3 4 5 本章小结3 7 第五章论文总结及进一步的工作3 8 5 1 论文总结3 8 5 2 进一步的工作3 9 致谢4 0 参考文献4 l 攻读学位期间发表的学术论文4 5 i v 南京邮【也人学硕：i ：研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 为了满足人们日益增长的信息需求，光纤通信系统正在朝高速率、长距离、大容量方 向演进。目前，传输速率高达1 0 g b s 的系统已在国内长途骨干传输网及省内干线传输网中 得到广泛应用，单信道4 0 g b s 的系统已经逐渐走向商用化。为进一步提高传输容量，单信 道1 6 0 g b s 的光纤通信系统成为目前研究热点之一。 光孤子通信技术是一种新颖的非线性全光长距离通信，是新一代高速长距离通信的优 选方案，它利用强脉冲在光纤中产生的非线性压缩来补偿脉冲的色散展宽，实现高速孤子 脉冲稳定地传输，其传输速率比线性光纤通信的高2 3 个数量级，通信距离可达数万公里， 并适合w d m 、o t d m 长距离通信，是进一步提高通信系统容量的最佳通信方式【l 】，其研究 已取得重大进展。 1 2 光纤孤子通信基本概念 早在1 8 3 4 年，英国工程i j 币r u s s e l 在河边观察到一列水波包络进行向前运动时，发现水 波包络波形保持不变，开始了对孤波科学意义上的认识，1 8 9 5 年，k o r t w e g 和d e v r i e s 导出 了包含有孤子解的著名的k d v 方程，它可以用来描述普遍存在地波动问题( 浅水波) ，1 9 6 5 年，z a b u s k y 与k r u s k a l 在研究等离子体时，求解了k d v 方程满足周期性边界条件的系列孤 波解，并发现当孤波具有很好的稳定性及在碰撞时存在类似粒子的弹性碰撞，此时又称该 种孤波为孤( 粒) 子，此后各国科学家都致力于从数学和物理概念上去充分研究和理解这种 非线性波。第一次把孤子概念运用于通信的构思是在1 9 7 3 年，日本人h a s e g a w a 研究发现 无损耗光纤介质中的光场包络满足非线性薛定谔方程，在反常色散区存在亮孤子，在正常 色散区存在暗孤子。随后，m o l l e n a u e r 等人于1 9 8 0 年用实验证实了用人工方法可在光纤中 产生光孤子。至1 9 8 1 年，h a s e g a w a 和k o d a m a 提出采用光纤孤子作为信息载体进行信号传 输的设想，从而使人们看到了光孤子的应用前景，由此丌始了光纤孤子通信研究的热潮。 光纤中的孤子是光纤群速度色散( g v d ) 年f l 自相位调制( s p m ) 共同作用达到平衡时的产 物，服从非线性薛定谔方程( n l s e ) ，受光纤线性与非线性特性的支配。光纤的群速度色散 使脉冲在传输过程中不断展宽，光纤损耗也使得脉宽按指数展宽，幅度按指数衰减。光纤 的非线性使脉冲压缩，利用光纤中自相位调制导致的光脉冲收缩效应去抵消光纤色散引起 l 南京邮i 乜大学硕j a i j f j ，u 生学位论文第一章绪论 的脉冲展宽效应，从而形成光孤子波，实现无脉冲畸变光传输，这就是光孤子传输的原理。 1 3 制约光孤子传输的因素和传输控制方案 1 3 1 影响光孤子传输特性和传输容量的主要因素 影响光孤子传输特性和传输容量的主要因素从总体上主要表现在两个方面：一是光纤 介质引起的，如损耗、群速色散、偏振模色散等：二是非线性相互作用，如自相位调制( s p m ) 、 交叉相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 等。具体表现在如下几个方面： 1 当实际的光纤通信系统考虑光纤损耗时，非线性薛定谔方程( n l s e ) 弓i 入损耗项，方 程变得不可积，在孤子传输理论中，常用归一化损耗r 来表征实际损耗，定义为一个色散 长度l d 内的光纤损耗。当输入的脉冲宽度t o 和色散变化时，可能归一化损耗r l ，此时微扰理论已不合适，数值解表明脉冲幅度随距离快速衰减，有大量 的色散波产生。光放大器可以补偿光纤损耗对光孤子传输的影响，但不可避免地引入放大 器的自发辐射( a s e ) 噪声。这些噪声并非加性噪声，它会引起孤子的频率调制，在色散光 纤中，最终导致孤子中心位置的定时抖动，由此引起对孤子长距离通信传输的主要限制因 素，单信道孤子通信系统的极限传输容量为2 9 t h z k m 。 2 当脉宽t o 3 p s 时，孤子传输过程中就不可避免地出现高阶色散及高阶非线性的影响， 主要为三阶色散、非线性色散、拉曼效应影响【2 0 1 。对三阶色散的研究表明，在偏离零色散 波长时，一般三阶色散较小，采用守恒量扰动法求解，发现其不影响孤子的频率与幅度， 却改变脉冲位置及相位。在接近零色散波长附近，数值分析表明，三阶色散引起色散波且 使脉冲频率发生滑移，表现为能量在脉冲的后沿附近振荡，对孤子相互作用产生较大的影 响。当考虑非线性色散时，孤子呈现自陡峭效应，孤子的峰值部分比两翼传输得慢，导致 峰值处被延迟，从而使不同阶的孤子简并破裂，产生衰变，导致光孤子脉冲的自塌陷现象。 拉曼效应影响表现为孤子高频分量成为低频分量的泵浦源，导致孤子中心的频率向低频方 向移动，即孤子自频移，且频移速率与孤子脉宽的4 次方成f 比，同时拉曼效应与a s e 噪声 联合作用，影响孤子的传输特性。 3 初始条件的不匹配对孤子通信的影响。对有损耗光纤中，脉冲的脉宽会发生振荡， 且随传输距离增加而增加，当初始输入为带啁啾的高斯脉冲时，脉冲会经历一个压缩然后 连续的展宽过程。同时，在光源的发射处，光源噪声是不可避免的，逆散射理论表明，这 塑塞! ! ! ! ! ! 皇叁兰塑：! ：婴塑竺兰篁堡茎笙二雯竺堡 种噪声会引起孤子附加一个不确定的初始相位，并使束缚模与连续模之间的谱再分配，同 时还会引起脉冲到达时间的抖动，限制通信的容量。 4 孤子间相互作用的影响。如果在孤子的传输线上是无损耗、无放大的理想情况，孤 子的中心频率在碰撞之后恢复到起始值，然而在有集总放大器( 或周期色散扰动以及其它 扰动) 存在的情况下，孤子之间的相互作用在放大器的前后( 不同的能量区) 是非对称的， 由于其在每点不能保持色散和非线性的之间的平衡，从而导致孤子产生剩余的中心频移， 引起孤子定时抖动。在w d m 系统当中，f w m 是限制该系统的主要因素之一，其本质来自 于信道频率之间非线性相互作用，从而在信道的频谱上产生斯托克斯和反斯托克斯边带， 作为噪声源导致信号功率降低。在线性系统中通常通过减小脉冲功率或提高路径色散来减 小频谱之间的匹配，然而这种做法限制了系统的容量和降低了系统的性能。 5 偏振模色散的影响。在设计和评价通信系统时，光纤的双折射引起脉冲的偏振模色 散( p m d ) 是一个必须考虑的重要因素【4 - 5 】。研究表明，随机的双折射对孤子传输通常产生以 下几种影响：( 1 ) 由于光纤双折射轴的随机变化，伎传输的孤子的偏振态发生随机的改变， 从而使孤子间产生微分群时延的积累，导致到达时间上的抖动。( 2 ) 在光放大系统当中，由 于放大器自发辐射( a s e ) 噪声的调制作用，会加剧孤子偏振态的不稳定性和不确定性，从 而导致孤子的定时抖动。( 3 ) 由于p m d 影响，孤子在传输过程中会有色散波的逸出，导致孤 子的能量降低，同时色散波反过来对孤子作用，导致孤子的频移。即使这样，孤子脉冲对 p m d 有抑制作用，w a i 推出在p m d 影响下，场的极化分量满足m a n a k o v o p m d 方程，其一 阶稳定解为孤子解，高阶解则可看为色散波形式，从而从理论上证明了孤子对p m d 有很强 的抑制作用。此后，b b a k h s h i 等【6 】采用现场试验证实了孤子这一特性。 1 3 2 孤子通信系统的传输方案 根据放大器类型不同，可以分为分布放大方案和集总放大方案。在分布放大方案中， 较为著名的是拉曼放大方案。1 9 8 3 年，h a s e g a w a 最初提出利用受激拉曼效应将泵浦光的能 量转化为信号光的能量，实现对孤子脉冲能量补偿的思想，随后m o l l e n a u e r 等于1 9 8 8 年利 用拉曼放大成功实现t 4 0 0 0 k m 的孤子坏路实验传输，但由于当时拉曼放大器所需的泵浦功 率高，因此很难实用化。最近几年，由于器件研制飞速发展，1 2 w 功率的泵浦源己能提供 商用化( 7 l ，拉曼放大方案受到普遍的关注【8 9 】，然而还存在着许多问题需要解决，如增益平 坦、信道串扰等，该方案的应用将拭目以待。现在较为实用的方案仍是集总放大方案，该 方案中采用掺饵光纤放大器( e d f a ) 作为能量补偿方案应用最广。1 9 8 9 年，n a k a z a w a 等首次 塑塞! ! ! ! ! ! 坚叁堂堡：! 竺! 塞生兰垡笙苎 笙二雯笙堡 使用该方案实现- 了2 0 g b i t s 的孤子传输实验，此后e d f a 便一直是长距离孤子传输实验的主 要放大器件，该种方案也是光孤子传输系统的基本组成方案。 周期性集总放大器补偿光孤子通信系统中，光纤的损耗并不像分布式补偿方案那样逐 步补偿，而是一个放大间距内的集总能量补偿，此种情况下，孤子是否能够稳定传输有待 进一步探讨。文献 3 】采用l i e 变换方法证明，当放大器间距远小于孤子特征长度即 z 。= z j l d l 时， 系统的放大间距远大于孤子色散长度，此时孤子在传输过程中伴随着大量的色散波出现， 但孤子在两放大器间的传输具有绝热特性，即把这种方案称之为绝热孤子传输方案，该种 方案必须采用预加重技术以及附加控制措施才能使孤子高速长距离的稳定传输。 1 3 3 孤子传输的控制方案 孤子通信存在的问题可以采用某些控制方案来改善。这些控制方案的基本出发点都来 自于对孤子各参数，如幅度( 脉宽) 、时间位置、频率( 速度) 以及相位进行控制。基本上可 分为有源和无源两大类：导频滤波器( 分为带限固频滤波器和滑频滤波器) ，非线性增益( 有 非线性偏振旋转( n p r ) ，非线性环境( n l m ) ，以及多量子阱饱和吸收体) ，同步幅度调制， 同步相位调制，位相共扼器等控制方法，下面对这些控制方法做一简单介绍： 1 带宽限制放大控制 这种控制方案在孤子传输系统中每级放大器后再接入一只光滤波器，或将放大器设计 得具有特定的增益谱特性，可用于压缩色散波谱，提高系统的稳定性，还能削弱同相孤子 间的相互作用，延长了孤子碰撞距离，消除异相孤子与不同信道间孤子的相互作用，抑制 不同信道孤子碰撞，有助于减少波分复用信道f b j 隔。 2 滑频滤波器控制 这种控制方案是将带宽限制放大控制系统的滤波器的中心频率随传输距离向上或向 下线性漂移，可以有效地抑铝* j g o r d o n h a u s ( g h ) 效应，消除由色散波诱发的传输不稳定， 抑制同信道孤子的相互作用和延长偏振复用系统中信道孤子的碰撞距离，这种方案简单有 南京邮【乜大学硕士研究生学位论义 第一章绪论 效，已得到广泛应用。 3 同步幅度调制控制 这种方案在带宽限制放大孤子传输系统中每隔几百公罩就周期性地提取时钟脉冲，对 接入同一系统的光调制器进行调制整形和再定时达到抑制孤子到达时间抖动的效果，几乎 不存在时问抖动与误码，而且可以有效地抑制孤子相互作用。但此方案会引起孤子能量的 起伏，可能导致能量误码。若在系统中再接入滤波器则大大降低能量涨落和能量误码。此 法的优点是控制能力强，适用于放大器间距较长的系统，缺点是系统结构复杂，难以用于 波分复用系统。 4 同步相位调制控制 这种方案在带宽限制放大孤子传输系统中周期地提取时钟，对接入系统的光调制器进 行调整，使孤子重新回到原来的位置，达到控制孤子到达时间抖动的目的。当接入一级相 位调制器后可使孤子到达时间抖动方差大为减小( 相差5 倍量级) ，而且还能有效地控制孤 子相互作用，延长系统传输距离。 5 非线性增益控制 频带限制放大控制方案能有效抑制g h 效应，但补偿滤波器损耗引入的过剩增益，对 孤子的非绝热放大将在滤波器中心频率处引起色散波累积增长，导致系统稳定性下降，通 信容量的提高并不显著。通过研究表明，为降低由滤波器引起的过剩增益的影响，采用具 有非线性增益特性的光放大器与快饱和吸收体组合体，如非线性偏振旋转( n p r ) 或非线性 环境( n l m ) 。这种方案使孤子成分得到有效放大，而使色散波等噪声成分得到有效抑制。 这种控制方案特别适用于超高速光孤子传输系统中抑制色散波，获得较纯的孤子，因而也 是光纤环形孤子激光器中产生高质量孤子脉冲的成功设计方案。 6 色散补偿与色散配置控制 所谓色散补偿( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ) 是在孤子传输系统中接入j 下色散光纤，控制因 系统噪声引起的孤子到达时间的抖动，结构简单、方便，并可采用波分复用技术提高通信 容量。但此方案接入的色散量过大，达传输光纤总色散量的5 0 ，因此将引起脉冲展宽， 限制了控制作用的发挥。另一种是在带宽限制放大控制方案基础上，在终端接上正色散光 纤，但补偿量较小，以减弱色散展宽，这种双重控制可以达到最佳补偿效果。第三种方案 与前两种不同，在每只光纤放大器前接一段f 色散光纤，采用周期性分散补偿，而每一级 的补偿量很小，并接入滤波器作为辅助手段，减小因为证色散补偿而引起的波形畸变，可 以达到理想的补偿效果，是一简便实用的传输控制方案。色散补偿传输控制方案中，输入 信号功率按传输段参数设计，但无论是集中补偿或分散补偿接入的正色散光纤长度均较短 5 塑塞塑皇盔兰堕= ! 竺! ! ! 生兰篁笙塞堑二兰笪笙 ( l k m ) ，色散量较大( 为负色散传输光纤的几十到上百倍) ，将引起较多的色散波，降低了 系统信噪比。因此后来提出了一种新的补偿控制方案色散配置( d i s p e r s i o na l l o c a t i o n ) 。 这也是一种周期性分散补偿方案，但j 下色散补偿光纤较长，色散较小，而沿系统平均色散 仍为负值，输入孤子功率按全平均色散值设计。这种补偿控制方案表明，孤子可以在局域 j 下色散光纤中传输，突破了孤子只能在负色散光纤中传输的传统概念，而且通过合理设计， 可得到较低的平均色散，较大的色散长度和较长的放大器间距，较小的到达时间抖动，孤 子在传输中呈现交替地压缩与展宽。 7 相位共轭控制 这种控制方案将来自发辐射噪声作用而偏离定时中心的孤子脉冲送入四波混频器或 光纤参量放大器，光孤子频谱以泵浦频率为中心反转，产生一空间频谱，使孤子脉冲在后 一段光纤中传输时，因色散效应而向原定时中心移动，达到消除孤子脉冲到达时间抖动的 效果。其机制相当于对孤子在后一段光纤传输前的预补偿，所以是另一类色散补偿管理。 但在这种控制系统中，孤子一直在负色散光纤中传输，因此在抑制到达时间抖动的同时， 也能保持较好的孤子波形。 8 分部孤子传输控制 这是针对预加重动态孤子传输的控制方案，它在预加重孤子脉冲经压缩、展宽恢复到 初始脉宽后，令其继续展宽，然后在适当位置进入正色散光纤以补偿孤子脉冲在展宽时产 生的啁啾，使脉宽得到压缩，恢复到初值，然后再进行放大传输。此方案不仅可以降低自 发辐射噪声引起的孤子到达时间的抖动，而且可增大放大器间距至1 0 0 k m ，还可抑制孤子 相互作用，但由于在每个放大周期内接入光纤的j 下色散量较大，所以不可避免地伴随一定 的色散波逸出和波形畸变。 研究这些传输控制措施在理论分析上往往采用平均孤子方案，即孤子被认为是导引中 心孤子。大量的理论分析及实验研究已经证实上述传输控制方法的有效性。 1 4 色散管理孤子技术 1 9 9 5 年前后提出的色散管理控制孤子方案使各国学者对孤子通信又热心起来，其原因 主要在于，采用这种方案，首先是结构简单，可利用已铺设光纤传输孤子而不需要另行改 动：同时，色散管理孤子( d m s ) 较普通孤子有更多的优点【i o - l q ，大大的改善了孤子通信 的性能。 所谓d m s ，其实就是非线性系统中的周期色散补偿，通过周期配置讦i 负色散光纤，从 堕塞坚! 坚奎兰竺：! 堕壅竺兰篁丝兰 型= 翌竺笙 而使传输线上的平均g v d 很小，这就大大简化了对传输光纤的特殊要求。从线性系统的 角度来看，d m s 通信系统可理解为色散补偿光纤中传输的非线性归零( r z ) 脉冲系统，是 和高速长距离r z 传输系统相互一致的。采用这种方案的优点是，可以在已有的光纤线路 上周期的配置大的正色散补偿光纤( d c f ) 或每隔一定距离使用啁啾光纤光栅实现较低的 路径平均的g v d 。由于光孤子在正负色散光纤中交替传输，孤子经历了强烈的动态演化过 程，脉冲周期的展宽和压缩，孤子的幅度也周期的波动。 孤子功率可用色散管理强度参数s 来表征。研究表明，在相同的平均色散情况下，d m s 的功率比普通孤子来得强。很显然，由于d m s 具有这种增强功率，其通信的信噪比要高 于普通孤子通信。由于传输线路的平均g v d 低，因此能降低a s e 噪声引起的定时抖动还 需要指出的是，d m s 能在平均零g v d 甚至平均j 下的g v d 传输线上稳定传输，在高速传 输当中，d m s 还不受拉曼效应的影响，在非周期性色散补偿情况下( 更接近实际中的不等 长的光纤链路) 同样有较强的稳定性，这都是普通孤子所做不到的。 最近几年出现的色散管理孤子，使得光孤子通信添加了新的活力。色散管理孤子是一 种周期性分布式补偿方案，由于光纤的色散在空间上交替变化，脉冲在传输过程中经历周 期性的展宽和压缩，非常稳定。色散管理孤子比等效的常规孤子有更好的性能，合理的选 择色散图，可以使光纤的净色散很低，减小脉冲的g h 抖动，孤子的相互作用也小得多。 但研究表明，对于超长距离传输，信号质量( o s n r ) 仍不够，为了保证传输质量，需要 加拉曼放大器。准孤子+ 拉曼放大器的方案在商用上受到价格方面的挑战，一方面是拉曼 放大器价格昂贵：另一方面是为精确补偿每一跨距端部的色散和失真，还需要其他昂贵的 器件。 1 5 孤子通信的研究现状和发展前景 正因为色散管理光孤子通信技术有这些优点和潜在发展前景，国际上这几年都在大力 研究丌发这一技术。这一技术的应用使以前认为孤子通信只在越洋通信方面比线性系统有 优势的观点逐渐改变，它在短距离，大容量的陆地通信上同样显示出巨大的优越性。现在， 孤子通信研究已从单信道向多信道孤子w d m ，o t d m 通信研究发展，从点对点孤子传输 通信向构建孤子大容量传送网和超高速多接入通信网发展。 近年来，孤子通信的研究不再局限在理论上和实验室罩，国外已进行了一系列的孤子 野外现场试验。同本的n t t 实验室进行了单信道2 0 蛰 4 0 g b i t s ，传输距离为1 0 0 0 - 虱 2 0 0 0 千米 的孤子东京城域网实验，这是人们首次在城域上进行孤子通信实验。意大幂i j p i r e l l i 公司 塑塞唑! ! 叁兰堡：! ：堕塑生兰篁鲨苎笙二童堑堡 在现行的s d h 系统上采用色散管理孤子( d m s ) 进行4 卓1 0 g b s 、4 5 0 k m 的试验，这次试验 证明孤子可以在已有通信网体系的基础上进行传输，表明了孤子迈向商业化进程的开始。 为了把已铺设的普通单模光纤( s i ) 和色散位移光纤( d s f ) 线路的通信容量升级，欧洲 a c b 采用色散补偿和先进孤子技术的多吉比特互联( m i d a s ) 计划中进行了4 0 至l j l o o g b i t s 波分复用( w d m ) 的孤子传输试验。瑞典c h a l m e r s 大学首次进行了单波长达8 0 g b i t s 的光 时分复用( o t d m ) 孤子野外现场传输试验，它利用位- 于二j o n k o p i n g 市的商业城域光网，实 现了超高速孤子传输，为将来超高速局域孤子接入网奠定实用化的基础。目前，在光孤子 商业应用上基本存在着三种观点：第一种是法国a l g e t y 电信公司( 该公司于2 0 0 0 年3 月获3 l 亿美元的风险资金来丌发孤子通信) 为代表，认为d w d m 孤子系统能解决网络中出现的色 散或光脉冲展宽问题，单信道速率为4 0 g b i t s 和更高速率确实需要采用光孤子技术。但是 c i s c o 光网集团公司对光孤子技术用于高速系统却持反对意见。他们认为，光孤子属于归零 码形，而网络设备，如路由器，a t m 交换机和s d h 设备等都使用不归零码形，这就存在一 个互操作问题。s y c a m o r e 公司则认为，现在大多数人都同意色散控制光孤子技术是下一代 超长距离地面系统的一种可选技术，至于归零和不归零的矛盾可以通过把波分复用系统的 设计与路由器的设计分开，然后在它们的接口处进行归零和不归零的变换来解决，不管具 体争论如何，光孤子通信在向商业化迈进已是当前发展的必然趋势。 我国在8 0 年代末9 0 年代初，曾有多所院校开展光孤子通信理论与实验研究，如东南 大学、清华大学、北京邮电大学、上海大学和天津大学等，分别在国家自然科学基金、国 家“8 6 3 ”计划和相关部委支持下开展了一些基础性研究，主要研究内容有：光孤子源、 光孤子补偿放大器、单级孤子传输理论、单级短距离传输实验、周期性集总补偿放大长距 离孤子传输理论、长距离光孤子传输控制理论等，取得了可喜的成果。由于国内高速长距 离孤子通信研究的技术基础较弱，技术难度较大，研究经费不足，9 0 年代中期后，研究工 作进展缓慢。但是总的来说，由于投资不足，国内的研究水平离国际先进水平尚有差距。 1 6 本文工作介绍 1 6 1 课题的研究背景 在高速d m s 传输系统中，会受到许多因素的限制，现在的研究分为三种：导引中心 d m s 传输限制，g h 限制，相互作用限制【2 1 。色散管理是通过适当地配置传输线中的色散 值，降低整个线路的平均色散，以期改善孤子传输性能，所得到的孤子脉冲具有很多新的 堕室唑! 些叁兰堕型壅竺兰堡堡苎 笙= 至堕笙 性质，孤子间的相互作用得以减小，并克服了信噪比与g h 时间抖动之间的矛盾j 色散 管理方案主要分为三种分别是常规色散管理( d m ) ，密集色散管理( d d m ) ，利用色散渐减光 纤( d d f ) f l 向色散管理。 经研究表明，在1 6 0 g b i t s d m 孤子系统中，其初始脉宽在l p s 左右，在这种情况下，必 须考虑高阶色散和高阶非线性效应对系统的限制，它们分别是三阶色散( t o d ) ，自陡峭效 应和脉冲内拉曼散射效应，这是解决1 6 0 g b i t s d m 孤子稳定传输的难点。色散管理方案本 身并不能抑制这些非线性效应。此外，d m 孤子与普通孤子不同，它在传输中并不保持其 参数( 峰值功率、脉冲宽度等) 不变，而是在每一个色散图内都在变化，这种孤子参数的 动态特性给抑制孤子非线性效应增加了难度，因此在色散管理孤子系统中非线性效应如何 影响通信系统的性能以及如何克服就成了高速光孤子通信的重要问题，已引起众多学者的 高度关注【1 3 - 16 1 。 文献 1 7 1 矛1 用对称分步傅里叶方法研究了皮秒色散管理孤子的传输演化特性，但没有 考虑高阶效应的影响。文献 1 8 】研究了孤子自频移存在的条件下光孤子的传输问题，利用 窄带滤波抑制孤子自频移( s s f s ) ，利用非线性增益技术抑制背景的不稳定，用孤子扰动理 论研究了稳态孤子解及其存在条件，能减少拉曼自频移量，但未能消除孤子频率红移。文 献【1 9 分析了超高斯传递函数光滤波器对超短孤子脉冲自频的控制作用，与普通滤波器相 比，能更有效地抑制拉曼自频移和定时抖动，但也不能消除孤子频率红移。文献 2 0 2 2 研 究了色散管理孤子系统中的定时抖动，但均未考虑高阶效应。文献 2 3 研究了高阶色散和 受激拉曼散射条件下的色散管理孤子系统中的定时抖动，从理论分析和数值模拟得出了 1 6 0 g b s 系统的最大传输距离为5 0 0 公里，但未考虑自陡峭效应，也未提出对定时抖动的抑 制方法。文献 2 4 2 5 研究了三阶色散对色散管理孤子的影响，而没有考虑其他高阶效应。 文献 2 6 】只是比较了色散管理孤子比普通孤子抑制三阶色散方面优越，而没有研究在色散 管理系统中如何控制三阶色散。文献 2 7 】指出三阶色散对脉冲频域和时域的演变程度取决 于色散补偿光纤的位置，即采用预补偿还是后补偿。目前对高速色散管理技术的研究中， 大多只考虑一种高阶效应，不能够完全体现出高阶效应对高速色散管理系统的不利影响。 本文将考虑三种高阶效应联合作用时对色散管理系统的影响，并对其传输控制方法进行研 究。 1 6 2 论文要点 文章从光孤子的基本概念入手，介绍了普通光纤孤子通信的传输方案、传输理论、控 南京邮i u 人学坝l ：研罗【生学位论文第一章绪论 制方案和色散管理技术，对孤子通信的研究现状和发展前景进行了评述。然后对色散管理 孤子技术的基本理论进行了论述，探讨了色散管理孤子系统方案、系统特点、传输理论与 研究方法及其在通信领域中的应用。系统的研究了d m s 系统的扰动因素及其对系统性能 的影响。针对色散管理孤子系统中孤子幅度、脉宽等参数的动态周期变化特性，建立了同