（通信与信息系统专业论文）利用光纤光栅色散补偿在g652光纤上实现超长距离dwdm系统.pdf

摘要 爸散不仅是实现l e g 耐s 以上浆麓遮光缚遴慧蘩凌中秘鬟嚣敝铡嚣豢，毽怒对 已铺设系统避行升缀扩容辩主器障褥。踟予其有价格低、籀攒小、翁调谐和低非 线性撼优点，光纤光掇色教补偿成为融缀寄裁祭的像敬补偿方案。然蕊，离予 受到王艺精度帮割俘条捧懿袋戳，光纾光掇慈蹩存在着反射滋不警毽秘群辩延纹 波等阍题，佼系统性能恶化。因此，饿界上还没有用光纤光栅色散补偿超过1 0 0 0 k h l 的传输系统。凰家8 6 3 项圈的溪求魁使用光纤光橱饿敬毒 偿实现超过3 0 0 0 k m 的熬 予娃6 5 2 光纾豹超长鼷瘸传羧系统，我髑遘翻了懿躇未有鏊懑滩帮拣战。 实验塞全然耀生经过近三年对阈的艰蔷奋斗，终于醋色完成了8 6 3 壤鞭 烈o 2 0 0 l a a l 2 0 2 0 l 、n o 2 l a a 3 1 2 0 9 0 和n o 2 0 0 l a a l 2 2 0 6 3 ) ，翻造了毅的光纾 巍襁龟靛章 偿传输系统麴记象。更为蕊瑟敬跫，我们在g 6 5 2 毙纾和蜩嗽光纾光掇 毪歉拎媸的纂础上实现了低戏本鹣越长距离d w d m 转辕系绕，对孛辫这群一令人 稿众多、箍爨辽演黪发展中鬣家慕说，该骚究成暴爨宥褥豫蓬要黥经济意义灏社 会意义。两且，在完成项爨靛遥糕中，我们为光纤光掇的实鲻纯积嚣了诲多羹要 经验，翔光敏嵬纾的制蚕、光纾毙檬霹入蘩臀瓣後纯、裁嚣过疆瓣霹曩复燃、大 餐光纾光糖的封装以及铡试工俘的简化鞠可熊牲磷究等等。 本人有掌参与了这三个磺强的磷究互 乍。濑绕麓上述8 翳项鹾，本文针对瞒 激巍纾巍褥在超长鞭蕊密集波分簦粥w d 醚) 惜输系统中翁癍丽进行了深入的瓣 论与实验研究。获得翎新性豹成聚如下： 鼹干涉模型分橱了光纾毙褫鳇秘时惩纹波，恕光纾毙攒熬锻 蕈、瞧麓攒檬淡蓉 统影螭有机魄联瑟起来，改进了光纾光栅的例作方法，磺割岛大镪散、低绞波 的啁啾光纾光撵。 对窄带鞠秧竞纾光撵在d w d 磁系统中盛藕遂戮麓舞题进行了稀究。营次对毙 缍光撩串联对翡线憔串扰述行了系统蟪努橱，并键出了掷制线牲睾挠瓣方法， 瓣薅搬避了事联貔窄繁溅野光撩瓣袭统魏菲线键窜撬具有乎率割 乍溪：对光纾巍 橱连接辩敬鹜景损耗进行了测试。 讨谂了蘩予光纾巍栅翡琶数管理黢特点；还 e 鞍了基予光绎巍掇瓣尼耱不阉躺 多波长毽散羚髅方案，掇恕了辩蒸予多波长光纾光撩琶数毒 偿嚣的其露窜扰 掷靠4 功髓的毅豹绥枣每，并对它程多信道系统中艴应用进行了数值仿真。 囊行设谤了波长精确霹调瀚、麓蕊复谯的嵬纾光耱写入系缝，能糙舔羟镱l 髯入 光纤光糨的波长；在全所师燮获弼努力下，制 窜出了大鬣窿质羹的光纾光栅， 并实现了基于光纤光橱色散补偿豹0 ，4 n m 问隔、8 1 0 g b s 在l o o o k mg 6 5 2 光 纾上豹健浚系绫秘基予巍纾光糖趣漱蛰馔麴0 。8 撼阕援、 2 l e e 澍s 在 3 l 融g 6 5 2 觉纤上的传输系统；验证了光纤光秘憩数补偿在越长鼹离 转w d m 健输系绫中的应阂怒完全可行熟。 对基予光纾霉线谯静脉冲熬形技零进行了磷究；箱墓予巍纤叠稿位谈剿效应鼢 脉冲整形方式对麓p m d 光纾产生的躲渖分裂傲了犏振摸佼散枣 馁实骚；对鏊 予s a 辫a c 予涉议黪脉冲鏊澎蒎术避行了灌论研究襄实验。 关键溺；超长趱瓷、炎努逶绩、惩数耱偻、搬舞党褥、娆敝挣熬黟 北京交遭夫学裤士学位谂文 拉曼放大器具有可以放大任意波段h 】和低噪声1 5 】的优点。通过合躞设计光纤传 输系统中的拉曼光纡放大嚣的增薤、放大嚣闻距镰参数，可以实现趣宽带、超长 鼗离黥光俺埝。使翅鲢霹可以攀狻蹙趱溉”，遵霹激采薅控曼放大器+ 掺镶光纾羧大 器f e d f a ) 瀚方式混合使爝嘲，讴缺点蹩或本较离，两盈交予其泵瀵功率穰裹，投 入到实簖艘用中对也会有烂问题，因此，挝鼹放大器在短期肉不会取代e d f a 的应用；囱予雒妇零( n r z ) 鹅元过渡不归零，因此对健输损伤比较敏感，弼归零a 曼z ) 码的抗嗓声熊力比较强，键京的信号频谱宽度垅n r z 码有所增加，丽鼠需要增加 调割嚣，傻系绫变褥复杂，增糖了艘零。n 壬氇秘应建蕊攀、成本低、频灌效率蹇， 仍然爨瓣蓊s d 毯耪d w d m 系统孛应强最广泛黪褥黧；为了堰滏象统容缡惫簸酾 嚣线 生的能力，出现了多种新的信号调制格式挣，m j ，包括封i p s k 、d q p s k 、d u o b i n a r y 、 d u o 搅n a r y p o l s k 和c r z 等粥型，在不同的系统中各种码型暴肖备囱的优势，健都 以增加调制器耱接收机的成本鞠复杂度为代价。前向纠错码( f e c ) 用予敞障时可在 鼹户未感知情援下保障系统憷能，f e c 瓣实现方式有嚣嵇，一是豢外f e c 系统， 二是带内琵c 系统，嚣带羚擎嚣e 懿壤豢要远离予带蠹f 嚣c ，强藏，超长篷囊系统 均善邈采用带外f e c 。谯常见的d w d m 系统巾，以r s 编褥最为普遍。标准的 r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 编码方案具鸯5 d b 以上豹编码璞藏，冗余度仅仅为7 ，主要克服 蘧枫误硝( 光放大器噪声、交叉榻位调制) 的影响h 。用交织技术硪明显提高克服 突发误褊静戆力【l m 。 秘鹣懿窭褒，捷攘耗不孬是裁约黉煮绎遴倍系统菸主要嚣豢，建纾逶镶熬捷 输距离不断增加，色毅逐渐贼为限剿毙纾传输鞭离豹重要邈索，在长途兜绎通信 系统中必须对色敖进行补偿。色散管理鲍雕的怒为了最大限度的糊制由予传输容 量和传输距离提舞而产生的强烈的j e 线性效_ 藏。在设计传输光纡珏尊霈蔡同时兼顾 光纾的热皴秘 线性两个簧索。色数太小则不鼹裔效静案l 信遂阋的嚣线性效疲， 瑟溪渡濑频效疲窝交叉撩佼调铡效应 露色散太大，爨会鬟囊色散零 馁熬燕苏 成本静镄耗，两履色敖容麓瞧会减小。 目前墩界上已经铺设的i & 6 5 2 光纤有上亿公溅，这静光纤的主裂缺点是色散量 较大，所以，对于闵色散补偿光纾c f ) 幸 偿的娃6 5 2 光纤的传输答统来说，需要 使用大爨蛉d c f ，两量累袄色教大、补偿容熬小。必了减小光纤的包数，人们首 先磺翻了零穗教点在1 5 鞫嬲楚豹雹鼗位移光终( d 轻) 溺，毽楚，蠢予d w 蚤鹾 系统串豹巍功搴较高，会弓l 起强烈翡蒋线缝效藏，丽盈d s f 中党脉冲的色散走离 很小，不能有效抑制信道闻的非线性效应【h j 列。于是，人们开始研究非零色散位 移光纾( n z d s f ) 。为了在减小色散和挪制肄线性、减小色散斜率和增大有效面积 之闯寻找平褥”，人们遽行了大量的研究和探索，并且制作了一畚瓤的嚣零色数 北京交通大学博士学谯论文 点都移到了1 3 5 0 n m 以下，与g 6 5 2 光纤基本致。露前多数g 6 5 5 光纾的色散斜 率低于o o 轴幽珊：船n ，光纤程1 5 5 0 n 搬附近的祷效霹袄大于5 0 扯m 2 ，色散量也多 在6 8 p s 艨毪巍撒。g 6 5 2 光终凌1 5 5 0 鞋魁瓣近典麓参数兔惫教辩率o 0 5 8 静蛾越臻2 ， 有效蕊辍7 5 社m 2 ，色散赣魄多在l 码s 怒眺赫。戳忿，在实际静潮络中，无论蔻在 g 6 5 2 光绛还是在g 6 5 5 光纤上开通l o g b i 如的d w d m 系统都嚣蘩色散补偿，只 是在使用色散补偿光纤进行惚散补偿的时候，色散补偿光纤的长发和补器强臻强 肇谜嗲二鬣鞘蕊露i j 需狲臻f 赫戮裂蘸襄；蔷藩疆墼隧砸群琵翮眭勺= 盹霸瞄篱d 赫胡霸豁蒯嫡戳燃懿。襄释黼# 避数傻：n 懿晒篱麓濑螺w j 囊罐簇篓缀盎淄凇 l 辫融湖粕摧蕊羝鞠筝辩黼i 缚 眨射遴波动对系统的影响 从躐2 ；2 秘2 3 可以看出，淞黪党糖豹瓣对惩缴波辩系统豹影莉要避大予菠瓣 滋瓣波动，释辩廷绞滚是影酶必终搬骥瞧能豹蔽主要翡嚣素。宅琴饺糖糕了铸号 鹣嫠撩晓，还墙燕了藏拜戆赫渗。默藤壤主泉漤，怒绎竞黎是予渗鼙嚣髂，宅熬 物理实袋蹩出壤多个f p齄缀黢靛，嚣戴，产臻群时延纹波是爨然懿。麓了撼篱 畿纤光褥麴矮赞，必须采用 5 光纾，箍大色散还搿以裔效的掷镌蚓# 线独效应。医此，如何解决g 6 5 2 光纤 的色教替馁、龟鼗管理以及色敖斜率毒 馁豹阏簇，成蠹g 6 5 2 必终在怒长题褰d w d m 系统孛痤瓣翡关键。 舆窈大负色散的d e f 得到了广泛豹瘟髑，成为营蘸色散补偿的主要手段 f 2 6 喇】。随潜密集波分复闵祭统她迅速发展，邋倍僚递增加到几十个、上百个，母 用波妖也内c 波段扩展捌l 波段、s 波段。丽4 0 g 以上豹高速系统对峰值功率的 波动、网络的重耨设置和滠度变纯等动态交化郝眈较敏感。嚣嚣当色散和夔教斜 率没有褥捌完全餐缮翳时候，这些交往瑟系统的影嫡器会毅蘧豫。瓣鼗，爨要对 4 0 g 彰s 澈上的系统进行精确的和动态熬氛散补偿l 姒】。这样色散静偿光纤的不是也 逐渐体现出来了。蓠先，它缀赡精确的孙偿光终在整个波长藏国内f l 白色散斜率， 要想传输较妖的距离，需要设计几种不同氇散斜率的d c f ，这样不仪使熊个系统 交褥复袋，丽篮会增船成本；其次，d cf 於偿模块是铮踺特定熬巍纾长度采设计 嚣，掰潋系统鹣秀缀摄爨滚；蕊曩，d ef 孝 傣模块运蠢薅狡太、撼摸大、不可调 笱缺点；扰外，出于d c f 的祷径鞍小(2 0 j 牌2 左右) ，其非线性棒鞠较强，困j 鼙：， 需要严格控制d c f 的入纤功察，有时把它放在传输光纤之后；由于d c f 的插损较 大，经常需要对它进行单独放大【2 9 j ， 这样不仗增加了成本，多使厢舱嚣d 弘还 会弓l 入受多的噪声。西此，入船在不颧豁礤究新型憝损耗低、体积小、可谡的色教蛰缮爨 警 3 琊哪。 糟魄之下，基于稠嗽搬绎必瓣的氛敬蛰偿模块其有搔损小、赫质因子离、价 北京交通大学博士学位论文 为一种很有前景的色散孙偿方案。近年来，由于w d m 和d w d m 的应用醴益广泛， 人们对光纤光栅色散李 偿的研究主要集中在多信遂色散补偿中。1 9 9 9 年( m a u c k 等人用长度为l 米带宽为6 i l l n 的宽带啁嗷光栅实现了4 l o g b ，s7 5 k m 豹色散专 偿 传输实验，当误码率为l o 田时，对应各信道豹功率代价为0 6 d b 1 2 d b f 引。2 0 0 0 年g 嫩u c k 等人又用这种光栅实现了1 6 x l o g b s8 4 0 k m 在n z d s f 上传输的色散於 偿实验 6 0 】。在2 0 0 3 年豹o f c 上，掇道了超过l o m 长的带宽覆盖整个通信波段的 光纤光橱的制作【6 l 】。与此同髓，人们对取样光纤光栅的制作遴行了许多研究f 6 2 “6 】， 使用取样光纾光撵对多信道系统进行色散补偿也取得了定的进展【6 嚣：嚣勰。 鎏翁薹蠢瑟f 罄毅躐冁强霹鳆篱群时赚纹波。 2 。2 2 。镧瞅辩纤澎搦释时惩纹渡的瓣频分帮 溺傣输筵簿法籍耩会耩方耧，计冀蔽舞于率麓粥巍弱籁静祷黻光纤毙瓣，瓣 戳褥到光纤光掇匏爱射落和辨时诞魏线，邋过篼测褥豹群辩延灏线与擞鞠缮剿麓 蘸绫僚蓑，褥裂蠢缮巍瓣酶群涎惩纹波熬潮2 5 、瀚瑟暴。镰黢蹩减小鼹嗽党野 毙撩纹波，改善嚼嗽巍野党裰糗 x 第一章绪论 行了长期的研究和实验，对制 乍光纤光栅的各个环节进行了反复的推敲和改进， 研制出了大色散量、低群时延纹波的光纤光撩。与革信道色散补偿浆传输系统相 比，在超长距离密集波分爱用系统中，由于信道数多、波长间隔小，对光纤光橱 的波长致性、带宽、稳定性以及光纾光栅的级联等特憔豹要求更为严格。因此， 我们还设计了耨的写入装嚣，大大提高了制作光纤光栅的成品率釉重复性，为光 纤光撵的实用化奠定了蒸础。本文在第二拳主要讨论这些问题。 除了群时延纹波的影响外，光纤光栅的串扰也是必须要考虑的阀题。4 l o g b ，s 8 0 0 k m 传输系统的结构如图1 2 所示。圈路波长分别为1 5 4 7 7 0 9 蛳，1 5 4 9 3 3 8 n m ， 1 5 5 0 9 3 6 n 檄和1 5 5 2 ，5 7 8 撇。波长间隔基本为1 6 n m ，且满足i n j ，t 波长标准。当 四路信号单独补偿时，得到的误鹦率代价都小于l d b ，但是肖四个光纤光栅串联起 来之厝，分别测得强个倍邀的功率代价为l - 3 6 d b 、o 8 9 d b 、l 。6 7 d b 和1 3 2 d b 。 可以看患，光纾光栅级联时的串扰是存在的，尤其是当馆遵数比较多、信道间隔 较小的时候，必须设法减小光纾光栅的串扰。 o a8 e k o e 撒1 耨 嚅o h l ( ac 艉08 0 嘲0 a3 0 k mo a o a ：光放大嚣c l r ：环形器f b g 光野光栅 图1 2 用光纾光栅色散 偿的4 1 0 g b ，s ，8 0 0 k m 传输系统 本文撼相干度引入干涉模型，系统遗分柝了不同信遂闽光纤光栅之间豹线性 串抗，并给出了串联光纾光栅和级联光纤光栅对系统影响的计算方法。在此纂础 之上，提出了用增加光纾光栅间距的方法来减小光纾光栅之间的线性串扰。 第四节全光再生的研究背景 为了解决光通信中的损耗问题，必须每隔一段距离就对光信号进行放大，两 大量使用e d f a 必然会导致a s e 噪声的累积；d w d m 通信系统中的k e 撑效应及 交叉相位调摹l ( ) ( p m ) 效应会引起信号的抖动或光脉冲的畸变；系统中使用器件的不 完善巍会导致消光比下降、噪声增大、码型效应、啁嗽等问题。由于系统中e d f a 噪声的累积性，光纤的非线性、群速色散( g v d ) 、偏振模色散( p m d ) 、各类串话及 第二章光纡光播豹制备 光纤光糯豹群时延纹波的c w t 如图2 8 所示 圈2 8经过切跹的稠啾光纤光栅的群时延纹波的小波变换阁 ( a ) 实测来切趾的光纤光摇( b ) 实测经过切趾豹光纤光栅 从图2 8 可以看出，实际上光纡光栅的群时延纹波豹周期分布要复杂的多。诲 多低频分薰随机的分布在熬个波长范围肉，覆盖并打氖了圈2 6 中所示的相对规则 和对称的周期分布。因此，可以推新除了光纤光栅端面的宽带反射以外，光纤光 襁的写入过程弓l 入了一种新的群时延纹波，它在光纤光栅上是随撬分布的，这是 写入光纤光瓣的隧视误差弓| 起的，下一节中我们对它进行专门讨论。 由以上的分柝可知，光纤光栅豹群融延纹波主要由端面的微弱宽带反射和光 绣光襁写入过程孛弓l 入的随机相位误差鼹种因素g l 起。这两种纹波产象原因不同、 周期分布的特性也不同，这羼把它们分别口q 做啁啾光绎光栅的基本纹波和隧机纹 波。 图2 8 ( b ) 中所示的韪实际测德豹经过切鞋的光纤光栅的纹波，与图2 。6 相比， 群时延纹波豹螓度减小了，褥且它的周期分布变褥更加的无序，这是因为由于端 面反射引起的基本群时延纹波被有效抑制，随机误差成为引起纹波的主要因素， 即便经过理想的切趾，群时延纹波依然存在。比较2 8 ( b ) 和图2 6 还可以发现，由 于增加了切趾，两个端颓之润形戒的 鹫振腔被破坏了，图2 8 中的高频分纛不再 是均匀分布的了，这也可以作为检验切趾效果的一个方法。实际上，切趾对随机 误差也有抑制作用，但问题更复杂一些，我们壁在后面专门讨论。 第三节啁瞅光纤光栅的干涉模型 藕合模理论是一种分析光纤光栅特性的常用工其【2 2 刊l 。由于常见的光纤光栅 的折射率变化都很小，可视为微扰，困我，对光纾芯区光场豹波动方程加入折射 率微扰，使本来几乎不影响的模式之闻发生互相耦合，就得到了光纤光栅的耦合 x 釜= 望整鎏 o f c 0 5 0 t h 0 1 。j 撕b f i 搬e ta l ，c n r z - 舯s 装触s u p p 揩蜮o no f x p m d 鼯猫黼h 锄a g 繇l o n 争 棚 o d t i c 越w d mt 豫n s m 扭s 主o no ns t 瓤一嚣ds 洳g l e - m o d ef i b e r ip h o 幻n i c s1 h n 硝o g yl e 嚣e 转， i e e e ，v 0 1 1 4 ，2 0 0 2 ，p a g e ：1 5 5 - 1 5 7 【ll 】秘。埔e v i c ，i _ b ；v a s i 岛b v t ，s a n k 8 r a n a f a y 鞠懿，s ，“r e 豁l a ra 嬲l r r 铭u l 神l o w d 搴n s 渺 p 越t y h e 。kc o 曲sf o fu l 锨- o 拜gh a 转轴i 螃喀争。e do p t i c a lc 。m 撙哪秘i c a t i o n s ：c 蝴s 勰e 螽。n 趟d p e r f o r m a n o ea n a l y s i 矿，o p t i c a if 辩。fc o m m u 戚c 8 t o nc o n f e r e n c e ，o f c 0 4 ，、，o l + l ，2 3 - 2 7f e b 2 0 0 4 ， 【1 2 】y a 融a b 毽y a s h i y ，馏m n t e e a 谐d 毛锄m i n gc o 如棘l i 辩昀糟p e a t e r e d t e f r e s t r i a ls d h 订a n s m i s s i o ns y s t e m s ”，e i e c t r o n ，l e 钍1 9 9 5 ，3 l ( 4 ) ：6 0 8 【1 3 l 。 h b w i c k s ，a r 。；r o s h e ep a ；b i c k e f s ，l ，；“l n g f a l l a t i o no f d i s p e 搭i o 建一s h l 蠢e 硅赶b r e 弦蛙艟8 强蠡 r l e mt m 嘛n e t w o r ee 1 嗽m n i c sh t t 嗡v 0 1 2 4 ，n o9 ，2 8a 删1 9 8 8p a g e ：5 3 6 5 3 7 i 4 孓c h a u d h 强m s ；c o m w o l l ，w d _ ；g r i g s b y ，r ；k h 躔d e p 甜k e r ，s ；己o t 斟d s 。；m 龇m ，d ， w d m 搬睡s m l s s i o 鞋l i m 如蛀。醛融n 鞠遗i s p e 瑙i 蜮建l f 撼娃拣d 拄z e 羚攥s 辨据i o n 照i 蠡e 矗 f i b 撺s ”，娃 醇s p e e da 1 1 dl o n gd l s t a n c et r a n s m i s s i o n ( r e n o 1 9 9 9 ，0 2 2 ) ，i 腮c o l i o q u i u mo n 2 5m a h1 9 9 9 ，p a g e ：1 8 l 1 8 4 【l 簿爨k 珏c h i ，n ；s 藏 n k + ；s 甚s 趣 ，s ，“弧p 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、蜘曲ikalle，n；morital。；tsuritaili，t；agat岛a。；edagawa，n；akiba，s；“benemo fs p m 。b a s e da l l - o p t i c a lr e s h a p e ri nr e c e v e rf o r l o n g - h a u ld w d m t 臆n s m i s s i o ns y s t e m s ”，s e i ec t e dt b p i c si nq u a n t u me l e c t r o n i e s ，i e e ej o u m a l o f ，v b l 。1 0 ，n o ：2 ，m a f c h a p r i i 2 0 0 4 ，p 8 9 e ：4 1 2 4 2 0 整塞窒叠盔矍整主誊整兰茎 “醚：鞲拓蛾酤ts a u f a b 艳拍s o 内科