（物理电子学专业论文）非线性光纤环境中信号传输分析及其应用研究.pdf

东南大学博l ：学位论文 摘晏 摘要 在以波分复用( w d m ) 、光码分多址( o c d m a ) 和微波光子通信为代表的新一代光通信技术 的推动下，光信号传输和处理技术得到飞速发展，对各类高速宽带光子器件的需求猛增。基丁：非 线性光纤环镜( n o l m ) 的全光纤器件具有结构简单、工作速度高以及控制灵活方便等待点将 在高速宽带光子器件中占有重要地位。论文针对n o l m 中存在着的高阶色散和偏振模色散( p m d ) ， 高阶非线性效应( 如交叉相位调制( x p m ) 、受激拉曼散射( s r s ) 暂) 以及控制光和信号光之问 的各类失配等现象，以n o l m 中信号传输及应用研究为主要内容，具有重要的理论和实际意义。 第一章介绍了以i p o v e r w d m 、光码分多址( o c d m a ) 和微波光于技术为代表的光纤通信系 统的整体发展方向以及高速光网络中关键光器件技术的发展状况；系统总结了n o l m 在全光信号 处理，光纤导航和定位系统、光通信等领域的主要应用；并总结了包括p m d 、x p m 、s r s 和抖动 等在内的主要因素对n o l m 性能影响的研究状况。 第二章基于非线性光纤光学，建立了单模光纤中考虑高阶色散和高阶非线性效应的光波传输 方程，推导和建立了双耦合器n o l m 中的光波传输模型和功率传输函数表达式，构建了n o l m 性 能分析平台，为开展n o l m 性能分析和基于n o l m 的光子器件设计奠定了基础。 第三章系统分析了n o l m 中p m d 、x p m 和s r s 对数字光脉冲和微波光载波传输性能的影响， 充分证明这些因素将导致较大的传输损伤。 第四章探究了可能引起双耦合器n o l m 中信号抖动的原因。建立了相关的分析模型，数值仿真分 析7 偏振失配对数字光脉冲和微波光载波，时间火配和相何火配对数字光脉冲性能的影响，f = 儿探讨 了波妖漂移的影响。 第五章提出和对比分析了n o l m 中p m d 补偿的技术方案，提出了基于h n f b g - n o l m 高速 光开关、基于d d f - n o l m 的高阶孤子压缩器和基于n o l m s s f b g 的o c d m a 编解码模块方案， 数值分析了它们的性能以及n o l m 在信号处理中的作用。 最后给出全文总结和主要创新点。 关键词：非线性光纤环镜( n o l m ) ；光信号处理；耦合非线性薛定谔方程( c n l s e ) ；偏振模色 散( p m d ) ；高阶色散；交叉相位调制( x p m ) ；受激拉曼散射( s r s ) ；信号抖动；全光开关：孤 子压缩 东南人学博t 一学位论文 a b s t r c t a b s t r a c t u n d e rt h ep r o m o t i o no fn e wg e n e r a t i o no ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d0 nw d l m 。 o c d m aa n dt h em i c r o w a v ep h o t o n i c s , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o nh a sb e e ng r e a t l ym a d e ，w h i c hw i l ld e f i n i t e l yr e s u l ti ng r e a td e m a n df o rp h o t o n i c sd e v i c e s a l l o p t i c a lf i b e rd e v i c e sc o n s i s t i n go f n o n l i n e a rf i b e rl o o pm i r r o r ( n o l m ) w i t hh i g l ls p e e da n ds i m p l ea s w e l la sc o n v e n i e n tc o n t r o l l 曲l es t r u c t u r e sh a v eb e e na t t a c h e di m p o r t a n c eo n ，a n dw i l lh a v ew i d e a p p l i c a t i o nj nt h ea r e a so fv a r i o u sc i v i la n dm i l i t a r ys y s t e m s a sw e l la s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s c o n s i d e r i n gt h ei m p a c t so fp 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 ) ，h i g h e r - o r d e rd i s p e r s i o n ，c r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ( x p m ) a n ds t i m u l a t e dr a m a ns c a r e r i n g ( s g s ) o f ft h eo p t i c a ls i g n a la l o n gw i t ht h e d i s m a t c b e sb e t w i nt h ec o n t r o la n ds i g n a lo p t i c a lf i e l d s t h eh i g i ls p e e do p t i c a ls i g n a li m p a i r m e n t sw i t h b u l 姆c a p a b i l i t yt r a n s m i t t i n gi nan o l m h a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h ep a p e rb e g i n sw i t l lad e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b a s e do nw d m ，o c ：d m aa n dt h em i c r o w a v ep h o t o n i c s ，a sw e l l k e yd e v i c e sa th i g hs p e e d ，a n d d i s c u s s e st h ec m r a n tr e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so f n o l mi uc h a p t e r1 i na d d i t i o n t h em a i nf a c t o r s i n c l u d i n gp m d , x p m ，s r sa n d j i t t e rw h i c hs h o u l di n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c e so f n o l m a r ca n a l y z e d i nc h a p t e r2 ，t h el i g h t w a v et r a n s m i s s i o ne q u a t i o n s i n c l u d i n gt h eh i g h e r - o r d e rd i s p e r s i o na n dt h e h i g h e r - o r d e rn o n l i n e a ri ns m fa 地g i v g nb f i s e do nt h en o n l i n e a rf i b e ro p t i c s ，t h e nt h eo p t i c a ls i g n a l t r a n s m i s s i o nm o d e l sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o nf u a c t i o ni nt h en o l mw i t ht w oc o u p l e r sa r ed e r i v e da n d e s t a b l i s h e d f i n a l l yt h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o ran o l mi sd e v e l o p e d w h i c hp r o v i d e st h ec o n v e n t i o n a l t o o if o ra n a l y z i n ga n dd e s i g n i n gt h en o l mb a s e dd e v i c e s i nc h a p t e r3 ，t h ei m p a c t so fp m d ，x p ma n ds r so no p t i c a lp u l s e sa n da n a l o go p t i c a lc a r r i e ri n n o l ma r en u m e r i c a l l ya n a l y z e d 。a n dt h et r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n ti n d u c e db yt h e s ef a c t o r si sp r o v e d i nc h a p t e r4 ，t h e o r e t i c a im o d e l so fs i g n a lj i t t e ri nn o l mw i t ht w oc o u p l e r sa r ee s t a b l i s h e d t h e i m p a c to f t h ep o l a r i z a t i o nm i s m a t c hb e t w e e nt h ec o n t r o la n ds i g n a lo p t i c a lf i e l d so nd i g i t a lo p t i c a lp u l s e s a n da n a l o go p t i c a lc a r r i e r , a n dt h ei m p a c to ft h et i m ea n dp h 蹴d i s m a t c h e so nd i g i t a lo p t i c a lp u l s e sa r e n u m e r i c a l l ya n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ei m p a c to f t h ew a v e l e n g t hd r i f ti sd i s c u s s e d i nc h a p t e r5 ，t h ep m d c o m p e n s a t i o ns o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d ，a n dt h eo p t i c a ls w i t c hw i t hh i g h s p e e db a s e do nh i g hb i m f f i n g e n c en o n l i n e a r - c h i r p e df b g - n o l m ( t i n - f b g n o l m ) ，i h eh i g l e r - o r d e r s o l i t o nc o m p r e s s o rh a s e do nd d f - n o l ma n dt h ee n c o d e r d e c o d e ri nt h eo c d m as y s t e mb a s e do n n o l m - s u p e r s t r u c t u r ef b g ( n o l m s s f b g ) a r en u m e r i c a l l ya n a l y z e d 1 ( e yw o r d s ：n o n l i n e a rf i b e rl o o pm i r r o r ( n o l m ) ，o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g , c o u p l e d n o n l i n e a r s c h r 6 d i n g e re q u a t i o n ( c n l s e ) ，p o l a r i z a t i o n m o d ed i s p e r s i o n ( p m o ) ，h i g h e r - o r d e rd i s p 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 ( x p m ) 。s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，s i g n a lj i a e ga l l o p t i c a l s w i t c h ， s o l i t o nc o m p r e s s i o n i i 东南大学博士学位论文专业名词中、英文简写对照 c f b g c n l s e c r z d d f d f b d s f d g d d w d m e d f a f b g f r a f w h m f w m n r z g v d h n f b g n o l m o a d m o c d m a o x c p m d p m f p s p r z s b s s o a s p m s r s s s f b g s s f m w d m x p m 专业名词中、英文简写对照 啁啾布拉格光栅 耦合非线性薛定谔方程 啁啾归零码 色散渐减光纤 分布式反馈 色散位移光纤 差分群时延 密集波分复用 掺铒光纤放大器 光纤布拉格光栅 拉曼光纤放大器 半高全宽 四波混频 非归零码 群速度色散 高双折射非线性啁啾布拉格光栅 非线性光纤环镜 光分插复用器 光码分多址 光交叉连接器 偏振模色散 保偏光纤 主偏振态 归零码 受激布里渊散射 半导体光放大器 自相位调制 受激拉曼散射 超结构布拉格光栅 分步傅里叶方法 波分复用 交叉相位调制 i 东南人学博i 。学位论文图形索0 i v 东南大学博十学位论文表格素弓 表格索引( l i s t o f t a b l e s ) 1 东南大学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己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：酗雄萄l 日 期：2 业3 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：麦蝴辉导师签名：垫：塞目 第一章绪论 第一章绪论 随着信息化时代的到来，人们对信息需求与臼俱增，建设高速大容鼍的宽带通信网络已成为现 代通信技术发展的必然趋势。光纤具有高带宽低损耗的优点，是实现高速大容量通信最理想的传 输媒质。并且随着w d m 技术的发展。光纤带宽资源的潜力得到了进一步的挖掘，在根光纤中 已经能够传输数百g b i t y s 到数t b i 协速率的信息，成为下一代光网络的基础1 1 , 2 1 。 怎样充分利用光纤所能提供的带宽资源，同时允许更多的用户共享网络通道( 即多址接入) ， 已成为光纤通信领域的一大问题，而解决这一问题的有效方法之一就是采用光码分多址( o c d m a ) 接入技术”4j 。o c d m a 是一种扩频技术，它将信息码元在时域或频域直接对光载频进行编码，从 而实现多用户问全光多址通信。o c d m a 避免了网络协议的排队延迟，可以实现高速信息传输和 快速异步信息接入。此外o c d m a 技术还具有保密性好，抗干扰能力强的优点。用o c d m a 技术 组建的全光网络，组网灵活，易于扩展新的用户。 微波通信能够向任意方向发射，易于构建和重构，可以实现移动和手提设备的互连；而且它的传输 成本低，采用蜂窝式系统使其具有高效的频率利用率。但是由于微波传输介质对高频微波长距离传输时 损耗很大，从而导致微波通信的高频扩展受限；此外，电磁辐射对人体安全的影响也越来越得到人们的 关注。而光纤通信具有超宽带低损耗、无有害辐射的特点，其主要问题是不能移动，而且目前终端费用 较为昂贵。随着高速长距离信息传输需求的急剧增长和微波学与信息光学的优势结合，形成了一rj 新学 科微波光子学。微波光子通信是一种采用模拟微波信号对光载频进行调制，并通过光纤链路传输剑 接收端进行接收解调的新兴通信技术i ”。微波可以提供低成本可移动的无线接入方式，而光纤可以提供 低损宽带、无辐射、抗电磁干扰的保密传输，两者的有机融合使g q - 光电通信系统达到最优化。 为了满足高速宽带光网络发展的需求，各类光子器件获得飞速发展。其中，基于非线性光纤环 镜( n o l m ) 的全光纤器件9 1 具有结构简单、控制灵活方便、工作速度高等优点，得到了日益广泛的 应用。 1 1 高速光网络技术及其关键器件的发展 1 1 1i po v a l w d m 光网络技术 近年来，全球网络带宽需求的年增长率高达5 0 到1 0 0 ，我国在过去几年里的干线业务量和 带宽需求的年增长率更是超过了2 0 0 ，巨大的需求推动了以w d m 技术为代表的光通信技术的持 续进步和快速发展f j 。w d m 概念提出于上个世纪8 0 年代，到9 0 年代中期已经在北美市场形成一 定的应用规模。w d m 技术1 9 9 7 年开始在国内投入实用，现在已经比较普遍地应用于我国的骨干 光纤网络。 w d m 技术充分利用了光纤低损耗波段巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输时 增加数十倍至上千倍，极大地增加了光纤的传输容量，降低了单位比特的传输成本，具有很高的 经济价值。由于w d m 技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输多种不同类型的信号，实现 多媒体信号混合传输。并且由于w d m 通道与信号速率及调制方式无关，易于扩容，通过增加一 个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。 近年来，w d m 技术取得了突飞猛进的进步。单信道4 0 g b i t s 的系统已经开始商用| 8 j ，而实验 系统的单信道速率已经突破1 6 0 g b i t s 1 9 j 。在增加波长数目方面，8 、1 6 和3 2 信道的w d m 系统已 经大范围使用，1 0 0 信道的系统也已开始商用，而在实验室中已经实现1 0 2 1 信道复用“j ，其信道 东南人学博1 学位论文 间隔2 5 g h z i 川。波长范嗣也从c 波段向l 波段和s 波段扩展，而未来的w d m 将扩展剑全波长窗 口( 1 3 1 m - 1 6 1 m a ) 1 1 1 光接口 图i 1 1 光网络分层结构 根据g 8 7 2 通信协议，光网络从上到下可划分为光通道层( o c h ) 、光复用层( o m s ) 和光传 输层( o 下s ) ，各相邻层是客户，服务关系，如图l ，1 1 所示。在o c h 之上可以承载各种业务，如 s d h s o n e t 、i p 或者a t m 等。现在的发展趋势是尽量减少这种结构分层，实现由业务层到物理 层的直接过渡，实现i po v e rw d m 。 图11 2i p o v e l w d m 分层模型( a ) 和网络结构( b ) i p o v e t w d m 是一个真正意义上的链路层数据网，其分层模型和网络结构如图1 1 2 所示。它 具有以下的优点“i i ： ( 1 ) 由于i p 业务直接在光纤上传输，简化了网络层次，减少了网络设备和网络管理的复杂性， 提高了网络传输效率。并且通过流量工稃设计，可以与不对称业务匹配。 ( 2 ) 对传输码率、数据格式以及调制方式透明，可以传输不同制式、不同码率的a t m 、s d h s o n e t 和以太网业务； ( 3 ) 不仅可以与现有的通信网络兼容，还可以支持未来的网络升级，并且具有生存性高的特点。 1 1 2o c d m a 光网络技术 当前光网络的发展已从原来的关注核心传输容量，逐渐转向注重核心网与边际网络的面向服 务层的密切联系和协调发展，即从发展初期的网络层面的传输连接更多地转向为用户提供接入服 务。作为第三代和第四代移动通信的技术基础，c d m a 已经对移动通信事业的发展做出了重大的 贡献。c d m a 技术具有许多优于其它技术的特点，如在提高系统的容鼍方面具有显著的优势，能 够很好地解决移动通信系统中的抗干扰和抗多径衰落的问题。但由于卫星通信和移动通信中的带 宽限制，尚未充分发挥c d m a 技术的优点。光纤通信具有丰富的带宽资源，能很好地弥补这个缺 陷，将c d m a 技术应_ j 于光纤系统中能充分利用光纤的巨大带宽。c d m a 技术与光纤通信的结合 不仅能充分发挥其技术本身的优点，而且是c d m a 技术发展的必然趋势。早在8 0 年代中期，国外 就有专家对o c d m a 系统进行了研究，近年来已经成为一项备受瞩目的热点技术。 2 霸 第一章绪论 光网络 图1 1 3o c d m a 系统结构图 o c d m a 的系统结构如图1 1 3 所示。其优点主要包括： ( 1 ) o c d m a 技术可以实现光信号直接复用与交换，使传输速率可达t b i t s 数量级。并且能够动 态分配带宽资源，使得网络扩展和升级变得相对容易，网络管理也相对简单，非常适合于实时、 高突发、高速率和高保密的通信业务。 ( 2 ) 通过给用户分配唯一正交码字实现多址通信，可在无交换中心的情况下实现点到点以及点到 多点的广播式通信，并且一个节点的故障不影响系统中其他的节点，用户可随时随地接入，无须 同步，时延也很小。 ( 3 ) 具有很高的保密性和可靠性。在o c d m a 系统中对每个用户分配唯一的地址码，必须采用与 发送方完全匹配的地址码解码才能得到正确信息，否则得到的将是白噪声。 ( 4 ) 在光域的信号处理相对简单，不像w d m 系统那样要求严格控制波长，也不需像o t d m 系 统那样要求严格的时间同步。在多用户随机接入同一个信道时，不要求波长可调和波长稳定器件， 对光源性能要求比较低，而且o c d m a 系统很多器件与现有光网络成熟的器件可以通用，这样就 极大地降低了整个系统的成本。 ( 5 ) 可以承载多种数据业务，并且实现对传输速率的完全透明。o c d m a 系统的拓扑结构灵活， 具有交叉连接( o x c ) 能力，可构成真正“透明”的全光通信网。 但是要完成实用的、经济的o c d m a 系统，还将面对一系列的技术挑战。目前影响o c d m a 实用化的主要障碍有： ( 1 ) 光正交码构造。 构造出高自相关性，低互相关性的大容量光正交码系是o c d m a 技术应用的重要前提。目前 已有的光正交码系的效率( 印一个光正交码系码字数量占同等长度所有码字数鼍的比例) 仍然很 低，而且随着码字长度的增长其效率愈发低下。另外目前的多维光正交码系的构造算法还不够完 善。 ( 2 ) o c d m a 技术中码间干扰 o c d m a 系统中，光信号具有宽谱、信道公用等特点。由于光纤中的色散和非线性效应使得 o c d m a 系统产生码间串扰，而且在码字构造上( 如自、互相关性不理想) 也可能使o c d m a 系 统产生码间干扰。另外o c d m a 系统中的探测器和阀值门限器等也可能产生误判从而恶化系统的 误码率。 ( 3 ) 双极性o c d m a 系统 相对于单极性o c d m a ，双极性o c d m a 技术有着诸多的性能优势，如能量利用率商、抗干 扰能力强等。但是在如何实现双极性o c d m a 方面仍然存在诸多问题：如怎样调制光信号以实现 双极性传输，而且目前的双极性编解码器技术离实用化还有相当一段距离。最近，基于超结构光 纤布拉格光栅( s s f b g ) 技术的双极性o c d m a 编解码器得到了业界的重视 l ”“。其优越性在于 使用一个s s f b g 即可对一路光脉冲信号进行时域编解码，不仅结构简单，而且性能明显优于多 条延迟线结构或者光栅一掩膜板结构的时域编解码系统。目前，基于s s f b g 技术已经实现了5 1 1 个码片的o c d m a 时域编懈码”“。 3 东南人学博卜学位论文 应用层 ( a t m 、s d h 、l p 等) o c d m a 层 w d m 层 物理层 图1 i 4o c d mo y g l w d m 分层模型 由于o c d m a 本身是广播型的，所有的信息都要传送到网络的各个部分，因此晟适用于本地 网。然而通过与w d m 的融合，o c d m a 的应用领域可扩展到通信结构中的传输层。o c d mo v e i w d m l t 8 , 1 9 技术指的是在w d m 每一个波长信道采用o c d m a 接入。在o c d mo v j e rw d m 光网络 中，整个频谱被分割成许多子带，每个子带再进一步利用光扩频技术，把低比特率的用户分配给 不同的码字，然后再复用到子带上去。o c d mo v e rw d m 光网络具有以下的优势： ( 1 ) 使用波长与码字两个自由度的复用体系，定义了比纯粹w d m 网络更多的光通道； ( 2 ) 允许接入更多的地址，支持变化的比特率服务( 即比特率透明) ； ( 3 ) 可以有效地减少非线性效应的影响，并且可以通过引入高峰值功率脉冲来拓宽这个限制； ( 4 ) 提供灵活的异步接入技术，无须时间同步； ( 5 ) 可以提高w d m 系统信息传输的安全性： ( 6 ) 可以很方便地通过增加子网的数目实现网络扩展； ( 7 ) 高容量、低应用复杂性。 1 1 3 微波光子通信技术 微波电子学与光子学的结合孕育了微波光子学，这是光、电技术在高层次上的融合，在电磁波 动理论基础上的统一。它能充分发挥两种技术的特长，相辅相成，使整个光电通信系统达到最优化。 作为研究微波毫米波波段的高速光子器件及其在微波光波通信系统中应用的一门新兴边缘 学科，微波光子学的主要研究方向包括： ( 1 ) 光载微波信号对微波半导体器件或功能组件的控制技术。包括微波振荡器的光控注入锁定技术， 空间多路棍频的本振馈电技术。此时的光波是作为微波信号的载体，其实质仍是一个微波( 参考) 信号 对另一个微波有源组件的控变作用。 ( 2 ) 微波一光纤链路系统( r o f ：r a d i oo nf i b e r ) 2 0 - ” ，这是目前微波光子学研究以及应用展广泛 的领域。r o f 系统结合微波和光纤通信的优势，使射频微波在光纤中实现了低损、低信道串扰的 宽带传输。其主要应用包括：r o f 无线局域网、r o f 天线遥感、r o f 宽带视频网络年i r o f 无线个人 通信网等。 ( 3 ) 光控相控阵天线”“i 。相控阵天线具有可靠性高、探测力强、误差小、扫描速度快和抗干扰 力强等特点，广泛应用于雷达和通信领域。在军事上对提高相控阵雷达的瞬时带宽，以及在移动 通信系统对智能相控阵天线的需求，导致了光拧相控阵天线的出现。光控相控阵天线不但消除电 相控阵天线的波束倾斜效应，还能够大幅度减轻相控阵雷达的体积和重量，是机载相控阵雷达的 理想选择。 ( 4 ) 微波、毫米波信号的光致产生技术，包括重复频率为微波、毫米波频率的高峰值、无抖动、时间 可控的纳秒脉冲与连续信号的产生及其廊用( 如开关与门电路和采样等) ，以及具有特殊形的微波纳秒 脉冲串的产生；还可用脉冲激光源通过光电导产生纳秒脉冲，激励高o 微波谐振腔产生微波、毫米波信 4 第一章绪论 号：以及用飞秒激光脉冲在半导体或晶体上激发出t h z 频谱的电磁脉冲。 微波信号的光控技术和电控技术相比的优点是；控制光源与被控制微波器件间具有接近理想的相互 隔离，消除了空间与电路中的电磁干扰与信号串扰；以光纤替代笨重的射频馈电网络，可以达到重量轻、 低成本、低损耗、宽频带、高可靠性；光控电路体积小、结构紧凑，可与m mi c 兼容和集成，构成o m m i c 或光电子集成电路；可达到高稳定、无抖动、超快速的光控响应。 ( 5 ) 光信号对微波半导体器件或组件的直接控制技术，包括光控捷变频微波振荡器、光控微波放大器、 光控微波移相器与衰减器、光控高速微波开关以及图像( 光) 信号对微波发射源的直接调制技术等。 ( 6 ) 微波场对光的控变作用，包括微波信号对激光源的内调制和外调制技术，m mi c 和微带天线内部 场结构、电路性能及端接阻抗的探测。 ( 7 ) 此外，微波光子学的研究领域还包括光模数转换( o a d c ) 1 2 5 2 6 t h z 系统p “1 等，这些技 术目前还处于研究阶段，尚未能实用化。 构成微波光子通信传输链路的主要部件为传输光纤、发送调制解调单元以及包括宽带光开关、 o t d m 和w d m 器件在内的各种光信号处理单元。其中，基于n o l m 的全光纤开关结构简单，控制 灵活方便，可实现宽带微波光载波的信号处理。 1 1 4高速光网络中关键光器件技术 光纤通信技术的高速发展在很大程度上得益于光器件的进步，新型光器件的出现和现有光器件 性能的进步都使得光纤通信网络性能获得提升甚至整体升级。其中关键的高速光器件技术主要有 光开关、光纤激光器和光波长转换器等。 1 1 4 1 光开关 高速光开关主要用于光交换、波跃适配和光再生等领域，其中最主要有半导体光开关( 如s o a ) f 3 0 1 l 和全光纤开关( 如n o l m p 知1 1 ) 等。半导体光开关体积小，便于集成，缺点是其载流子生存 周期较短，因而速度受限制o ”】。n o l m 是一种全光纤开关，在一些实验中已经达到1 6 0 g b i t s 以上 p ”，其缺点主要是体积太大，不能集成。 1 1 4 2 光纤激光器 在光纤放大腔内加入适当的光反馈机制后，任何的光放大器都可以转化为光纤激光器。光纤激 光器的腔型有多种f q 。最常见的如f - p 腔，其损耗非常小， 0 0 yw 的泵浦功率就可以达到激光 阈值，但是这种腔调整困难，对光纤端面要求极高。克服这一缺陷的改进措施主要有三种：第一 种方法是使用定向耦台器，第二种方法是直接在光纤上刻写光栅作为腔镜，第三种方法是使用 n o l m i 卅。因为n o l m 环形腔能够单向输出而经常用于激光器系统，它通常具有8 字形结构，其 优点是不用添加任何附加元件( 如饱和吸收体) 就可以实现被动锁模。 1 1 4 3 光波长转换器 波长变换器是充分发掘现有光通信设备的潜力，实现波分复用( w d m d w d m ) 通信网的必要 手段，也是解决未来全光网中波长路由竞争的关键器件。w d m d w d m 网络相互之间的交叉互连 是提高网络通信容量并增强其灵活性的必要措施，而有效的波长转换可以防止波长阻塞，使波长 5 东南人学博f 学位论文 得以重复利用，提高网络管理的灵活性。同时，波长变换技术的进展对f 光分插复用( o a d m ) 、光 交叉连接( o x c ) 以及全光网( a o n ) 的发展也有极其重要的推动作用。 全光波长转换的方法主要有利用半导体光放大器( s o a ) 一1 中的交叉增益调制( x g m ) 和x p m 或者四波混频( f w m ) 效应的技术，以及n o l m 技术”等。对于：基于s o a 的波长转换，由于s o a 中载流子的生存周期较短，馒转换速度受到限制，而且转换信号的消光比小i “。非线性光纤环镜 型波跃变换器是利用光纤的s a g n a c 干涉原理和光纤中的交义相位调制产生的非线性相移实现波长 变换，具有超过皮秒级的响应速度，并且可以通过延长非线性作用长度或者增强非线性系数以减 小输入功率。因此，n o l m 是一种很有前途的全光波长转换装置。 1 2 n o l m 原理和主要应用 1 2 1n o l m 原理 1 9 8 8 年英国伯明翰a s ) o n 大学科学家d o r a n nj 发明了一种新型的光纤器件，由于它是利用光 纤的非线性效应工作的，因而得名非线性光纤环镜( n o l m ) l ”j 。 输 反 透 n o l m 的基本结构如图1 2 1 所示，它包括一个x 形的四端e l 光纤耦合器和一个光纤环。输入 光场a 。经耦合器后被分成两束反向传播的光场a 。和a 。它们绕环一周后再次回到耦合器处耦合 输出。由于k e r r 效应，不同强度的光脉冲在光纤中传播时得到不同的相移，强度越高相应的非线 性相移也就越大。因此，环内两光束的相位在绕环一周后发生不同的改变，再次耦合输出时将会有 一部分光( a 。) 继续传播而另一部分光( a ，) 被反射回去，从而实现其强度滤波特性。 n o l m 的一个最主要的参数功率传递函数为( 仅考虑g v d 和s p m 效应) p 9 j ： l = 鲁= 蔚a 2 = 一2 坟t 。t - + c 。s m 之铆只 c m 式中，p o 和p 1 分别为n o l m 输出和输入的瞬时光功率，l 为光纤环的总长度，f 是耦合器的分光 比，为光纤的非线性系数a 可以看出，7 r m 是一个随输入功率变化的余弦函数，并且当f = 0 5 时， t m ；0 。 6 第一章绪论 1 2 2n o l m 的主要应用 n o l m 在光通信和导航领域有着广泛的应用，其中主要包括用于光通信的无源器件和有源器 件以及光纤陀螺仪等。 1 。2 2 1 基于n o l m 的光无源器件 ( 1 ) 光开关与脉冲整形 由于n o l m 具有强度滤波特性，可以用作光开关。n o l m 光开关具有损耗低和开关速度极高 的特点阻恻。目前，n o l m 的工作速度在一些实验申已经达到1 6 0 g b i t s 以上f 。j 。光纤中传输的光 脉冲通常都伴随有很宽的基座，这对于高速光纤通信是很不利的。由于n o l m 的强度滤波特性， 我们可以将其设计成通过强度高的脉冲中心部分而阻塞强度低的基座部分以除去脉冲的基座 1 4 1 4 3 。此外，n o l m 也可以用于扼制短脉冲演化过程中所产生的低强度的高阶色散波刚j 和自发辐 射( a s e ) 噪声m m j 。 ( 2 ) 全光波长转换器 波长变换器是充分发掘现有光通信设备的潜力，实现w d m d w d m 通信网的必要手段，也是 解决未来全光网中波长路由竞争的关键器件。w d m d w d m 技术可以充分利用光纤带宽，提高光 纤传输容莺。波分复南网络相互之阈的交叉互连是提高两络通信容建并增强其灵活性的必要措施。 有效的波长转换可以防止波长阻塞，使波长得以重复利用，提高网络管理的灵活性。同时，波长 变换技术的进展对于光分插复用( o a d m ) 、光交叉连接( o x c ) 以及光智能网( a s o n ) 的发展也有 极其重要的推动作用。 全光波长转换的方法主要有基于介质中的四波混频( f w m ) 效应、d b r 激光器、半导体光放 大器( s o a ) 中交叉增益调制( x g m ) 效应和x p m 效应，以及n o l m 技术等。其中，目前最常 用的是基于四波混频( f w m ) 效应、s o a 和n o l m 技术。 基于四波混频效应的波长转换，具有工作速度高、对信号的备种调制方式透明的优点。但是它 的波长转换范围小( 几g 扬) ，转换效率低( 2 0 d 曰) ，要求输入信号的功率比较高( 0 一l o d b m ) 1 4 “。 对于基于s o a 的波长转换，其优点是结构简单、易于实现，与偏振无关。但s o a 波长转换器 存在三大缺点1 3 4 j 8 1 ： 1 、s o a 中载流子的生存周期较短，使转换速度受到很大的限制，同时转换信号的消光比( e r ) 小； 2 、s o a 会引入一定的自发辐射( a s e ) 噪声并产生频率啁啾( c h i r p ) ，不利于多级级联和长距离 传输； 3 、s o a 转换后的信号与原来的信号是反相的，给使用带来了一定的不便。 n o l m 全光波长转换利用光纤的k e r r 效应，具有耦合效率高、变换速率快( p s 级) 、结构简 单和全光纤化等优点，并且可以通过延长光纤1 线性作用的长度以减小输入功率，是实现全光波 长变换的首选方案“。 7 东南人学博 学位论文 图1 2 2n o l m 全光波长转换原理图 n o l m 全光波氏转换的原理结构如图1 2 2 所示目引。它根据光纤的s a g n a c 干涉原理制成 包括个3d b 的分光比f = 0 5 的输入输出耦合器l 和一个控制脉冲输入耦合器2 。其光纤环由 色散位移光纤( d s f ) 构成。被转换的连续波由耦台器l 耦合进光纤环，波长与泵浦波不同的控制 脉冲信号由耦合器2 耦合入光纤环，输出的信号脉冲经过可调光溏波器( o f ) 滤除控制信号后输 出。在控制信号输入端、连续波输入端以及光纤环上均有偏振控制器以保证偏振方向的一致。当 无控制信号输入时，连续波输入后分成反向传播的两束光，沿环路传输一周后具有相同的相移， 这两路连续波分量在耦合器l 再次耦合后全部反射回输入端，这时的n o l m 相当于一个全反射镜。 如果通过耦合器2 引入控制光脉冲，其传输方向与顺时针传播的连续波分量一致。n o l m 的平衡 被打破，与控制光厨自传输并在时域上相互叠加的顺时针方向的连续波分量由于x p m 作用，产生 附加相移。这样的结果是顺时针和逆时针传播的连续波分量之间的相移不同，若两者之间的相移 差为7 r 的奇数倍，耦合后将有被转换后的信号脉冲输出。同时，在d s f 中控制光通过x p m 效应 调制顺时针传播的连续波分量，使之产生频移，从而实现了波长盼转换。 n o l m 波长转换的主要缺点1 5 “l 是所需的输入信号的功率要求很高，色散位移光纤( d s f ) 也 比较长，对偏振敏感，输出脉冲有展宽现象。另外。n o l m 波长转换器受外界环境因素影响比较大。 增丈输入连续波的功率有利于改善转换信号的信噪比并减少n o l m 对环境的敏感度，但当控制脉 冲在功率增大到一定程度后会产生s r s ，它会导致信号脉冲出现丈的抖动。因此控制脉冲的功 率必须适当选取。 n o l m 波长转换器存在的另一个问题是由于非归零( n r z ) 码的信号脉冲比较宽，控制光信 号与泵浦光反向传输时所引起的相移不能忽略，因而对n r z 码的转换不易实现i ”j 。为提高n o l m 波长转换器的性能，研究人员改进了光纤环的s a g n a c 结构，让两柬光在环路传输后经过一段不同 的路径，称为延伸段。并且通过调节压电陶瓷改变延伸段的长度来控制相移，以达到最大的输出 功率和最大消光比( e r ) 1 ”。目前，基于n o l m 的波长转换器已经实现了0 5 p s 脉冲的2 6 n m 波 长转换i “】。 ( 3 ) o t d m 系统的时分解复媚 全光时分信号解复用是高速光纤通信网络的核心技术之一。n o l m 可将光纤通信系统主信道 8 第一章绪论 数十至数百g b i i s 的信号分配到若干个次信道，而每次开关所需的控制脉冲能量仅l p j 左右，并且 无走离效应的影响。 厂、 八八厂、厂、，、- 厂、 图1 2 3n o l m 解复用原理图 n o l m 时分信号解复用的基本原理如图l | 3 3 所示f 5 ”，其耦合器的分光比f = 0 5 。当无控制 脉冲输入时，对称的n o l m 相当于个全反射镜，o t d m 输入信号被全部反射。当控制信号输入 时，控制信号与顺时针传播的输入信号分量之间的x p m 效应使顺时针传播的信号光束产生附加相 移。如果使附加相移为万的奇数倍的话，此时的n o l m 将变为全通从而实现多通道光纤通信 系统的时分信号解复用。 n o l m 时分信号解复用器的一个主要缺陷是由于普通石英光纤的非线性小。导致控制脉冲所 需的功率长度积较大( l w k m ) 。如果控制脉冲功率为1 0 0 m w ，那么光纤环的长度就要有l o k m 以上，这么长的光纤不仅损耗大、非线性效应积累强而且显得极不紧凑。为了降低功率长度积， 通常在光纤环上添加一个半导体光放大器( s o a ) 。s o a 能使硅光纤非线性增强约1 0 8 倍，从两极