（通信与信息系统专业论文）基于光纤光参量放大的全光判决技术研究.pdf

中文摘要 在长距离超高速光通信网络中 光信号在传输过程中的恶化是一个必须解决 的问题 全光3 r 再生技术能克服电再生技术的不足 是全光网络中保证传输质 量的一种有效方法 全光判决技术是实现全光3 r 再生的一项关键技术 基于光 纤光参量放大的全光判决技术 具有光纤中相应速率高且可以同时对多波长信号 进行并行处理的优点 是实现多波长3 r 再生技术的重要突破点 本论文对基于 光纤光参量放大的全光判决技术进行了研究 并提出一种用于多波长全光判决的 可行方案且加以实验验证 主要包括以下内容 在建立光纤参量过程理论模型的基础上 对光纤光参量放大的增益特性与输 入输出特性进行分析分析 针对基于强度调制的时钟泵浦光光纤光参量放大的光 开光特性进行了理论分析 并进行了双信道1 0 g b s 码型变换实验以验证其光开 关特性 利用强度调制的时钟泵浦光 基于光纤光参量放大进行了单波长1 0 g b s 全 光判决实验研究 从输入信号波长 输入信号传输距离及输入信号的信噪比三个 方面 详细的考查了基于光纤光参量放大的全光判决系统的再生性能 实验结果 表明 该全光判决系统允许的输入波长范围为泵浦光波长间隔4 n m 的范围内 同时在信号传输5 0 k m 后仍然能够大幅改善恶化信号质量 当输入信号信噪比在 3 1 0 d b 内时 判决系统可以提供至少8d b 的信噪比改善 为了解决在多波长3 r 再生系统中面临的信道间相互干扰的问题 提出采用 相位调制的时钟泵浦光对输入恶化信号进行判决 以抑制强度调制的时钟泵浦光 间因强度起伏引起的克尔效应如交叉相位调制 x p m 等 减少信道间干扰 同时采用相邻信道偏振正交的方法 进一步抑制信道间的四波混频 f w m 作 用 进行了异步双波长1 0 g b s 全光判决实验进行实验验证 实现将经3 0 k m 传 输后的恶化信号的信噪比改善了3 5 d b 关键词 全光3 r 再生全光判决多波长全光判决光纤光参量放大 a b s t r a c t i nt h eh i g h s p e e dl o n gh a u lo p t i c a ln e t w o r k s t h ep r o b l e mo ft h es i g n a l d e t e r i o r a t i o nd u r i n gt h et r a n s m i s s i o nm u s tb es o l v e d a l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n a s i sa b l et oo v e r c o m et h ed e f e c t so fe l e c t r o n i cr e g e n e r a t i o nm e t h o d i sa ne f f e c t i v e t e c h n o l o g yt o e u s u r et h et r a n s m i s s i o nq u a l i t yo ft h ea l l o p t i c a ln e t w o r k a o n a 1 1 o p t i c a ld e c i s i o ni s o n eo ft h ek e yt e c h n i q u e st ot h er e a l i z a t i o no fa l l o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o n a l l o p t i c a l d e c i s i o n t e c h n i q u e b a s e do nf i b e r o p t i cp a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o n f o p a w i t ht h eu l t r a f a s tr e s p o n s e a n dt h ea b i l i l t yo fp r o c e s s i n g m u l t i w a v e l e n g t hp a r a l l e ls i g n a l sa t t h es a m et i m e i sc o n s i d e r e da sa ni m p o r t a n t b r e a k t h r o u g hp o i n to fm u l t i w a v e l e n g t h3 rr e g e n e r a t i o n i nt h i st h e s i s a l l o p t i c a l d e c i s i o nt e c h n i q u eb a s e do nf i b e ro p t i cp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o ni si n v e s t i g a t e d o n e n o v e lm e t h o do fm u l t i w a v e l e n g t ha l l o p t i c a ld e c i s i o ni sa l s op r o p o s e d b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h et h e o r e t i c a lm o d e l sf o rt h ef o p a t h eg a i n c h a r a c t e r i s t i c sa n di n p u ta n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o p ai sa n a l y z e d t h e o p t i c a ls w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o p au s i n gt h ei n t e n s i t ym o d u l a t e dc l o c k p u m pi si n v e s t i g a t e d a n dad u a l c h a n n e l 10 g b sa l l o p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t c o n v e r s i o ni sd e m o s t r a t e de x p e r i m e n t a l l yt ov e r i f yi t sp e r f o r m a n c e s i n g l ew a v e l e n g t h10 g b sa l l o p t i c a l d e c i s i o nb a s e do nt h ef o p au s i n gt h e i n t e n s i t ym o d u l a t e dc l o c kp u m pi si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h ep e r f o r m a n c eo f t h ea 1 1 o p t i c a ld e c i s i o ns y s t e mi se v a l u a t e di nd e t a i lt h r o u g ht h r e ep a r t so ft h ei n p u t d e t e r i o r a t e d s i g n a li n c l u d i n gt h ew a v e l e n g t h t h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c eb e f o r e r e g e n e r a t i o na n d t h es i g n a lt on o i s er a t i o s n r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n p u ts i g n a l q u a l i t yi sa b l et ob ei m p r o v e da f t e rt h ea l l o p t i c a ld e c i s i o na sl o n ga st h ei n p u ts i g n a l w a v e l e n g t hi sw i t h i nt h er a n g eo f4 n m f r o mt h ep u m pw a v e l e n g t h t h ei n p u ts i g n a l w h i c hi sd e t e r i o r a t e db ye v e n5 0 k mt r a n s m i s s i o nc a na l s ob er e g e n e r a t e d as n r e n h a n c e m e n to fa tl e a s t8d bc a nb eo b t a i n e dw h e nt h es n r o fi n p u ts i g n a li sw i t h i n 3 1 0 d b an o v e ls c h e m eo fm u l t i w a v e l e n g t ha l l o p t i c a ld e c i s i o nb a s e do nf o p ai s p r o p o s e d i no r d e rt or e d u c et h ei n t e r a c t i o n sa m o n gt h ec h a n n e l sd u r i n gt h e m u l t i w a v e l e n g t h3 rr e g e n e r a t i o n t h ep h a s em o d u l a t e dc l o c kp u m pi n s t e a do ft h e i n t e n s i t ym o d u l a t e dc l o c kp u m pi s u s e di nt h ef o p at os u p p r e s si n t e r a c t i o no f d i f f e r e n tc h a n n e l sc a u s e db yt h ek e r re f f e c t sl i k ec r o s s p h a s em o d u l a t i o n x p m m e a n w h i l e t h ep 0 1 a r i z a t i ns l a t e ft h ea d j a c e n t c h a n n e l sa r es e tt o b e n h g n a lt f u n h e rr e d u c ef o u r w a v em i x i n g f w m e f f e c ta m o n gt h e c h a n n e l s a s y n c h r o n o u s d u a l 啪v e l e n g t h10 g b sa l l o p t i c a ld e c i s i o ni sd e m n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y a n dt h e s n r ft h ei n p u s i g n a lt h a ti sd e t e 腻i dt h r o u g h3 0 k mt r a n s m i s s i ni ss u c c e s s f u l l y i m p r o v e db y3 5 d ba f t e rr e g e n e r a t i o n 觚y w o r d s a l l p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n a 1 1 o p t i c a id e c i s i n m u l t i w a v e l e n g t h a l l o p t i c a ld e c i s i o n f i b e ro p t i cp a r e m e t r i ca m p l i f i c a i o n 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展 第一章绪论 自2 0 0 0 年以来 随着互联网技术的迅速普及 人们对通信带宽的需求与日 俱增 以互联网为代表的数据业务更是呈现出前所未有的高速增长 据中国互联 网络信息中心 c n n i c 2 0 0 9 年1 月的调查报告显示 l j 截至2 0 0 8 年1 2 月 3 1 日 中国网民规模达到2 9 8 亿人 普及率达到2 2 6 网民规模较2 0 0 7 年 增长8 8 0 0 万人 年增长率为4 1 9 这是继2 0 0 8 年6 月中国网民规模超过美国 一举成为全球第一之后 中国的互联网普及再次实现飞跃 赶上并超过了全球平 均水平 由图1 1 可以看出 中国网民规模依然保持快速增长之势 而且在可见 的将来 以3 d 网络游戏 i p t v 可视电话 远程医疗 远程教育 视频会议 手机电视等为代表的下一代业务的出现和普及将使得网络从传统的语音 数据分 离业务向语音 数据和图像相结合 向多媒体视讯化方向发展 并且带来网络带 宽需求的爆炸式增长 图1 12 0 0 0 2 0 0 8 年中国网民规模与增长率情况 与之相应的是 随着以w d m 与e d f a 技术为标志的第四代光纤通信系统的 逐步成熟 光纤的传输容量不断增加 近年来以1 0 0 g 技术为代表高速光传输技 术研究成为国际上的研究热点 第一章绪论 2 0 0 5 年 利用光时分复用技术 o t d m 以及偏振复用的四相位差分相移 键控 p m d q p s k 的调制方式以实现的高速率传输实验中 单波长信道的传输 速率已经达到2 5 6t b s 2 1 而2 0 0 7 年 基于波分复用技术的系统传输容量已经 达到2 5 6t b s 3 o2 0 0 8 年 单纤容量与传输距离积的实验室记录已经达到4 1 8 p b i f f s k m t 4 1 频谱效率的记录则为4 2b l f f s i i z 5 1 在商用方面 8 0 4 0g b s 的密 集波分复用 d w d m 系统已大规模应用 2 0 0 5 年1 0 月 烽火科技在 上海一 杭州 段开通了国内首条8 0 4 0 gd w d m 系统传输干线 2 0 0 8 年8 月华为公司 与中国电信共同建设了上海到江苏无锡段的8 0 波4 0 g 波分传送网 以满足不断 增长的互联网带宽需求 然而如此海量信息的传输和交换越来越成为一个技术的挑战 传输能力和交 换能力的严重失衡成为光网络中面临的严峻问题 具体讲是 目前光可以以单纤 t b i t 的水平 容量 传输信号 而交换则需要在电域内完成 由于受到电子器件 速率的限制 所谓的 电子瓶颈 决定了高速光信号的交换很难以分组的形式 来完成 只能进行路交换和突发交换 解决这个问题的办法是直接采用高速率的 光分组交换技术 建立i po v e ro p t i c a l 体系的全光网络 a o n 而作为实现 全光网络重要的一环 全光3 r 技术成为确保全光网络传输质量的重要方法 1 2 全光3 r 再生技术 在长距离超高速光通信网络中 光信号在传输过程中的恶化是一个必须解决 的问题 信号的恶化限制了网络节点级联的能力 严重影响通信质量 最终限制 了系统和网络的传输速率和距离 导致光信号恶化的因素主要有以下几个方面 光纤传输链路以及光网络各个节点的光器件引起的群速度色散 g v d 和偏 振模色散 p m d 导致光信号脉冲展宽 造成相邻码元的串扰 光纤以及网 络节点的光器件具有非线性效应 包括交叉增益调制 x g m 交叉相位调制 x p m 四波混频 f w m 受激布里渊散射 s b s 受激拉曼散射 s r s 等等 这些非线性效应将导致脉冲包络畸变与非线性相位累积 由此产生幅度噪 声与时间抖动 在光纤传输链路中使用了的大量的光放大器 引入白发辐射 a s e 噪声 光放大器的级联将引起噪声积累 使光信号的信噪比下降 随 着w d m 技术的广泛应用 在传输过程中信道内或信道间相互干扰也成为信号恶 化的来源 导致信号信噪比下降 脉冲包络变形 为解决光网络中脉冲恶化问题 保证正常传输 如果对各种恶化因素分别补 偿 需要多种技术共同完成 这无疑加大了系统实现的难度和成本 而未来的光 网络动态灵活的特性又决定了信号的传输路径的不确定性 因此对信号的恢复不 2 第一章绪论 可能采取固定补偿的方案 而必须对信号进行3 r 再生 所谓3 r 再生 即再放 大 r e a m p l i f y i n g 再整形 r e s h a p i n g 和再定时 r e t i m i n g 目前对光信号再生 较成熟的技术是电再生技术 具体是先将光信号转换为电信号 再用成熟稳定的 电信号处理技术对信号再生 然后将电信号转换为光信号 实现了光信号的再生 虽然脉冲在电领域的处理和再生技术已经非常成熟 但是这种方法受到电子器件 固有的速率瓶颈限制 且成本高 对传输速率不透明 图1 2 全光3 r 再生系统示意图 采用全光3 r 再生技术能够避免速率瓶颈 克服光电中继器的缺点 全光3 r 再生是在光层面上的3 r 再生方式 它以透明性 通用性 灵活性 可扩展性和 不需要对信号恶化进行预测补偿等优点 成为全光网络中保证传输质量的一种非 常有效的方法 全光3 r 再生包括光放大单元 光时钟恢复单元和光判决单元 图 1 2 恶化的输入光信号进入3 r 再生器 光放大单元对输入光信号进行幅度放 大 光时钟恢复单元提取出低抖动 高稳定性的时钟脉冲 光判决单元将输入数 据信号调制到提取出来的时钟脉冲上 完成再整形和再定时功能 输出再生后的 光信号 1 3 全光判决技术研究现状 1 3 1 全光判决技术研究国内外现状 全光判决技术是全光3 r 再生系统中的一个关键技术 直接影响着再生信号 的质量 全光判决技术通常由全光开光来实现 就整体而言 目前全光判决方案 可以被分成两大类 一类基于半导体有源器件 包括半导体光放大器 s o a 6 1 1 和电可吸收调制器 e a m 1 2 1 4 另一类基于非线性光纤和非线性波导中的非 线性效应 1 5 2 2 第一章绪论 基于s o a 交叉增益 x g m 判决的方案结构简 单易于实现 受环境影响 相对较小 6 在此基础上 最近国际上很多方案基于s o a 的m z i m a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r 干涉仪 如图1 3 所示 s o a m z i 干涉仪是一种近似对称的双臂 结构 只是在一臂上多一个延时线 此延时线造成输入控制脉冲 信号脉冲 经过 干涉仪两臂传输时光程不同 控制脉冲通过s o a 改变时钟光脉冲的相移 使在 干涉仪输出端口的干涉加强 由此控制脉冲在输出端口的有无 s o a m z i 具有 尺寸较小 易于集成 开关速度快等优点 其速度超过1 6 0 g b s 7 缺点是器件 对称性要求高 难度大 作为基本的开关元件仍嫌过于复杂 控制脉冲 1 时钟脉冲x2 输出脉冲 2 蚴 图1 3 基于s o a 的马赫一曾德干涉仪 s o a m z i 的结构图 电吸收调制器 e a m 利用了交叉吸收调制 x a m 效应 具有驱动电压 低 尺寸小 易于集成等优点 e a m 偏振不敏感 输入信号的相位畸变与频率 啁啾都不会转移到探测信号中去 利用图1 4 所示的实验装置 韩国的h w a ns e o k c h u n g 利用e a m 实现了4 0 g b s 的光判决 我国的清华大学也实行了4 0 g b s 的光判决 13 1 图1 4 基于e a m 实现4 0 g b s 的全光判决方案图 又有一些方案利用了高非线性光纤中的四波混频 f w m 效应进行了光判 4 第一章绪论 决 1 5 1 7 另外 随着以1 0 0 g 为代表的高速光传输技术成为国际上研究的热点 d p s k d q p s k 甚至q a m 等调制方式在目前的高速光传输方案中得到广泛的研 究 针对这些多进制调制格式的高速率数据信号也给全光3 r 再生技术提出了新 的要求 利用光纤中四波混频效应的光判决虽然效率相比略低 但具有响应速率 高且对信号码型与调制格式透明的特点 在多进制调制信号的再生中得到应用 日本的m a t s u m o t o m 就利用f w m 效应实现了对d p s k 信号的再生实验 l 引 对d p s k 或q p s k 信号的进行全光再生的报道较多的方案是利用高非线性光 纤搭建非线性光纤环形镜 n o l m 形成一个偏振敏感放大器装置 1 9 2 2 其结构 图如图1 5 所示 1 9 输入的q p s k 信号进入再生系统后分别进入两个偏振敏感放 大器 而泵浦光的初始相位为 4 然后分为两路分别注入到两个放大器中 其 中两路泵浦光相位相差 2 由于放大器的偏振敏感性 可以分别实现对q p s k 的i 和q 信号的再生 r e g e n c m l e d t o k p s k s i g n a l 图1 5 利用偏振敏感放大器实现q p s k 的全光再生实验装置 1 3 2 多波长全光判决技术研究现状 w d m 技术充分利用了光纤的通信窗口 将多个光业务流复用到一根光纤 上 允许灵活地扩展带宽 降低复用成本 自诞生以来 在长途传输等应用环境 下表现出的卓越的性价比优势 应用领域迅速扩大 已经占据了全球主要的干线 传输市场 更在城域网络建设中得到广泛应用 然而 迄今为止 对多波长信号 的3 r 再生技术仍然处于起步阶段 大大影响了w d m 光网络中信号再生的成本 也限制了w d m 技术的进一步应用和发展 因此对多波长信号的3 r 再生技术的 研究已经迫在眉睫 需要特别指出是 对于w d m 系统 由于电处理机理的局限 采用电的方式 第一章绪论 只能分别对各个波长分别再生 其成本 可靠性的优势随波长数的增加而被大大 抵消 而从光的本质讲 理论上可以在同一系统中对多个波长同时进行3 r 再生 这是电的3 r 技术所无法企及的 所以 用于w d m 系统的多波长全光3 r 技术 才能充分发挥电的3 r 再生技术无可比拟的全光技术优势 在多波长全光判决技术方面 仍然是以利用非线性效应实现全光开光为基 础 其中 半导体有源器件由于存在着较强的交叉增益调制 x g m 效应或交 叉吸收 x a m 效应 因此不能应用至多波长信号的同时处理上 而非线性光 纤和非线性波导从理论上讲完全可以同时对多波长信号同时进行并行处理 从而 能够大大降低多波长再生系统的复杂度与成本 成为目前多波长全光判决技术研 究的重点 图1 6 利用t o a d 的多波长3 r 再生方案 美国普林斯顿大学的研究人员利用太赫兹光学非对称解复用器 t o a d 将 多路不同波长的w d m 信号进行串并转换 然后高速串行信号进行全光再生 2 3 2 4 实验框图如图1 6 所示 然而多波长信号必须经过时序调整再进行时分复 用 从时间上看仍然是单路信号的3 r 再生 并不能实现完全意义上的多波长光 信号同时3 r 再生 而且这意味着各个波长的信号必须有相同的时钟信号 现有 的分组网络中不同的用户间的时钟是相互独立的 不可能实现精确同步 所以 这种的方案并不适用于现有的多信源异步网络 实际上 真正的多波长判决要求多波长的时钟信号同时分别对多波长的数据 信号进行判决 对多波长判决器件对多波长同时进行开关的性能提出了甚为苛刻 的要求 而为了保证不同波长信号再生的独立性 判决的过程中各路信号之间通 过交叉相位调制 x p m 以及四波混频 f w m 等非线性效应引起的相互干扰 也成为目前实现多波长判决的主要难题 2 5 此外 利用光纤中的非线性效应往往 要求输入光的功率较大 因此还必须克服光纤中的受激布里渊 s b s 等非线性 6 第一章绪论 现象对输入光信号的恶化和影响 这对系统的实现提出了极为困难的要求 总之 要实现高速率 多波长 宽波长范围 与光纤系统集成性好的多波长判决子系统 这里充满了技术挑战 迄今为止 多波长再生的研究还主要局限在多波长2 r 再 生方面 且国内外相关的报道也并不多见 一个比较典型的多波长2 r 再生方案是m a m y s h e v 再生器 2 5 其工作原理如 图1 6 所示 通过多段级联的高非线性光纤 h n l f 和周期性群延时器件 p g d d 构成新型的人造非线性介质 产生锯齿状的群延时如图1 7 所示 在这段介质中 不同的w d m 信道以不同的差分群速度传播 但在同一波长信道中的信号以相同 的速度传播 w d m 信号在这段介质中传输后 不同信道间的相速度与群速度失 配将极大地抑制四波混频 f w m 和交叉相位调制 x p m 效应 而在同一波 长信道中 由于色散一直很小 因此自相位调制 s p m 引起较大的光谱展宽 通过偏心滤波的方法可以改善输入信号质量 c e n t e r e d 粼爱1 6董 图1 7m a m y s h e v 再生器的示意图 苗 e 旦 o a 2 o 丸 n o r m a l i z e di oc h a n n e ls p a c i n o 图1 8 经过多段级联的h n l f 和p g d d 后不同波长信道的群速度色散 英国南安普顿大学的l p r o v o s t 等人将四路待判决信号经偏振复用后分别从 两端注入到保偏高非线性光纤 p m h n l f 中 通过非线性光纤中自相位调制 s p m 作用实现了四个信道的2 r 再生 2 6 具体方案如图1 8 a 所示 一方 面两路信号偏振正交 这可以避免信号间的四波混频 f w m 作用 另一方面 7 第一章绪论 如图1 8 b 所示 通过保偏高非线性光纤中引入的差分群延时 d g d 将不 同偏振态的两路信号在时间上相互走离 也一定程度上抑制了其相互问的干扰 p m h n l f 一 图1 9 利用偏振复用及d g d 实现多波长2 r 再生的方案 但基于s p m 的信号再生方案 2 5 2 8 只能应用于强度调制 o o k 信号 因为 s p m 将引起相位失真而导致相位调制信号 如d p s k 等 恶化 另外 到目前 为止真正意义上 w d m 不同信道间的时钟不同步 所谓异步网络 的多波长3 r 再生以及对数据信号完全透明的多波长2 r 再生还没有实验报道 尽管如此 多波长全光3 r 再生技术以其广阔的市场应用前景和经济效益前 景已经在欧美国家和大公司中开始越来越引起关注 美国和欧盟已经有一系列项 目支持从事多波长全光3 r 再生技术的相关研究 欧盟支持的i s te uf p 6s t r e p 项目t r i u m p h 联合了希腊的a i t 研究中心 英国的南安普敦大学和e s s e x 大 学 爱尔兰的c o r k 大学 德国的柏林工业大学以及以色列的k a i l i g h t 公司 德国的西门子公司 该项目自2 0 0 6 年3 月开始 计划到2 0 0 9 年2 月建立一个基 于多波长光子开关的环形光网络 构建一个1 6 0 g b s 的骨干环网和两个4 0 g b s 的城域环网 其中w d m 网络中多波长再生问题正是该项目预期取得的两大突破 点之一 2 9 3 0 斯坦福大学的研究人员在美国国防部先进研究计划署 d a r p a 项目m d a 9 7 2 0 0 1 0 0 2 4 以及英特尔公司和c t i 公司的资助下正在开展利用 p p l n 中的非线性效应实现多波长光开关的研究工作 3 1 普林斯顿大学的多波长 全光3 r 系统的研究也同样得到了d a r p a 的支持 8 第一章绪论 1 4 光纤光参量放大技术研究现状 光纤光参量放大 f o p a 是利用光纤中的四波混频 f w m 来实现对信号 光的放大 3 2 1 当信号光与泵浦光一起在光纤中同向传播时 通过四波混频作用 光能量就从泵浦光场转移到了信号光场 由此使信号得到放大 并同时产生了称 为闲频光的新光场 自19 6 0 年起 研究人员就开始了对光纤光参量放大效应的研究 3 3 3 4 并在 过去十年里出现了越来越多的相关报道 与其他光放大器相比 光纤光参量放大 器有其独有的特性 在大功率泵浦光条件下 光纤光参量放大器的增益带宽可以 达到1 0 0 n m t 3 5 并且可以通过改变参数改变增益谱的波长范围 而已报道的参 量放大的最大增益可高达7 0 d b 3 6 在相位敏感的参量放大条件下 甚至可以实 现无噪声放大 3 7 然而 除了利用光纤光参量放大对信号光进行放大 3 8 4 3 1 外 在还具有很多其 他的应用 如波长变换 4 4 4 6 产生窄脉冲 4 7 4 8 时分解复用 4 9 5 0 全光取样 5 1 以及全光信号再生 5 2 5 3 1 等 1 波长变换 波长变换在光网络中是一个重要的环节 是实现波长路由 解复用等功能的 基础 利用光纤光参量放大可以将某个波长上的输入信号转换到所生成的闲频光 上 从而实现波长变换 其基本原理如图1 1 0 所示 p u m p s i g n a l n o n l i n e a rf i b e r 锨几厂 几 图1 10 基于f o p a 的全光波长变换示意图 为了得到比较宽的波长变换带宽 需要将泵浦光置于光纤的零色散波长附 近 而泵浦光功率 光纤的色散以及光纤中的偏振模色散 p m d 都将对带宽 造成影响 已报道的实验中 通过降低高非线性光纤 h n l f 中的四阶色散 可以得到1 9 3 n m 的转换带引5 4 1 需要指出的 基于光纤中四波混频效应的f o p a 9 第一章绪论 具有很高的响应速度 并且对输入信号的码型与调制方式透明 对高速的多进制 调制信号的处理上也有很多应用 另外 如果将需要波长变换的信号光放大后作 为泵浦光 该信号的信息将会被复制注入到f o p a 中连续探测光上 且这种装置 可以拓展用于多波长变换或组播 b r o a d c a s t 5 5 1 2 窄脉冲源的产生 在参量放大过程中 如果泵浦光受到强度调制 如正弦调制或脉冲信号 则光纤光参量放大装置可用于产生光窄脉冲源 其实验原理图如图1 1 1 所示 p u m p s i g n a l 图1 1l 基于f o p a 的光脉冲源实验原理图 由图可知 在高非线性光纤中 强度调制的泵浦光将引起时间相关的参量增 益 且增益随泵浦光功率呈指数关系变化 原本是连续光的信号光受参量放大的 作用将形成脉冲输出 同时所产生的闲频光也在新波长上出现脉冲 实验报道中 使用4 0 g h z 的正弦抽运调制可以得到脉宽为2 3 p s 的脉冲输出 47 此外 若将 多个连续信号光耦合注入f o p a 可以实现多波长的脉冲输出 5 6 与光纤锁模激光 器相比 利用f o p a 产生窄脉冲由于只需要在光纤中作用一次 它对于外界的温 度变化以及其它一些扰动表现不是很敏感 另外 它所产生脉冲的重复频率可灵 活调节 而光纤锁模激光器的脉冲重复频率则必须满足腔长匹配条件 3 时分解复用 在强度调制泵浦光的光纤光参量放大装置中 泵浦光功率变化和增益的关系 可以对时分复用 o t d m 信号形成一个高速的开关窗e l 从而实现o t d m 信 号的时分解复用功能 其基本原理如图1 1 2 所示 1 0 第一章绪论 p u m p s i g n a l 图1 1 2 基于f o p a 的时分解复用原理 如图所示 将频率为信号重复频率分频的时钟泵浦光与o t d m 信号同时注 入高非线性光纤 h n l f 调节时钟泵浦光与信号光间的相对延时 就可以选择 解复用通道 时钟泵浦光引起的周期性开关窗口可以选出o t d m 信号中的一路 并将其信息复制到闲频光上 在f o p a 的输出端滤出闲频光信号 就可以得到解 复用信号 已有报道利用这种装置 实现了4 0 g b s 到1 0 g b s 的无误码解复用 并具有4 0 d b 的闲频光转换效率 5 0 l 利用f o p a 的解复用方案具有很高的响应速 度 5 0 0 g b s 到1 0 g b s 的无误码操作已有报道 5 丌 4 全光取样 f o p a 以其超快的响应速率 在高速全光信号处理方面具有突出的优势 而 全光取样就是其中一个方面 与时分解复用的工作原理相似 将光取样脉冲放大 后作为抽运与待取样的信号同时注入h n l f 与取样脉冲在时间上重合的部分信 号会通过f o p a 作用产生闲频光 并且闲频光的功率与信号光功率成比例关系 由此闲频光脉冲就完成了对信号光信息的取样 由于取样脉冲通常具有很小的脉 宽 很高的峰值功率 所以在较短的h n l f 内产生足够的增益 而短光纤降低了 零色散波长的扰动 增加了带宽 当取样脉冲峰值功率达到1 6 w 时 仪用1 0 m 的h n l f 就可以获得6 0 n m 的带宽 5 8 通过基于f o p a 的全光取样技术 实验上 实现了3 0 0 g b s 信号的眼图测量 5 1 总的来说 除了以上提到的这些应用外 还可以利用f o p a 的增益饱和实现 光功率限制器和均衡器 5 9 击o 等 另外 除了单泵浦的f o p a 装置 而实际上很多 应用也可以在双泵浦的条件下完成 6 1 6 2 较之单泵浦装置 双泵浦的f o p a 更容 易实现宽带的平坦增益 然而系统复杂度也大幅增加 一定程度上限制了它的应 用 第一章绪论 1 5 本论文的主要工作与内容 在高速光通信网中 光信号在光纤的传输过程中会受噪声 色散 偏振模色 散 p m d 非线性效应等诸多不利因素的影响而导致信号质量严重下降 所以 必须对信号进行3 r 再生 其中 全光判决技术是实现全光3 r 再生的一项关键 技术 基于光纤光参量放大的全光判决方案 具有带宽大 相应速率高的优点 且非线性光纤和非线性波导从理论上讲完全可以同时对多波长信号同时进行并 行处理 是实现多波长3 r 再生技术的重要突破点 本论文在分析光纤光参量放 大理论的基础上 分别进行了基于强度调制的时钟泵浦光的单波长1 0 g b s 全光 判决实验 以及基于相位调制的时钟泵浦光的异步双波长1 0 g b s 全光判决实验 对基于光纤光参量放大的全光判决技术进行了研究 主要工作包括 1 在建立光纤参量过程理论模型的基础上 对光纤光参量放大的增益特性 与输入输出特性进行分析分析 针对基于强度调制的时钟泵浦光光纤光参量放大 的光开光特性进行了理论分析 并进行了双信道1 0 g b s 码型变换实验以验证其 光开关特性 2 利用强度调制的时钟泵浦光 基于光纤光参量放大进行了单波长1 0 g b s 全光判决实验研究 从输入信号波长 输入信号传输距离及输入信号的信噪比三 个方面 详细的考查了基于光纤光参量放大的全光判决系统的再生性能 实验结 果表明 该全光判决系统允许的输入波长范围为泵浦光波长间隔4 n m 的范围内 同时在信号传输5 0 k m 后仍然能够大幅改善恶化信号质量 当输入信号信噪比在 3 1 0 d b 内时 判决系统可以提供至少8d b 的信噪比改善 3 为了解决在多波长3 r 再生系统中面临的信道间相互干扰的问题 提出 采用相位调制的时钟泵浦光对输入恶化信号进行判决 以抑制强度调制的时钟泵 浦光问因强度起伏引起的克尔效应 k e r re f f e c t s 如交叉相位调制 x p m 等 减少信道间干扰 同时相邻信道偏振正交 进一步抑制信道间的四波混频 f w m 作用 进行了异步双波长1 0 g b s 全光判决实验 实现将经3 0 k m 传输后的恶化信 号信噪比改善了3 5 d b 第二章光纤光参量放大基础特性研究 第二章光纤光参量放大基础特性研究 参量过程起源于光场作用下介质中束缚电子的非线性响应 是光纤中的一种 重要的非线性过程 光纤光参量放大以其响应速率高 增益带宽大的特点 在全 光信号处理方面有着广泛的应用 如果利用光纤光参量放大作用构成光开关用于 全光判决 理论上可以工作上百g b i t 或者更高的场合 本章首先分析了光纤光参量放大的理论模型 并对光纤光参量放大特性进行 了实验研究 分析了泵浦光为时钟强度调制时 光纤光参量放大的光开关特性 并利用时钟泵浦的光纤光参量放大进行了双信道的码型变换实验 从实验上验证 了其开光特性 2 1 光纤参量过程的理论模型 2 1 1 四波混频 光纤作为一种电介质在强光场作用下会出现非线性的响应 极化强度p 对于 电场e 通常满足关系式口2 p 氏 z 1 e z 2 e e z 3 i e e e 2 1 式中 是真空中的介电常数 z u j l 2 为 阶电极化率 考虑到光的 偏振效应 z 7 是产1 阶张量 线性电极化率z 1 x c p 的贡献是主要的 它的影 响一般包含在折射率n 和光纤的衰减常数内 因为s i 0 2 分子是对称结构 因而 光纤内通常z 2 等于零 光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶电极化率z 3 对于光纤中的感应非线性极化p 主要考虑三阶极化项 有 e o z 3 j i e e e 2 2 考虑频率分别为q 哆 q 和q 沿x 方向线性偏振的四个光波 总电场可 以写为 e i 1x 4 弓e x p f k j z 一哆f 叩 2 3 j l 式中 传播常数红 n j 哆 c n j 是折射率 c 以表示复共轭 假定所有光波 沿同一方向z 传播 利用上式有 第二章光纤光参量放大基础特性研究 耽 毒三窆o e x p f 局z 一叩 2 4 j l p j j 1 4 由许多包含三个电场积的项组成 如只可以表示为 只 孚也 1 e 1 2 日 2 i 巨1 2 l 巨1 2 i b l 2 e 2 5 2 e e 2 e 3e x p i 0 2 e e 2 e 3 e x p 坦 式中 良 屈 屈 屈一屈 z 一 q 哆 皑一q f 晓 届 屈一屈一屈 z 一 q 哆一皑一q 在式中 正比于e 的项对应于自相位调制 s p m 和交叉相位调制 x p m 效应 其余对应于四波混频 这些项中有多少项在参量耦合中其作用 取决于日 和只之间的相位失配 即q 晓或其他类似的量 只有当相位失配几乎为零时 才会发生显著的四波混频过程 这就需要频率 以及波矢之间的匹配 后者通常被称为相位匹配 在量子力学术语中 一个或几 个光波的光子被湮灭 同时产生了几个不同频率的新光子 且在此参量作用过程 中 净能量和动量是守恒的 这样的过程就称为四波混频过程 参量过程要求选 择特定的频率和折射率以满足相位匹配条件 在式中 包含了两类四波混频 含有以的项对应三个光子合成一个光子 新光子频率为q q 哆 纰 这一类的相位匹配条件不易满足 另一类为含有 晓的项对应q q 的两个光子的湮灭同时产生悠和红的新光子 即 q 皑 红 此过程能发生的相位匹配条件是出 0 也即 七 屈 屈一屈一屈 2 3 鸭 n 4 0 j 4 一n c o l n 2 c a 2 c 0 2 6 在简并条件下 即 纰时 相位匹配条件相对比较容易满足 2 1 2 连续光泵浦的光纤光参量放大 在准连续运转条件下 可以忽略场分量e 1 4 的时间依赖关系 此时 有 3 2 l 日 f j x y 4 z 2 7 式中 c 工 y 为第 个场在光纤内传输的光纤模的空间分布 在单模情况下 可以认为各光场在光纤内的模场分布相同 这里先定义一下非线性系数 巧2 等 7 2 8 式中忽略了四个光频之间的微小差别 7 为一个平均值 挖 表示非线性的量 度 定义为 第二章光纤光参量放大基础特性研究 z 2 矗r e 也 2 9 将 o 带入非线性薛定谔方程 n l s e 可以得到a i z 的一组四耦合方程 警 计卅 2 埘 埘 4 2 r i a l a 3 a 4 e x p 堆 警 计埘 2 卅 埘 卅 4 2 r a a e x p 雏 警叫m 2 2 卅 埘 卅 4 2 r 4 4 a e x p 一 啦 警叫 卅 2 卅 4 2 i y 4 a 2 a e x p 一 雏 在强泵浦和弱信号的情况下 可以求出泵浦场的表达式 4 z 订e x p 耖 暑 2 p 2 z 2 1 0 a 4 z 压e x p i y p 2 2 p 1 z 2 1 0 b 式中弓 1 4 o 1 2 丘 最为z o 处入射的泵浦光波的功率 假设泵浦光波 的功率没有消耗 将上面两式带入可以得到信号场和闲频场的线性耦合方程 警 2 纱 置 最 4 瓜e x p 卅 4 2 1 l a 警 2 纱 只 4 丽e x p 徊 4 2 1 1 b 式中 臼 一3 y 弓 z 2 1 2 为了求解 引入 哆 a e x p 2 i y p p 2 z j 3 4 2 1 3 由此可以得到 警砌y 丽e x p 讯z 反 2 1 4 a 譬 2 纱厄e x p 她 岛 2 1 4 b 式中的净相位失配为 盯 十厂 鼻 最 2 1 5 耦合方程的通解可以写为 忍 z 口 p 辱 b 3 e g z p 1 哪 2 16 a e z a 4 p 芦 6 4 p 一乎 p 叫2 2 1 6 b 式中的系数可以有初 边值条件决定 参量增益2 取决于泵浦功率 定义为 第二章光纤光参量放大基础特性研究 g y 印 2 4 2 2 2 1 7 这里的参量r 和只为 2 最最 啦 矗 异 最 最 2 1 8 若只有泵浦光和信号光注入光纤 在传输距离z l 后 信号光所得到的增 益q 瓯 鬻小 孚s t n h g l 2 p 可以看出 这时 信号光获得了增益 并伴随着闲频光的产生 简并情况下 单泵浦光 的参量放大是一种最为常见的工作方式 此时参数 1 用下标p s i 分别表示单泵浦情况下的泵浦光 信号光和闲频光场 则 信号光所得到的增益q 与闲频光的转换效率7 7 可以表示为 q 鬻小降n h 班 2 亿2 哟 即 鬻 降眦班 2 p 2 在高非线性光纤 h n l f 中 参量放大过程能比较高效的实现 对于传输 常数的失配量 q 哆 一2 哆 可以在零色散波长点凡展开写为哺3 筇 簪屈 磊一以 以一五 2 掣屈 乃一以 4 2 2 1