【光纤通信系统中损伤机理分析4400字】

光纤通信系统中损伤机理分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u16520光纤通信系统中损伤机理分析综述 185781.1光纤通信系统的发展状况和前景 1108541.2光纤通信系统的原理和组成 2209141.3光纤通信系统中信道损伤研究的目的及意义 214281.4色度色散 3239441.5非线性效应 4266411.6激光器的相位噪声 624901.7超高阶信号的损伤机理 71.1光纤通信系统的发展状况和前景在过去的几十年中，光纤通信在各个方面无时无刻不在改变着我们的生活方式。随着互联网产业的飞速发展、大数据产业、虚拟现实（VR）技术、人工智能技术等等的出现，以及云计算等应用的成熟，在过去的几年中，移动互联网接入量每年都在翻倍。人们对数据传输的更高要求为大势所趋，不断增长的数据流量对光通信系统提出了大容量、长距离的传输的新的要求，只有光纤通信才能提供长距而稳定的传输环境和巨大的信息容量。流量的急增使得全球范围内超高速大容量传输技术的研发加快，在这种情势下，通信运营设备商以及国内外互联网企业都开始建设自己的光纤网络。光纤通信在调制方式上可分为两大类，一类是基于偏分复用（PDM）结合相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM），相移键控如8PSK、16PSK等，正交幅度调制如16-QAM、32-QAM、64-QAM等。另一种是正交频分复用调制（OFDM）。从检测方式上看，主要可分为直接检测和相干检测，其中由于相干检测采用数字信号处理（DSP）技术，可以有效地降低光通信设备的性能要求以及可以补偿多种信号损伤而被广泛研究。考虑到整个光通信系统的性能要求、各个模块的实现复杂程度以及成本等因素，目前业界部署100Gb/s光通信系统一般采用相干接收PDM正交相移键控（QPSK）的方式。如今，4G网络早已非常成熟，而全球运营商正在大规模部署5G网络，5G全面普及指日可待。上述所有的事实不仅反映了光纤通信当前的发展情况和趋势，还展现了全球的运营商，设备制造商和光通信专业的研究人员都在努力实现进一步的超高速传输和大容量传输的目标。同时也反映了光纤通信发展的宗旨，要努力朝着增加传输容量和距离、提高传输速率的方向上前进。1.2光纤通信系统的原理和组成光纤通信是一种以光为载波，以光纤为传输介质，将调制后的光信号从一个地方发送到另一个地方的通信方式。如今，光纤因为它传输频带宽，低成本，低信号衰减和高干扰抑制能力而在传统的通信方式中脱颖而出，并且已经取代了长距离电缆通信成为全球最重要的传输方法。光纤通信系统的工作原理简述如下：在传输结束时，将要发送的信息转换成电信号，然后调制成激光器发出的激光束，使光的强度随电信号的宽度或频率而变化，使其适合通过光纤通道传输。在接收结束时，接收器接收传输光束，将光信号转换成电信号，解调器对接收机处理后的信号进行解调，重建出原始信号。基本的光纤通信系统如图1.1所示。图1.1基本的光纤通信系统组成1.3光纤通信系统中信道损伤研究的目的及意义飞速发展的现代科技，使得人们除了对大数据、云计算和移动互联网的需求日益增大外，还对虚拟现实、增强现实和5G通信网络等新应用的需求急速增加，而这些需求都离不开光纤通信系统的传输。2016年10月10日，Akamai发布的《2016年第二季度互联网发展状况报告》显示，全球平均网络连接速度为6.1Mbps，中国内地的平均网络连接速度仅达到世界平均水平。随着“宽带中国”战略发布，运营商大力推动“光进铜退”，光纤到户以及进一步提高我国的宽带速率成为大势所趋。而提高宽带速率的有效方法就是提高光信号的频谱效率。高的频谱效率意味着在有限的带宽内能达到的比特率更高，意味着更高的宽带速率。近年来，由于信号处理技术的发展，使得相干接收技术再次受到人们的关注。原有的色度色散（CD）补偿、偏振模色散（PMD）补偿、偏振相关损耗（PDL）均衡、偏振解复用、非线性补偿、时钟恢复（CR）、载波频偏估计（FOE）和载波相位恢复（CPR）等，都能在接收端的ＤＳＰ模块得到实现，因此，大容量、长距离的光传输逐渐采用Ｘ和Ｙ偏振的数字相干传输技术。为了进一步提高光纤通信系统传输的频谱效率，以下技术正在成为研究热点人们正在并逐渐向商用化发展。这些技术包括，在QPSK的调制格式的基础上采用更高阶的调制格式如16-QAM等M-QAM格式；采用两个正交偏振态来传输两路光信号偏分复用技术；采用OFDM和WDM等多载波复用技术，以及它们在电域、光域的变体技术等。在实际应用中，光纤通信系统中的光信号会受到如加性高斯白噪声（AWGN）、CD、PMD、偏振态旋转（RSOP）、PDL、非线性等损伤的影响，大大降低了传输距离，并增加接收端误码率。随着偏振复用、各种高级码型调制格式和相干接收的应用，链路中的色散、偏振串扰、偏振模色散、激光器的相位噪声以及光纤非线性成为系统性能恶化的主要原因。因此，进行信道损伤的研究和均衡算法的研究是很有必要的REF_Ref10798\w\h[11]REF_Ref10801\w\h[12]。1.4色度色散色散是指体材料的分散，即折射率随光频率的变化。然而，在波导中也存在波导色散现象，这种情况下，结构中波的相速度仅取决于频率。在单一模式下，脉冲展宽的现象被称为色度色散，色散也称为群速度色散，是通信工程师设计波分复用系统需要考虑的问题。光纤长度增加导致色散增加，脉冲变宽，并且这种脉冲展宽效应刺激相邻周期重叠，这引起符号间干扰。色散也与四波混频成反比关系，当色散处于最高水平时，四波混频最小。不同频率的光群速度不同，进而导致色度色散。在低速时光纤可以看成与数据速率无关的传输介质，对光通信系统影响不大，但在高速率时，色度色散使脉冲展宽，进而影响通信传输距离。只考虑色散的情况下，光场E在光纤中传输表达式为：（4-1）上式中表示群速度色散系，与色散系数D的关系为：（4-2）上式中c表示光在真空的传播速度，表示光的波长，D为色散系数。将式(4-1)转换到频域中，并求解E，得：（4-3）从式(4-3)可以看出，光在光纤传输中会产生时延，使传输的脉冲展宽，传输距离越长，色散的积累就越大，相邻符号会产生码间串扰，严重影响通信系统的质量REF_Ref10965\w\h[13]。1.5非线性效应光在光纤中传输时的色散和衰耗与光纤长度呈现线性关系，而带宽系数和光纤长度呈现非线性关系。在强光的作用下，电介质和光相互作用而产生非线性。虽然组成光纤的主要材料二氧化硅不具有高非线性的特性，但光在光纤中传输的过程中通过的截面积很小，光纤的非线性在传输过程中累积，由此光纤的非线性变的非常重要。光在传输的过程中需要EDFA对光信号放大，但对功率放大的同时也会对光纤的非线性效应放大，从而限制光在光纤中传输的距离。光纤的非线性包括“与散射相关的受激布里渊散射和受激拉曼散射，与折射率相关的散射如自相位调制、交叉相位调制、四波混频”[43]。受激布里渊散射于1921年由法国科学家布里渊发现，主要是过高的光功率产生的超声波使得介质折射率发生了变化，从而使光向信号传播的相反方向传播的现象。布里渊散射源于激光电场与分子或固体声场的相互作用，即光子和声子之间的相互作用。强入射激光在介质中感受出声场，并被声场散射的非线性光学效应。一般来说，在很多情况下都要考虑受激布里渊散射，因为其产生条件比较弱，散射光频率相对入射光的多普勒频移可以表示为：（4-4）式（4-4）中n表示折射率，为波长，为材料中的声速。当光传播介质是二氧化硅时，Vs=5760m/s，在1550ms处会产生反向传播的散射光，其频率会在原信号光的频率上偏移11GHz。当散射光和信号光功率不在一个数量级的时候对传输系统影响不大，当相差大时对其他信道信号产生的影响不可忽略。受激拉曼散射是功率大的光波与二氧化硅分子振动的相互作用，光传输介质可能被压缩或伸长。布里渊散射引起的频率转换会导致波长多路复用系统中短波长信号的过度衰减，是基于密集波分复用光纤通信系统中非线性效应之一。其中，光纤中的耦合光与分子振动相互作用，会在比耦合光的波长更长处产生散射光。如果还存在具有这种较长波长的另一信号，则它以原始信号为代价对其进行放大，这会导致信噪比降低，从而导致整体系统性能下降。受激拉曼散射降低系统性能的临界功率阈值为：（4-5）其中A是介质的有效面积，g是拉曼散射增益，L是光纤的有效长度，L的计算公式为：（4-6）其中l为以km为单位的实际光纤长度，a为在中心波长下以dB/km为单位的光纤损耗系数。自相位调制的原因是传播光信号的介质折射率会随着光的功率发生变化，从而传播函数也随着光功率变化，引起光信号相位随着自身功率发生变化。自相位调制能引起频率的惆啾，可表示为:（4-7）上式中的γ表示自相位调制的强弱，L表示光纤有效长度，p为光脉冲的功率。光脉冲展宽一部分原因是自相位调制，是限制光传输距离的主要因素之一。交叉相位调制产生的原因和自相位调制产生的原因类似，在多信道传输系统中，会将一个波长信道中光功率的变化转化到另一个波长信道中。四相位调制指的是光纤的三阶非线性效应，当光纤中同时传输三个不同波长的信号时，第四个波长的信号就会产生，其关系满足：（4-8）式（4-8）中vi，vj，vk是原来存在的信号，Vf是由已存在的三种波长信号相互激励产生的信号，当光纤中存在n个不同波长的信号时，就会新产生n2(n-1)/2个波长的信号，因此在波分复用系统中，如果光纤中存在的多个波长的光正好相互激励产生新光的波长在系统传输带宽内，新产生的光可能会干扰原始系统信号，导致系统性能恶化REF_Ref10965\w\h[13]。1.6激光器的相位噪声在光通信系统中，理想光源所产生的光载波是具有恒定振幅、恒定频率和相位的载波。在实际中，上述三者都不能绝对稳定。式（4-9）描述了理想光载波的电场矢量，在下面的推导中，我们将光信号的电场矢量成为光场：（4-9）其中表示光场的振幅，表示光场的振动频率，表示初始相位，表示光场的偏振，下标s表示是由信号激光器产生的。在实际中，我们需要考虑激光器的幅度噪声和相位噪声，它们是由于自发福射所带来的强度涨落和相位涨落引起的，如式（4-10）所示，与分别描述在实际中激光器的幅度噪声和相位噪声。（4-10）激光器的相位噪声来源于自发福射光子相位的随机性，在时域中表现为随机游走，即在时间间隔内，相位噪声的变化表示为：（4-11）由于该变化是由大量独立事件导致的，根据统计学原理，该变化服从高斯分布。进一步假设相位噪声功率谱密度恒定，那么相位噪声变化么、的方差可以表示为：（4-11）显然，在时间间隔一定的情况下，相位噪声的差值的方差与激光器线宽成正比，因此从统计意义上来讲，激光器线宽越大，则相位噪声越大，而相位噪声导致了激光器输出的线宽是有限的REF_Ref11151\w\h[14]。1.7超高阶信号的损伤机理这一部分，在基于之前的超高阶信号调制与解调理论的基础上，根据根据光纤传输特性，研究了光纤传输系统中超高阶信号的各种损伤机理，包括激光器的相位噪声和色散。在此基础上，对于激光器的相位噪声和色散，进行了补偿。使用了MATLAB进行仿真验证。如图所示，图1.2为SNR=45dB时，加入了色散系数D=25时的色散后的1