光接入与光交换中复杂调制格式信号处理技术研究

发布时间：2020-07-30 00:14

【摘要】：复杂调制格式的光信号处理是下一代光网络向光层智能化发展的重要支撑技术之一,有助于实现光接入与光交换中的带宽灵活分配、频谱资源冲突解决、频谱利用率和速率提升等。例如,在波分复用无源光网络(WDM-PON)和正交频分复用PON(OFDM-PON)中,基于反射型半导体光放大器(RSO A)等非线性介质的复杂调制信号处理技术可以实现光网络单元(ONU)的无色化,提高新型PON的灵活性和资源利用率。再如,在交换粒度更小更灵活的弹性光交换中,复杂调制信号的处理技术有助于实现带宽调整、调制复用、噪声抑制、冲突解决等功能,促使弹性光交换向无色、无向、无阻塞、无栅格的目标演进。目前,复杂调制格式光信号处理技术是光接入和光交换领域的研究热点之一。围绕光接入与光交换中调制格式变换等光信号处理技术难题,作者结合所参与的国家863计划课题、国家自然科学基金、教育部博士点基金项目等研究工作,基于半导体光放大器(SOA)及高非线性光纤(HNLF)等介质中的非线性效应,提出了复杂调制格式光信号处理的若干技术方案,并进行了理论分析和实验验证。论文的主要创新工作如下： (1)针对基于RSOA无色ONU的上行链路速率受限的问题,设计了将四电平脉冲幅度调制(4PAM)作为上行调制格式的无色ONU方案。仿真和实验结果表明,相比于上行为NRZ信号的WDM-PON系统,该方案在速率为5Gbit/s,相同传输距离时,同一接收光功率下的误码率可降低约两个量级。 (2)为加强光接入网的安全性,提出了基于SOA FWM效应的8PSK信号光层加密/解密方案。仿真结果表明,该方案可以实现30Gbit/s8PSK信号的加密/解密。利用穷举法破解密钥时,加密安全性与密钥长度有关,相比GPON中AES的128比特密钥长度,该方案密钥长度为2-1比特,提高了加密的安全性。 (3)针对复杂调制信号在接入、传输和交换过程中受幅度噪声、相位噪声及频谱偏移影响而导致信号质量恶化的问题,建立了复杂调制信号的非线性相位噪声理论分析模型,提出了一种基于SOA交叉相位调制(XPM)效应的QPSK信号相位噪声抑制方案,仿真结果表明,该方案可有效地抑制QPSK信号的相位噪声,将功率代价降低2.3dB左右。 (4)针对弹性光交换中自适应带宽调整等需求,提出了一种基于对称式高非线性环(S-HNLF-L)FWM效应的并行四路QPSK信号到双相移相键控(BPSK)信号的格式变换方案,仿真结果表明,一路40Gbit/s QPSK信号转换为两路20Gbit/s的BPSK信号后,BPSK的接收灵敏度提高了3dB左右。同时,论文提出了一种基于SOA FWM效应的16QAM到QPSK调制格式变换方案,通过仿真验证了该方案的可行性。 (5)为了提高弹性光网络的频谱资源利用率,提出了一种基于半导体光放大器-马赫曾德尔干涉仪(SOA-MZI)中XPM效应的二进制开关键控(OOK)信号到QPSK信号及16QAM信号的调制复用方案,仿真结果表明,经过调制复用后QPSK及16QAM信号的谱效率分别提高了两倍和四倍。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN911.7
【图文】：

原理图,波长变换,效应,原理

传输容量；光时钟提取技术实现了网络光信号的时钟提取功能，实现了系统4^?信号的同步。全光信号处理技术是利用非线性介质的FWM、XPM、交叉增益调制效应(XGM)、自相位调制效应（SPM)等非线性效应实现的。目前主要的非线性介质有SOA[9-i2]、HNLF 桂基纳米线等。但是，由于SOA具有体积小、便于集成、增益带宽大、工作波长范围大（1200nm-1700nm)、载流子恢复时间快、动态特性好等优点，SOA中的XGM、XPM、SPM及FWM效应被广泛用于全光信号处理技术。本论文中的方案仿真及实验用的非线性介质为SOA。1.2.2光信号处理的关键技术1.2.2.1全光波长变换在未来的波长路由选择光网络中，波长变换技术可以有效消除网络拥塞和波长连续性的限制，提高波长资源的利用率，从而极大的增强网络的灵活性和可扩展性[19]。目前，实现全光波长变换主要是利用SOA或HNLF的XGM、XPM及FWM效应实现[2G-25]。图i_i(a)、图i-2(a)、图l-3(a)分别描述了基于SOA的XGM、XPM及FWM效应实现全光波长变换的基本原理。

原理图,全光波长变换,效应,原理

(b)图1-1.基于SOA的XGM效应实现波长变换的原理图I25】图1-1 (a)给出了基于SOA XGM效应实现全光波长变换的原理，由于实现方案简单，利用SOA XGM实现全光波长变换的方案是目前研宄较为广泛的一种技术，现在国内外部分高校及研究所对该方案己经进行了深入的研宄。该方案的基本原理是当带有调制信息的菜浦光A,信号和连续的探测光Ac经过波分复用器后同时z1合进S0A时，由于在SOA中放大光信号的同时将引起SOA中载流子的消耗，其中的载流子浓度随着栗浦光强度的变化而变化，从而使SOA的增益也受到同样的调制，即随着调制录浦光强的增强，SOA的增益将减小，但是当调制录浦光强减弱时

原理图,波长转换,原理图

作条件下，探测光功率增大，转换效率增大，但是输出消光比降低；相应地，栗浦光功率增大，增益调制程度增加，输出消光比增加，但由于SOA的饱和程度加剧，转换效率下降。因此，需要一个最佳的输入菜浦功率和探测功率来实现最优的消光比和转换效率。图1-2描述了基于SOA-MZI的XPM效应实现波长转换的原理图。XPM效应是利用SOA中载流子浓度变化过程中伴随的折射率变化引起的相位调制作用实现波长转换的。携带有信息的信号光七进入到SOA中，将引起SOA中载流子浓度的变化，而载流子浓度的变化将引起SOA折射率的变化，从而引起探测光I的相位变化。经过处理后，将探测光的相位信息转换成强度信息，从而实现了信号光的信息加载到探测光信号上，实现波长转换。基于SOA-MZI的波长转换器输出信号质量好、U梧笨煽刂啤⑹涑隹煞醋部刹环醋⑵癫幻舾小⒓读院谩⒂猛竟愕扔诺恪５牵捎赟OA中的XPM过程会伴随着XGM过程，XGM引起的幅度变化可能会降低其波长转换的输出性能。因此，需要控制菜浦光与探测光的注入光功率，降低XGM的影响，提高波长转换的质量。

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