新型光调制信号的多波长再生和收发机关键技术研究

发布时间：2020-07-26 13:27

【摘要】：现代光传送网络(OTN)正朝着大容量、高速率、智能化等目标方向不断演进。大容量需要波分复用技术(WDM)和高频谱效率调制技术支撑,高速率依赖于全光信息处理器件和收发端电域的低复杂度数字信号处理(DSP)算法,智能化体现在光收发机和光交换节点的灵活控制功能。这些目标的实现很大程度依赖于新型光调制格式的实现,新型光调制信号泛指区别于经典两电平强度调制信号的各类多维复杂调制方式。本文研究新型光调制信号的多波长再生与收发机关键技术,主要内容包括多波长时隙交织信号的全光再生技术、偏振复用(PDM)-64QAM信号传输中非线性串扰的电域补偿,以及时域混合QAM(TDHQ)信号光收发机的信道适应性研究。本学位论文的主要研究内容和创新如下:1.多波长信道的非线性串扰分析与全光再生技术DWDM多波长传输技术是提高光传送网(OTN)容量的主要手段,全光再生技术是有效抑制多波长信道间非线性串扰的重要方法。1)首先,建立了多波长非线性串扰的四波混频(FWM)理论模型,分析了多波长全光再生系统中各种串扰的来源,仿真和实验研究了时隙交织、偏振复用和双向对传三种串扰抑制技术的特点,它们分别与光脉冲占空比、光纤双折射和光环行器隔离度等参数密切相关。2)利用数据泵浦FWM的功率传递函数对称性,提出并实现了一种偏振无关的消光比提升方案,该方案采用偏振分集技术和双向对传抑制串扰,可使偏振随机开关键控(OOK)信号的消光比(ER)提升4.2dB,Q值从5.8提升到6.9。3)综合应用三种串扰技术依次完成了6波和8波的多波长全光2R再生实验,实验结果表明,时隙交织OOK信号中每个波长通道的接收机灵敏度均可提升0.8dB以上。论文还从时隙交织多波长信号出发,理论分析了进一步提高再生信道数的限制因素,仿真研究了串扰限制下系统的再生容限。2.抑制PDM-64QAM信号非线性串扰的低复杂度DSP补偿算法除了采用全光再生技术在光域抑制串扰外,本文针对高阶调制信号的相干检测系统,提出一种超低复杂度的电域DSP非线性补偿算法,在接收端来补偿短距大容量传输中自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)带来的信道内和信道间串扰劣化。与需要时频域分步傅里叶计算的常见补偿算法相比,该DSP非线性补偿算法运行于接收端色散补偿模块和自适应均衡模块之间,非线性计算时只需要考虑色散导致的符号相关性。研究表明,通过适当保留残余色散可提高非线性补偿效果,采用矩形有限冲击响应(FIR)滤波器可进一步降低算法的复杂度。以符号率为35Gbaud的PDM-64QAM信号(单载波速率约400Gb/s)为例,开展了相应的单波长实验和多波长仿真,可分别抑制60%和40%的信道非线性串扰。3.时域混合QAM信号的光信道适应性与光收发机的灵活配置方案灵活光收发机可改变信号符号率、调制格式等参数来适应各种信道特性,以获得最大的传输容量或最远的传输距离。已有研究表明,在一些特定的情况下,固定总速率的收发机可通过优化符号率和调制的格式组合以获得最大的传输距离。本文研究符号率和调制格式独立可变信号对信道噪声和光带宽的适应性,以及所带来的系统容量提升,采用TDHQ信号实现准连续可变的频谱效率以匹配信道噪声,可变符号率对应可变光带宽以匹配级联可重构上下路滤波器(ROADM)的动态滤波特性。其中,TDHQ信号是由不同阶数的QAM符号时域交织而成的一种高级调制格式。仿真和实验研究了“固定符号率、调制格式在TDHQ连续切换”,“符号率连续可变、调制格式在标准QAM中切换”以及“符号率连续可变,调制格式在TDHQ中切换”三种工作模式的平均容量,相比于“固定符号率、调制格式在标准QAM中切换”的工作模式,分别获得了10.4%、14%和17%的系统平均容量增益。在此基础上,提出了一种基于神经网络方法的灵活光收发机配置方案,仿真验证了其可行性。该方案以相干接收机的性能监测参数作为输入,经神经网络算法处理后,估算出最佳的符号率和调制格式,进而完成发射机的灵活配置。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【图文】：

光纤通信,诺贝尔物理学奖,全球通信,公开信

第一章绪论1.1 光通信技术的发展2009 年诺贝尔物理学奖授予了英籍华人高锟（Charles K. Kao）博士，表彰对光纤通信发展所做出的贡献，诺贝尔奖委员会在给公众的公开信中写到[1]：“当诺贝尔物理学奖宣布的时候，世界大部分地方几乎瞬间收到了这条信息文字、语音和视频信号沿着光纤在世界各地来回传输，几乎瞬时地被微小而便捷设备接收，人们已经把这种情况当做习惯。光纤通信正是整个通信领域急速发展前提。”正如图 1-1 所示，从 50 年前诞生至今，光纤通信技术构建起了全球通信的架，为人类提供了大容量、高可靠性和低能耗的信息传输管道，人类对带宽无穷的追求也为光纤通信技术的发展提供了源源不断的动力[2]。

再生系统,实物,波长

图 3-12 六波长再生系统实物图仔细调节 EDFA 的增益和每个通道的损耗，并优化各个通道的偏振和功率，可获得较好的再生性能。图 3-13 给出了 1:99 分光器 1%端口处的 FWM 光谱，可以看出，输入信号光和辅助光的背向反射较弱，且信号光和闲频光在频域不交叠，非简并 FWM 串扰光也得到了有效的抑制。FWM 相位匹配条件的频率依赖性使两个传输方向上的 FWM 效率有所不同，其中正向信道存在明显的高阶 FWM，但没有落在再生信道内。由图 3-13 还可以观察到再生信号频谱的展宽现象，即再生闲频光的谱线宽度要大于输入泵浦信号的宽度。-50-40-30-20光功率(dBm)正向反向A1A2S1S2S3R1R2R3S4S5S6R4R5R6

时域波形,时域波形,波长,光功率

图 3-14 六波长再生时域波形-18-1 0-16 -14 -12 -10 -8 -6-8-6-4-20接收机光功率 (dBm)log10(BER)-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6-10-8-6-4-20log10(BER)-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6-10-8-6-4-20接收机光功率 (dBm)log10(BER)-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4-10-8-6-4-20log10(BER)-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6-10-8-6-4-20log10(BER)-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6-10-8-6-4-20接收机光功率 (dBm)log10(BER)DegradedR-MultiR-Single2 dB1 dB 2.6 dB1.5 dB1.9 dB2.4 dB正向信道 Ch1~Ch3反向信道 Ch4~Ch6接收机光功率 (dBm)接收机光功率 (dBm)(a) 信道1(b) 信道2(c) 信道3

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