光通信系统中全光信号处理若干关键技术研究

发布时间：2017-06-20 17:02

  本文关键词：光通信系统中全光信号处理若干关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着互联网和多媒体技术的飞速发展,人们对通信带宽和信号处理速度的要求越来越高,作为互联网和通信网基础的光传输网络面临承载海量数据的压力,光传输网络正朝着高速率、大容量方向发展。在高速光传输技术发展的同时,中间节点的数据交换如果仍然进行光/电/光转换,受限的电信号处理速度一定会成为高速光传输的 瓶颈‖。因此直接在光域对信号进行处理,不需要光/电/光转换的全光信号处理技术受到广泛关注。本论文对其中的全光组播技术以及具有组播功能的非归零码(non-return-to-zero,NRZ)到归零码(return-to-zero,RZ)码型转换技术进行了深入研究。两束不同波长的光同时在光纤中传输发生交叉相位调制(cross-phase modulation,XPM)可以用耦合非线性薛定谔方程描述。XPM感应频谱展宽,在整个频率范围内伴随着振荡结构,频谱由许多峰构成。由于耦合非线性薛定谔方程为非线性偏微分方程组,一般情况下无解析解。如果按照目前常用的分步傅里叶方法,在输入信号为高斯信号的情况下,数值求解与时间有关的非线性相移及XPM感应的频率啁啾,进而计算峰与峰之间的频率间隔,这样的计算结果与仿真实验结果存在很大误差。本研究分析其误差产生的原因,并通过微扰方法对XPM不稳定性最大一阶增益角频率公式进行了修正。具有较高的频谱效率、较好光纤非线性容忍度的16-QAM(Quadrature amplitude modulation,QAM)码型调制技术一直是100Gb/s商用系统的备选方案而受到了广泛的关注。但是目前对相位携带信息的16-QAM光信号的监测还缺乏有效手段。为进行高速率光信号相位信息测量相关工作,需要根据实验室现有条件调制出16-QAM的信号。所以本文对16-QAM的调制技术进行了理论研究。论文的主要研究工作如下:(1)基于高非线性光纤的XPM效应,首次研究了泵浦功率和探测功率对组播信道数目的影响;通过适当的控制两束光的光功率,实现了10信道且Q因子大于6的组播,组播信道在探测光中心波长两侧依次对称出现,且整齐的排列在探测光中心波长两侧。泵浦光和探测光的功率对组播信道的建立影响显著,但是对信道中心波长和信道间距的影响不明显。(2)首次提出了基于高非线性光纤xpm效应的、符合国际电信联盟(internationaltelecommunicationsunion,itu)粒度标准的组播方案。仅仅使用一束泵浦光和一束连续光,通过调整泵浦光和探测光的波长,仿真实现了10信道、q大于6的c波段的组播。当探测波波长为1544.92nm、泵浦波波长为1554.78nm时,组播信道间距约为0.8nm,信道编号从h35到h44。互换探测波和泵浦波波长值,组播信道可以向长波长方向转换。到目前为止,基于光纤的xpm效应主要用来做波长转换,而符合itu标准的xpm组播的尚未见报道。基于该技术的组播比基于四波混频效应的组播取得的信道数目更多,实验结构简单。(3)泵浦光和探测光之间的波长差每次增加0.4nm,采集70张xpm光谱图,发现波长差的变化将引起xpm感应光谱椭圆周期性演化过程。目前还没有见到关于xpm脉冲演化规律性的实验报道。仿真实验证明峰与峰之间的频率间隔就是组播信道的信道间隔。为计算信道间距,对g.p.agrawal教授在忽略两束光群速度失配条件下(假设vg1≈vg2),xpm不稳定性最大一阶增益角频率公式进行修正,得到两束光波长差较大时的最大一阶增益角频率公式。修正后的公式与仿真结果定性相符。(4)利用一个泵浦光和一个时钟脉冲作用,通过高非线性光纤的xpm实现了9信道具有组播功能nrz到rz码的码型转换技术,rz信号的脉宽受时钟信号脉宽控制且可调。仿真结果表明:具有组播功能的nrz到rz码的码型转换的组播信道与利用连续探测光的组播信道具有相同的中心波长和信道间距。使用同一根光纤能够完成10git/s和20gbit/s的nrz-rz码型转及组播。该结果证明nrz-rz码型转换器与全光组播器可以功能一体化,即组播器仅仅更换部分原件即可成为码型转换器。(5)初步开展了16-qam调制、解调的理论研究工作,用4电平驱动信号驱动两只双臂马赫-增德尔调制器搭建了16-qam发射模型。接收端使用一个90o光混合器和两个平衡探测器做接收,仿真结果表明16-QAM星座图清晰。
【关键词】：高非线性光纤 交叉相位调制 NRZ到RZ码型转换 组播 16-QAM
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-14
• 1 绪论14-20
• 1.1 课题的研究背景及意义14-18
• 1.2 论文的主要研究内容及结构安排18-20
• 2 XPM效应理论基础20-30
• 2.1 光脉冲在光纤中的传输方程21-25
• 2.2 交叉相位调制的耦合非线性薛定谔方程25-29
• 2.3 总结29-30
• 3 入射光功率对高非线性光纤XPM组播贡献研究30-53
• 3.1 目前主要的组播技术30-37
• 3.1.1 基于SOA交叉增益调制的组播30-31
• 3.1.2 基于SOA交叉相位调制的组播31-32
• 3.1.3 基于SOA四波混频效应的全光组播32-34
• 3.1.4 基于光纤介质四波混频效应的全光组播34-35
• 3.1.5 基于PPLN波导和硅纳米线的全光组播35-37
• 3.2 本文在全光组播方面的研究工作37-51
• 3.2.1 仿真实验建立37-38
• 3.2.2 仿真结果和讨论38-51
• 3.3 总结51-53
• 4 符合ITU粒度的组播研究53-65
• 4.1 仿真实验54
• 4.2 仿真结果54-57
• 4.3 增大码元速率仿真结果57-58
• 4.4 互换泵浦光和探测光波长仿真结果58-61
• 4.5 分析与讨论61-63
• 4.6 总结63-65
• 5 波长间距变化引起XPM光谱演化研究与最大一阶增益频率公式修订65-87
• 5.1 光纤的基本参量65-67
• 5.2 仿真实验光谱图像67-79
• 5.3 微扰方法对XPM一阶最大增益谱频率公式修订79-86
• 5.4 总结86-87
• 6 具有组播功能的NRZ到RZ码型转换性能研究87-99
• 6.1 基于高非线性光纤交叉相位调制的NRZ到RZ码转换工作原理88-89
• 6.2 仿真实验建立89-90
• 6.3 结果和讨论90-97
• 6.4 总结97-99
• 7 16-QAM调制技术及仿真实现99-113
• 7.1 调制器基本原理99-103
• 7.2 16-QAM方案分析103-107
• 7.2.1 星型 16-QAM实现方案103-105
• 7.2.2 方型 16-QAM实现方案105-107
• 7.3 16-QAM发射端仿真实现107-111
• 7.4 总结111-113
• 8 论文工作总结与展望113-115
• 8.1 研究工作总结113-114
• 8.2 进一步研究工作展望114-115
• 参考文献115-128
• 附录A：论文中缩略词含义128-129
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果129

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本文编号：466249