（通信与信息系统专业论文）全光通信网关键技术的研究与实现.pdf

摘簧 目前光通信聚统中的电予交换方式已经限制了光纤通信优势的发撵，出现 了辨疆黪“龟子簸羲”彝嚣，嚣全巍嚣终将突玻逮交羧熬簸颈或秀下一栈题络 的桉心技术，s 陡；了广泛酶研究兴趣。在这样一个大鹜最下，本文程潮家8 6 3 计划以及国家自然科学基金的资助下，围绕着新型光路燮换的全光网络，进行 了镪括全光巧境”f 怒长距离传输煎实现、4 0 g b p s 传输技术、全光时钟提取等关 穗技本静爵究，势薅基予努蠢式光路交捩熬垒悫霹络豁鏊懿理论窥暴侮实鬟等 方耐进行了系列深入的研究，所取得的主要研究成果如下： 一利用啁啾光纤光栅( c f b g ) 辛；b 偿长距离传输系统的色散。在全所师生熬同完成 静8 6 3 瑷嚣实现爨t 0 g b p s 嚣磐零弱撼疆3 1 0 0 k i n ( 爨f e c ) n 踅长氍囊筵输 瀚基础上，避多优诧系统实现t2 0 t5 k i n ( 无f e e ) 嚣误码传辕。突破了鞋镬 大量实验研究认为的在利用啁啾光纤光栅补偿色敝的传输系统中若采用 n r z 则传输嬲离一般局限在1 0 0 0 k m 左意的认识。同时利用归零硒( r z ) 码和 鼗渡搀裁灏零玛玛( c s r z ) 在穰彀煮纤戆瓣耱蛰色散赘传输系统串实臻 2 5 6 0 k m 低萌率代价无误礴传输，首次将高级调锖磷麓运焉予秘掰啊嗽光纾 光栅补偿色散的传输系统中，以点对点的方式实现了超过2 5 0 0 k m 的超长距 离传输。 l 院较蠢努褥了潢壤竞驽惫辩魏反射落姣渡、嚣嚣延绞渡虢及蒂窝辩n r z 、 r z 和c s r z 码三种调制码型的不同影响，对啁啾光纤光栅的不穗想特性对 使用高级调制码型传输系统的影响给出了物理解释。 1 1 1 逶逑鼗蕴傍粪，验证了碉嗽是缍竞掇在森逮确硒p s 臻；统孛其裔煮效撩割 信道蠹饕畿经的特点；磷究了将疆嗷光绎蠢撵应爝予秘焉穗僚镯铹鹃型的 4 0 g b p s 传输系统色散补僚的特点，定最比较和分析了在相位调制系统中使 用色散李卜偿港野和碉啾光纡光播补偿缆路色散的不脚特点。 l 蓠凌采震了髑镞竞瓣窥学导体是鼓大嚣方式实囊了n r z 蔼毒踺铮分鳖翁髦 强，实现了旗于受激布举潞| 散射效应的、对传输速率不敏感的的r z 、c s r z 和n r z 信母时钟分量提取，并对该方寨中影响时钟分量提取的湖索进行了 详细分辑。 一实瑷了基予淹路交换静嚣节点全先逶穗鄹演示系统。该全宠矮采髑分霉式交 换，其端剐端连接的特点从物理结构上最大程度傈谣了网络安全。该网络的 实现为丌展释种光传输实验、网络业务研究提供了平台。 关键潺：麦骜送信全竞霹憩长燕蔫霞输金是簿耱摄取全蠢霜终鬟魂 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c e ，o p t i c a lt r a n s m i s s i o nh a sp l a y e da n i m p o r t a n tr o l ei nt h eb a c k b o n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m b u tt h es w i t c h i n go ft h e s y s t e mi si m p l e m e n t e di ne l e c t r o n i cd o m a i n ，w h i c hm e a n ss i g n a ls h o u l db ec o n v e r t e d i n t oe l e c t r o n i cf o r m a tf o rs w i t c h i n ga n dc o n v e r t e db a c ki n t oo p t i c a lf o r m a t s u b s e q u e n t l yr e s u l t i n g “e l e c t r o n i cb o 键l e n e c k w h i c hi st h em o s to b s t a c l et oo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s m e a n w h i l ea l l - o p t i c a ln e t w o r kc a l lb r e a kt h er e s t f i c t i o no f t h ee l e c t r o n i cs w i t c h i n ga n di ti sd e v i s e df o rt h eu s e r st oe x p l o i tt h ee n o r m o u ss p e e d o fo p t i c s 。s oa l l o p t i c a ln e t w o r ki sr e g a r d e da st h ek e yt e c h n o l o g yt ot h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) ，a n dg r e a tr e s e a r c hi n t e r e s t i n gh a sb e e na t t r a c t e di ni t ， u n d e rt h i sr e s e a r c hb a c k g r o u n dw ec o n d u c tad e e pi n v e s t i g a t i o ni n t ot h et h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa b o u to p t i c a l c i r c u i t b a s e da l l - o p t i c a ln e t w o r ka n dt h e w o r ki ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i 砖t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) a n dn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a o u rr e s e a r c h e s i n c l u d eu l t r a l o n gh a u lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，4 0 g b p st r a n s m i s s i o ni nc f b g b a s e d s y s t e m ，a n dn o v e lt e c h n i q u et oa l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y , b a s i ct h e o r e t i c a la n d e x p e t i m e n t a ir e s e a r c h0 na l l o p t i c a ln e t w o r k a n dt h em a i na c h i e v e m e n t so ft h e t h e s i sa r el i s t e da sb e l l o w s ： -a2 0 15 k m1 2 l o g b p st r a n s m i s s i o nw i t he r r o r - f r e ew a si m p l e m e n t e di nt h e n r z - e m p l o y e ds y s t e mw h e r ed i s p e r s i o nw a sc o m p e n s a t e db yt h ec h i r p e df i b e r b r a g gg r a t i n g ( c f b g ) a n de v e nt h e l o wp o w e rp e n a l t ya f t e r2 5 6 0 k m t r a n s m i s s i o nw i t ht h es t r u c t u r em e n t i o n e da b o v ew a sa c h i e v e di fr za n dc s r z f o r m a tw e r ee m p l o y e d 。t h et r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tc o n d u c t e di nt h i sp a p e r b r e a k st h r o u g ht h es t a n d p o i n t si nm a n yp a p e r st h a ti t sd i f f i c u l tt op r o l o n gt h e e r r o r - f r e et r a n s m i s s i o nl e n g t ha b o v e1 0 0 0 k mw i t h o u te l e c t r o n i cr e p e a t e ni ti st h e f i r s tt i m et h a t ，t ot h eb e s to fo u r k n o w l e d g e ，t h ea d v a n c e dm o d u l a t i o nf o r m a ti s a p p l i e di nc f b g b a s e ds y s t e mw h e r eu l t r al o n gh a u lt r a n s m i s s i o nw i t hp e r f e c t p e r f o r m a n c ei sa c h i e v e d 一t h ec a u s a t i o no ft h en o n i d e a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ec h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g w a se x p a t i a t e d t l ei m p a c to ft h eg r o u pd e l a yr i p p l e ( g d r ) 。r e f l e c d v i t yt i p p l e ( r r ) a n db a n d w i d t ho ft h ec f b go nt h e1 0 g b st r a n s m i s s i o ns y s t e mw h e r e n o n - r e t u r n t o z e r o f n r z ) ， r e t u r n t o - z e r o ( r z ) a n d c a r r i e r - s u p p r e s s e d r e t u m t o - z e r o ( c s r z ) f o r m a t sw a sa d o p t e da n dt h ec f b gw a se m p l o y e da s d i s p e r s i o nc o m p e n s a t o rw a ss i m u l a t e da n dc o m p a r e di nd e t a i l _ t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e4 0 g b p sp h a s em o d u l a t e ds y s t e mw h e r ec f b gw a s e m p l o y e da sd i s p e r s i o nc o m p e n s a t o rw a ss t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n d e t a i l e dc o m p a r i s o n sw e r em a d eo nt h ep e r f o r m a n c e so ft h ep h a s em o d u l a t e d s y s t e m w h e r e d i s p e r s i o nw a sc o m p e n s a t e db yc f b ga n dd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nf i b e r ( d c f ) ， 一an o v e ls c h e m ef o rc l o c kc o m p o n e n te n h a n c ef r o mn r zf o r m a tw i t hc f b g a s s i s t e ds e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e rw a sf o r w a r d e di nt h i st h e s i sf o r t h ef i r s t t i m e ，w h i c hh e l p st or e c o v e r yt h ec l o c ko ft h et r a n s m i t t e dn r zs i g n a l t h e i n f l u e n c ef r o mt h i ss c h e m eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h er e c o v e r e dc l o c kw a sa l s o b ea n a l y z e di nd e t a i l -af o u r - n o d ea l l o p t i c a ld e m os y s t e mb a s e do no p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n gw a s e s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s a n dt h es e c u r i t yo ft h ew o r kw a s g u a r a n t e e df u r t h e s t b e n e f i t e df r o mt h ed i s t r i b u t e ds w i t c h i n gb a s e do ne n d t o e n dc o n n e c t i o n c f b g p e r f o r i l la na r t f u lf u n c t i o ni ni t t h ei n s t a l l e dn e t w o r ks y s t e ma l s op r o v i d e da t e s t b e df o rt h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n ts e r v i c ea n df o r m a t k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；u l t r al o n gh a u lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n ；a l l o p t i c a l c l o c kr e c o v e r y ；i m p l e m e n t a t i o no f a l lo p t i c a ln e t w o r k 北京交通人学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着因特网在全球范围内的迅速发展，基于i p 的数据业务呈爆炸式增长， 对网络带宽的需求随之增加。而目前通信系统基于数字电子的交换技术已逼近 电子器件的处理极限，进一步提高设备处理速度的难度越来越大。电子技术发 展速度已经远远赶不上光通信容量的急速增长速度，出现了通信带宽的“无限 渴求”和交换系统的“电子瓶颈”等问题【“。波分复用( w d m ) 技术正是解决 上述问题的关键技术之一，它将多波长光复用到一根光纤中，从而更有效地提 供传输带宽，可以让i p 、a t m 和s d h s o n e t 协议下承载的电子邮件、视频、 多媒体等数掘都通过统一的光层传输【2 4 1 ，使得光纤数十t h z 的带宽得到充分利 用，在此基础上直接在光域完成信号的交换与传输，成为网络进一步发展的共 识，从而导致了全光网的提出。w d m 的广泛开展进一步推动了全光网的研究热 潮，以w d m 技术为基础、全光交换为核心的全光网成了竞相发展的重点【5 。j 。 光通信包括了光传输和光交换两个方面，这两方面技术的发展水平相互制 约影响着全光网的整体发展。本文结合国家8 6 3 重大项目“w d m 超长距离光传 输技术的研究与实现”以及国家自然科学基会重点项目“全光波长交换关键技 术研究”和“高速光通信系统中的偏振模色散补偿及相关技术与基础研究”的 实施，针对全光通信网中的超长距离传输、4 0 g b p s 超高速传输、全光信号处理 特别是信号时钟提取等方面的关键技术以及基于分布式光路交换全光网的具体 实现等方面进行深入的理论和实验研究。 1 2 超长距离波分复用传输技术的发展水平和研究现状 在2 0 世纪末，光传输技术上出现了多个重要的发明和重大技术突破， 1 5 5 0 n m 低损耗光纤、密集波分复用( d w d m ) 技术、光放大技术( 掺铒光纤放大器 e d f a 、拉曼放大器f r a 等) 、色散补偿、特殊码型( 归零码r z 、载波抑制归零 码c s r z 、差分相移键控d p s k 以及光孤子等) 、前向纠错( f e c ) 等技术相继出现。 作为这些众多技术的集大成者，光传输技术特别是高速超长距离( u l h ) 光传输技 术使得光通信水平得到飞速发展，从而成为了2 0 世纪末期信息技术高速发展的 强劲动力。超长距离光传输是指不采用电再生中继而实现的距离达到较长程度 的全光传输，从而减少了传输链路上光电( o e ) 转换次数，使得光纤丰富的带宽 第一章绪论 资源得到充分利用，大大降低了传输成本，同时系统的可靠性和传输质量都得 到了保证。 1 2 1 超长距离w d m 传输的意义、研究内容和进展情况 对于中国这样幅员辽阔的国家来说，超长距离传输技术有利于降低光网络 初期的投资成本，并能有效减少网络运行和维护费用。对电信系统的运营商来 说，超长距离传输减少了光传输系统中价格最为昂贵的电再生中继器件，具有 低投资成本和高回报率的特点；透明的业务传输特性方便系统的平滑升级，满 足网络发展趋势的要求；超长距离w d m 传输的各个信道的光谱特性可作为反 映网络优劣的基本参数【8j ，相对直观地实现网络性能监控，增加了网络的可维护 性；超长距离传输系统借助光分插复用( o a d m ) 和研究中的可重构光分插复用 ( r o a d m ) 以及各种波长选择器件，方便地上下本地业务和交换波长业务，从而 提高传输业务的组织能力。可实施多业务传输技；术( m s t p ) t ”，利用研究中的自 动交换光网络( a s o n ) 有望实现“波长租赁”或者“波长批发”等增值业务【i ， 实现一定规模的智能组网。正是由于这些优点，超长距离光传输技术受到了密 切的关注，成为了近年来电信业的热点技术之一。 在超长距离传输巨大优势的驱动下，近年来各种传输使能技术层出不穷， 从而促进了超长距离传输性能的不断提高。长距离传输的研究热点主要集中在 以下几个方面： 1 、通过研制和使用新型光纤来改善系统的噪声特性，抑制传输过程的非线性效 应并方便地实现色散管理，提升传输系统的整体性能。 超长距离传输要求光纤的衰减小，使得放大器之问的跨距尽量大从而保证 传输的光信噪比；光纤低损耗区宽而平坦以容纳更多的传输信道，且平坦的光 谱吸收特性有利于抑制信道之间功率的差异，避免长距离传输中的信道功率不 均衡从而造成放大器增益竞争等现象；要求光纤具有适当的低色散和低色散斜 率或光纤本身存在可做色散补偿的色散互逆单元，保证对系统进行有效色散管 理：较大的有效面积来减小非线性效应对传输脉冲造成的损伤；由于实际传输 光纤中两正交方向偏振态的随机性，偏振模色散( p m d ) 已成为4 0 g b p s 甚至更高 速率系统传输的主要障碍，因此要求新型光纤具有很低的p m d 系数，从根本上 减小p m d 的影响。研制新型高性能光纤是扩大系统容量距离积的关键【1 1 - 1 3 1 o 2 、利用宽带拉曼放大器( f r a ) 或者拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器( e d f a ) 混 和方式，实现低噪声信号放大，减小长距离传输中的噪声积累。 北京交通大学博士学位论文 拉曼放大器的采用是超长距离传输的一个重要进展。分布式拉曼放大器利 用传输光纤本身作为增益介质，信号在光纤中传输的同时得到放大，其等效噪 声系数是放大器本身的噪声系数乘以光纤的损耗e x p ( 一“) ( 这里a 为光纤的衰减 系数，为拉曼放大器之间跨段光纤的长度) ，所以完全有可能突破e d f a 的3 d b 的量子噪声极限，甚至可能出现拉曼放大器的等效噪声指数为负【14 1 ，从而克服 了长距离光传输系统中由于放大器引入的自发辐射( a s e ) 噪声的积累导致的光 信噪l e ( o s n r ) 的恶化。而且采用f r a + e d f a 混和放大的方式可以在一个很宽的 带宽范围内提供平坦增益并大大降低传输系统的噪声水平，这种功率控制方式 在长距离传输中得到广泛的采用【l ”。 3 、前向纠错编码( f e c ) 技术应用于长距离传输系统，能以最小的代价提高传输 性能，扩展无误码传输距离。 f e c 在w d m 长距离传输系统的应用为系统性能的提高获得了足够的裕量。 常用的f e c 编码是r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码，将传输比特率提高了约7 ，在误码率为1 0 。5 下可获得6 d b 编码增益l l 7 1 。实验还证明若将r s 编码线性速率从7 增加到1 4 时可再获得1 2 d b 编码增益【i 。目前在超长距离传输系统中甚至采用级联码方 案的超强f e c ，即编码由内码和外码两套不同的纠错码交织级联而成，以便更 好地纠正多个突发错误。级联f e c 编码可进步改善编码增益，其中纠错能力 更强的级联码和分组t u r b o 码可分别带来8 6 d bf 9 l 和1 0 1 d b l 2 0 1 的编码增益。f e c 方面的主要研究仍然是继续寻找简单高效的纠错编码方案和纠错编码方案的高 速集成电路的实现，此外利用f e c 来改善线路中随机因素( 如p m d ) 对传输系统 性能的影响也正成为新的研究热点1 2 1 1 。 4 、长距离系统中多信道信号同时传输以及级联使用放大器，均衡放大器的动态 增益并克服放大器的瞬态特性，对提高系统的性能至关重要。 功率均衡的意义在于减小或克服由于多级放大器各信道增益的不平坦导致 输出功率不均衡的累积，从而使得某些信道的光信噪比大大衰落。目前在传输 系统中实现增益均衡的方法主要有：1 ) 对线路中的放大器增加增益平坦滤波器 2 2 , 2 3 1 ：2 ) 通过基于各个通道光谱密度的大小实施反馈控制，进而动态管理增益【2 4 】； 3 ) 采用优化拉曼放大器泵浦源配置，使e d f a 放大器的增益谱与拉曼放大器增益 谱互补【2 5 讲】。当放大器的输入信号功率发生涨落且其变化速率在放大器的响应 带宽之内时，放大器输出功率也会随之发生涨落，从而产生了放大器瞬态效应。 如果不加以控制，则这种涨落将被后续放大器放大而发生增益振荡，甚至形成 第一幸绪论 光浪涌损害器件。通常可以采用控制泵浦功率或均衡信道功率，减小输出功率 涨落来解决该问题【2 8 】。 5 、由于不同调制码型的谱特性和接收端信号处理方式的不同，系统的色散容限、 非线性容限以及光信噪比容限方面表现出不同的特性，通过采用合适的调制码 型充分利用这些特性有利于提升系统的传输性能。 n r z 码是传统光通信系统中普遍采用的调制码型，但n r z 码由于受色散、 非线性效应的影响，传输距离增大到1 0 0 0 k m 以上时带宽展宽严重，其灵敏度和 o s n r 的功率代价过大，如果不采取措施( 如f e c 和信号再生处理) ，系统性能将 迅速劣化而无法继续传输f 2 9 1 。而归零码( r z ) 、载波抑制归零码( c s r z ) 等码型由 于频谱、脉冲宽度等特性与n r z 码相比存在较大区别，在传输系统配置基本相 同的条件下，r z 和c s r z 码对系统的o s n r 有明显的改善，可比n r z 码提高 2 d b 左右【3 们。但由于r z 码和c s r z 码的频带较n r z 宽，因此需要做更为严格 的色散管理。特别是c s r z 码，由于信号中载波分量的消除，使得非线性容限 得以大大提高。各种新型调制码型的采用是光传输技术最重要的进步之一。在 目前的超长距离光传输研究中，各种形式的差分相移键控( d p s k ) 码型显示了巨 大的性能优势 3 0 - 3 3j 。具体体现在：1 ) 更低的o s n r 容限；2 ) 更强的抗光纤非线性 效应的能力；3 ) 更佳的色散容限；4 ) 更大的p m d 容限。此外为了获得更高的频 谱效率，相位整形二进制传输( p s b t ) 3 4 - 3 6 和差分四相相移键控( d q p s k ) 3 7 , 3 8 1 在光传输领域的应用正成为研究的热点。 6 、采用色散管理技术，减小由于非线性效应和色散积累导致传输信号的劣化， 使得长距离传输成为可能。 采用色散管理技术，通过设计合理的色散分布，保持适当的本地色散以最 大程度地抑制传输过程中的交叉相位调带t j ( x p m ) 和四波混频( f w m ) 等非线性效 应对传输脉冲的损害；同时兼顾考虑保持较小的残余色散，减小色散对脉冲的 影响。目前实际系统中使用最多的是由色散补偿光纤构成的色散补偿模块 f d c m ) ，通常置于两级e d f a 之间，并以e d f a 的增益补偿d c m 的插入损耗 3 9 4 0 l ：基于啁啾光纤光栅的色散补偿模块，由于其插损小，品质因子高，价格较 低等特点，也具有很强的实用竞争力【4 t - 4 3 1 ；此外各种色散管理光纤即传输光纤 分为正负色散两种并交错搭配的方式来精确匹配其色散斜率和色散量，也可以 获得更好的传输效果1 4 4 , 4 5 1 。在超高速系统中，由于色散长度特别小，实现精确的 色散补偿还需要动态可调的色散补偿器【拍，4 7 1 。此外，电域的色散补偿方式在高速 光传输系统中也表现出巨大的应用潜力和吸引力m j 。 北京交通人学博士学位论文 7 、光孤子的自恢复能力对高速长距离传输具有极大的吸引力，特殊码型的光孤 子在传输系统中显示了极其优越的性能。 色散管理孤子是一种非严格意义上的光孤子，它利用传输光纤的周期性分 布式色散补偿方案，使光脉冲在光纤传输过程中由于g v d 和s p m 效应共同作 用而经历周期性的展宽和压缩，性能非常稳定。色散管理孤子和常规孤子相比 有更好的性能，通过合理选择色散图并将光纤残余色散减小到很低的水平，可 以大大减小o o r d e n h a u s e 抖动和准孤子之间的相互作用【4 翻，并对a s e 噪声、孤 子相互作用等进行有效地抑制【4 9 , 5 0 l 。此外，各种特殊码型的光孤子对传输性能的 改善也起了积极的作用【5 1 1 ”l 。 截止到目前，超长距离d w d m 传输已达到了很高的水平，在传输容量、传 输距离和频谱利用率等方面都取得了重要进展，具体如下： 表1 - 12 0 0 5 2 0 0 6 年报道的超长距离传输技术取得的代表性成果 6 4 01 2 7 0 08 0d m f 1 05 1 2 08 0集中电补偿s m f 7 2 06 2 5 05 0 d c f n z - d s f 1 3 6 64 3 0 09 5d m f 1 01 2 5 0 0 0 0 *1 2 5d c f l e a f 2 0 012 0 06 5d c ft c w a v e 1 7 1 2 5 1 16 1 5 9 2 3d c fs m f 8 8 01 7 0 08 0d c fs m f 7 6 03 0 4 08 0 d c f s m f 7 7 046 2 5 05 0 d c f n z - d s f e d f a实验室 e d f a实验室 e d f a实验室 e d f a 实验室 e d f a 实验室 e d f a 现场，陆地 e d f a 现场，陆地 e d f a 现场，陆地 r a m a n 现场，陆地 e d f a 现场，跨洋 + 使用r 伞光3 r 技术，每1 2 5 k i n 经过一次3 r 整形。 1 2 2 基于啁瞅光纤光栅色散3 1 、偿的w d m 超长距离传输系统的研究现状 目前铺设的长途光缆主要是由普通的单模光纤( g 6 5 2 光纤) 构成，g 6 5 2 光 纤在最低损耗窗口1 5 5 0 n m 处约有1 7 p s r t m k m 的色散，导致高速光脉冲在传 输中产生严重的展宽和畸变，造成码间干扰( i s i ) ，从而限制了高速光传输技术的 发展，色散补偿是完成长距离光传输的关键技术之一。目前实际工程上较普遍 采用与普通光纤色散系数相反的色散补偿光纤( d c f ) 来补偿传输色散。但d c f 仍存在以下一些不足：1 ) d c f 成本目前仍较高；2 ) p m d 系数较高，约为 0 1 筇白竹，比普通g 6 5 2 光纤大，若在此基础上将系统升级到4 0 g b p s 或更高 矧州嘲吲蚴鳓旧 o 0 o o m mm州 第一帮绪论 速率需对现有的传输线路徽较多p m d 辛卜偿的工俸，丽舀前p m d 补偿技术仍在 研究中且实现代价高；3 ) 大多数d c f 的色散斜率不能与现有的g ，6 5 2 光纤党全 匹配，即巍w d m 系缀中某个波长的色敬得到完全幸卜偿但在其余波长处仍存在 残余色簸，虽慈豹残余鬯毅蘧传徐躐离i 嚣积累，觚 嚣逵藏不嗣结遥 缮效袋戆 严重不致，因此需鼷比较复杂的绝敖斜率补偿；4 ) d c f 损耗较大约o 5 o 。7 d b k r n ，使得线路中的色散补偿模块的插入损耗也大，对传输饿路中放大器的 增益、竣斑锪积功率等谯能提出受褰静要求。色散 偿静另可嚣方案是采耀 稠啾光纤光栅( c f b g ) ，出于碉啾光纤光栅对带内不同频率分鲞的信号延时鬣不 同从而补偿了信号传输时引入的色散所导致的脉冲展宽。相对于色散补偿光纤 而言，c f b g 具有以下优点：1 ) 价格低廉，在现有条件下制作技术已相对成熬弗 虿錾量纯耋| 三产；2 合瑷浚诗竞蘩参数，可以藏露； 缮色教嚣垂散籍率，渡羚馁方 法应用l i f 景广阔撕4 1 ；3 ) c f b g 全光纤结构与光纤系统兼容性好、插入损耗小。 因此可利用c f b g 解决传输信号的甑敝补偿问题，方便于在g 6 5 2 光纤上实现 超长距藏w d m 传输，兵鸯极大懿经滂侩鏖。救钤，长距离传浚审出于光放大 器的级联使用，放大器盘发辐射( a s e ) 噪声的积累劣亿了传输信号的信噪比，成 为了长距离传输的最大障碍。而光纤光栅由于其优良的带通滤波特性，能对通 带外的噪声有效地滤除，在减小系统噪声积累提高o s n r 方面舆蠢突出的优势， 霹苑穗对予妥纛鬟灞d c f 铪嫠色教豹系统在无惫中继清况下簸多只链无误妫俦 输数百公熙的现状束况，利用c f b g 补偿色散对改善系统性能扩展传输长度具 有积极的惑义。 篷痰铃浆众多实验嶷已透露了大爨豹疆究工作，汪明了c f b g 在毫速搴大 容量传输系统中作为色散补偿模块肖着非常大的实用潜力和价值 4 1 6 5 - 6 7 j 。1 9 9 6 年m j c o l e 和w h l o h 等人用两根1 0 厘米长的光栅补偿了5 3 7 k m 链路色散实 现了1 0 g b sn r z 无误玛传输后1 6 引，又实现了1 0 g b s 双二进制信号无误码传徐 7 0 0 k m l 6 9 1 ，开始了褥稠嗷惫纾光秘澎溺于往羧系绞筑研究；1 9 9 9 年l ，d g a r r e t t 和a h g n a u c k 小组将啁啾光纤光栅的应用拓展剿w d m 领域，利用11 根宽带 光栅在1 6 x1 0 g b sw d m 系统上传输了8 4 0k m ，其信道间隔为5 0 g h z 7 0 】，随后 爨凌了游嘲嗷光纾光掇瘦鼹予4 0 g b s 高速传辕系缀荠成功健浚5 0 0 k m ”j 。这篷 传输结粟诞明了光栅舆有应用到大容量、长距离传输系统豹潜力。近年来j 京 交通大学光波所成功地利用啁啾光纤光栅补偿w d m 色散实现- y1 0 0 0 k m 以上的 无误码传输 4 1 , 6 5 都2 2 1 ，将啊啾光纤光栅在长距离传输中的应用掇离到一个新的水 平，荬实验结采穰好戆证甥了稠嗷毙绎竞撵可以藏蘑予超长蹬离绩输。诧秀， 北京交通人学博l ：学位论文 通过对光栅施加合适的温度调节和压力调节可以实现一定范围的色散量调谐， 从而实现动态的色散补偿以及色散斜率补偿 6 3 , 7 3 】，满足超高速系统中对精确色散 补偿的要求。表1 2 为近年来利用啁啾光纤光栅补偿色散取得的进展情况。 表1 22 0 0 0 2 0 0 6 年在利刖啁啾光纤光栅补偿色散取得的进展情况 由于光纤光栅存在的温度和应力敏感性，此前的一些研究对f b g 在实际传 输系统上能否稳定工作存在不同的看法。但大量的实验已证明，通过对光纤光 栅进行温度和应力稳定方面的封装完全能够使光纤光栅作为色散补偿器适用于 长距离传输，从表1 2 中可以看出已有利用e d f a + c f b g 实现传输距离在 1 0 0 0 k m 左右的传输实验报道 4 1 , 6 5 - 6 7 , 7 2 】。但有些研究仍认为由于光栅的群速度纹 波( g d r ) 和放大器的自发辐射噪声积累对传输信号的劣化，在无电中继情况下， 无误码传输距离超过1 0 0 0 k m 有一定的难度| 6 ”。而本论文中实现的长距离无电中 继的w d m 传输实验，就是在e d f a + c f b g 的基础上，通过合理安排c f b g 在 传输链路中的位置，减少传输链路上的色散残余量，以及充分利用c f b g 的滤 波特性减少传输中a s e 噪声的积累，利用光纤光栅较低的非线性特性适当提高 信号入纤功率来保持传输过程中的o s n r ，首次以点对点形式实现了1 0 g b s n r z 的无电中继2 0 1 5 k m 无误码传输以及归零码( r z ) 和载波抑制归零码( c s r z ) 的2 5 6 0 k m 低功率代价无误码传输。查阅国内外己公开的相关文献，无相同方案 下类似的传输结果的实验报i 莛【一0 6 。 1 3 全光时钟提取的研究现状 信号时钟提取是数字光通信的重要一环，其性能的优劣将直接影响整个系 统的传输质量。时钟信号恢复具有两个功能：1 ) 为系统接收端各功能模块的正常 工作提供同步信号；2 ) 对接收的数据信号进行定时判决，抑制抖动和噪声，恢复 稳定的数据信号，以便后续处理或继续传输。 7 第一章绪论 具体来说，为了在光通信系统中的接收端得到从发送端传来的信息，必须 在接收端准确而稳定地恢复出信号时钟。目f ； 实际使用的时钟恢复模块是在电 域完成时钟分量提取的电时钟恢复模块，主要方式有：1 ) 调谐滤波法 4 。，利用 各种滤波器的选频特性，选出所需要的频率分量加以放大整形，从而恢复出时 钟。2 ) 锁相环法1 7 7 , 7 8 ，利用锁相环( p l l ) ，使压控振荡器( v c o ) 的振荡频率锁定 在所需要的频率上，从而得到恢复的时钟信号。这两种方式实现的时钟提取具 有以下特点：1 ) 将信号转换为微波电信号后再处理，在电域对输入信号进行精确 的选频和增强时钟分量，方便地实现包括n r z 在内的各种码型的时钟提耿；2 ) 电域强大的信号处理能力可准确地进行信号的相位比较和噪声滤除，因此提取 的时钟波形具有抖动小、噪声小以及载波抑制比高等优点。在目前商用的s d h 或a 1 m 中的光传输系统，普遍采用锁相环方式的时钟恢复模块，从下行信号中 提取时钟，来保持光网元和光线路终端以及上下行比特码的时钟的一致，并利 用帧同步字检测方式实现帧同步。 在全光通信系统中，全光时钟提取指的是用全光学方法从光脉冲信号中恢 复出低时间抖动的同步时钟信号，以便把它分配到通信系统的解复用器、路由 选择器、信道选择器和接收器等，在超长距离传输系统中光信号再生( 3 r ) 的实现 也是建立在稳定的时钟分量恢复的基础上的。因此全光时钟恢复对未来超高速 数掘传输、全光网络性能的提高至关重要。在全光时钟提取领域比较常用的方 法有利用锁模激光器1 7 9 1 、光锁相环 4 3 , 8 0 1 、f a b r y p e r o t 激光器f 7 6 】、受激布罩渊散 射( s b s ) 的选频放大3 1 , 8 1 , 8 2 以及自脉冲激光器 8 3 , 8 4 1 等，但是上述方案基本都是针 对r z 信号进行时钟提取的，因为r z 信号含有丰富的时钟分量，频谱中载波一 时钟分量比相对较低。但是n r z 调制格式仍然是目前网络主要采用的传输格式， 因为这种调制方式在相对低速的系统中可以方便地进行直接调制，实现简单， 直接调制产生的脉冲啁啾较小；在高速的系统( 1 0 g b p s ) 系统中利用单级调制器 就能实现，成本较低，特别是要将现有的系统升级到更高数据速率的系统只需 要做较小的改动。由于n r z 信号包含的时钟信息相对比较弱，因此要在光域完 成信号时钟的提取比较复杂，一般采用的方案就是将n r z 信号转换为伪归零码 ( p r z ) 来增强接收信号的时钟分量从而方便后续的时钟提取光路完成时钟的提 取1 8 5 8 6 】。利用精细度高的f - p 滤波器、两级或多级增益耦合d f b 激光器【7 5 , s s 以及锁模光纤激光器1 8 9 - 9 2 1 等实现的n r z 时钟提取已有报道。 利用n r z 转化为p r z 来增强时钟分量进而进行时钟提取的方法虽然能有效 解决n r z 信号中时钟分量较弱不利于提取的问题，缓解目l j 正在部署的4 0 g b p s 北京交通大学博士学位论文 系统仍然采用n r z 方式而4 0 g b p s 的电时钟提取模块的价格还很高的问题，具 有积极的经济价值。但它要在实际系统中应用还需要进行更加细致的研究。主 要原因是：1 ) 目前实现多数全光提取方案中，在光路上要求输入的信号时钟必须 在一定的频率范围内，也就是晚无法保证较宽频率范围内时钟分量提取性能的 致性。这对于目前光传输系统特别是超长距离光传输系统中由于使用了超级 f e c ( s f e c ) 或带外f e c 导致了冗余信息增加从而提高了数据传输率高的情况而 言，缺乏使用的灵活性；2 ) 上述方案都是利用将n r z 信号转换成p r z 的方法来 增强接收信号的时钟分量从而实现n i 屹的时钟提取，但是由于p r z 只是在长“1 ” 码的上升沿和下降沿增强了时钟信息，因此它必然受到原n r z 信号中存在的连 “1 ”码和连“0 ”码的限制从而影响了时钟提取的精度。在物理上时钟提取对 长“l ”或长“0 ”码的容限，主要取决于光子寿命【引j 。对于低速的光传输系统 由于比特时间宽连“1 ”或“0 ”码的绝对时间较长，或在伪随机扰码的阶数高 的系统中连“1 ”或“0 ”码数目也较多，恢复出来的时钟性能必然受影响。寻 找有效的全光时钟提取方式仍然是目前研究的一个热点和难点。 1 4 全光通信网的研究、实现及发展前景 全光交换是指不经过任何光电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同 的输出端。目前有三种基本的光交换技术：光路交换( o c s ) 、光突发交换( o b s ) 和光分组( o p s ) 交换。在控制方式上可以分为电控光交换和光控光交换两种。这 里电控光交换指的是在光业务平面上采用全光的方式完成光业务的传输，而在 控制平面上通过电的方式完成光交换器件的控制，也就是在发送端将业务和控 制分开，控制信息在光域传输后转化为电信号完成交换控制功能，而承载高速 业务的数据在全光的环境下完成信号的传输。由于数据业务在全光的条件下完 成信息传输，因此它仍然保留了全光网的不经过o e o 变化和无“电子瓶颈“的 特点。采用电控光交换是目前在光域无法直接进行数据逻辑处理，也无法对光 数据进行存储等操作的限制下，光网络切实可行的实现方法之一，是全光网发 展过程中的一个过渡方案，全光网的最终目的是实现光控光交换。 1 4 1 全光网的研究意义 随着光传输技术的发展，单波长上能传输的数据速率越来越高，特别是 e d f a 出现后使得单根光纤上同时传输多路信号的波分复用技术成为可能并已 逐渐成熟。高速w d m 系统使得光纤通信容量剧增，虽然在语音业务上目前的 9 第一帝绪论 程控交换和a t m 还勉强能满足需要，但是从长远的发展眼光看，数掘业务必然 将在规模和效益上都超过语音业务成为电信业务的主流，随着i p t v t r i p l ep l a y 、 p 2 p 业务等大量宽带业务正在兴起并快速发