基于非線性效應(yīng)的光學(xué)信號(hào)處理及高級(jí)調(diào)制碼型研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體激光器、傳輸光纖、光探測器、光調(diào)制器、光耦合器等的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)已日趨完善，網(wǎng)絡(luò)容量日益增大。在光通信主干網(wǎng)內(nèi)，單載波調(diào)制比特率正在經(jīng)歷從10 Gbit/s到40 Gbit/s再到100 Gbit/s的進(jìn)展過程。在商業(yè)應(yīng)用中，光網(wǎng)絡(luò)由于其卓越的傳送能力，已承擔(dān)起了信息傳輸?shù)闹饕蝿?wù)。但是目前光網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)還主要依賴于電域的信號(hào)處理，光信號(hào)處理仍處于實(shí)驗(yàn)階段。相對于電信號(hào)處理來說，光信號(hào)處理速度快且無需光電/電光轉(zhuǎn)換。隨著單

2、信道調(diào)制速率的增加，基于電信號(hào)處理控制模塊的成本、復(fù)雜度都在不斷增加。跳過光電/電光轉(zhuǎn)換，部分地或者全部地直接采用光信號(hào)處理成為了下一代光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的一個(gè)重要方向。光學(xué)梳狀濾波器在光纖光學(xué)及微波光子學(xué)中都是一個(gè)重要的元件。例如，梳狀濾波器是多波長激光器中常用的濾波器件。由于均勻展寬效應(yīng)，多波長摻鉺光纖激光器無法在室溫下穩(wěn)定。本文將介紹利用四波混頻(FWM，four-wave-mixng)效應(yīng)均衡各個(gè)起振波長之間的能量后所實(shí)現(xiàn)的室溫下穩(wěn)定的

3、多波長激光器。在此基礎(chǔ)上，本文通過調(diào)整梳狀濾波器的結(jié)構(gòu)來改變?yōu)V波器的濾波頻率間隔，在室溫下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的、波長間隔可調(diào)的多波長摻鉺光纖激光器。除此之外，梳狀濾波器還可用來抑制有理數(shù)鎖模激光器的低階模噪聲。通過在有理數(shù)鎖模激光器的出口處加入梳狀濾波器，可成功地抑制鎖模光纖激光器的低階模噪聲。半導(dǎo)體光放大器(SOA，semiconductor optical amplifier)、高非線性光纖(HNLF，highly nonlinearfib

4、er)以及硅波導(dǎo)線中存在多種光學(xué)非線性效應(yīng)，如自相位調(diào)制(SPM，self-phasemodulation)、交叉相位調(diào)制(XPM，cross-phase moculation)、FWM和非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR，nonlinear polarization rotation)等。非線性光信號(hào)處理是本文研究的重點(diǎn)，如波長組播、波長轉(zhuǎn)換/交換、碼型轉(zhuǎn)換/生成、信號(hào)再生、時(shí)鐘恢復(fù)、時(shí)分解復(fù)用、噪聲監(jiān)測等。開關(guān)鍵控(OOK，on-off key

5、ing)信號(hào)因其碼型簡單，在當(dāng)前光通訊網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用最廣泛，相關(guān)的光信號(hào)處理方案也最為完善。針對OOK信號(hào)，本文在三個(gè)方面進(jìn)行了研究。一是基于XPM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)的時(shí)鐘恢復(fù)；二是基于FWM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了伴隨有非歸零碼到歸零碼碼型轉(zhuǎn)換的波長組播；三是基于FWM效應(yīng)在硅波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了時(shí)分解復(fù)用功能。二進(jìn)制相移鍵控(BPSK，binaryphase-shift keying)以及差分相移鍵控(DPSK，differential phase-shi

6、ft keying)信號(hào)以其高接收靈敏度和高耐非線性退化能力而廣受關(guān)注。針對DPSK信號(hào)本文利用HNLF、SOA和硅波導(dǎo)線展開了一系列的信號(hào)處理研究。通過XPM效應(yīng)，本文實(shí)現(xiàn)了DPSK信號(hào)的相位再生性寬帶波長轉(zhuǎn)換以及高靈敏度相位噪聲測量；通過FWM作用，本文在硅波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了DPSK信號(hào)的波長轉(zhuǎn)換且首次利用HNLF完成了DPSK信號(hào)的波長交換。此外，本文還在實(shí)驗(yàn)中通過兩級(jí)簡并FWM效應(yīng)將商用鈮酸鋰相位調(diào)制器的調(diào)制電壓減小至原調(diào)制電壓的四分

7、之一，并理論分析了此方法在高速相位調(diào)制中大幅度降低調(diào)制電壓的潛力。隨著通信數(shù)據(jù)流的增加，各類高級(jí)調(diào)制格式相繼出現(xiàn)。偏振復(fù)用技術(shù)和高級(jí)調(diào)制碼型可以成倍地提高光通信鏈路的頻譜效率，是100Gbit/s以太網(wǎng)及更高速以太網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的主流選擇。本文也對各種高級(jí)編碼方式做了一定的探討。首先，利用偏振復(fù)用，用10 Gbit/s的設(shè)備產(chǎn)生了20Gbit/s的偏振復(fù)用DPSK信號(hào)。其次，利用多進(jìn)制的相位調(diào)制，用10Gbit/s的設(shè)備產(chǎn)生了20Gbit/

8、s的四進(jìn)制相移鍵控(QPSK，quadrature phase-shift keying)信號(hào)。最后，利用FWM效應(yīng)，首次在降低調(diào)制電壓的前提下，用10Gbit/s的設(shè)備產(chǎn)生了20 Gbit/s的ASK-DPSK信號(hào)，且模擬驗(yàn)證了用40 Gbaud/s的設(shè)備產(chǎn)生120 Gbit/s的八進(jìn)制正交振幅調(diào)制(8QAM，8-ary quadrature amplitude modulation)信號(hào)的可能性?？紤]到容量、速度、距離、通信質(zhì)量、成

9、本等各方面因素，下一代通信網(wǎng)路中將會(huì)存在多種調(diào)制碼型并存的情況。采用不同碼型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間需要進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換。本文利用SOA內(nèi)部的SPM效應(yīng)、飽和效應(yīng)和NPR效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了多功能光處理節(jié)點(diǎn)。該多功能節(jié)點(diǎn)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)OOK到BPSK碼型轉(zhuǎn)換、OOK信號(hào)消光比提升及OOK數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)的功能。利用SOA中的XPM、交叉增益和NPR效應(yīng)完成了偏振無關(guān)的OOK到BPSK碼型轉(zhuǎn)換、一路OOK到四路BPSK的波長組播式碼型轉(zhuǎn)換、一路OOK加一路BPSK到一路QPS