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基于副载波技术的高速数字光纤通信的研究

作　者: 廖同庆
导　师: 赵启大
学　校: 南开大学
专　业: 光学
关键词: 副载波复用技术群速度色散偏振模色散交叉相位调制四波混频时频域联合分析 Sagnec环马赫-曾德调制器光载波抑制光学单边带调制
分类号: TN929.11
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光脉冲在光纤中传输特性的研究,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。研究并理解决定光脉冲在单模光纤中传输的物理本质是设计光纤、设计与建设光纤通信网的最本质要素之一。在理解决定光脉冲在单模光纤中传输的物理本质的基础上,深入研究基于多波长副载波复用(SCM/WDM)技术的光纤通信系统。SCM/WDM光纤通信系统的最大优势是相应的射频技术比光技术成熟的多。射频振荡器的稳定性和射频领域中滤波器的选频性比相应的光学器件所对应的特性要好的多。射频振荡器的相位噪声低,使得相干检测在射频中比在光频中容易实现的多。为了有效抑制SCM/WDM光纤通信系统中的群速度色散和非线性效应,利用SCM/WDM光纤通信系统中基带信号经过两次调制的特点,提出了一种在SCM/WDM系统中容易实现且行之有效的抑制载波的光学单边带调制技术。单边带调制技术可以有效地减小群速度色散对信号的劣化、增加系统的光谱利用率。抑制载波则可以减小调制器的外加电场、增大调制深度,同时可以消除因调制器电压的升高而激发的一系列有害的非线性效应,减小光纤中的各种非线性效应。搭建了10Gbit/s SCM/WDM光纤通信系统的实验平台,并对系统的性能进行了测试和评估。主要内容包括:1.从经典电磁理论出发,深入研究单模光纤中群速度色散形成的机理与特性。论述了单信道光纤通信系统中比特率B、传输距离L、群速度色散之间的关系。从麦克斯韦方程组出发,引入非线性本构关系,得到了光脉冲在GVD、SPM和损耗影响下的演化方程——非线性薛定谔方程。利用非线性薛定谔方程详细讨论了光信号在非线性色散介质中的传输特性。2.使用时频域联合分析法描述光脉冲在光纤中的非线性传输特性。分析结果表明,时频域联合分析法能够较为全面地描述光脉冲的信息,进而较为全面地描述光纤通信系统的性能。3.详细讨论了SCM/WDM光纤通信系统的性能。在SCM/WDM光纤通信系统中由于各相邻射频信号的信道间隔非常窄,因而光纤的非线性效应对系统的影响较为严重,必须重点加以讨论。4.利用SCM/WDM光纤通信系统中基带信号经过两次调制的特点,提出了一种容易实现且行之有效的抑制载波的光学单边带调制技术。单边带调制技术有效地减小了群速度色散对信号的劣化、增加了系统的光谱利用率。抑制载波技术增大了调制深度,同时消除了因调制器电压的升高而激发的一系列有害的非线性效应,减小了光纤中的各种非线性效应。5.综合考虑GVD、PMD、XPM、FWM等效应对系统的影响,设置并优化了10Gbit/s SCM/WDM光纤通信系统的基本参数。依照设置的基本参数搭建了相应的实验平台并对系统的性能进行了测试和评估,测试结果与理论分析一致。6.初步研究了40Gbit/s SCM/WDM光纤通信系统。综合考虑GVD、PMD、XPM、FWM等效应对系统的影响,设计了40Gbit/s SCM/WDM光纤通信系统的基本参数。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-16
  第一节光纤通信技术研究与发展现状  11-12
  第二节 WDM光纤通信技术面临的挑战  12-13
  第三节本论文的研究内容和安排  13-16
第二章光信号在光纤中的传输特性  16-50
  第一节光纤的色散特性与色散限制  16-23
    2.1.1 色散的定义与分类  16-17
    2.1.2 材料色散的经典电磁理论解释  17-19
    2.1.3 群速度色散的特性  19-21
    2.1.4 群速度色散对通信速率的限制  21-23
  第二节光脉冲与脉冲展宽  23-30
    2.2.1 高斯光脉冲及脉冲展宽  23-29
    2.2.2 超高斯脉冲及其脉冲展宽  29
    2.2.3 双曲正割脉冲  29-30
  第三节偏振模色散  30-34
    2.3.1 双折射与偏振  30-31
    2.3.2 偏振模色散对光传输距离的影响  31-34
  第四节光纤中的非线性效应  34-45
    2.4.1 自相位调制效应  34-36
    2.4.2 非线性薛定谔方程  36-42
    2.4.3 利用NLSE对光脉冲传输特性的研究  42-45
  第五节光孤子  45-49
    2.5.1 光孤子通信  45-46
    2.5.2 光孤子的基本理论分析  46-49
  本章小结  49-50
第三章基于时频域联合分析对高速光传输的研究  50-61
  第一节时频域联合分析法  50-54
  第二节光脉冲非线性传输特性的时频联合分析  54-60
  本章小结  60-61
第四章 SCM/WDM光纤通信系统  61-96
  第一节 SCM/WDM光纤通信系统概述  61-64
    4.1.1 背景介绍  61-63
    4.1.2 系统结构  63-64
  第二节 SCM/WDM光纤通信系统中的色散  64-72
    4.2.1 SCM/WDM光纤通信系统中的群速度色散  64-66
    4.2.2 光学单边带调制技术  66-71
    4.2.3 SCM/WDM光纤通信系统中的偏振模色散  71-72
  第三节 SCM/WDM光纤通信系统的优化设计  72-79
    4.3.1 马赫—曾德光波导调制器  72-74
    4.3.2 载波的抑制  74-77
    4.3.3 抑制载波的光学单边带调制器  77-79
  第四节光纤中的非线性效应对SCM/WDM系统的影响  79-88
    4.4.1 交叉相位调制  79-82
    4.4.2 四波混频  82-85
    4.4.3 受激喇曼散射  85-88
    4.4.4 受激布里渊散射  88
  第五节 10Gbit/s SCM/WDM系统  88-94
    4.5.1 10Gbit/s SCM/WDM系统中副载波的选取  88-90
    4.5.2 10Gbit/s SCM/WDM系统性能评估  90-94
  本章小结  94-96
第五章 40Gbit/s SCM/WDM系统的理论研究  96-106
  第一节 40Gbit/s WDM光纤通信系统  96-101
    5.1.1 40Gbit/s WDM光纤通信系统面临的挑战  96-97
    5.1.2 突破40Gbit/s WDM传输技术瓶颈的基本方案  97-101
  第二节 40Gbit/s SCM/WDM系统中的主要限制因素  101-102
  第三节 40Gbit/s SCM/WDM系统的整体设计  102-105
  本章小结  105-106
第六章总结与展望  106-109
参考文献  109-113
致谢  113-114
攻读博士期间发表的学术论文与科研成果  114-115

基于副载波技术的高速数字光纤通信的研究

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