基于光纤非线性效应的全光信号处理技术研究

论文摘要

为适应现代高速、大容量光纤传输要求,克服“电子瓶颈”,实现透明全光网络,全光3R再生是关键技术之一。3R再生中时钟恢复、延迟缓存、光判决是至关重要的三个环节。光纤具有飞秒量级非线性响应速度,是目前全光高速信号处理的首选非线性介质。光纤布拉格光栅体积小、易于制作集成化功能模块并且可直接用于光纤通信线路,其受控开关特性可用于全光判决,它的输出延迟可调谐能用作调谐延迟线。但是,光纤非线性效应存在偏振相关性。由于不同码型信号包含的时钟谱线强弱不同,利用谐振机制进行时钟提取时会遇到码型效应问题。本文利用理论分析、数值计算与系统仿真方法,围绕光纤布拉格光栅调谐延迟线和光判决、光纤非线性效应偏振相关性、消除时钟恢复码型相关性四个方面进行探索性研究。主要内容为:1、提出了基于半隐式龙格—库塔法及简单迭代数值求解光纤布拉格光栅非线性耦合模方程组的方法,极大地降低了计算的复杂性,简化了计算程序并避免了数值计算发散;设计了仿真中的平滑技术,以缩短数值计算稳定时间;搭建了光纤布拉格光栅静态和动态特性的统一数值仿真平台,实现了全面仿真光纤布拉格光栅特性的目的。2、研究了光纤布拉格光栅非线性延迟调谐特性和调谐中输出功率抖动特性。发现相移光纤光栅不适合窄脉冲延迟调谐应用,在无相移切趾光纤光栅中存在工作波长、入射脉冲峰值功率、脉冲宽度和光栅长度的优化组合。通过调整这些参数,能够获得脉冲不变形的最大延迟时间、实现无色散的调谐延迟、减小输出功率抖动。3、研究了光纤布拉格光栅用于全光判决的定时抖动和功率抖动特性。发现光栅切趾对透射谱旁瓣的抑制有利于减小因泵浦功率变化引起的输出功率抖动,随泵浦波长与信号波长差增大,因信号功率变化引起的输出信号定时抖动将减小。4、提出了通过级联SPM功率均衡器与组合逻辑或门实现全光确定输出光偏振态的方法,实现了随机偏振输入归零(RZ)信号输出偏振方向确定、输出功率均衡,解决了RZ信号在光纤非线性效应全光处理中的偏振相关性问题。5、设计了基于非线性光纤环形镜(NOLM)的二光平信号分离器和均衡器,实现了对二光平信号按照高低功率水平进行分离和二光平信号的功率均衡,消除了输入脉冲基座,实现了输出波长转换。6、提出了基于NOLM的非归零(NRZ)信号和归零(RZ)信号时钟倍频方法。该方法利用NOLM“异或”运算同时对连续探测波进行强度调制和相位调制,产生具有π相位差的两个脉冲序列,实现透射输出光谱的载波抑制,进而实现时钟倍频,并消除了时钟倍频中的码型相关性。7、提出了非归零(NRZ)信号和归零(RZ)信号统一时钟提取方法。该方法通过NOLM“异或”运算抑制透射输出信号光谱中包括载波谱线在内的偶阶谐频谱线、增强NRZ信号时钟谱线,再通过NOLM“与”运算恢复被抑制的谱线,实现了在全占空方波脉冲序列输入的极限情况下也能够直接提取时钟,克服了时钟提取中的码型效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 全光3R实现方案
• 1.1.2 全光时钟恢复
• 1.1.3 全光延迟与缓存
• 1.1.4 全光逻辑与判决
• 1.1.5 偏振相关性处理
• 1.1.6 目前的研究进展
• 1.2 论文的主要贡献
• 1.3 课题来源和章节安排
• 第二章 光纤布拉格光栅全光调谐延迟线和全光判决研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于半隐式龙格—库塔法和简单迭代的数值仿真方法
• 2.2.1 光纤光栅的仿真模型
• 2.2.2 数值仿真中的问题
• 2.2.3 光纤光栅静态与动态特性统一仿真方法
• 2.2.4 光纤光栅非线性特性仿真
• 2.3 光纤布拉格光栅的双稳态效应
• 2.3.1 光栅切趾抑制双稳态效应
• 2.3.2 光栅参数对双稳态的影响
• 2.3.3 双稳回线参数调整方法
• 2.4 光纤布拉格光栅非线性调谐延迟特性
• 2.4.1 延迟计算方法
• 2.4.2 全光延迟调谐机制
• 2.4.3 延迟调谐及功率抖动特性
• 2.5 光纤布拉格光栅全光判决
• 2.5.1 自泵浦开关输出功率与时间抖动
• 2.5.2 光纤光栅外泵浦开关静态特性
• 2.5.3 全光判决动态特性
• 2.5.4 全光判决应用的条件
• 2.6 本章小结
• 第三章 RZ 信号全光偏振确定研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤非线性效应的偏振相关性
• 3.2.1 光纤非线性效应偏振相关的成因
• 3.2.2 与输入偏振无关输出方法及局限
• 3.2.3 输出偏振确定的要求
• 3.3 RZ信号全光偏振确定方案
• 3.4 全光偏振确定原理
• 3.4.1 SPM功率均衡器原理
• 3.4.2 偏振确定与功率均衡原理
• 3.5 正交偏振分离与功率均衡
• 3.5.1 正交偏振泵浦SPM功率均衡器优化
• 3.5.2 正交偏振分离输出特性
• 3.5.3 正交偏振输出的矢量合成问题
• 3.6 基于NOLM的全光逻辑或门
• 3.6.1 NOLM的基本结构及逻辑功能
• 3.6.2 全光或门组合逻辑方案
• 3.6.3 NOLM逻辑运算的码型相关性
• 3.7 系统设计原则与输出特性
• 3.7.1 系统设计原则
• 3.7.2 输出特性
• 3.8 本章小结
• 第四章 二光平信号分离与均衡和NRZ/RZ 信号统一时钟提取研究
• 4.1 引言
• 4.2 脉冲序列泵浦NOLM的数学模型
• 4.2.1 单脉冲序列泵浦
• 4.2.2 双脉冲序列泵浦
• 4.3 二光平信号全光分离器
• 4.3.1 二光平信号全光分离器结构
• 4.3.2 二光平信号分离原理
• 4.3.3 二光平信号全光分离器参数设置
• 4.3.4 二光平信号全光分离器系统仿真
• 4.4 二光平信号全光功率均衡器
• 4.4.1 二光平信号全光功率均衡器结构
• 4.4.2 二光平信号全光功率均衡原理
• 4.4.3 二光平信号全光功率均衡系统仿真
• 4.5 NRZ/RZ信号全光时钟倍频
• 4.5.1 全光时钟倍频方案
• 4.5.2 全光时钟倍频原理
• 4.5.3 NRZ 信号倍频时钟提取
• 4.5.4 RZ 码倍频时钟提取
• 4.6 NRZ/RZ信号统一时钟提取
• 4.6.1 NRZ/RZ 信号统一时钟提取方案
• 4.6.2 NRZ/RZ 信号统一时钟提取原理
• 4.6.3 NRZ/RZ 信号统一时钟提取系统仿真
• 4.7 本章小结
• 第五章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果