文献综述

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（40Gb/s光纤传输系统中调制格式研究）

1、绪论

带宽和传输容量的飞速增长带来的是对光纤通信系统发展的压力和动力。当前的光通信系统追求的目标是超大容量、超高速率和超长距离随着单通道速率的提高和信道间隔(波长数量提高)减小，但大容量长距离传输面临着许多的极限性挑战，如光信噪比低，色度色散和偏振模色散及其非线性效应影响严重，以及由此引发的多种传输损伤如码问干扰，多通道干涉，抖动等等。为了克服这些传输损伤就需要综合各种先进的技术来解决这些问题。新型光调制格式的作为新涌现的传输技术不仅使系统容量和传输距离进一步增加，而且还提高了系统的频谱效率。新型的调制格式不需对现有的传输线路作改动，只需在收发端作一定改造就能完成，简单方便而又不增加系统成本，特别适合系统的升级。因此深入开展对它的研究和寻找更好的解决方法将对提高光纤通信技术水平有重大意义。

在高速光通信中引进或寻找一些新的调制格式是必要的。第一，有些调制格式的抗色散能力非常强，这对于那些色散得不到补偿或是根本没有补偿的系统来说很有价值。第二，在高速系统中，引入一些调制格式如归零码(RZ)、载波抑制的归零码(CSRZ)等，可以使系统抗偏振模色散和抗非线性能力增强，提高系统的性能。第三，现如今商用化的EDFA的带宽仅为10THz左右，要使一个EDFA能同时放大尽量多波长的光信号，应减小信号的谱宽，提高频带利用率(SE)，而采用某些调制格式可以达到这个目的。第四，有些信号的频谱不是很宽，这对于那些想要通过减小信道间隔来提高单根光纤的速率的情况来说是很用的。

当前存在许多种光调制格式，各种不同的调制格式的实现原理和方法及其性能各不相同，也各有利弊，因此需要人们深入研究，以寻求一种或几种在某种环境下展佳的调制格式。本文利用美国Optiwave公司开发的光通信专业设计软件Optisystem7.0仿真几种调制格式模型，并利用这些模型来研究它们的性能。

2、主体

2.1 基于LINbO3调制器的几种常见调制格式模型建立

图2.1为基于MZ 电光调制器的调制原理图，输入为正弦信号，当偏置电压不同时，输出信号格式也不同，具体分析如下。

图2.1 调制原理

设输入光场为E in =E O e jw0t ，其中ωc 为光信号载波波长，则调制器输出信号为：

设输入电压为v 1和v 2,由此导致的相位变化为：

图2.1 调制原理

设输入光场为E in =E O e jw0t ，其中ωc 为光信号载波波长，则调制器输出信号为：

设输入电压为v 1和v 2,由此导致的相位变化为：

式中V π为调制器单臂工作时输出光强由最大变为最小所需的开关电压，所以 ，

Eout(t)=Ein(t)×COS{∏/V ∏[(V1-V2)/2]e j ∏/V ∏[(V1-V2)/2] (1) P OUT (t)=|E OUT |2=Pin(t)COS 2{∏/V ∏[(V1-V2)/2] (2)

故输出调制信号有幅度调制和相位调制（啁啾）两部分所组成。

当V2=-Vl 时，即MZ 调制器工作在推挽方式，输出电场随上下驱动电压的差值(V1-V2)变化，分两种情况：①当V ∏≤V1-V2≤2V ∏时，只进行输出电场的幅度

调制，COS 项的值为负值，输出电场相对于输入电场既相移∏；②当0≤V1-V2≤V ∏时，也只进行输出电场的幅度调制，cos 项正值，输出电场E0相对于输入

电场相移为0。

当V2=Vl 时，只对光信号进行相位调制(产生啁啾)，如后面讲到的DPSK 、 等调制格式都需要用到相位调制。如果v1、v2设置恰当的话，可同时对光信号进行光强调制和相位调制，某些情况下可降低调制器的使用数量。

通过对输入输出关系表达式的进一步分析可以得到，不同偏置电压和输入信号的选择，调制器可以工作在数据加载或时钟产生方式，以下是几种特殊工作方式：

（1）半比特率工作方式

偏置点设置在零点，时钟信号的幅度频率分别为V ∏/2,B/2，则两臂的电压分

别为：V1(t)=V ∏/2×COS(∏Bt) V2(t)=V ∏/2×COS(∏Bt+∏)带入（2）式可得，

P OUT =P in COS 2[∏/2×COS(∏Bt),t=0时功率最大，t=1/3B 时为最大功率的一半，所

以得半频率RZ 调制格式的半高全宽1／3B ，因此输出脉冲占空比为33％，

（2)载波抑制归零调制格式

偏置在V ∏,时钟信号的幅度和频率分别为V ∏/2,B/2,两时钟信号极性相反，

则两臂电压分别为：V1(t)=V ∏/2+V ∏/2×COS(∏Bt-∏/2) ，V2(t)=-V ∏/2+V ∏/2×COS(∏Bt+∏/2)带入可得P OUT =P in Sin 2[∏/2×Sin(∏Bt)],可知半高全宽为2/3B ，即输出脉冲占空比为66%。

（3）偏置电压为V ∏ ，输入信号为V1=V ∏/2,V2=-V ∏/2时输出为NRZ 信号。

（4）偏置电压为0，输入信号为V1=V ∏，V2=-V ∏时输出为DPSK 信号。

对NRZ 调制格式，用一个MZ 光调制器，并设置在方式（3）的电驱动下即可产生。NRZ-DPSK 调制格式也可只用一个MZM 产生，且MZM 工作在方式（4）。 对RZ 、CSRZ 、RZ-DPSK 和CSRZ-DPSK 调制信号，通常采用级联的MZ 光调制器来产生。对RZ 和CSRZ 两个调制器分别工作在(1)（3）、(2)（3）的组合形式。对于RZ-DPSK 和CSRZ-DPSK 码。两调制器分别工作在(1)（4）、(2)（4）组合方式，且组合顺序可以改变。

2.2 单信道传输仿真模型

如图1为光纤通信系统的基本结构图。其中光发送端主要由光源，调制器组成,它主要的功能是将电信号调制到光波的强度（或者相位、频率）上，把输入电信号转换为光信号，然后把光信号利用耦合技术最大限度地注入光纤链路中。光信号经过光学信道后传送到光接收端。光学信道也即光纤传输链路由传输光纤、中继放大器EDFA和色散补偿模块等组成。光接收端主要完成电信号的解调和接收这个功能，由光电探测器和电接收机组成，将在传输过程中由于各种损伤而造成的有畸变和衰减的微弱光信号转换成电信号，并且经放大和处理后恢复成发射前的电信号。

图1 光纤通信系统的基本结构图

在仿真过程中发射机的信号，均基于LINbO3产生，产生方法见2.1节中的模型。传送模块由子系统组成，每个子系统由SMF+DCF以及EDFA组成，DCF 放置于整个系统的中间，用最常用的SMF+DCF 的配置方式进行色散补偿. 具体参数的设置会因为系统的的要求不同而有所不同。接收端按调制方式的不同而有所不同：强度调制的可用直接检测解调，即将传输过来的光信号传输到PIN光电检测器进行光电转换，然后经一个LPB（Low Pass Bessel）Filter滤除噪声光信号，通过误码率分析仪进行观察；相位调制通常需要附加Mach-Zehnder 干涉仪(MZI)将相位信号转换为强度信号，然后再用光电二极管做平衡式接收。图4.1(c)所示为相位调制（NRZ-DPSK、RZ-DPSK、CSRZ-DPSK）的接收模块，从中我们可以知道，传送过来的光信号首先经过比特延迟Mach-Zehnder 干涉仪(MZI)对DPSK信号在光域内进行相关编码，将光信号转换为强度信号，然后MZI的2 个输出端口分别连接到2个PIN上将光信号转换为电信号，相减之后再根据差值正负来判决应该输出的数据。其中判决电路的阈值电压为0与输入功率无关。解调之后的电信号仍然通过一个LPB（Low Pass Bessel）Filter滤除噪声光信号，再利用误码率分析仪进行观察、分析。

2.3 仿真结果分析

针对传输系统中存在的基本参数进行分析，主要涉及光谱图、Q因子和误码