多模超信道全光波长转换研究

摘要

面对信息时代数据流量的爆炸增长，模式复用（MDM）技术可以突破传统单模光纤通信系统传输容量瓶颈，满足光纤通信系统的通信容量提出的更高的要求。另一方面，MDM技术要走向实用化，必须与现有的复用技术兼容，特别是波分复用（WDM）技术。全光波长转换（AOWC）是WDM系统中的一项关键技术，可以大大提升WDM系统的灵活性。面对多维复用的光纤通信系统，需要对AOWC技术进行升级，使得其适用领域从单模转换到多模上来。含有多个复用模式的波长通道称之为多模超信道，在多模超信道上集中所有复用模式进行波长转换，可以有效解决WDM系统中阻塞率问题，从而进一步扩大通信系统的通信容量，提高网络通信的速度。发展针对多模超信道的波长转换的关键技术研究是未来发展高速通信的重要方向之一。
　　当多模超信道中同时进行波长转换的模式数目增多时，色散优化工作量大大上升，难以找到合适的多模光纤参数满足所有模式的相位匹配，模式可扩展性受到很大的限制。因此，本文提出了一种新型的多模超信道波长转换方案，利用光子灯笼将多模信号首先转为若干路单模信号，然后分别对每一路单模信号通过非线性器件同时进行波长转换，最后再将波长转换单模信号合成为多模信号。本方案中仅需对基模进行色散优化，模式数可扩展性得到解决。本文围绕此方案进行了理论和实验研究，取得的主要研究成果如下：
　　（1）对基于四波混频型波长转换的工作原理进行了理论分析，并由耦合模方程得到了四波混频转换效率的数学表达。偏振复用技术（PDM）的广泛运用对波长转换的偏振无关提出了要求，本文分析并对比了三种实现偏振不敏感波长转换的方案，从中选取两泵浦光垂直偏振的方案对频率失谐及输入光功率变化对四波混频转换效率的影响进行了实验研究。
　　（2）构建了基于半导体光放大器（SOA）四波混频（FWM）效应的MDM-AOWC系统，采用光子灯笼作为模式复用器件，结合多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP）数据恢复，完成了采用正交频分复用（OFDM）-正交相移键控（QPSK）/16正交幅度调制（QAM）信号六模模分复用超信道的波长转换，实现了104.2Gb/s OFDM QPSK信号传输以及185.8Gbit/s OFDM16QAM信号传输，两者误码率分别低于前向纠错码（FEC）硬判决门限和软判决门限。
　　（3）在验证了多模超信道波长转换的基础上，研究了多模超信道各路单模波长转换信道转换效率及光信噪比（OSNR）不均衡对系统性能的影响。实验结果表明在保证系统误码率性能的前提下，可以容忍单模波长转换信道超过10dB的转换效率波动。各路信噪比不均衡情况下单路OSNR的劣化会使得系统性能变差。
　　（4）在多模超信道中实现了可重构光分插复用（ROADM）中的波长上路以及波长下路功能的传输，结果显示波长上路光与波长转换产生的闲频光误码率性能相比于背靠背传输有类似的OSNR代价，比较两者的误码率性能可知单模信道非线性器件带来的OSNR代价非常小。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究的背景与意义

1.3 本论文的主要内容及安排

2 少模光纤模式复用系统中的关键技术

2.1 少模模式复用系统系统模型简介

2.2 新一代的少模光纤技术

2.3 模分复用系统中的MIMO数字信号处理技术

2.4 模式复用/解复用器

2.5 本章小结

3 基于四波混频的全光波长转换技术

3.1 简介

3.2 基于半导体光放大器的四波混频理论分析

3.3 基于四波混频的偏振无关波长转换方案研究

3.4 基于四波混频效应单模波长转换的转换效率实验研究

3.5 本章小结

4 多模超信道的全光波长转换方案研究

4.1 多模-少模-多模全光波长转换方案

4.2 MDM-AOWC中的传输矩阵

4.3 系统装置与实验方案

4.4 波长转换系统特性研究

4.5 六模模式复用超信道波长转换传输性能

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间相关成果