论文总字数：20367字

目 录

1 绪论 5

1.1引言 5

1.2全光信号处理的优势 5

1.3新型调制格式 6

1.4 国内外新型调制格式的全光信号处理的概况 7

2新型调制格式中的光相位调制 7

2.1光相位调制 7

2.2.1 相位调制的编码格式 7

2.2光调制方法 9

2.2.1马赫-曾德尔调制器 9

3 全光信号处理 11

3.1 全光信号处理的组成 11

3.2 相位调制格式的全光再生 12

3.2.1 基于SOA的保持信号相位信息的幅度再生 12

3.2.2 基于PSA效应的光相位再生 16

3.2.3 基于SOA与PSA效应的光相位强度同时再生 19

4 总结与展望 21

参考文献 23

致谢 25

新型调制格式的全光信号处理研究

冯晨

，China

Abstract：With the continuous improvement of the optical communication transmission speed and transmission capacity requirements, the new modulation format has gained widespread attention at home and abroad with its unique advantages such as nonlinear resistance and higher spectrum efficiency. How to perform all-optical signal processing on the new modulation format is the research focus of all-optical networks. This paper first briefly describes the types of new modulation formats, focusing on differential phase shift keying (DPSK) coding and Mach-Zehnder (MZM) modulation. Then introduce the basic process of all-optical signal processing, focusing on the introduction of all-optical regeneration technology under the new modulation format, the amplitude reproduction of phase information based on SOA, and the principle of optical phase regeneration based on PSA effect. The simulation results show that the two each has a good regeneration effect on intensity noise and phase noise. Finally, an optical phase intensity simultaneous regeneration system based on the fusion of SOA and PSA effects is proposed. The simulation shows that the amplitude and phase of the DPSK signal passing through the system can be well regenerated together.

Key words：New modulation format; All-optical signal processing; All-optical regeneration; Differential Phase Shift Keying

1 绪论

1.1引言

自1966年“光纤通信之父”高锟推测光导纤维可用于通信至今已有52年了，半个世纪以来光通信技术快速发展对人们的生活方式产生了深刻的影响。

伴随着光传输技术和光交换技术这两大关键技术的突破光通信网络正飞速的向前发展。

在传输层，随着光时分复用（OTDM）技术的快速发展，使得在密集波分复用（DWDM）基础上进一步提高传输容量变为可能，再由高级调制码型技术加以辅助来增加单个码元的信息容量，光传输技术近年来取得了突飞猛进的发展^[1]。然而，现如今在光网络节点处，对光信号进行处理的方法还需要借助光电转换的手段先将光信号转换为电信号，然后在电域上对信号进行处理最后再转换为光信号进行传输，节点处的光-电-光的转换不可避免造成了处理能力低下，而这正是光网络带宽进一步提高的“电子速率瓶颈”。而解决这一问题的关键在于在交换节点处采用全光信号处理技术来突破“电子瓶颈”。同时伴随着传输速率的进一步提高，传统的调制格式因其自身存在的缺陷已无法适合超高速传输，为了解决在超高速传输过程中信号所遇到的问题，各种新型的调制格式应运而生。新型调制格式因其具有的高频谱效率、较强的色散和非线性抗性等优点成为了光网络中新的宠儿，正全面的应用到传输网络中来进一步提高单个信道信号的比特速率和传输距离。因此对新型调制格式全光信号处理也就成为了如今光通信网络的研究重点。本文首先介绍几种新型调制格式，并主要介绍下相位调制，然后对新型调制格式的全光信号处理中的全光再生技术进行简要的讨论。

1.2 全光信号处理的优势

在光通信网络中，有两个基本功能分别为光传输和光交换，光传输是指以光波作为载波的传输手段而光交换则要将光信号送达目的输出端口。电子交换技术目前仍然是光通信网络中的主流方式，这就使得需要在交换的过程中通过光电转换手段先将光信号转变为电信号，接着提取电信号信息，最后再将电信号转换为光信号继续传输，即经历一次“光-电-光”的转换过程如图1所示。虽然如今的电子设备还能满足带宽要求，然而随着传输速率的进一步提高，再加以电子器件本身存在的问题，光网络的处理速度必将受限于电子器件。

图1 传统光网络传输模型

如今光传输容量的飞速增长，电子路由所面临的困难也越来越大，光-电-光的转换将不可避免地限制光网络的传输速度。同时，调制器、光源与光电接收机这些器件通常都只能对单一波长的信号进行处理，这就要求信道中的每一个波长都要有与之相适配的调制器、接收机和光源。这样用于光通信的器件数目将变得庞大，大大增加的成本，大规模的电信号处理将会消耗大量的空间与电力资源，同时产生大量的热能，伴随着热能的产生也带来了电子器件不稳定与能量浪费等问题^[2]。为了能够有效的解决这些问题，完美的发挥光纤通信的通信容量大、极宽频带、强抗电磁干扰、传输损耗低和保密性强等优点，就必须在光网络中应用全光信号处理技术来代替原有的处理方式。

全光信号处理其以非线性光学原理为基础，借助光学器件例如半导体光放大器（SOA）、高非线性光纤（HNLF）等直接在光域上对载波上的信号进行处理，从而避免了传统网络中的光-电-光转换的过程。

1.3新型调制格式

如今新型的光调制格式其大致可以分为四类：基于光强度调制的幅移键控（ASK）格式，基于光相位调制的相移键控（PSK）格式，基于光偏振调制的偏振移位键控（POISK）格式，基于光频率调制的频移键控（FSK）格式^[4]。如图2所示，代表载波信号，而在载波信号的不同位置调制信息对应着不同的调制方式。

图2 调制格式

（1）光强度调制的ASK格式

所谓的光强度调制，就是将想要传输信息加载的光波的振幅上，使得载波的振幅的波动随着信息的变化而变化，在接收端通过解调光载波振幅来获得信息的调制手段。然而对于光强度调制信号当其在光纤系统中传输时光强度的改变将引发严重的非线性失真，伴随着信号传输速率与传输距离的不断增长，光纤非线性效应对强度调制信号的制约越来越明显，无法简单的通过增加光信噪比的方法优化传输性能，限制系统进一步升级。

（2）光相位调制的PSK格式

光相位调制是指将所需传递的信息加载的载波的相位上，通过相位的改变来反映所传递的信息。与ASK调制格式相比，相位调制格式在接收灵敏度与非线性容忍度上展现出了相当大的优势。在接受灵敏度上其比传统强度调制信号提高3dB，同时其非线性容忍度也大大优于其他类型的调制格式。除此之外，光相位调制进一步发展的产物正交相移键控（QPSK）还具有高传输率，低误码率和降低信号波特率等优势。而且PSK调制格式对激光器的线宽要求相对更低，其接收机的结构也很简单，还可以改进色散以及偏振模色散（PMD）的容忍度，大大提升传输距离。因此受到人们的关注，在光纤通信调制格式中占有半壁江山。

对包括差分相移键控（DPSK）、正交相移键控（DQPSK）在内的光相位调制研究已经逐步走向成熟化。

（3）光偏振调制的POISK格式

二进制信号有两种方法加载到载波的偏振上，一是将两个互相正交的偏振态加载在同一波长上，二是通过在WDM信道间采用正交的偏振态来减少信道间的非线性作用和交叉串扰，然而光的偏振态会产生随机改变，因此就需要系统增加了额外的组件来中和，使得系统的复杂性和成本大大提高。因为存在着这些问题这两种方案都未被应用在通信网络中^[3]。

（4）光频率调制的FSK格式

对于光频率调制，因光频率非常之高，目前并未应用于光通信中，仅限于在实验室。

本文将主要介绍下DPSK的编码与调制方式。

1.4 国内外新型调制格式的全光信号处理的概况

对新型调制格式的全光信号处理，一直都是光通信的热点研究话题，在国际上，贝尔实验室、朗讯公司、德国慕尼黑大学、日本大阪大学、德国弗朗和费实验室和美国中佛罗里达大学等众多研究机构和大学已经开展了多年的研究工作，并取得了显著的研究成果，在国内，包括清华大学、上海交通大学、华中科技大学等大学都在这方面进行了广泛的研究，且在不同方面的取得了突破性的成果^[4]。

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