全光3R再生技术

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3.0 高德中 2024-11-19 9 4 1.72MB 48 页 15积分

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全光 3R 再生技术

摘要

全光再生是指不经过光电光转换而直接在光域中完成信号的再生中继。全光

3R——即全光再放大（Re-amplifying）、再整形（Re-shaping）和再定时（Re-

timing）——是全光通信网的核心技术之一，它主要包括全光放大、全光时钟提

取和全光判决等关键技术。其中光放大技术已经比较成熟，可以利用光纤放大器

（如 EDFA）或半导体放大器（如 SOA）来实现，因此现在全光 3R 技术的关键

在于全光时钟提取和全光判决的实现。非线性光纤环镜（NOLM）具有结构简单

工作速度高等优点，在光通信和导航等领域都有着广泛的应用。基于 NOLM 技

术可以同时实现全光时钟提取和全光判决。

本文全面介绍了全光 3R 再生技术的原理、发展及其关键技术，分析了基于

NOLM 技术以实现全光时钟提取和光判决的原理；并利用分布傅立叶方法数值

计算分析了交叉相位调制（XPM）对 NOLM 性能的影响；最后是全文的总结。

关键词：全光 3R 再生非线性光环路镜（NOLM）时钟提取光

判决

Abstract

The all-optical regeneration is a new optical communication technology, which

can process the optical signal directly without O/E/O conversion. The all-optical 3R

regeneration (Re-amplifying, Re-shaping and Re-timing) includes three core

technologies: all-optical amplification, all-optical clock extraction and all-optical

judgment. Because optical amplification technology is relatively mature, which can be

realized by using fiber amplifiers (such as EDFA) or semiconductor amplifiers (such

as SOA), the key technologies for all-optical 3R regeneration are the all-optical clock

extraction and all-optical judgment. The nonlinear optical loop mirror (NOLM) is

widely used in the optical communications and navigation fields because of its simple

structures and fast working speed. Based on the NOLM technology, the all-optical

clock extraction and all-optical judgment can be realized at the same time.

In this paper, firstly, the principle, development and key technologies of the all-

optical 3R regeneration are introduced. Then the technologies of all-optical clock

extraction and optical judgments based on NOLM are analyzed in detail. And the

impact of cross-phase modulation (XPM) on the NOLM is studied by the split-step

Fourier method that can solve the nonlinear Schrödinger equation (CNLSE). At last, a

summary is given.

Key words: all-optical 3R regeneration, Nonlinear Optical Loop

Mirror (NOLM), all-optical clock extraction, all-optical judgment

目录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论......................................................................................................................1
§1.1 引言.......................................................................................................................1
§1.2 全光 3R 再生技术.................................................................................................2
§1.2.1
全光放大技术
................................................................................................4
§1.2.2 
全光时钟提取技术
........................................................................................8
§1.2.3 
全光判决技术
..............................................................................................12
§1.3 基于 NOLM 技术的时钟提取和光判决............................................................16
§1.3.1 
基于
NOLM
技术的时钟提取
.....................................................................16
§1.3.2 
基于
NOLM
技术的光判决
.........................................................................16
§1.4 小结.....................................................................................................................17
§1.5 本文工作简介.....................................................................................................17
第二章 NOLM 中的光波分析基础...............................................................................19
§2.1 NOLM 工作原理及应用....................................................................................19
§2.1.1 NOLM
工作原理
..........................................................................................19
§2.1.2 NOLM
的主要应用
......................................................................................21
§2.2 单模光纤中的光波传输方程.............................................................................25
§2.3 NOLM 数值分析模型........................................................................................31
§2.4 影响 NOLM 中光波传输特性的主要因素........................................................33
§2.5 小结.....................................................................................................................33
第三章 XPM 在NOLM 中对光脉冲传输的影响.......................................................34
§3.1 对称分步傅立叶法............................................................................................34
§3.2 NOLM 中XPM 的影响....................................................................................38
§3.3 小结....................................................................................................................44
第四章 总结...................................................................................................................45
参考文献.........................................................................................................................47

第一章绪论

§1.1 引言

光纤通信技术已经经历了三十多年的发展历程，其发展速度日新月异，给通

信领域带来了巨大而又深刻的变化，也标志着人类社会真正步入信息时代。光通

信已由初期的关注信息的大容量传输向信息的交换与用户接入转变。光子信息处

理技术已涉及到光信号处理和光信息存储以及光计算和光传感等多个方面。目前

光子信息科学技术已初露锋芒，而光信号处理技术是光通信技术的支撑，并将在

未来的光通信中发挥越来越重要的作用。用光子代替电子作为信息载体，用光纤

通信代替电缆和微波通信，使得信息的传输发生了本质性变革，这不仅是通信史

上，也是人类史上的时代进步。

光纤通信的发展首先表现在光纤传输特性的改进，由于光纤制作工艺尤其是

材料提纯技术的不断发展，到 1973 年，光纤在 0.85 波段的传输损

耗已经下降到2dB/km 左右；与此同时，光纤的结构也不断的改进，从带宽较窄

的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤，使光纤的带宽不断增加。

与此同时光源的寿命不断的增加，光源和光电检测的性能不断改善，这些都为光

纤传输系统的诞生创造了有利条件。

1976 年，第一条速率为44.7Mb/s 的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道

中实验成功，该系统经过现场试验和全面性能测试后，很快进入商用化。

20 世纪 80 年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，所用光纤由多模光纤

转向单模光纤，通信传输窗口由0.85 波段转向 1.3 波段。这使得光纤通信

系统在世界各地很快的迅速发展开来，逐步代替纯电缆通信，成为电信网中重要

的传输手段。

20 世纪 80 年代末期，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，它的出现解决了电通信

中的 “电子瓶颈”问题，是波分复用系统中(WDM)的核心器件，它促进了长距

离光纤通信系统的发展。

20 世纪 90 年代，随着人类社会信息化时代的来临，以及人们对信息速率和

容量需求的大大提高，密集型波分复用(DWDM)技术应运而生，它改变了以往一

根光纤中传输一个长信道从而造成光纤带宽资源浪费的情况。目前，密集型波分

复用系统的传输容量已达1000Gb/s，全光传输距离达到1000km 以上。

光纤通信技术之所以发展如此迅速，是由于它比起其它的通信方式来有其明

显的优越性，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信是利用光导纤维传输光信号

来实现通信的。其优越性主要表现在以下几个方面：

1、传输容量大；

2、传输损耗小，中继距离长；

全光 3R 再生技术

3、抗干扰性好，保密性强，使用安全；

4、材料资源丰富，可节约金属材料；

5、重量轻，铺设方便。

当然光纤通信也有其不利因素，例如，组件昂贵，光纤质地脆，机械强度低，

连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是

可以克服的，它不影响光纤通信的使用。因此光纤通信在技术上优越性，以及在

经济上巨大的竞争力，会使得它在信息社会中将发挥越来越重要的作用。

从光纤通信的发展史看，光纤通信毋庸置疑将在未来通信领域中扮演越来越

重要的角色，并且从发展趋势看，信息传输的高速化和大容量化是当前面对的巨

大挑战，也就是同心网中的主要组成部分——传输和交换。在电通信网中信号处

理已经相当的成熟，但是在光通信网中，人们对光信号处理技术的掌握程度与应

用还不是那么得心应手，因此迫切需要发展与光传输相应的光信号处理技术，只

有在光信号处理逐步成熟的基础上，全光通信网才有可能逐步成为现实。

21 世纪是光子的世纪，是光网络的世纪，光纤通信将要向全光网络发展。随

着光通信技术的发展，相干通信、偏振复用等技术的研究和应用，将使得采用光/

电/光转换完成光再生愈来愈显示出其劣势。因此，光信号的处理技术是光纤通信

的重要组成部分，光纤通信的发展依赖于光信号处理技术的发展与成熟。只有发

展全光再生技术，才能充分的发挥光通信的优势，突破光网络传输速率的“电子

瓶颈”，提高全光网络传输的透明性、灵活性和可靠性，适应全光网络和未来光

网络在光通信中的发展的需要。

§1.2 全光 3R 再生技术

光再生从广义上来理解指完成光信号的再生，即光信号的质量恢复。从实现

上来说光再生可以在电域完成，即首先把光信号经光/电转换为电信号，在电域完

成放大、定时、整形处理以后，再经电/光转换为光信号。光再生也可以在光域完成，

即全光再生，不经过光电转换直接在光域完成光信号再生。

但是，从目前来说，光再生仍然需要在电域完成，经过光/电/光转换完成的

光再生具有消光比高、偏振不敏感的特点，但是结构复杂、成本高，此外，由于电

处理速度的局限性，使得这种方式在实现高速光信号的再生时显得力不从心，限

制了信号的透明性；同时，光/电转换过程丢失了信号的相位、偏振态等光波信息。

随着光通信技术的发展，相干光通信、偏振复用等技术的研究和应用，将使得采

用光/电/光转换完成光再生愈来愈显示出其劣势。只有发展全光 3R 再生技术，才

能充分发挥光通信的优势，适应光通信发展的需要。

在光通信领域，全光 3R 再生技术(Re-amplifying, Re-shaping, and Re-timing)是

一种非常重要的全光处理技术。在长途干线上，它可以用来克服信号传输过程中

的噪声、串扰和非线性积累，大大扩展信号的传输距离。而在未来的全光网络中，

由于光交叉互联和光交换过程使得信号从源端到目的端的节点数无法确定，也就

是说信号所经过的光纤长度是不可预测的，在这种情况下，现有的固定色散补偿

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摘要：

全光3R再生技术摘要全光再生是指不经过光电光转换而直接在光域中完成信号的再生中继。全光3R——即全光再放大（Re-amplifying）、再整形（Re-shaping）和再定时（Re-timing）——是全光通信网的核心技术之一，它主要包括全光放大、全光时钟提取和全光判决等关键技术。其中光放大技术已经比较成熟，可以利用光纤放大器（如EDFA）或半导体放大器（如SOA）来实现，因此现在全光3R技术的关键在于全光时钟提取和全光判决的实现。非线性光纤环镜（NOLM）具有结构简单工作速度高等优点，在光通信和导航等领域都有着广泛的应用。基于NOLM技术可以同时实现全光时钟提取和全光判决。本文全面介绍了全...

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