超高速光通信系统关键技术研究及其系统实现

论文摘要

随着网络技术和信息技术的飞速发展,宽带网络逐渐普及;各种占用大量网络资源的新型网络应用不断涌现,使得因特网网络流量几乎每两年翻一番。现有的光通信网络受制于电子器件“电子瓶颈”的限制,单波长传输速率商用最高可达40GBit/s。为了提高传输网络传输能力和核心节点信息处理能力,必须开展新型的超高速光通信网络研究。本论文针对超高速全光网络中的关键技术以及影响网络性能的关键问题进行了研究,研究内容包括超短光脉冲产生、全光波长变换、超高速全光OTDM系统复用/解复用,以及光交换网络结构等。具体研究成果与创新如下:1、首次在线性腔主动锁模光纤激光器线性腔内内采用半导体光放大器（SOA）作为增益介质和锁模器件,实现了基于半导体光放大器的线性腔主动锁模光纤激光器。该线性腔锁模光纤激光器谐振腔内无波长选择器件,腔型结构简单,输出锁模脉冲性能稳定。实验中实现了重复频率为10GHz,脉冲宽度为6.8ps的脉冲输出,输出脉冲的时域抖动为60fs。谐振腔腔长短,输出光脉冲性能稳定。通过调节外部注入脉冲,输出的锁模脉冲能够宽波长调节范围（1528nm-1565nm）、宽重复率范围（3GHz-10GHz）内进行调节。2、利用外部注入脉冲同向注入到锁模激光器环型腔,实现了重复频率为10GHz,脉冲宽度为6ps的直接脉冲输出。该锁模激光器输出脉冲能够实现中心波长1530nm到1565nm可调,重复频率从1GHz到15Ghz可调。从实验测试方面,详细分析了锁模激光器环型腔内部参数,以及外部注入光参数对于该主动锁模光纤激光器输出脉冲的影响。基于该环型腔,对外部脉冲进行时域复制,实现了重复频率为40GHz的主动锁模光纤激光器。3、利用SOA内交叉增益调制和交叉相位调制效应,实现了速率为80Gbit/s极性保持的全光波长变换器。该波长变换器能够实现宽范围的波长变换,固定信号光中心波长为1550nm,实现了1530nm到1548nm可调范围的波长下变换以及1555nm到1565nm可调范围的波长上变换。变换输出信号与输入信号极性相同,对于输入信号的偏振态不敏感。为了优化该波长变换器的波长变换效果,分析了波长变换输出性能与滤波器相对探索光中心波长的偏移之间的关系,以及输入信号功率对于波长变换效率的影响。4、基于SOA的四波混频效应,利用单只SOA实现了80Gbit/s到10Gbit/s全光解压缩实验。通过测试,该解压缩系统可以无误码运行,在系统误码率为10-9时,系统的功率代价最高为3.5dB。通过误码测试系统,分析了该解压缩系统输入信号光功率对于系统误码性能的影响。通过对接收信号功率进行优化,能够提高该系统的性能。5、利用维持-阻塞D触发器首次实现了40Gbit/s到10Gbit/s的解压缩实验。该解压缩方案性能稳定,解压缩各路信号误码性能一致。该解压缩方案在对信号解压缩的同时能够实现对归零码（RZ）到非归零码（NRZ）的变换。6、基于高速的全光波长变换器以及全光压缩/解压缩系统关键技术,搭建了一套三节点,速率为80Gbit/s的基于波长地址的超高速全光交换网络实验演示系统。该全光交换网络结合了超高速OTDM系统的大容量传输特性以及全光线路交换的透明传输特性,能够实现超高速的全光交换。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大容量信息传输技术的研究现状
• 1.2.1 电时分复用技术
• 1.2.2 波分复用系统
• 1.2.3 光时分复用系统
• 1.3 全光交换技术的研究现状
• 1.3.1 光路交换技术
• 1.3.2 光分组交换技术
• 1.3.3 光突发交换技术
• 1.4 本论文的主要研究工作
• 1.5 本论文的主要创新点
• 参考文献
• 第二章 半导体光放大器特性及理论分析
• 2.1 半导体光放大器
• 2.1.1 体结构型SOA的基本结构
• 2.1.2 量子阱半导体光放大器
• 2.1.3 量子点半导体光放大器
• 2.2 半导体光放大器的辐射过程
• 2.2.1 受激辐射
• 2.2.2 自发辐射
• 2.2.3 吸收过程
• 2.2.4 速率方程
• 2.3 半导体光放大器的载流子动态特性
• 2.3.1 空间频率烧孔效应
• 2.3.2 载流子加热
• 2.3.3 带间恢复
• 2.3.4 相位动态特性
• 2.3.5 增益饱和
• 2.4 半导体光放大器的模型仿真
• 2.4.1 宽带稳态模型
• 2.4.2 宽带稳态模型仿真结果
• 2.4.3 动态模型
• 2.4.4 动态模型仿真结果
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 基于半导体光放大器的主动锁模光纤激光器实验研究
• 3.1 脉冲要求
• 3.1.1 脉冲宽度与光谱宽度
• 3.1.2 频率啁啾
• 3.1.3 时域抖动
• 3.1.4 边模抑制比
• 3.1.5 波长可调性
• 3.1.6 消光比和时间基座抑制率
• 3.2 基于SOA锁模激光器脉冲产生方式
• 3.3 基于SOA线性腔锁模激光器脉冲产生实验研究
• 3.3.1 激光器结构及工作原理。
• 3.3.2 脉冲输出结果及其相关讨论
• 3.3.3 波长可调节和重复率可调节
• 3.4 基于SOA环性腔锁模激光器脉冲产生实验研究
• 3.4.1 激光器的结构及工作原理。
• 3.4.2 激光器的脉冲输出特性。
• 3.4.3 激光器各种参数对脉冲输出的影响。
• 3.5 40GHz基于半导体光放大器环型腔主动锁模激光器
• 3.6 激光器波长变换和输出波形调节
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于半导体光放大器的全光波长变换研究
• 4.1 概述
• 4.2 基于SOA的波长变换技术
• 4.2.1 四波混频效应
• 4.2.2 交叉增益调制
• 4.2.3 交叉相位调制
• 4.2.4 交叉偏振调制
• 4.3 基于SOA和OBPF全光波长变换技术实验研究
• 4.3.1 基于SOA和OBPF的全光波长变换器的工作原理
• 4.3.2 基于SOA和OBPF的全光波长变换器的实验研究
• 4.3.3 滤波器对全光波长变换器的性能影响
• 4.3.4 全光波长变换器的性能分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 超高速OTDM全光压缩/解压缩通信系统
• 5.1 概述
• 5.2 OTDM关键技术介绍及其解决方案
• 5.2.1 超短脉冲产生技术
• 5.2.2 全光复用/解复用技术
• 5.2.3 其它关键技术
• 5.3 基于SOA的80Gbit/s全光解压缩实验系统
• 5.3.1 四波混频方案概述
• 5.3.2 高速信号产生
• 5.3.3 信号解压缩
• 5.3.4 码型变换器
• 5.3.5 80GBit/s全光压缩/解压缩系统
• 5.3.6 输入信号光功率对系统性能的影响
• 5.3.7 小结
• 5.4 基于维持-阻塞D触发器的40Gbit/s解压缩系统
• 5.4.1 基于维持-阻塞D触发器解压缩原理图
• 5.4.2 基于维持-阻塞D触发器40Gbit/s解压缩系统
• 5.4.3 小结
• 5.5 总结
• 参考文献
• 第六章 基于波长变换光路交换网络的系统实现
• 6.1 概述
• 6.2 基于波长全光交换网的构思
• 6.3 基于波长全光交换网的系统实现
• 6.3.1 全光交换模块
• 6.3.2 光波长路由交换网络的特点和原则
• 6.4 基于波长全光交换网的系统实验验证
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本论文的主要工作
• 7.2 不足和展望
• 专利申请及文章发表情况
• 致谢