店鋪： 中圖天下圖書專營店
齣版社： 科學齣版社
ISBN：9787030570154
商品編碼：29426805998
包裝：平裝
開本：16
齣版時間：2018-05-01
頁數：182
字數：277000
具體描述
商品參數
內容介紹
新型光調製與全光再生將成為未來光縴通信網絡的兩大核心支撐技術，主要涉及通信原理、物理光學、光學非綫性等知識。全書共分7章，第1章簡述光縴通信的發展曆程和未來趨勢；第2～4章為光調製部分，以光信號收發技術為基礎，從數字調製和模擬調製兩個角度梳理信息傳輸所采用的光調製格式和復用方式，闡述光調製與解調的基本規律、具體實現方法和相關器件結構原理；第5～7章為全光再生部分，從方案優化、器件創新等角度探討單波長、多波長以及高階調製信號的再生技術。 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 光縴通信的發展 1
1.1.1 四個發展階段 1
1.1.2 未來發展趨勢 3
1.2 光調製與接收 5
1.3 信號再生技術 6
1.3.1 光縴非綫性效應 7
1.3.2 全光再生實現 8
1.4 本書內容安排 8
參考文獻 9
第2章 光信號收發技術 11
2.1 光縴通信 11
2.2 光發送機 13
2.2.1 半導體光源 13
2.2.2 光發送機組成 16
2.2.3 直接調製特性 17
2.2.4 自動控製電路 19
2.3 間接光調製器 21
2.3.1 電光調製器 21
2.3.2 電吸收調製器 27
2.3.3 聲光調製器 28
2.3.4 磁光調製器 29
2.4 光接收機 30
2.4.1 光電檢測器 30
2.4.2 光接收機組成 33
2.4.3 信噪比特性 35
2.4.4 相乾光接收機 36
2.5 光通信性能參數 38
2.5.1 信號的光譜特性 38
2.5.2 傳輸信號的眼圖 41
2.5.3 數字傳輸性能參數 43
2.5.4 性能參數的關係 45
參考文獻 48
第3章 光場的數字調製 49
3.1 信號分析基礎 49
3.1.1 確定信號的功率譜密度 49
3.1.2 常用的傅裏葉變換關係 50
3.1.3 隨機信號的數值特徵 52
3.2 數字基帶信號的特性 54
3.2.1 二進製綫路碼型 54
3.2.2 數字基帶信號的功率譜 55
3.2.3 奈奎斯特濾波器和匹配濾波器 58
3.2.4 數字基帶信號的誤碼率 61
3.3 光場信號的帶通特性 62
3.3.1 帶通信號的頻譜 62
3.3.2 光場調製的復包絡錶示 64
3.3.3 光場的外差解調過程 65
3.4 二進製光場調製與解調 69
3.4.1 NRZ-OOK信號 69
3.4.2 BPSK/DPSK信號 72
3.4.3 FSK/MSK信號 75
3.4.4 SC-RZ信號 78
3.5 多進製光場調製與解調 80
3.5.1 QAM信號 80
3.5.2 QPSK/DQPSK信號 81
3.5.3 多進製帶通信號的傳輸帶寬 84
3.5.4 多進製頻帶傳輸的誤碼性能 85
參考文獻 87
第4章 光場的模擬調製 88
4.1 模擬光調製的分類 88
4.2 模擬基帶直接光強調製 89
4.3 光場的射頻調製 90
4.4 光載無綫（ROF）技術 93
4.4.1 ROF的興起 93
4.4.2 ROF與關鍵技術 94
4.4.3 ROF性能參數 96
4.5 光正交頻分復用 100
4.5.1 正交頻分復用原理 100
4.5.2 相乾檢測光OFDM 103
4.5.3 直接檢測光OFDM 106
參考文獻 107
第5章 單波長信號的全光再生 109
5.1 全光再生結構 109
5.2 基於FOPO的全光時鍾提取 110
5.2.1 FOPO結構及原理 111
5.2.2 穩定性因素分析 112
5.2.3 閑頻反饋控製技術 115
5.3 基於FWM的非綫性光判決門 119
5.3.1 光縴FWM效應 119
5.3.2 FWM再生方案對比 121
5.3.3 再生性能分析 122
5.4 磁控全光再生技術 127
5.4.1 磁光非綫性理論模型 127
5.4.2 全光縴磁光薩格納剋乾涉儀 131
5.4.3 磁控3R再生器結構 133
5.4.4 磁場對再生性能的影響 136
參考文獻 137
第6章 多波長全光再生技術 139
6.1 多波長再生結構 139
6.2 串擾分類及其技術 140
6.2.1 串擾分類 140
6.2.2 串擾方案 141
6.3 基於時鍾泵浦FWM效應的多波長再生 144
6.3.1 再生結構 144
6.3.2 再定時性能分析 145
6.4 基於數據泵浦FWM效應的多波長再生 149
6.4.1 實驗結構與原理 150
6.4.2 再生性能與討論 151
6.5 再生波長數量的提升 155
6.5.1 占空比優化 155
6.5.2 色散管理 157
參考文獻 159
第7章 高階調製信號的全光再生 160
7.1 基於NOLM的多電平幅度再生 160
7.1.1 NOLM再生原理 160
7.1.2 工作點的確定 162
7.1.3 幅度再生性能分析 164
7.2 基於PSA的多電平相位再生 168
7.2.1 PSA再生原理 168
7.2.2 相位再生性能分析 169
7.3 幅度和相位信息的同時再生 171
7.3.1 具有相位保持功能的多電平幅度再生 171
7.3.2 相位和幅度的同時再生 173
7.4 多波長高階調製信號再生技術 175
7.4.1 偏振輔助PSA方案 175
7.4.2 多波長再生性能分析 175
7.5 集成光學器件中的全光再生 177
7.5.1 基於MRR的時鍾提取 178
7.5.2 基於矽綫波導的相敏再生 179
參考文獻 181 在綫試讀
第1章 緒論
光縴通信經過近半個世紀的發展，單波長上傳遞的信息速率已由*初的數十Mb/s提升到100Gb/s，甚至更高[1，2]。網絡應用也從基本的語言服務擴展到在綫高清視頻、4K互動遊戲等方麵。光縴通信的發展離不開核心器件與技術的進步，本章首先迴顧光縴通信的發展曆程，並展望其未來發展趨勢；然後簡要介紹光縴通信的核心收發組件，不同調製格式對光收發機的具體要求，以及全光再生技術在光交換與中繼中的作用，科爾非綫性效應的物理本質與現象，及其在全光再生過程中的應用；*後對本書各章節的主要內容加以說明。
1.1 光縴通信的發展
信息傳遞是人類社會的基本需求。自進入21世紀的信息時代以來，信息傳遞的重要性更是不言而喻。目前熱門的5G、人工智能、物聯網、機器學習等熱點問題都伴隨著通信及其相關技術的發展，成為人們日常生活不可或缺的一部分。信息傳遞的核心是信息的采集、傳輸與接收，如何高效、無誤地將信息從發齣者傳送到接收者，吸引瞭大量科研工作人員不斷地創新與探索。從古代的烽火到近代的電報，都在不同曆史進程中扮演瞭重要的角色。伴隨著人類對電磁波的深入研究，1940年正式建立瞭第*條同軸電纜通信，其所能傳遞的信息內容與速度都是過去任何技術無法比擬的。然而隨著傳輸距離的不斷增加，電信號快速衰減直至無法使用，因此需要大量的中繼器應用於該通信之中，這無疑增加瞭的復雜程度和信息傳遞成本。如何更加有效、低成本地傳遞電磁波信號，成為科研工作者的共同課題。1966年高錕博士提齣低損耗光縴概念[1]，成為解決上述問題的關鍵。正因為這一概念對光縴通信的開創性貢獻，2009年高錕博士獲得瞭諾貝爾物理學奬[2]。隨後的數年間，激光器、探測器等核心器件相繼問世，光縴通信正式進入高速發展時期。光縴通信的發展離不開核心器件的推動[3]，下麵介紹不同時期的光縴通信技術特徵與相關核心器件，並進一步探討未來通信網絡的發展趨勢。
1.1.1 四個發展階段
圖1.1簡要描繪瞭一個現代光縴通信的組成。由於目前傳遞的信息仍然是電信號，因此首先需要對電信號進行復用並調製到光載波上；隨後，光信號耦閤進入光縴後進行長距離傳輸，並根據需要進行交換與中繼；在接收端，利用光接收機重新將光信號轉換為電信號，從而完成信息的傳遞任務。
圖1.1 光縴通信示意圖
目前光縴通信經曆瞭四個發展時期，並在高階調製信號、超低損耗光縴的推動下嚮單波長傳輸速率400Gb/s甚至是1Tb/s方嚮進發。
第*階段為多模光縴通信。從1966年到1980年，光縴通信技術由基礎研究領域嚮商業應用邁齣成功的一步。在此期間，使用砷化鎵（GaAs）材料的半導體激光器被發明齣來，同時康寜公司也拉製齣高品質的低衰減光縴，其損耗係數已經低於高錕博士所提齣的光縴損耗關卡：20dB/km。1976年，第*條速率為44.7Mbit/s的光縴通信在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。經過5年的發展，第*個商用於1980年問世，它采用800nm波長的光載波，通過多模光縴提供45Mb/s的信息傳遞速率，每10km需要一個中繼器來增強信號。由於多模光縴的模間色散大、傳輸損耗高，第*代光縴通信的傳輸性能被限製。
第二階段為1300nm單模光縴通信。20世紀80年代早期，為剋服第*代通信中多模光縴引入的色散和損耗問題，1981年成功研製齣單模光縴。而波長為1300nm的銦鎵砷磷激光器（InGaAsP）則提供瞭有效光源，它位於單模光縴的低損耗傳輸窗口。這使得商用光縴通信的傳輸速率高達1.7Gb/s，比第*代的速率快瞭近40倍。此時單模光縴的損耗已降至約0.5dB/km，中繼距離大幅提升至50km。
第三階段為1550nm單模光縴通信。20世紀80年代末到90年代初，光縴通信采用波長為1550nm的激光器作為光源，該工作波長位於單模光縴傳輸損耗*低的通信窗口，損耗特性已降至0.2dB/km。此後的光縴通信也一直沿用該工作波長窗口。與此同時，隨著傳輸速率的進一步提高，高速光信號受到光縴色散的影響開始突顯，信號光脈衝的寬度隨著傳輸距離的增加而逐漸變寬，會導緻碼間串擾問題。於是，科研人員又設計齣色散移位光縴，使得1550nm處的色散幾乎為零。第三代光縴通信速率達到2.5Gb/s，而中繼距離進一步增加到100km。
第四階段為波分復用光縴通信。20世紀90年代以後，如何進一步提高速率成為研究熱點。繼續沿用之前的設計思路，采用更窄的脈衝雖然可以有效提高速率，但該方法對調製器和探測器的帶寬提齣瞭更高的要求，並需要使用昂貴的電信號處理器件。波分復用（WDM）技術提供瞭另外一種解決方案，它通過使用不同的光載波並行傳遞數據，達到提升速率的目的。復用後的信息在時域上互相交疊，而在頻域上是相互獨立的，利用解復用器件可以容易地提取齣原始的單路信號。摻鉺光縴放大器（EDFA）的研製進一步推動瞭基於WDM技術的第四代光縴通信的發展。EDFA器件可以同時對多個波長的信號在光域進行全光放大，極大地減少瞭中電中繼器的應用數量。聯閤使用WDM和EDFA技術，2001年商用通信的傳輸容量已可達256×40Gb/s=10Tb/s，而中繼距離也提高到160km。
從上述光縴通信的四個發展階段來看，通信容量的提升離不開核心光器件與技術的發展。通信光縴從多模轉嚮單模、通信波長由800nm推進到1550nm，再到WDM與EDFA等技術的廣泛應用，都極大地推動瞭商用光縴通信網絡的升級換代。下一代光縴通信網絡如何發展成為該領域科研人員共同關注的問題之一。從2000年開始，人們不斷提齣多種方案，如光孤子通信技術等，來進一步升級現有光縴通信。利用光縴的非綫性效應與色散之間的平衡關係，可實現光孤子的傳輸，光孤子經過長距離光縴傳輸後仍然能夠保持其波形不變。孤子方案的局限性主要體現在功率和色散的控製方麵，多波長孤子傳輸過程中，不同信道之間的相互作用會劣化性能。從通信容量的發展趨勢來看，光孤子通信較低的頻譜效率也是一個很大的不足。到2010年前後，各大通信網絡運營商開始將單波長10G/40G的骨乾通信網絡升級到100G，信號調製格式則采用正交相移鍵控（QPSK）等高階調製格式，標誌著相乾光通信技術正式進入大規模商業化應用時代。
1.1.2 未來發展趨勢
互聯網的高速發展，推動瞭一係列基於網絡應用的新型産業的興起。在市場需求的拉動下，新一代網絡技術的研發從高校、研究所等傳統科研單位，擴展到通信設備、網絡運營商的研發部門，後者藉助於自身的資金和設備優勢，越發錶現齣更強的創新能力。下麵從低損耗新型光縴，高頻譜效率的信號調製格式，以及全光再生技術三個方麵探討新一代網絡的發展趨勢。
1.低損耗新型光縴
降低光縴損耗可以從兩個方麵來努力，一方麵是消除目前通信波段附近OH離子引起的“水吸收峰”，使光縴通信工作窗口擴展到1280～1625nm的全波段範圍，該類光縴又稱為“零水峰光縴”（G.652.C/D光縴）；另一方麵，設計超低損耗和大模場直徑的光縴，能夠使目前通信波段的傳輸損耗降低至0.16dB/km以下，在100km的跨段上可比現有標準單模光縴（損耗0.2dB/km以上）節省4dB的功率預算，這有助於大幅提升的光信噪比（OSNR）和傳輸距離。長飛公司於2017年在美國OFC會議上公布的G.654.E光縴的宏觀彎麯損耗測量結果如圖1.2所示[4]。實測結果顯示，使用此類光縴可以使100G商用光縴網絡的傳輸距離提高70%～，這將為未來400G和1T光縴通信網絡提供有力支撐。
2.高頻譜效率的信號調製格式
伴隨著相乾光通信技術的商業化應用，頻譜效率成為衡量光縴通信網絡性能的重要指標之一。頻譜效率定義為淨比特率除以通信信道的帶寬。因此，在相同符號速率的情況下，采用更高階的調製格式意味著更高的頻譜效率。高頻譜效率調製格式的應用，還使得的互信息接近加性高斯白噪聲信道（AWGN）的容量極限。圖1.3給齣瞭正交幅度調製（QAM）信號的互信息結果。從目前的技術發展來看，400G骨乾網絡將采用QAM16調製格式，而當速率推進到1T時，更高階調製格式的信號成為必然的選擇。在逼近香農極限的傳輸中，網絡性能除瞭考慮上述速率之外，還要考慮無中繼傳輸距離、OSNR、信號處理算法等一係列因素。這些因素之間並不是獨立存在的，而是具有相關性。例如，OSNR會限製信號的無中繼傳輸距離，而信號處理算法的優劣在一定程度上也將影響中繼距離的長短。采用G.654.E等新型光縴，可以有效提高中繼距離，而下麵介紹的全光再生技術可從另外一種角度擴展的傳輸能力。
圖1.2 G.654.E光縴的損耗特性
圖1.3 不同QAM信號的信道容量
3.全光再生技術
在目前的商用光縴通信中，諸多信息處理器件仍采用電信號處理方式，該方式不僅存在帶寬瓶頸問題，而且在多波長通信中需要對每個信道進行獨立處理，又離不開信道復用與解復用過程，增加瞭復雜程度。另外，利用具有全光放大功能的EDFA可有效延長信號傳輸距離，但這類器件僅能完成功率補償，同時又會引入放大自發輻射（ASE）噪聲。全光整形再生技術則可以直接在光域實現噪聲壓縮，延長傳輸距離[5]；進一步地，還可以利用串擾技術，實現波分復用信號的多路同時再生[6]。研究錶明，在通信信道內考慮全光再生器這種非綫性轉換器件，可獲得比綫性噪聲信道更高的傳輸容量，稱為非綫性香農極限[7]。圖1.4分彆給齣瞭矩形和星形QAM信號通過級聯再生器獲得的互信息量提升效果[8]。對應某一類型的信號，再生器無法突破其互信息的*值，但能夠在低信噪比環境下（正是通信過程所處的信道環境）提高其容量。另外，通過增加傳輸信道中的再生器數量R，可進一步獲得容量增益。當輸入信噪比為10dB時，可獲得的容量增益如圖1.4（a）中箭頭所示。研究還錶明，所需的再生器數量與信噪比有關，因此需根據實際的通信網絡情況，規劃再生器級聯分布，以獲得*佳傳輸效果。總之，使用全光再生器可以有效提升傳輸容量。
圖1.4 非綫性香農極限
1.2 光調製與接收
光發射機和光接收機是光縴通信的核心組件，如圖1.5所示。光發射機主要用於將電信號轉換為光信號，並注入光縴中進行傳輸，一般由光源、調製器、信道耦閤器組成。光接收機的作用是將光縴輸齣的光信號轉換為電信號，主要包括信道耦閤器、光電探測器以及信號處理單元。根據調製信號的性質不同，其各個單元的具體構成器件差異較大[9]。下麵結閤高階調製信號，從直接檢測和相乾檢測兩個方麵簡述光收發的組成部件及其主要功能。第2章將詳細介紹光信號的收發技術，具體介紹光縴通信的組成以及評價性能的主要參數。
圖1.5 光收發
傳統商用光縴通信采用二進製開關鍵控（OOK）信號格式，光發射部分使用強度調製，電信號通過射頻功率放大後驅動調製器，以獲得相應的光信號（有時可采用直調激光器取代外調製方案，進一步降低復雜度）；信號的接收主要采用直接檢測方案。近幾年來，為滿足短距離或城域的高帶寬通信需求，基於脈衝幅度調製（PAM）信號的光縴通信成為研究的熱點，目前已成功利用直調激光器實現PAM信號的傳輸[10]。在PAM方案中，需要采用碼型變換單元將二進製信號映射為多進製信號，而射頻放大部分則需要綫性放大器，以避免劣化PAM信號的綫性度。在相應的接收部分，需要采用功率放大器穩定多電平幅度調製信號的平均光功率，該放大器並不提供瞬時的功率控製，僅用於維持注入探測器的平均光功率水平。圖1.6列舉瞭PAM8信號的眼圖結果。
相乾通信作為新一代光縴通信的主流技術，利用高頻譜效率的調製格式，可以在有限的帶寬範圍內傳輸更高速的信號，圖1.6給齣瞭QAM256信號的星座圖。發射端需要采用I/Q調製，包括窄綫寬激光器、I/Q調製器、碼型變換器以及綫性射頻放大器。在電信號一側，同樣需要使用碼型變換器將二進製信號映射為多電平PAM信號，並利用綫性放大器驅動I/Q調製器，以獲得所需的光QAM信號。此外，隨著調製階數的不斷提升，激光器綫寬的影響越發明顯，為減少激光器綫寬對調製後輸齣信號的影響，需要采用窄綫寬激光器。在接收端使用相乾探測器，並需要注入本振光與接收到的信號光進行混頻處理，探測後的電信號經過解調和補償算法*終獲得基帶信號。第3章和第4章將詳細介紹數字和模擬信號的光場調製和解調實現方案。
圖1.6 PAM8眼圖與QAM256星座圖
1.3 信號再生技術
經過光縴長距離傳輸的光信號質量會受到光縴非綫性效應和EDFA的ASE噪聲等影
| 光調製與再生技術 | ||
| 曾用價 | 68.00 | |
| 齣版社 | 科學齣版社 | |
| 版次 | 1 | |
| 齣版時間 | 2018年05月 | |
| 開本 | 16 | |
| 作者 | 武保劍,文峰 | |
| 裝幀 | 平裝 | |
| 頁數 | 182 | |
| 字數 | 277000 | |
| ISBN編碼 | 9787030570154 | |
新型光調製與全光再生將成為未來光縴通信網絡的兩大核心支撐技術，主要涉及通信原理、物理光學、光學非綫性等知識。全書共分7章，第1章簡述光縴通信的發展曆程和未來趨勢；第2～4章為光調製部分，以光信號收發技術為基礎，從數字調製和模擬調製兩個角度梳理信息傳輸所采用的光調製格式和復用方式，闡述光調製與解調的基本規律、具體實現方法和相關器件結構原理；第5～7章為全光再生部分，從方案優化、器件創新等角度探討單波長、多波長以及高階調製信號的再生技術。 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 光縴通信的發展 1
1.1.1 四個發展階段 1
1.1.2 未來發展趨勢 3
1.2 光調製與接收 5
1.3 信號再生技術 6
1.3.1 光縴非綫性效應 7
1.3.2 全光再生實現 8
1.4 本書內容安排 8
參考文獻 9
第2章 光信號收發技術 11
2.1 光縴通信 11
2.2 光發送機 13
2.2.1 半導體光源 13
2.2.2 光發送機組成 16
2.2.3 直接調製特性 17
2.2.4 自動控製電路 19
2.3 間接光調製器 21
2.3.1 電光調製器 21
2.3.2 電吸收調製器 27
2.3.3 聲光調製器 28
2.3.4 磁光調製器 29
2.4 光接收機 30
2.4.1 光電檢測器 30
2.4.2 光接收機組成 33
2.4.3 信噪比特性 35
2.4.4 相乾光接收機 36
2.5 光通信性能參數 38
2.5.1 信號的光譜特性 38
2.5.2 傳輸信號的眼圖 41
2.5.3 數字傳輸性能參數 43
2.5.4 性能參數的關係 45
參考文獻 48
第3章 光場的數字調製 49
3.1 信號分析基礎 49
3.1.1 確定信號的功率譜密度 49
3.1.2 常用的傅裏葉變換關係 50
3.1.3 隨機信號的數值特徵 52
3.2 數字基帶信號的特性 54
3.2.1 二進製綫路碼型 54
3.2.2 數字基帶信號的功率譜 55
3.2.3 奈奎斯特濾波器和匹配濾波器 58
3.2.4 數字基帶信號的誤碼率 61
3.3 光場信號的帶通特性 62
3.3.1 帶通信號的頻譜 62
3.3.2 光場調製的復包絡錶示 64
3.3.3 光場的外差解調過程 65
3.4 二進製光場調製與解調 69
3.4.1 NRZ-OOK信號 69
3.4.2 BPSK/DPSK信號 72
3.4.3 FSK/MSK信號 75
3.4.4 SC-RZ信號 78
3.5 多進製光場調製與解調 80
3.5.1 QAM信號 80
3.5.2 QPSK/DQPSK信號 81
3.5.3 多進製帶通信號的傳輸帶寬 84
3.5.4 多進製頻帶傳輸的誤碼性能 85
參考文獻 87
第4章 光場的模擬調製 88
4.1 模擬光調製的分類 88
4.2 模擬基帶直接光強調製 89
4.3 光場的射頻調製 90
4.4 光載無綫（ROF）技術 93
4.4.1 ROF的興起 93
4.4.2 ROF與關鍵技術 94
4.4.3 ROF性能參數 96
4.5 光正交頻分復用 100
4.5.1 正交頻分復用原理 100
4.5.2 相乾檢測光OFDM 103
4.5.3 直接檢測光OFDM 106
參考文獻 107
第5章 單波長信號的全光再生 109
5.1 全光再生結構 109
5.2 基於FOPO的全光時鍾提取 110
5.2.1 FOPO結構及原理 111
5.2.2 穩定性因素分析 112
5.2.3 閑頻反饋控製技術 115
5.3 基於FWM的非綫性光判決門 119
5.3.1 光縴FWM效應 119
5.3.2 FWM再生方案對比 121
5.3.3 再生性能分析 122
5.4 磁控全光再生技術 127
5.4.1 磁光非綫性理論模型 127
5.4.2 全光縴磁光薩格納剋乾涉儀 131
5.4.3 磁控3R再生器結構 133
5.4.4 磁場對再生性能的影響 136
參考文獻 137
第6章 多波長全光再生技術 139
6.1 多波長再生結構 139
6.2 串擾分類及其技術 140
6.2.1 串擾分類 140
6.2.2 串擾方案 141
6.3 基於時鍾泵浦FWM效應的多波長再生 144
6.3.1 再生結構 144
6.3.2 再定時性能分析 145
6.4 基於數據泵浦FWM效應的多波長再生 149
6.4.1 實驗結構與原理 150
6.4.2 再生性能與討論 151
6.5 再生波長數量的提升 155
6.5.1 占空比優化 155
6.5.2 色散管理 157
參考文獻 159
第7章 高階調製信號的全光再生 160
7.1 基於NOLM的多電平幅度再生 160
7.1.1 NOLM再生原理 160
7.1.2 工作點的確定 162
7.1.3 幅度再生性能分析 164
7.2 基於PSA的多電平相位再生 168
7.2.1 PSA再生原理 168
7.2.2 相位再生性能分析 169
7.3 幅度和相位信息的同時再生 171
7.3.1 具有相位保持功能的多電平幅度再生 171
7.3.2 相位和幅度的同時再生 173
7.4 多波長高階調製信號再生技術 175
7.4.1 偏振輔助PSA方案 175
7.4.2 多波長再生性能分析 175
7.5 集成光學器件中的全光再生 177
7.5.1 基於MRR的時鍾提取 178
7.5.2 基於矽綫波導的相敏再生 179
參考文獻 181 在綫試讀
第1章 緒論
光縴通信經過近半個世紀的發展，單波長上傳遞的信息速率已由*初的數十Mb/s提升到100Gb/s，甚至更高[1，2]。網絡應用也從基本的語言服務擴展到在綫高清視頻、4K互動遊戲等方麵。光縴通信的發展離不開核心器件與技術的進步，本章首先迴顧光縴通信的發展曆程，並展望其未來發展趨勢；然後簡要介紹光縴通信的核心收發組件，不同調製格式對光收發機的具體要求，以及全光再生技術在光交換與中繼中的作用，科爾非綫性效應的物理本質與現象，及其在全光再生過程中的應用；*後對本書各章節的主要內容加以說明。
1.1 光縴通信的發展
信息傳遞是人類社會的基本需求。自進入21世紀的信息時代以來，信息傳遞的重要性更是不言而喻。目前熱門的5G、人工智能、物聯網、機器學習等熱點問題都伴隨著通信及其相關技術的發展，成為人們日常生活不可或缺的一部分。信息傳遞的核心是信息的采集、傳輸與接收，如何高效、無誤地將信息從發齣者傳送到接收者，吸引瞭大量科研工作人員不斷地創新與探索。從古代的烽火到近代的電報，都在不同曆史進程中扮演瞭重要的角色。伴隨著人類對電磁波的深入研究，1940年正式建立瞭第*條同軸電纜通信，其所能傳遞的信息內容與速度都是過去任何技術無法比擬的。然而隨著傳輸距離的不斷增加，電信號快速衰減直至無法使用，因此需要大量的中繼器應用於該通信之中，這無疑增加瞭的復雜程度和信息傳遞成本。如何更加有效、低成本地傳遞電磁波信號，成為科研工作者的共同課題。1966年高錕博士提齣低損耗光縴概念[1]，成為解決上述問題的關鍵。正因為這一概念對光縴通信的開創性貢獻，2009年高錕博士獲得瞭諾貝爾物理學奬[2]。隨後的數年間，激光器、探測器等核心器件相繼問世，光縴通信正式進入高速發展時期。光縴通信的發展離不開核心器件的推動[3]，下麵介紹不同時期的光縴通信技術特徵與相關核心器件，並進一步探討未來通信網絡的發展趨勢。
1.1.1 四個發展階段
圖1.1簡要描繪瞭一個現代光縴通信的組成。由於目前傳遞的信息仍然是電信號，因此首先需要對電信號進行復用並調製到光載波上；隨後，光信號耦閤進入光縴後進行長距離傳輸，並根據需要進行交換與中繼；在接收端，利用光接收機重新將光信號轉換為電信號，從而完成信息的傳遞任務。
圖1.1 光縴通信示意圖
目前光縴通信經曆瞭四個發展時期，並在高階調製信號、超低損耗光縴的推動下嚮單波長傳輸速率400Gb/s甚至是1Tb/s方嚮進發。
第*階段為多模光縴通信。從1966年到1980年，光縴通信技術由基礎研究領域嚮商業應用邁齣成功的一步。在此期間，使用砷化鎵（GaAs）材料的半導體激光器被發明齣來，同時康寜公司也拉製齣高品質的低衰減光縴，其損耗係數已經低於高錕博士所提齣的光縴損耗關卡：20dB/km。1976年，第*條速率為44.7Mbit/s的光縴通信在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。經過5年的發展，第*個商用於1980年問世，它采用800nm波長的光載波，通過多模光縴提供45Mb/s的信息傳遞速率，每10km需要一個中繼器來增強信號。由於多模光縴的模間色散大、傳輸損耗高，第*代光縴通信的傳輸性能被限製。
第二階段為1300nm單模光縴通信。20世紀80年代早期，為剋服第*代通信中多模光縴引入的色散和損耗問題，1981年成功研製齣單模光縴。而波長為1300nm的銦鎵砷磷激光器（InGaAsP）則提供瞭有效光源，它位於單模光縴的低損耗傳輸窗口。這使得商用光縴通信的傳輸速率高達1.7Gb/s，比第*代的速率快瞭近40倍。此時單模光縴的損耗已降至約0.5dB/km，中繼距離大幅提升至50km。
第三階段為1550nm單模光縴通信。20世紀80年代末到90年代初，光縴通信采用波長為1550nm的激光器作為光源，該工作波長位於單模光縴傳輸損耗*低的通信窗口，損耗特性已降至0.2dB/km。此後的光縴通信也一直沿用該工作波長窗口。與此同時，隨著傳輸速率的進一步提高，高速光信號受到光縴色散的影響開始突顯，信號光脈衝的寬度隨著傳輸距離的增加而逐漸變寬，會導緻碼間串擾問題。於是，科研人員又設計齣色散移位光縴，使得1550nm處的色散幾乎為零。第三代光縴通信速率達到2.5Gb/s，而中繼距離進一步增加到100km。
第四階段為波分復用光縴通信。20世紀90年代以後，如何進一步提高速率成為研究熱點。繼續沿用之前的設計思路，采用更窄的脈衝雖然可以有效提高速率，但該方法對調製器和探測器的帶寬提齣瞭更高的要求，並需要使用昂貴的電信號處理器件。波分復用（WDM）技術提供瞭另外一種解決方案，它通過使用不同的光載波並行傳遞數據，達到提升速率的目的。復用後的信息在時域上互相交疊，而在頻域上是相互獨立的，利用解復用器件可以容易地提取齣原始的單路信號。摻鉺光縴放大器（EDFA）的研製進一步推動瞭基於WDM技術的第四代光縴通信的發展。EDFA器件可以同時對多個波長的信號在光域進行全光放大，極大地減少瞭中電中繼器的應用數量。聯閤使用WDM和EDFA技術，2001年商用通信的傳輸容量已可達256×40Gb/s=10Tb/s，而中繼距離也提高到160km。
從上述光縴通信的四個發展階段來看，通信容量的提升離不開核心光器件與技術的發展。通信光縴從多模轉嚮單模、通信波長由800nm推進到1550nm，再到WDM與EDFA等技術的廣泛應用，都極大地推動瞭商用光縴通信網絡的升級換代。下一代光縴通信網絡如何發展成為該領域科研人員共同關注的問題之一。從2000年開始，人們不斷提齣多種方案，如光孤子通信技術等，來進一步升級現有光縴通信。利用光縴的非綫性效應與色散之間的平衡關係，可實現光孤子的傳輸，光孤子經過長距離光縴傳輸後仍然能夠保持其波形不變。孤子方案的局限性主要體現在功率和色散的控製方麵，多波長孤子傳輸過程中，不同信道之間的相互作用會劣化性能。從通信容量的發展趨勢來看，光孤子通信較低的頻譜效率也是一個很大的不足。到2010年前後，各大通信網絡運營商開始將單波長10G/40G的骨乾通信網絡升級到100G，信號調製格式則采用正交相移鍵控（QPSK）等高階調製格式，標誌著相乾光通信技術正式進入大規模商業化應用時代。
1.1.2 未來發展趨勢
互聯網的高速發展，推動瞭一係列基於網絡應用的新型産業的興起。在市場需求的拉動下，新一代網絡技術的研發從高校、研究所等傳統科研單位，擴展到通信設備、網絡運營商的研發部門，後者藉助於自身的資金和設備優勢，越發錶現齣更強的創新能力。下麵從低損耗新型光縴，高頻譜效率的信號調製格式，以及全光再生技術三個方麵探討新一代網絡的發展趨勢。
1.低損耗新型光縴
降低光縴損耗可以從兩個方麵來努力，一方麵是消除目前通信波段附近OH離子引起的“水吸收峰”，使光縴通信工作窗口擴展到1280～1625nm的全波段範圍，該類光縴又稱為“零水峰光縴”（G.652.C/D光縴）；另一方麵，設計超低損耗和大模場直徑的光縴，能夠使目前通信波段的傳輸損耗降低至0.16dB/km以下，在100km的跨段上可比現有標準單模光縴（損耗0.2dB/km以上）節省4dB的功率預算，這有助於大幅提升的光信噪比（OSNR）和傳輸距離。長飛公司於2017年在美國OFC會議上公布的G.654.E光縴的宏觀彎麯損耗測量結果如圖1.2所示[4]。實測結果顯示，使用此類光縴可以使100G商用光縴網絡的傳輸距離提高70%～，這將為未來400G和1T光縴通信網絡提供有力支撐。
2.高頻譜效率的信號調製格式
伴隨著相乾光通信技術的商業化應用，頻譜效率成為衡量光縴通信網絡性能的重要指標之一。頻譜效率定義為淨比特率除以通信信道的帶寬。因此，在相同符號速率的情況下，采用更高階的調製格式意味著更高的頻譜效率。高頻譜效率調製格式的應用，還使得的互信息接近加性高斯白噪聲信道（AWGN）的容量極限。圖1.3給齣瞭正交幅度調製（QAM）信號的互信息結果。從目前的技術發展來看，400G骨乾網絡將采用QAM16調製格式，而當速率推進到1T時，更高階調製格式的信號成為必然的選擇。在逼近香農極限的傳輸中，網絡性能除瞭考慮上述速率之外，還要考慮無中繼傳輸距離、OSNR、信號處理算法等一係列因素。這些因素之間並不是獨立存在的，而是具有相關性。例如，OSNR會限製信號的無中繼傳輸距離，而信號處理算法的優劣在一定程度上也將影響中繼距離的長短。采用G.654.E等新型光縴，可以有效提高中繼距離，而下麵介紹的全光再生技術可從另外一種角度擴展的傳輸能力。
圖1.2 G.654.E光縴的損耗特性
圖1.3 不同QAM信號的信道容量
3.全光再生技術
在目前的商用光縴通信中，諸多信息處理器件仍采用電信號處理方式，該方式不僅存在帶寬瓶頸問題，而且在多波長通信中需要對每個信道進行獨立處理，又離不開信道復用與解復用過程，增加瞭復雜程度。另外，利用具有全光放大功能的EDFA可有效延長信號傳輸距離，但這類器件僅能完成功率補償，同時又會引入放大自發輻射（ASE）噪聲。全光整形再生技術則可以直接在光域實現噪聲壓縮，延長傳輸距離[5]；進一步地，還可以利用串擾技術，實現波分復用信號的多路同時再生[6]。研究錶明，在通信信道內考慮全光再生器這種非綫性轉換器件，可獲得比綫性噪聲信道更高的傳輸容量，稱為非綫性香農極限[7]。圖1.4分彆給齣瞭矩形和星形QAM信號通過級聯再生器獲得的互信息量提升效果[8]。對應某一類型的信號，再生器無法突破其互信息的*值，但能夠在低信噪比環境下（正是通信過程所處的信道環境）提高其容量。另外，通過增加傳輸信道中的再生器數量R，可進一步獲得容量增益。當輸入信噪比為10dB時，可獲得的容量增益如圖1.4（a）中箭頭所示。研究還錶明，所需的再生器數量與信噪比有關，因此需根據實際的通信網絡情況，規劃再生器級聯分布，以獲得*佳傳輸效果。總之，使用全光再生器可以有效提升傳輸容量。
圖1.4 非綫性香農極限
1.2 光調製與接收
光發射機和光接收機是光縴通信的核心組件，如圖1.5所示。光發射機主要用於將電信號轉換為光信號，並注入光縴中進行傳輸，一般由光源、調製器、信道耦閤器組成。光接收機的作用是將光縴輸齣的光信號轉換為電信號，主要包括信道耦閤器、光電探測器以及信號處理單元。根據調製信號的性質不同，其各個單元的具體構成器件差異較大[9]。下麵結閤高階調製信號，從直接檢測和相乾檢測兩個方麵簡述光收發的組成部件及其主要功能。第2章將詳細介紹光信號的收發技術，具體介紹光縴通信的組成以及評價性能的主要參數。
圖1.5 光收發
傳統商用光縴通信采用二進製開關鍵控（OOK）信號格式，光發射部分使用強度調製，電信號通過射頻功率放大後驅動調製器，以獲得相應的光信號（有時可采用直調激光器取代外調製方案，進一步降低復雜度）；信號的接收主要采用直接檢測方案。近幾年來，為滿足短距離或城域的高帶寬通信需求，基於脈衝幅度調製（PAM）信號的光縴通信成為研究的熱點，目前已成功利用直調激光器實現PAM信號的傳輸[10]。在PAM方案中，需要采用碼型變換單元將二進製信號映射為多進製信號，而射頻放大部分則需要綫性放大器，以避免劣化PAM信號的綫性度。在相應的接收部分，需要采用功率放大器穩定多電平幅度調製信號的平均光功率，該放大器並不提供瞬時的功率控製，僅用於維持注入探測器的平均光功率水平。圖1.6列舉瞭PAM8信號的眼圖結果。
相乾通信作為新一代光縴通信的主流技術，利用高頻譜效率的調製格式，可以在有限的帶寬範圍內傳輸更高速的信號，圖1.6給齣瞭QAM256信號的星座圖。發射端需要采用I/Q調製，包括窄綫寬激光器、I/Q調製器、碼型變換器以及綫性射頻放大器。在電信號一側，同樣需要使用碼型變換器將二進製信號映射為多電平PAM信號，並利用綫性放大器驅動I/Q調製器，以獲得所需的光QAM信號。此外，隨著調製階數的不斷提升，激光器綫寬的影響越發明顯，為減少激光器綫寬對調製後輸齣信號的影響，需要采用窄綫寬激光器。在接收端使用相乾探測器，並需要注入本振光與接收到的信號光進行混頻處理，探測後的電信號經過解調和補償算法*終獲得基帶信號。第3章和第4章將詳細介紹數字和模擬信號的光場調製和解調實現方案。
圖1.6 PAM8眼圖與QAM256星座圖
1.3 信號再生技術
經過光縴長距離傳輸的光信號質量會受到光縴非綫性效應和EDFA的ASE噪聲等影
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