【摘要】：光纖傳輸系統(tǒng)在光纖制導(dǎo)武器、通信、工業(yè)控制、光控飛行和遠(yuǎn)程監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,隨著傳輸容量的不斷增加和傳輸距離的日益增大,光纖非線性克爾效應(yīng)(Kerr nonlinearity effect)也越來越嚴(yán)重,并成為了目前限制光纖傳輸系統(tǒng)性能的主要因素。因此,研究如何減少克爾效應(yīng)引起的非線性損傷對下一代高速大容量和靈活光纖傳輸系統(tǒng)意義重大。光纖傳輸系統(tǒng)可劃分為單載波和多載波系統(tǒng)。單載波光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的兩種調(diào)制為正交相移鍵控調(diào)制(QPSK)和16進(jìn)制正交幅度調(diào)制(16QAM)。正交相移鍵控調(diào)制技術(shù)被應(yīng)用于目前商用100 Gb/s系統(tǒng),16進(jìn)制正交幅度調(diào)制技術(shù)因其高頻譜效率而被應(yīng)用于下一代200/400 Gb/s傳輸系統(tǒng),但比正交相移鍵控受到更嚴(yán)重的非線性損傷。多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)(OFDM)可靈活地配置每個(gè)子載波并適應(yīng)不同應(yīng)用場景,被認(rèn)為是下一代靈活光傳輸?shù)膫溥x方案。但正交頻分復(fù)用調(diào)制信號因高峰平比(PAPR)而受到嚴(yán)重的非線性損傷,同時(shí)其傳輸性能也受限于光電器件帶寬限制所引入的高頻衰落。本文圍繞高速大容量和靈活光纖傳輸系統(tǒng)中的非線性損傷補(bǔ)償抑制技術(shù)這一主題,從以下三方面展開具體研究:一、對于單載波正交相移鍵控系統(tǒng),傳統(tǒng)共軛雙波算法可很好地補(bǔ)償非線性損傷,但犧牲了一半頻譜效率,本文將研究如何提升共軛雙波算法的頻譜效率。二、對于單載波16進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng),本文將研究如何提升系統(tǒng)非線性容忍度來緩解非線性損傷;三、對于多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制系統(tǒng),本文將研究如何降低信號峰平比來減少非線性損傷。論文的具體工作如下:1.針對傳統(tǒng)共軛雙波算法頻譜效率減半的問題:1)提出一種改進(jìn)型共軛雙波算法。證明當(dāng)共軛信號E_x~*上調(diào)制一個(gè)單位信號E_a,E_x仍然能像傳統(tǒng)共軛雙波算法那樣補(bǔ)償非線性損傷,并證明攜帶額外信息的E_a是限制系統(tǒng)性能的主要因素,進(jìn)而通過糾錯(cuò)碼降低E_a的誤碼率來消除該性能瓶頸。該算法在保持傳統(tǒng)共軛雙波算法相類似性能的同時(shí),大幅提升頻譜效率。通過25 Gbuad偏振復(fù)用正交相移鍵控系統(tǒng)傳輸15200 km的數(shù)值仿真結(jié)果表明,該算法具有與傳統(tǒng)共軛雙波算法相類似的非線性補(bǔ)償性能,并能將歸一化頻譜效率從50%提升到80%。進(jìn)一步,將該算法推廣至高階調(diào)制系統(tǒng),拓寬該算法在光纖傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。2)通過改進(jìn)傳統(tǒng)偏振選擇正交相移鍵控調(diào)制格式的編碼/解碼模塊,提出一種改進(jìn)型偏振選擇正交相移鍵控調(diào)制格式。改進(jìn)型共軛雙波算法應(yīng)用于偏振復(fù)用正交相移鍵控系統(tǒng)時(shí),具有和改進(jìn)型偏振選擇正交相移鍵控相類似的結(jié)構(gòu),但傳輸性能更優(yōu),再次驗(yàn)證改進(jìn)型共軛雙波算法對非線性損傷的補(bǔ)償作用。2.針對單載波16進(jìn)制幅度調(diào)制系統(tǒng)中的非線性損傷緩解技術(shù)進(jìn)行研究:1)首先提出一種多維調(diào)制格式的星座點(diǎn)選擇策略,通過優(yōu)化星座點(diǎn)的分布概率來提升非線性損傷容忍度。為提升16進(jìn)制幅度調(diào)制系統(tǒng)的傳輸性能,基于該選擇策略,結(jié)合四維偏振選擇128進(jìn)制幅度調(diào)制格式,提出頻譜效率為3 bit/s/Hz的四維64進(jìn)制幅度調(diào)制格式和頻譜效率為3.25 bit/s/Hz的八維8192進(jìn)制幅度調(diào)制格式。仿真結(jié)果表明,與偏振復(fù)用8進(jìn)制幅度調(diào)制格式相比,四維64進(jìn)制幅度調(diào)制格式在具有相同的頻譜效率的情況下,能大幅提升系統(tǒng)非線性容忍度。八維8192進(jìn)制幅度調(diào)制格式很好地平衡了頻譜效率和非線性容忍度,在點(diǎn)對點(diǎn)傳輸系統(tǒng)中,該調(diào)制格式具有與偏振復(fù)用8進(jìn)制幅度調(diào)制格式相類似的傳輸性能;在含可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)的傳輸系統(tǒng)(ROADM-enabled)中,與四維64進(jìn)制幅度調(diào)制格式、偏振復(fù)用8進(jìn)制幅度調(diào)制格式和四維偏振選擇128進(jìn)制幅度調(diào)制格式相比,該調(diào)制格式能通過更多的光節(jié)點(diǎn)并具有更優(yōu)的傳輸性能。2)驗(yàn)證對稱色散鏈路對ROADM-enabled傳輸系統(tǒng)的非線性損傷緩解作用,提出采用對稱色散鏈路提升系統(tǒng)傳輸性能。3.針對多載波正交頻分復(fù)用信號中高峰平比引入的非線性損傷問題和器件帶寬限制引入的高頻衰落問題:1)提出基于離散菲涅爾變換擴(kuò)頻的正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù),將數(shù)據(jù)信息同時(shí)擴(kuò)展到頻域和時(shí)域進(jìn)行傳輸。仿真結(jié)果表明,該技術(shù)比傳統(tǒng)正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)具有更強(qiáng)抗頻率選擇性衰落性能,比基于離散傅里葉變換擴(kuò)頻的正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)具有更優(yōu)的抗碼間串?dāng)_性能。因此,該技術(shù)可通過減少時(shí)域保護(hù)間隔長度(CP)或者高頻保護(hù)間隔大小提升系統(tǒng)傳輸容量。2)設(shè)計(jì)一種稀疏正交循環(huán)矩陣,并基于此矩陣,提出一種低復(fù)雜度的稀疏正交循環(huán)變換復(fù)用調(diào)制技術(shù)。推導(dǎo)理論誤碼率表達(dá)式,證明該技術(shù)能均衡頻率選擇性衰落;由于編碼矩陣的稀疏特性,該技術(shù)減少了子載波疊加程度,仿真結(jié)果表明稀疏正交循環(huán)變換復(fù)用信號比正交頻分復(fù)用信號和正交啁啾復(fù)用信號具有更低峰平比和更優(yōu)非線性容忍度。與基于離散傅里葉變換擴(kuò)頻的正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)相比,該技術(shù)具有更強(qiáng)的抗碼間串?dāng)_能力。因此,稀疏正交循環(huán)變換復(fù)用信號不但對線性損傷(高頻衰落和碼間串?dāng)_等)容忍度高,而且具有低峰平比和高非線性容忍度,適合下一代光纖傳輸系統(tǒng)。
【圖文】：

圖 1.1 入射功率與頻譜效率關(guān)系Fig 1.1 Spectral efficiency as a function of lauch power非線性克爾效應(yīng)概述纖非線性效應(yīng)種類很多且機(jī)理非常復(fù)雜，目前一般認(rèn)為非線性克爾效應(yīng)是限制光系統(tǒng)性能的主要因素[25]。如圖 1.2 所示，非線性克爾效應(yīng)可分為信道內(nèi)非線性效道間非線性效應(yīng)。其中信道內(nèi)非線性效應(yīng)包括：自相位調(diào)制(Self-PhaseModulation，信道內(nèi)交叉相位調(diào)制(intra-channelCross-PhaseModulation，intra-channelXPM)和四波混頻(intra-channel Four Wave Mixing，intra-channel FWM)。信道間非線性效：信道間交叉相位調(diào)制(inter-channel XPM)，交叉偏振相位(Cross-Polarizationlation，XPolM)和信道間四波混頻(inter-channelFWM)。信道間的 XPM 和 FWM 一稱為 XPM 和 FWM，而信道內(nèi)的 FWM 和 XPM 分別稱為 IFWM 和 IXPM。SPM道內(nèi) XPM 和信道間非線性效應(yīng)：信道入射功率(dBm)

圖 1.1 入射功率與頻譜效率關(guān)系Fig 1.1 Spectral efficiency as a function of lauch power爾效應(yīng)概述種類很多且機(jī)理非常復(fù)雜，目前一般認(rèn)為非線性克主要因素[25]。如圖 1.2 所示，非線性克爾效應(yīng)可分為效應(yīng)。其中信道內(nèi)非線性效應(yīng)包括：自相位調(diào)制(Self-相位調(diào)制(intra-channelCross-PhaseModulation，intratra-channel Four Wave Mixing，intra-channel FWM)。叉相位調(diào)制(inter-channel XPM)，交叉偏振相位(C)和信道間四波混頻(inter-channelFWM)。信道間的 FWM，，而信道內(nèi)的 FWM 和 XPM 分別稱為 IFWMSPM信道間非線性效應(yīng)：間 XPM 和信道間 F
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.11

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本文編號：2597126