1、光通信系统的建光通信系统的建模模2-PowerPointPresent此处添加副标题内容光纤通信系统的建模 杨川川2009.9.22主要内容o IM/DD光纤通信系统的低通等效模型o PMD效应的仿真建模o PMD效应的光域均衡IM/DD光纤通信系统的结构导致ISI的线性效应 o 色度色散 o 偏振模色散 o 自发辐射噪声 色度色散静态效应100(,)(,)(,)exp()txF x y A z tjtzE r慢变振幅(,)A z t满足非线性薛定谔方程(NLSE)2212222AAjAAjA Aztt 0022202AjAzt变换参考坐标系 1gztttzv zz 色度色散静态效应2o 频域
2、解：22()exp(/2)CDHjl 2(/)()exp4bCDjrRH色度色散导致脉冲展宽示意图。22(,)exp(/2)(0,)A zjzA 偏振模色散随机效应1光纤中的双折射效应：在光纤中存在两个正交的主偏振模式 光纤制造过程中引入的缺陷；外界的压力、温度、湿度等因素的变化两个偏振正交的模式将具有不同的传输常数在光纤的输出端，当两个正交模式的能量合在一起时，脉冲就将发生畸变展宽。()()1()ininxinytEtEtE只考虑一阶偏振模色散效应时 00()(/2)1(/2)outinoxinoytEtEt偏振模色散随机效应2 o 传输函数()exp(/2)1exp(/2)PMDoxoyH
3、jj服从麦克斯韦(Maxwellian)分布pDl自发辐射噪声主要的噪声来源o 来源：放大器介质中电子空穴对的自发复合o 自发辐射噪声可以使用分布在放大器介质中无数短脉冲构成的随机脉冲串来模拟 o 自发辐射噪声的功率谱密度为o 当光放大器的增益足够大时，接收机中的热噪声可以忽略()()1/ASEspASEoptSfhvnG fPvIM/DD光纤通信系统低通等效系统模型发射机 iII0,1iI()()iix tI g tiT考虑：色度色散，偏振模色散，ASE噪声2(/2)()coscos2tTg tTIM/DD光纤通信系统低通等效系统模型信道 考虑：色度色散，偏振模色散，ASE噪声2()exp(
4、/2)exp(/)/4)xbF c tjjrR2()1exp(/2)exp(/)/4)ybF c tjjrR自发辐射噪声建模为：两个正交传输信道上的加性高斯白噪声 0(1)/spNn hv GG()()()()xxoh tg tc tf t()()()()yyoh tg tc tft()()xixis tI h tiT()()yiyis tI h tiT低通等效系统模型接收机考虑：色度色散，偏振模色散，ASE噪声光电检测器的低通等效：平方律检波器 22()()()()()()exxyyz tf ts tn tstn t|()kkzzz kTz判决or输入电信号处理器 主要内容o IM/DD光纤
5、通信系统的低通等效模型o PMD效应的仿真建模o PMD效应的光域均衡偏振模色散向量1o 主偏振态 在光纤信道的信号输入端，总可以找到两个正交的偏振态，在仅考虑一阶偏振模色散效应的条件下，沿该偏振态传输的光脉冲，输出的信号波形不会发生畸变。p慢群速主偏振态 p快群速主偏振态 基于右旋斯托克斯空间 Jones向量和Stokes向量xyss1Hxxyyssss Jones空间Stokes空间123sss*1xxyyss ss s*2xyxyss ss s*3xyxysj s ss s偏振模色散向量2tRsspRp p 光纤信道的输入与输出偏振态在斯托克斯(Stokes)空间中：R：米勒(Mller
6、)旋转矩阵 偏振模色散向量 差分群时延 20000()()()()展开成 泰勒级数：一阶PMD 二阶PMD 高阶偏振模色散效应o 高阶偏振模色散效应中占主导地位的是二阶偏振模色散效应：dppd 差分群时延随频率的变化，导致偏振相关的色度色散(PCD)，表现为偏振相关的脉冲展宽或压缩。描述的是主偏振态随频率的变化 偏振模色散向量的统计特性0X()XpxE()()Xxp x dx22E()()Xx p x dx222/282;00;0 xxexx 23822228 444tanhsech;00;0 xxxxx22G243822224sechx24138202201/288sec()(tanh)xx
7、d Jh 24838 p3/225/20211224sinhcosh54;1;tanh2xdxF243 8偏振模色散效应模型1o 一阶偏振模色散模型的琼斯矩阵：expcossin222UjrIjr rp123231rrjrrrjrr100110110200jj3偏振模色散效应模型2o 简化的二阶偏振模色散模型：o Bruyre二阶偏振模色散模型 expcossin222UjrIjr2/2 /2rppcossinexp(/2)0cossinsincos0exp(/2)sincoskkkkUkkkk2/2 /4kp偏振模色散效应模型3o EMTY二阶偏振模色散模型o Planar Sweep二阶偏
8、振模色散模型 212121expexp22UU Ujrjr1 1rp22/22/rexp020exp2pjUpj1111111111cossinsin222sincossin222pjjpjj 全阶偏振模色散模型1全阶偏振模色散模型原理图 偏振模色散在理论上可以等效为许多双折射光纤段和偏振控制器(PC)的级联。所用的双折射光纤段数和偏振控制器个数越多则越能接近于信道中的随机偏振模色散效应。基于这个原理，可以采用数值方法建立起全阶偏振模色散模型，每一级联段中包含一段双折射光纤和一个偏振控制器，偏振控制器使经过双折射单元的偏振态发生随机的旋转。全阶偏振模色散模型2全阶偏振模色散模型原理图 全阶偏振
9、模色散模型的偏振模色散向量：1(,1)MnnR M n二阶偏振模色散参数：1(,1)()MnnnR M nn1,nM1(,)MMnR M nR RR(,)MR M MR(,1)R M M单位阵nn()nn是第段级联段的偏振模色散向量，是第一段开始到第段级联起来的偏振模色散向量 全阶偏振模色散模型3全阶偏振模色散模型原理图 实现全阶模型的琼斯矩阵：1(3/8/2)(3/8/2)1()()()cossin0sincos0nnnnMnnnjbhMnnjbhnnnUBRee M()nBnh()nRb:级联的段数；:第 n 段双折射光纤的琼斯矩阵，该段光纤的长度是 :旋转矩阵，表示段与段之间双折射轴的随
10、机耦合:光纤的偏振模色散因子n均匀分布的随机变量。0,2 均匀分布的随机变量。0,2 nnh常数/随机可变/l Mh均值为标准差为0-0.3的高斯分布/l M全阶偏振模色散模型4(c)(a)(b)(a),(b)以及 (c)的概率密度函数。实线是表中现有的理论结果，圆圈是数值仿真的结果。2 det()U2121()()dd ()()/UUU1.2jU U 主要内容o IM/DD光纤通信系统的低通等效模型o PMD效应的仿真建模o PMD效应的光域均衡PMD效应光域均衡技术的优势o 光均衡技术的优势n 不会影响整个光纤通信系统的结构。n 避免了光检测器导致的额外信息损失，有较好的性能。n 不受系统
11、传输速率的限制。o 电均衡技术的优势n 可靠性、可控制性较高。n 相关器件的可集成度较高。n 较低的实现成本。一阶偏振模色散效应均衡基于主偏振态传输ssp该均衡器只能补偿一阶偏振模色散效应在发射机和接收机都需要相应的硬件支持响应速度受到反馈信号延迟时间的限制一阶偏振模色散效应均衡基于抵消偏振模色散向量outcomp 一阶偏振模色散效应均衡基于固定差分群时延(a)调整偏振控制器使得光纤信道和均衡器级联起来的系统的输入主偏振态和信号输入光纤的偏振态方向一致1()incompsaR(b)调整偏振控制器使光纤信道和均衡器级联起来的总的偏振模色散导致的系统性能损害最小|sin|compin|sin|co
12、mpin1min()sinincompR一阶偏振模色散效应均衡小结o基于主偏振态传输的均衡器，由于作用于发射端，响应速度受反馈信号传输时间的影响很大，该均衡器的响应时间大于后面两种作用于接收端的均衡器。o基于抵消偏振模色散向量和基于固定差分群时延的均衡器不是完全针对一阶偏振模色散的，可以在一定程度上补偿高阶偏振模色散。控制算法可使用优化算法，找到使系统性能最好的偏振控制器和双折射单元参数，在不一定完全均衡一阶偏振模色散效应的前提下，兼顾均衡高阶偏振模色散。高阶偏振模色散效应均衡1N 级均衡单元组成，每级均衡单元包括可调的偏振控制器和一个双折射单元，双折射单元的差分群时延可为固定值或可变值。偏振控制器参数和各双折射单元的差分群时延值由控制器给出的控制信号设定。控制器依据由接收端发出的反馈信号得到整个系统的偏振模色散状态，经过最优化算法计算，调整可变偏振控制器和双折射单元的参数，使整个系统由偏振模色散引起的性能损失降到最低。高阶偏振模色散效应均衡211()()NnnNnHHH HcossinsincosnnnnnjHj/2/20()0nnnjjeHeThe EndThanks!谢 谢 观 赏共同学习相互提高
