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《北京交通大学》 2017年
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光偏振编码通信系统关键技术的研究

高凯强  
【摘要】:光偏振编码通信是拓展光纤信道带宽的一种技术,也可应用于全光信号处理,其码元具有信息可扩展性强、信道利用率高、保密性好等特点。在努力挖掘带宽资源、追求光纤更大利用效率的当代,光偏振编码通信技术研究已成为维度复用和码元编码的主要研究方向。本学位论文在国家自然基金项目的资助下,针对光偏振编码通信系统发射、传输和接收各部分中的一些关键问题开展深入的研究工作,以正交偏振调制为基础提出一种双极性光学编码新方案,和双极性序列的乘法器,采用穆勒四元数对光纤器件进行描述,讨论了在PMF极端情况及SMF情况下,环境应力对通信系统输出偏振态的影响,提出一种差分的任意偏振态接收器结构,提高了偏振态的接收性能,从实验上验证了所提出的新型PolSKOCDM系统。本学位论文的主要工作有:1、分析偏振调制编码机制并对理论结论进行实验验证。采用Stokes矢量描述分析偏振态调制的关键参数,以幅度调制和相位调制来实现任意线偏振态和任意椭圆偏振态的调制。详细分析偏振主态的实验调整方法,完成电控SOA、光控SOA和电控LiNb03相位调制器的偏振调制实验,实现三种方式偏振态调制。2、分析外界环境和光纤介质对传输光信号偏振态的影响。引入四元数描述双折射光纤,分析固有内应力双折射和附加外应力双折射对光纤拍长和双折射轴的影响,对应力大小变化和应力方向变化对光纤输出偏振态的影响进行计算。利用固有双折射很大的PMF对局部应力大小和方向对偏振态输出的影响进行实验验证,并由PMF理论和实验结果推论到SMF的适用应力范围。分析结论对于稳定偏振态输出的伺服矫正系统设计很有应用价值。3、完成以垂直正交偏振态为双极性码的偏振态编解码实验。正交偏振态的接收系统用单路偏振分束器解调出正交的两路光信号。任意偏振态接收系统,用一路分四路的方法,通过偏振控制器的调节,得到四个对应Stokes矢量的光强值,即可解算出任意偏振态。以任意偏振态接收系统为基础,提出了差分的偏振态接收系统。4、将正交的线偏振态和偏振传输矩阵抽象为乘法运算中的输入变量,由输入输出偏振态导出双极性码对应的米勒矩阵,并通过电流控制的SOA偏振旋转效应,实现了以垂直正交偏振态描述的双极性码乘法。5、实现了基于偏振编码的码分多址实验系统。在光信号处理上实现双极性乘法器的基础上,将正交的偏振态编码为双极性用户码,实现了光码分多址系统的编码器。以同样的双极性乘法器结构实现了光学相关器,以低通滤波器代替积分器,最终恢复出原始数据的波形,实现了码分多址系统的解码器。最终,实现了基于偏振编码的码分多址实验系统。所取得的创新成果主要有:1、提出一种对于双极性全光信号处理的新方式。以垂直正交偏振态对应为双极性码中的"+1"和"-1",提出了基于正交偏振态的光信号处理领域双极性编码方式。将正交的线偏振态和偏振传输矩阵抽象为乘法运算中的输入变量,由输入输出偏振态导出双极性码对应的米勒矩阵M(+1)、M(-1)。并通过电流控制的SOA偏振旋转效应,实现了以垂直正交偏振态描述的双极性码乘法。2、将正交偏振键控调制机制引入非相干时域OCDM编解码系统,提出一种新型OCDM编解码系统,拓展了 OCDM编解码机制。3、以正交偏振调制的双极性乘法器为基础,实现了两个双极性序列的乘法运算,实现了偏振键控光码分复用的编解码器。在解码器部分,不仅解决了本地地址码和到达信号同步的问题,同时用低通滤波器替代积分器,实现了原始用户数据调制波形的恢复。4、引入四元数,同时考虑光纤沿线的内应力双折射和外应力双折射,简化了环境影响分析。得出光纤受力大小及方向对于传输信号偏振态的影响,对于稳定偏振态输出的伺服矫正系统设计有很大帮助。5、提出一种基于差分的偏振态接收器结构,可极大降低非对称分布偏振态调制和解调受环境的影响作用。
【关键词】:偏振键控调制 偏振编码解调 双极性乘法器 光码分复用
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN929.1
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-14
  • 1 绪论14-32
  • 1.1 光纤复用技术和先进编码技术14-16
  • 1.2 偏振编码通信的研究意义和进展16-18
  • 1.3 多偏振态编码通信的研究进展18-21
  • 1.3.1 多偏振态编码通信的保密特性18-19
  • 1.3.2 多偏振态编码通信的研究方案19-21
  • 1.3.3 多偏振态编码通信面临的主要问题21
  • 1.4 OCDM系统与偏振码分多址技术的研究21-29
  • 1.4.1 非相干OCDM系统21-24
  • 1.4.2 相干OCDM系统24-25
  • 1.4.3 多维混合编码OCDM系统25-26
  • 1.4.4 OCDM系统的发展26
  • 1.4.5 OCDM系统的技术特点26-28
  • 1.4.6 OCDM系统的主要问题28-29
  • 1.5 本文的主要内容与结构29-32
  • 2 多偏振态通信系统的光发射机:偏振调制和偏振编码技术32-58
  • 2.1 光的偏振态和STOKES矢量32-36
  • 2.1.1 光偏振态描述33-34
  • 2.1.2 偏振相关器件及其数学模型34-36
  • 2.2 偏振调制原理36-46
  • 2.2.1 偏振位移键控PoISK的基本原理36-37
  • 2.2.2 调制Stokes矢量的关键参数37-38
  • 2.2.3 通过调振幅差实现任意线偏振态的调制38-40
  • 2.2.4 通过调相位差实现任意线偏振态的调制40-42
  • 2.2.5 任意椭圆偏振态的调制42-44
  • 2.2.6 偏振主态及LP45的调校方法44-46
  • 2.3 基于SOA非线性偏振旋转的偏振调制实验46-53
  • 2.3.1 SOA中非线性偏振旋转NPR效应47-48
  • 2.3.2 泵浦光导致的SOA偏振旋转48-51
  • 2.3.3 驱动电流导致的SOA偏振旋转51-52
  • 2.3.4 SOA偏振调制实验的小结52-53
  • 2.4 基于铌酸锂LINBO3晶体的偏振调制实验53-55
  • 2.4.1 铌酸锂晶体的偏振调制实验系统53-54
  • 2.4.2 铌酸锂晶体的偏振调制实验结果54-55
  • 2.4.3 铌酸锂晶体的偏振调制实验小结55
  • 2.5 小结55-58
  • 3 环境干扰对传输介质和偏振态的影响58-74
  • 3.1 光纤分析的四元数方法58-67
  • 3.1.1 一段双折射光纤的四元数描述59
  • 3.1.2 外应力对于介电常数的影响59-62
  • 3.1.3 多重效应的余弦定理62-63
  • 3.1.4 拍长和双折射轴的计算63-65
  • 3.1.5 应力变化时的动态方程65-66
  • 3.1.6 由偏振主轴的变化轨迹求解应力的方向66-67
  • 3.2 利用PMF研究两种效应同时存在的偏振效应67-72
  • 3.2.1 PMF偏振态稳定传输问题67-69
  • 3.2.2 PMF局部应力实验69-72
  • 3.2.3 普通光纤中外应力影响的评估72
  • 3.3 克服环境对输出偏振态影响的方法72
  • 3.4 小结72-74
  • 4 偏振调制信号的解调与接收74-84
  • 4.1 双偏振态编码调制信号的接收74-75
  • 4.2 高速多偏振态接收系统75-78
  • 4.3 偏振态差分解调系统78-82
  • 4.3.1 偏振态差分解调系统的结构78-79
  • 4.3.2 偏振态差分解调系统的建模仿真79-81
  • 4.3.3 偏振态差分解调系统的仿真实验81-82
  • 4.4 小结82-84
  • 5 基于偏振编码的码分多址技术84-98
  • 5.1 码分多址系统的解码要求84
  • 5.2 基于SOA偏振旋转效应的光电混合双极性乘法器84-90
  • 5.2.1 SOA中的非线性偏振旋转和双极性乘法85-86
  • 5.2.2 实验装置设置86-88
  • 5.2.3 实验结果与分析88-90
  • 5.3 利用偏振调制解调的光码分多址接入OCDMA90-96
  • 5.3.1 PoISK OCDMA的意义90-91
  • 5.3.2 PoISK OCDMA的原理91-92
  • 5.3.3 PoISK OCDMA系统实验92-94
  • 5.3.4 PoISK OCDMA实验结果分析94-96
  • 5.4 小结96-98
  • 6 总结与展望98-100
  • 参考文献100-108
  • 附录A108-110
  • 英文缩写词索引110-112
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果112-116
  • 学位论文数据集116

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