色散对光纤通信系统的影响与补偿.docx

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色散对光纤通信系统的影响与补偿

编号：

审定成绩：

×××××××××××

××××届毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

色散对光纤通信系统的影响与补偿

——基于Optisystem运用

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指导教师：

日期：

××××年××月

中文摘要

色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤的传输容量。

对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散，在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。

随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽，劣化的程度随数据速率的平方增大，因而对色散补偿的研究是一项极有意义的课题。

色散是影响光纤通信质量的一个主要因素，啁啾光纤光栅色散补偿技术是一种实用的色散补偿方式，因而成为目前光纤通信领域的一个研究热点。

本论文以光纤传输通信系统为研究对象，对系统的模型，仿真方法和系统的性能进行了深入的研究和探索，通过对仿真结果的研究验证系统的性能，得到最佳系统参数，采取了较佳的方案。

论文主要工作如下：

1）介绍、分析布拉格光纤光栅的基本原理及其相关基础知识；

2）分析研究色散对光纤的短程及远程传输信号的影响；

3）利用OptiSystem仿真软件对色散对光纤传输的影响进行适当的仿真分析。

4）利用OptiSystem仿真软件实现布拉格光纤光栅对光纤脉冲信号传输中色散的补偿作用。

关键词：

光纤光栅，色散补偿，时延，带宽，补偿距离，光通信系统，OptiSystem，仿真

ABSTRACTINCHINESE

Dispersionisanimportantopticalpropertiesofthefiber,whichcausesopticalpulsebroadening,andseverelylimitsthetransmissioncapacityofopticalfiber.Playamajorroleforactualuseonalonghaulsingle-modefiber,chromaticdispersion,polarizationmodedispersioninhigh-speedtransmission,can’tbeignored.Pulsesinopticalfibers,thepulsewidthbroadeningtheextentofdegradationincreaseswiththesquareofthedatarate,andthusthestudyofthedispersioncompensationisaverysignificantissue.

Sodispersionisanimportantfactorthatimpacttheopticalcommunication.Chirpedfibergratingisconsideredtobeoneofthemostusefultechnologyforhigh-bit-rateopticalcommunication.Therefore,ithasbeenahottopicinrecentyears.Thecommunicationopticalfibertransmissionsystem,thesystemmodel,simulationmethodandsystemperformanceconductedin-depthstudyandexplorationoftheperformanceoftheverificationsystemthroughthesimulationresults,theoptimalsystemparameters,adoptedamoreexcellentprogram.

Theresearchworksinthedissertationaresummarizedasfollows:

1）IntroductionandanalysisofthebasicprinciplesandbasicknowledgeoffiberBragggratings;

2）Analyzetheimpactofdispersionontheshort-andlong-rangetransmissionsignalofthefiber;

3）TheuseofappropriatesimulationanalysisthesimulationOptiSystemsoftwaredispersiveopticalfibertransmission.

4）FiberBragggratingsfordispersioncompensationinopticalpulsesignaltransmissionofOptiSystemsimulationsoftware.

Keywords：

Opticalfibergrating,thedispersioncompensationandtimedelay,bandwidth,compensationdistance,opticalcommunicationsystem,OptiSystem,simulation

第一章绪论

1.1光纤通信的发展历程

1966年，英国标准电信研究所英籍华裔科学家高锟（CharlesK,C）博士和G.A.Hockham详细研究了玻璃纤维的传输损耗后，首先提出了光纤通信的思想。

当时，他们撰写的论文DielectricFiberSurfaceWaveguideforOpticalFrequencies发表在伦敦电气工程师协会会刊上，文中明确提出用石英玻璃纤维（简称光纤）传送光信号来进行通信。

该论文从理论上指出：

光纤可实现超高速通信；光线中光能的损失可抵达20dB/km。

此外，他还给出了光纤的原始构造，及其几何尺寸精度要求达到微米数量级。

高锟的思想得到了当时英国邮电总局电信研究所和美国贝尔实验室部分科学家的认同。

随后，他们与美国康宁公司（ComingGlassWorks）合作，在1970年，研制成功了世界上第一根损耗低于20dB/km的光纤，为光通信找到了一个优良的传输介质，光信通信在实用化的道路上向前迈进了一大步，从此便进入了光纤通信迅猛发展的时代。

光器件是实现光通信系统的基石，为了适应光通信系统的快速发展，人们在光器件和相关材料方面的开发研究上花费了大量的精力，并取得了丰硕的成果，光纤光栅是今年来发展最快的光纤器件之一。

1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并将紫外光从光纤的端面注入光纤的芯层中，用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。

1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人用244nm的紫外光双光束全息干涉形成干涉条纹，实现了光纤布拉格光撒（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术取得了重大进展，光纤光栅进入实用阶段。

20世纪90年代以来若干关键技术获得的了重要的突破，主要有：

利用两束紫外光束的干涉，通过光纤侧面在纤芯中写入光栅，增加了选择工作波长的自由度；利用相位掩膜技术进行光栅写入，降低了对紫外光源相干性和稳定性的要求；利用高压载氢敏化技术对光纤进行预处理，提高了普通商用通信光纤的光敏性，降低了光纤光栅的成本；特殊组分和配比的专用光敏光纤，改善了光纤光栅的传输谱。

随着这些光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的范围越来越广泛，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的各个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤通信领域中继掺铒光纤放大器（EDFA）之后的又一重大技术突破。

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。

所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性（这种现象也成为光致折射率变化效应）。

比如上文中提到的用激光干涉条纹从侧面辐照掺锗光纤，就可使其成为光纤光栅，这种光栅在大约500°C以下稳定不变，而用500°C以上高温可擦除。

在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

利用这一特性可制作出许多性能独特的光纤无源器件。

这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，能与光纤很好的耦合，可与与它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

光纤光栅的种类很多，主要分两大类：

一是布拉格光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。

对光纤光栅的研究主要集中在光栅的写入技术（尤其是非周期光栅的写入技术）、光栅的传输和传感特性以及光栅的应用等几个方面。

本论文研究的是光纤光栅在高速光纤通信系统中的色散补偿的应用。

1.2光纤通信研究的目的和意义

纵观光纤通信的发展历史，我们可以清晰地看到，光纤通信中传输容量的扩大、传输速度的提高、传输距离的延长都与光纤的损耗、非线性效应、色散效应紧密相连。

这些都是阻碍光纤通信向前发展的主要因素。

损耗限制了站间距离的增加，非线性效应则会严重地影响系统的传输质量，同时也限制中继距离，而色散则造成脉冲展宽，引起码间干扰。

随着掺铒光纤放大器、波分复用技术在光纤通信系统中的商用化后，损耗问题基本得到了解决，色散便上升为首要限制因素。

而光纤的色散还能够有效地抑制四波混频等非线性效应，因此对光通信系统进行升级扩容的关键将集中体现在色散问题上。

在高速率、超长距离的大容量光纤通信系统中，也只有进行有效色散补偿才能满足通信系统进一步传输的要求，因此，研究色散广利对于解决超长距离传输具有重大意义。

色散补偿技术是未来高速、大容量、长距离光纤通信系统中必不可少的重要技术。

如今已经埋设的单模光纤大多是一阶色散零点位于1.31μm波长处的常规单模光纤，在此波长上传输可以不考虑一阶色散的影响。

然而由于1.55μm是石英光纤3个低损耗窗口中损耗最低的一个，而且掺铒光纤放大器也是工作在此波长上，这使得人们倾向于利用1.55μm处的波长，在此波长处常规光纤的色散系数约为17ps/（nm·km），因此色散问题就很突出。

从长远来看，随着人们对信息量需求的增加，要求通信系统能够在较宽波段范围内工作，波段资源的开发必然对色散补偿提出更高的要求。

40Gbit/s系统的色散容限只有10Gbit/s系统的十六分之一，也就是说，这种容限与信号速率的平方成反比。

光纤色散对通信系统的新能影响主要表现在对传输中继距离和传输速率的限制。

当色散引起光信号脉冲的展宽大于0.3倍的输入脉宽时，光接收灵敏度急剧下降、均衡困难、误码率增加。

因此要想保证通信质量必须加大码艰巨，这就不得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。

另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。

特别是对于长距离、高速光通信系统来说影响尤为严重。

因此，色散效应成为了重要的研究课题之一。

如何解决色散问题已引起全世界的关注，各国研究人员先后提出色散补偿方法有：

色散补偿光纤补偿技术（DCF，DispersionComqensationfiber）、光纤光栅补偿技术（CFG，ChirpedFiberGrating）、虚像相位整列法（VIPA，Virtual