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1、毕业设计论文基于光子晶体光纤的WDM系统的设计 毕 业 设 计（论 文）题 目 基于光子晶体光纤的WDM系统的设计姓 名 余文志 学 号 0811122121 所在学院 理学院 专业班级 2008级光信1班 指导教师 成纯富 日 期 2012年 05月 22日 摘 要随着人类社会进入信息时代，人们对信息量的需求不断提高，导致全球信息传输量呈级数增长，对通信网络的带宽、容量和传输速率提出了更高的要求，在这种背景下WDM技术应运而生。在WDM系统中，理想的光纤应该具有很小的衰减、适当的色散、很低的偏振模色散，较大的有效面积、理想的弯曲损耗特性等。但传统的光纤很难满足这些要求，这就限制了光网络容量和

2、传输速率的进一步提高。为了解决这一问题人们开始研究新型光纤，本文所研究的光子晶体光纤就是众多新型光纤中的一种。理论研究结果表明这种光纤具有很多优良的传输特性，如不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、可控的波导色散特性、极低的损耗和极低的非线性效应等。光子晶体光纤以其独特的传输特性，很好的解决了光纤传输中遇到的损耗、色散和非线性等问题，因而近几年来对光子晶体光纤的研究备受关注。本文利用Optisystem软件对基于光子晶体光纤的WDM系统的其传输性能做了仿真研究，主要研究了以下内容：1、研究了光子晶体光纤WDM系统光源发射功率对其性能的影响，侧重研究了NRZ码型和RZ码型的光子晶体光

3、纤WDM系统的功率特性。研究发现：对于两种调制码型在较低功率时噪声对系统的影响占主导因素，在高功率情况时非线性效应对系统的影响占主导，并确定了两种码型的最佳发射功率。2、研究了码型对光子晶体光纤WDM系统传输性能的影响。研究发现在低功率时NRZ码型比RZ码型的抗噪性能好；在高功率时RZ码型比NRZ码型的抗非线性能力强。RZ码型更适合在高速速率的长距离通信系统中使用。3、研究了传输距离对RZ码型光子晶体光纤WDM系统的影响。发现传输距离的增加，接收的信号质量严重恶化，分析发现造成传输性能的降低是由于级联结构中EDFA和积累的非线性效应引起的。同时确定其最大传输距离为850km，最佳的传输距离为7

4、00km。4、研究了色散对光子晶体光纤WDM系统的影响。发现色散和色散斜率对高速长距离的光子晶体光纤WDM系统影响十分严重，因此在设计中必须处理好色散和色散斜率的补偿问题。关键字：光子晶体光纤、WDM、Optisystem、仿真。Abstract As human society enter the information age, the demands of information continue to increase, leading to exponential growth of global information transmission amount and a highe

5、r demand on the communication network bandwidth, capacity and transfer rate, in this context，the technology of WDM comes into being. In the WDM system, the ideal fiber should have characteristics of small attenuation, appropriate dispersion, low polarization mode dispersion，large effective area and

6、ideal bending loss. However, the conventional optical fiber is difficult to meet these requirements, which limits further improve the capacity and transfer rate of optical network. To solve this problem, people begin to study new kinds of fiber. Photonic crystal fiber studied in this article is one

7、of them. The theoretical results show that this fiber has many excellent transmission characteristics, such as uncut-off of the single-mode, the controlled mode area, flexible dispersion properties, controllable waveguide dispersion, low loss and very low non-linear effect. As Photonic crystal fiber

8、 has such unique characteristics of transmission, which provided a good solution to the problems of transmission loss, dispersion and nonlinearity in the fiber, thus, in recent years, the study of photonic crystal fiber becomes hot point.In this article, we use Optisystem simulation software to stud

9、y the transmission performance of WDM systems based on photonic crystal fiber. These studies mainly include: 1、First，we study the effect of the laser transmitting power on the transmission performance of the PCF WDM system, focusing on the power characteristics of NRZ pattern and RZ pattern. The stu

10、dy found: for the two modulation pattern, in the case of low-power, the impact of noise on the system is the dominant factor; in the case of high-power, the impact of nonlinear effects on the system is the dominant factor, and find the best transmitting launch power of the two patterns. 2、Secondly，w

11、e study the influence of the modulation pattern on the transmission performance of the PCF WDM system. The study found: in the case of low-power, the anti-noise performance of the NRZ pattern is better than the RZ pattern; in the case of high-power, the anti-nonlinear capability of RZ pattern is str

12、onger than the NRZ pattern. RZ pattern is more suitable for use in high-rate and long-distance communication systems. 3、Then, we investigate the influence of the transmission distance on the RZ pattern PCF WDM system. Found that as the increase of the transmission distance, the received signal quali

13、ty become badly. We found the EDFA and the accumulation of nonlinear effects are the dominant factors that cause the reduction of the transmission performance. At the same time, we find the maximum transmission distance is 850km, the best transmission distance is 700km. 4、Finally，we explore the impa

14、ct of the dispersion on the PCF WDM system. Found that the impact of the dispersion and the dispersion slope on the long-distance and high-speed PCF WDM systems is very serious, so dispersion compensation issues and dispersion slope compensation issues must be addressed well in the design.Key words：

15、Photonic crystal fiber, WDM, Optisystem, simulation.第一章 绪论 随着人类社会进入信息时代，人们对信息量的需求不断提高，各种多媒体业务和基于IP的实时/准实时业务等新兴数据业务不断涌现，导致全球信息量呈级数增长，对通信网络的带宽、容量和传输速率提出了更高的要求，在这种背景下WDM（Wavelength Division Multiplexing）技术应运而生。WDM技术充分利用了单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，将不同波长的信号经波分复用器耦合到一根光纤实现多路光信号的复用传输。在WDM系统中，理想的想的光纤应该具有很小的衰减、适当的色散、

16、很低的偏振模色散，较大的有效面积、理想的弯曲损耗特性等。但传统的光纤很难满足这些要求，这就限制了光网络容量和传输速率的进一步提高。为了解决这一问题人们开始研究新型光纤，本文所研究的光子晶体光纤就是众多新型光纤中的一种。理论和实验结果都表明这种光纤具有很多优良的传输特性，如不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、可控的波导色散特性、极低的损耗和极低的非线性效应等。光子晶体光纤以其独特的传输特性，很好的解决了光纤传输中遇到的损耗、色散和非线性等问题，因而近几年来对光子晶体光纤的研究备受关注。本文以光子晶体光纤为研究对象，将光子晶体光纤应用于WDM系统中，并使用Optisystem软件对其

17、传输性能做了仿真研究。1.1 光纤通信技术发展和现状1980年人类史上第一个商用光纤通信系统问市。这个光纤通信系统以波长800nm的砷化镓激光器作为光源，传输速率仅有45Mb/s，并且每隔10公里需要一个中继器增强讯号。第二代的商用光纤通信系统也在1980年代初期就发展出来，使用波长1300nm的磷砷化镓铟激光器。到了1987年，一个商用光纤通信系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通信系统的速率快了将近四十倍之多，同时传输的功率与讯号衰减的问题也有显著改善，间隔50公里才需要一个中继器增强讯号。80年代末，EDFA（掺铒光纤放大器）诞生，它的出现使得光纤通信可直接进行光中继，使长

18、距离高速传输成为可能，并促使了WDM系统的诞生。很快采用1550nm光源的第三代光通信系统出现了，光纤损耗也降低到0.2dB/km，同时色散位移光纤（dispersion-shifted fiber；DSF）的出现使得在1550nm光波传输时色散几乎为零，因而可将激光光谱限制在单纵模。这些技术上的突破使得第三代光纤通信系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到100km远。不久以后利用了光放大器（Optical Amplifier）和波分复用（Wavelength Division Multiplexing；WDM）技术的第四代高速光纤通信系统诞生，自此光纤通信系统的容量开始以每

19、六个月增加一倍的方式大幅跃进，目前已达到1.6Tb/s，较第一代的传输速率快近10万倍1。1.2 光子晶体光纤研究背景及发展1.2.1 光子晶体光纤研究背景目前光纤通信系统常用光纤的有G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.655光纤（非零色散位移光纤）和大有效面积光纤。G.652光纤在1310nm的色散为零，最低损耗窗口却在1550nm波段，在1550nm的色散系数约为17ps/(nmkm)。G.652光纤首先被应用于1310nm，但自从 EDFA问世以后，光纤通信已经从1310nm转到了1550nm。但是G.652光纤在1550nm的高色散限制了其传输速率，传输

20、速率超过2.5Gbit/s时，在长距离系统中需要采用色散补偿。为了解决色散限制，人们又开发了G.653光纤。G.653光纤在1550nm具有低的损耗和色散，利用G.653光纤在1550nm传输速率能达到10Gbit/s以上。但是当WDM系统大量推广应用时发现，由于EDFA在WDM中的使用，使进入光纤的光功率有很大的提高，而导致交叉相位调制和四波混频等非线性效应出现。由于G.653光纤在1550nm窗口的色散值太小，使得在G.653光纤上工作的WDM系统受四波混频效应的影响太严重。于是人们不得不开发出G.655光纤，其工作波长为1550nm，零色散波长位于1550nm附近。当它的零色散波长小于1

21、550nm时具有正色散值，而零色散波长大于1550nm时具有负色散值，因而可以有效地避免四波混频造成的影响。但它的主要缺点是可能产生调制不稳定现象或不能利用自相位调制来扩大色散受限传输距离。为了降低非线性效应的影响，大有效面积光纤被开发出来了，其有效面积达72，零色散点处于1510nm附近，因而在相同的光纤功率时，降低了光纤中传输的功率密度，可以有效地克服非线性效应的影响。它的主要缺点是色散斜率偏大，在长距离传输时需要采取色散补偿技术。尽管人们为了解决传统光纤的损耗、色散和非线性等问题，做了大量的努力，发明了很多新型光纤，但基于传统理论的光纤不能很好的解决上述问题，这就促使人们开始研究新型光纤

22、传播理论。近年来光子晶体光纤的出现引起了人们的广泛关注，光子晶体光纤导光机理与传统光纤完全不同，使得光子晶体光纤与传统光纤产生了本质区别，使其具备了很多传统光纤难以达到的优越特性，使人们在解决上述问题时看到了新的希望。相对于传统光纤而言，光子晶体光纤开创了完全不同的光波传输理论，并且其性能也有很大的不同。光子晶体光纤和普通单模光纤相比有以下突出的优点：第一、光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；第二、光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；第三、光子晶体光纤可通过改变结构灵活地设计色散和色散斜率；第四、光子晶体光纤具有超低损耗(0.2dB/km)的潜力。1.2

23、.2 光子晶体光纤的发展1996年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学A.M.Zheltikov 等人也进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制。2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺杂离子为Yb3+离子，纤芯直径15.2um，数值孔径0.11，内包层直径150um，数值孔径0.8，利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤，光纤长度为17m，获得了3.9W功率输出，斜效率21%2。2002年，日本Norihiko等人以锁模掺Er3+光纤激光器为泵浦源，结合周期极化LiNbO3，

24、泵浦长60cm的高非线性PCF，得到波长调谐范围为0.780.90um的孤子脉冲，脉宽为55fs，所用PCF芯径为1.7um，零色散波长大约在0.69um处3。 2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3.9W，斜率效率30%，实现单横模运转4。2004年初，Blaze曾发布了一款新型PCF，该光纤是针对Nd3+微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳10000倍。2004年，清华大学研究人员理论上计算了PCF的色散值，所选择PCF结构参

25、数为：空气孔间距为0.8um，空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。计算得到在1.55umPCF的色散值可以达到-2050ps/（km.nm），可以补偿120倍长度的G.652光纤（17ps/（km.nm），可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2ps/（km.nm），从而大大缩短了色散补偿光纤的长度5。PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。2005年，英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱，日本电报电话公司T.Yamamoto等人用波长1562nm、脉宽2.2ps、重复频率40GH

26、z的光脉冲注入到200m长的色散平坦保偏PCF中，在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱，而美国Rochester大学Z.M.Zhu等人利用丹麦Crystal Fiber A公司低双折射、高非线性PCF获得6001000nm的超连续谱6。虽然在理论上可以推得光子晶体光纤将可以获得比现有光纤更低的损耗、更小的色散、更大的有效模面积、更低的非线性等特性，但时至今日实际制作的光子晶体光纤性能仍不及传统光纤，但经过近年来众多科研人员的不懈努力也取得了很多研究成果，我们有理由相信光子晶体光纤必将取代传统光纤。1.3 WDM技术发展及现状光纤通信技术出现不久，波分复用技术就被开发出来了。WDM

27、（波分复用）技术是光纤通信中的一种传输技术，是指在一根光纤中同时传输多个波长的光载波信号，WDM是在光纤中实行的频分复用技术，与光纤有着不可分割的联系，目前WDM系统是在1550nm窗口实行的多波长复用技术。双波长波分复用系统（1310/1550nm）80年代在美国AT&T网中使用，速率为21.7Gbps。90年初，随着光电器件（高精确和稳定的波长的激光器、滤光器和光放大器）的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（15301565nm）区域采用技术成为可能。因此从1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。C

28、iena推出了162.5Gbps系统，Lucent公司推出82.5Gbps系统。1997年以来，8波道、16波道、32波道、64波道甚至128波道WDM系统相继出现，传输速率也从20Gbps，80Gbps，320Gbps，640Gbps到1.6Tbps，国际干线、国内干线、省内干线也开始采用WDM系统。新的光缆干线选用了能适合WDM系统的新型光纤，相继出现了利用密集波分复用(DWDM)系统的改造和容量升级，国内外各大通信公司纷纷推出自己的WDM系统。到1998年，大约90的长途通信线路装用DWDM系统已达到一根光纤传输的总容量400Gbps。与此同时，光纤放大器EDFA的产品已经成熟可靠，他们

29、能与DWDM系统联合运用，大约每隔80、100km设置一个线路中间放大站，长途线路的传输距离可达1000km。1998年12月，武汉邮电科学研究院自主开发的我国第一个具有完全自主知识产权的82.5Gbps的DWDM系统工程，成功地通过了信息产业部的鉴定验收，这标志着我国己成为世界上少数能够提供WDM设备商用产品的国家之一。2000年运营商引入10Gbps的DWDM系统，同时322.5Gbps的WDM系统，并在加紧研制810Gbps及3210Gbps的WDM系统。2002年中国第一套1.6Tb/s的DWDM系统在武汉邮电科学研究院诞生。2005年，国产大容量( 8040Gbit/s ) 传输设备

30、在中国电信所属的上海和杭州之间的光传输线路上开通，且实现了稳定运行，表明我国在超高速率、超大容量光传输上得了全面突破，达到世界最高的商用水平。2006年6月8日，“ 我国超高速、超大容量、超长距离光通信技术研究进展”发布会在京召开。武汉邮电科学研究院在会上宣布：该院和中国电信联合承建的国家“863”计划重大科研项目“3Tnet可扩展到8040Gbit/sDWDM传输系统设备工程化与试验”实用化工程，成功通过国家科技部验收。该系统2008年40Gbps的DWDM系统作为骨干网提升速率的技术开始实现大规模商用部署，经过近几年的发展40Gbps的DWDM商用系统已日臻成熟。随着40Gbps的DWDM

31、系统的逐渐成熟，人们转而把研究目标转移到100Gbps的DWDM系统。光传输革新倡导者的阿尔卡特朗讯贝尔实验室在2007年就在Verizon网络中，在弗罗里大迈阿密成功开展100G信号的传送，在原40G的平台上，在504km的光缆线路上传送了100G的信号。2009年9月阿尔卡特朗讯贝尔实验室再次创造了100Petab/s-km的世界纪录，这相当于每秒钟把400部DVD传输7000km。这一纪录把目前海缆的传输容量提升了10倍7。当40G已经逐渐成为高速传输网的主要建网方式，2010年月100GE标准的通过给了100G华丽的出场，将所有人的目光都拉向了100G ，在业务的驱动下，100G正在大

32、跨步的发展和完善，即将成为未来高速传输领域的主流技术。信息社会发展使得整个社会上的信息量正以爆炸式的速度增长，100GDWDM显然不是光通信发展的终点，当100GDWDM还未真正登上历史的舞台，单波400G乃至1Tbps的研究也早已经悄然展开 。目前我国WDM系统中普遍采用G.652光纤。由于G.652纤芯的主要成分是二氧化硅，因此其材料色散是固有的，而且二氧化硅对光波的吸收和瑞利散射是本征的，是无法避免的。目前长途高速系统选用1550nm波长，色散为1719ps/(nmkm)，中继段的色散值很大，而且系统至少要受到0.2dB/km左右的损耗。这些都限制了WDM系统地传输速率和传输中继距离。同时随着中继距离的延长，光放大器的使用，尤其是波分复用信道数的增加，使进入光纤的光功率达到5mW以上，甚至几十毫瓦。如此高的光功率使光纤的折射率改变并产生非线性，成为限制WDM系统性能的因素。正因为传统光纤存在自生难以克服的缺点，限制了WDM系统容量和传输速率的进一步提高。所以光子晶体光纤概念一经提出便引起人们的巨大兴趣，其为人们解决上述问题提供了新的办法。本文基于此，对基于光子晶体光纤的WDM系统进行了研究，并使用仿真软件对其传输性能做了仿真研究。1.4 论文内容安排