光纖課程設(shè)計——色散補償分析.docx

目錄1課程設(shè)計題目12課程設(shè)計目的13課程設(shè)計時間14課程設(shè)計環(huán)境15課程設(shè)計任務(wù)16課程設(shè)計原理16.1概述16.2色散及其分類26.3色散補償光纖（DCF）36.4啁啾光纖光柵(CFBG)色散補償46.5偏振模色散補償法（PMD）57課程設(shè)計過程及調(diào)試、結(jié)果67.1負(fù)色散光纖補償（DCF）67.2光纖光柵色散補償（FBG）87.3偏振模色散補償（PMD）138課程設(shè)計體會16參考文獻(xiàn)161課程設(shè)計題目 色散補償分析2課程設(shè)計目的要求學(xué)生根據(jù)題目要求，尋找相關(guān)資料，了解理論知識，并且掌握一種光通信系統(tǒng)設(shè)計軟件OptiSystem的使用；要求學(xué)生熟悉色散補償原理，熟悉軟件，會應(yīng)用軟件進行系統(tǒng)設(shè)計，調(diào)試，獲得相關(guān)結(jié)果，并可以對結(jié)果進行分析；同時也考驗同學(xué)們的自學(xué)能力、解決問題的能力以及合作精神。3課程設(shè)計時間1周（2014年6月23日-2014年6月27日）4課程設(shè)計環(huán)境基于windows 7系統(tǒng)，用Optisystem 7.0軟件進行仿真5課程設(shè)計任務(wù)熟悉OptiSystem軟件的使用，基于OptiSystem軟件完成色散補償?shù)姆抡嬖O(shè)計，對色散補償元件的性能做相應(yīng)的性能測試和模擬，增強研究問題解決問題的動手能力。6課程設(shè)計原理6.1概述目前，光纖線性通信已不能滿足現(xiàn)在信息處理傳輸?shù)囊?，因為它存在著三個主要的缺陷：其一是光纖的色散，其二是光纖損耗,其三是非線性。低損耗光纖和摻鉺光纖放大器的廣泛應(yīng)用解決了高速光纖通信系統(tǒng)的傳輸損耗問題。光纖的色散又能有效抑制四波混頻等非線性效應(yīng)，因此，色散問題已成為光纖通信系統(tǒng)進行升級擴容的主要障礙。受色散的影響，傳輸速率為10Gbits、光脈沖寬度為50ps的系統(tǒng)只能傳輸40 km。傳輸速率為80Gbits時，傳輸距離不足2 km。為了兼顧色散和非線性兩種要素，人們提出了一種折衷方案，即將光纖的零色散點偏離155 u m窗口使之在155 u m波長處的色散不為零，約有26 pskmnm的色散，這就是G655光纖。當(dāng)光纖傳輸?shù)乃俾瘦^低、距離較短時，采用G、655光纖進行傳輸?shù)霓k法是可行的。但是，G655光纖并沒有解決色散問題，高速、長距離傳輸中仍然需要色散補償。并且由于其低色散，光纖的非線性效應(yīng)使通道間距為50GHz的波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)很難實現(xiàn)。而G652光纖在155 u m窗口處的大色散可以有效的抑制非線性，通過色散補償，實現(xiàn)通道間距為50GHz的WDM 系統(tǒng)的傳輸毫無問題。迄今為止，全世界鋪設(shè)的光纖干線長達(dá)2億公里以上，其中的80為G652光纖。我國的八縱八橫主要干線鋪設(shè)的基本也都是G652光纖。隨著全球信息業(yè)務(wù)量的迅猛增加，通信網(wǎng)絡(luò)必然要進一步向高速大容量方向發(fā)展，開發(fā)已有光通信系統(tǒng)的潛力，在G652光纖上開通高速系統(tǒng)，關(guān)鍵問題是色散補償。6.2色散及其分類光信號在光纖傳輸中不但幅度會因損耗而減小，波形亦會發(fā)生愈來愈大的失真，脈沖展寬，從而限制了光纖的最高信息傳輸速率。這種失真是由于信號中的各種分量在光纖中的群速度不同（因而時延不同）引起的。這些分量包括發(fā)送信號調(diào)制和光源譜寬中的頻率分量及光纖中的不同模式分量。時延失真是由于光纖色散而產(chǎn)生的，光纖色散包括以下四種：（1）模間色散：多模光纖中由于各個導(dǎo)模之間群速度不同造成模間色散在發(fā)送機多個導(dǎo)模同時激勵時，各個導(dǎo)模具有不同的群速，到達(dá)接收端的時刻不同。（2）波導(dǎo)色散：這是某個導(dǎo)模在不同波長（光源有一定的譜寬）下的群速度不同引起的色散，它與光纖結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)，又稱為結(jié)構(gòu)色散。（3）材料色散：這是由于光纖材料的折射率隨光頻率呈非線性變化，而光源有一定譜寬，于是不同的波長引起不同的群速度。（4）偏振模色散：普通單模光纖實際上傳輸兩個相互正交的模式，實際在單模光纖存在各種少量隨機的不確定性，不對稱性，造成了兩個偏振模的群時延不同，導(dǎo)致偏振模色散。在這四項色散中，波導(dǎo)色散和材料色散正比于光源的譜寬，故總稱波長色散，它們的相對大小，與光源本身譜寬及調(diào)制邊帶寬度有關(guān)。對單模光纖，沒有模間色散，波導(dǎo)色散與材料色散是主要的，它們的相對大小又與工作波長有關(guān)。對于多模光纖，模間色散與材料色散是主要的，波導(dǎo)色散可略去不計。6.3色散補償光纖（DCF）其基本原理是通過對光纖的芯徑及折射率分布的設(shè)計，利用光纖的波導(dǎo)色散效應(yīng)，使其零色散波長大于1.55 微米，即在1.55 微米波長處產(chǎn)生較大的負(fù)色散，這樣當(dāng)常規(guī)光纖和色散補償光纖級聯(lián)使用時，兩者將會互相抵消。若用Ds和Dc分別表示常規(guī)光纖和色散補償光纖在1處的色散系數(shù)，Ls和Lc分別表示常規(guī)光纖和色散補償光纖的傳輸距離，則當(dāng)滿足 （6-1）時，群時延色散被補償，當(dāng)滿足 （6-2）時，二階色散被補償。式中Ds1和Dc1是Ds和Dc的微商。斜率補償型DCF 的優(yōu)點是帶寬不受限制，產(chǎn)品供應(yīng)商多，穩(wěn)定性高。目前，斜率補償DCF 模塊已獲廣泛應(yīng)用，在全球范圍內(nèi)，它是1550nm 外調(diào)制光纖干線/超干線長距離傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)色散補償?shù)氖走x方案。它的缺點是非線性效應(yīng)較明顯，輸入光功率不能過高，插入損耗較大。此外，DCF 制成的DCM 色散量不可調(diào)，而且不同類型的光纖需要不同類型的DCF。圖 6-1 用負(fù)色散的色散補償光纖對正色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的色散進行補償6.4啁啾光纖光柵(CFBG)色散補償其基本原理是：啁啾光纖光柵中，諧振波是位置的函數(shù)，因此不同波長的入射光在啁啾光纖光柵的不同位置上反射并具有不同的時延，短波長分量經(jīng)受的時延長，長波長分量經(jīng)受的時延短，光柵所引入的時延與光纖中傳輸時造成的時延正好相反，二者引入的時延差相互抵消，使脈沖寬度得以恢復(fù)。圖6為光纖光柵的反射譜和時延曲線?？梢钥吹綆挿秶鷥?nèi)的時延曲線基本為一條直線，其斜率就是該光纖光柵所能補償?shù)纳⒘俊D6-2啁啾光纖光柵色散補償原理圖6-3 用光環(huán)形器將啁啾光柵的反射信號分離出來啁啾光纖光柵與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)兼容性好，具有較低的傳輸損耗和插入損耗，色散補償量大，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖色散和色散斜率的同時補償，折射率調(diào)制可以根據(jù)需要來通過不同的曝光過程加以控制，且價格低廉，易于大批量生產(chǎn)。因此，啁啾光纖光柵色散補償器已被公認(rèn)為具有很好應(yīng)用前景的色散解決方案。6.5偏振模色散補償法（PMD）單模光纖中，基模是由兩個相互垂直的偏振模組成的。兩偏振模的群速度由于受到外界一些不穩(wěn)定因素的影響而產(chǎn)生差異，在傳播中兩偏振模的迭加使得信號脈沖展寬，從而形成偏振模色散。PMD是由以下幾個方面的因素造成的：光纖所固有的雙折射，即光纖在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的幾何尺寸不規(guī)則和在光纖中殘留應(yīng)力導(dǎo)致折射率分布的各項異性；光纜在鋪設(shè)使用過程中，由于受到外界的擠壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)和環(huán)境溫度變化的影響而產(chǎn)生偏振模耦合效應(yīng)，從而改變兩偏振模各自的傳播常數(shù)和幅度，導(dǎo)致當(dāng)光信號通過一些光通信器件如隔離器、耦合器、濾波器時，由于器件結(jié)構(gòu)和材料本身的不完整性，也能導(dǎo)致雙折射，產(chǎn)生PMD。目前國際上主要是以兩種方式對PMD進行補償，即在傳輸?shù)墓饴飞现苯訉庑盘栠M行補償或在光接收機內(nèi)對電信號進行補償。兩者的實質(zhì)都是利用某種光的或電的延遲線對PMD造成的兩偏振模之間的時延差進行補償。其基本原理為：首先在光或電上將兩偏振模信號分開，然后用延遲線分別對其進行延時補償，在反饋回路的控制下，使兩偏振模之間的時延差為零，最后將補償后的兩偏振模信號混合輸出。7課程設(shè)計過程及調(diào)試、結(jié)果本次課程設(shè)計是通過optisystem光纖系統(tǒng)仿真軟件對色散補償系統(tǒng)進行仿真，主要采用了三種方法，即負(fù)色散光纖補償（DCF），光柵色散補償（FBG）和偏振模色散補償（PMD）。通過這些不同的方法得到了較為理想的色散補償系統(tǒng)的仿真圖，從而驗證了設(shè)計方案的正確性和可行性。7.1負(fù)色散光纖補償（DCF）如圖7-1所示，利用OptiSystem設(shè)計這樣的布局對其色散補償進行仿真和分析。對初始時的脈沖波形，以及經(jīng)過10km非線性色散光纖或的脈沖波形，以及最后經(jīng)過FBG色散補償器后的脈沖波形進行檢測和分析，從而設(shè)計和改善系統(tǒng)中的色散補償性能。圖7-1 DCF系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)而該布局中的關(guān)鍵元件屬性設(shè)定可參見下圖7-2：圖7-2 DCF色散補償器的屬性設(shè)定圖圖7-3 入纖前光脈沖的波形圖圖7-4 經(jīng)過10km后的脈沖波形圖 圖7-5 經(jīng)過色散補償器的光脈沖波形可見，模擬出的結(jié)果和我們經(jīng)計算預(yù)期的結(jié)果相當(dāng)一致，這也為我們對提供的色散補償元件的性能做了很好的性能測試和模擬。7.2光纖光柵色散補償（FBG） 圖7-6 FBG系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖7-6為光纖光柵色散補償（FBG）系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)，本實驗同樣以隨機序列發(fā)生器作為信號源，通過馬赫曾德調(diào)制器調(diào)制后進入光纖傳輸系統(tǒng)。信號先經(jīng)過SMF再通過理想摻餌光纖放大器進入色散補償光柵光纖，這個補償線路由一個閉環(huán)控制器控制。輸出的信號通過一個探測器針再與貝塞爾低通濾波器項鏈，然后將輸出的信號發(fā)送到分析儀器進行分析。實驗通過將原信號，調(diào)制后的信號和色散補償后的信號進行比較，通過它們的仿真圖研究其中產(chǎn)生何種變化，同時將得出最佳仿真的效果值。圖7-7至7-10為信號調(diào)制后的通過光功率觀察儀觀察到的各種功率大小:圖7-7調(diào)制信號的總功率圖7-8調(diào)制信號的噪聲功率圖7-9 調(diào)制信號功率圖7-10 抽樣信號功率圖7-11至7-13為調(diào)制信號經(jīng)光柵補償后的各種光譜圖:圖7-11 抽樣信號光譜圖圖7-12 噪聲信號光譜圖圖7-13 調(diào)制信號經(jīng)過光柵補償后的光譜圖圖7-14 FBG參數(shù)示意圖圖7-15至7-18 為調(diào)制信號經(jīng)過光柵補償后的波形，可以從中發(fā)現(xiàn)噪聲信號基本被屏蔽掉了，因此我們得出光柵補償能較好的防止噪聲信號的干擾同時保證信號不失真（即誤碼率降低）。圖7-15 信號經(jīng)光纖光柵色散補償前后的眼圖圖7-16 抽樣信號波形觀察結(jié)果圖7-17 噪聲信號波形觀察結(jié)果圖7-18 總信號波形觀察結(jié)果圖為調(diào)制信號經(jīng)過光柵補償后的波形，由此可知噪聲信號基本被過濾?？傻霉鈻叛a償能使誤碼率降低。7.3偏振模色散補償（PMD）圖7-19 PMD系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖為PMD系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)，類似于FBG，但不同于FBG的是，將FBG模塊改成PMD模塊并修改其參數(shù)從而來得出最佳眼圖以及最佳參數(shù)值。圖7-20 調(diào)制信號總功率圖7-21 調(diào)制信號補償后的光譜圖由本圖可知，噪聲信號占用的空間很多，而抽樣信號則大為減少。圖7-22 經(jīng)過PMD后的眼圖由圖發(fā)現(xiàn)眼圖并不很規(guī)則，可知PMD保真度不高。圖7-23經(jīng)過PMD系統(tǒng)后的波形本圖是經(jīng)過PMD系統(tǒng)后的波形圖，相對于FBG而言，其更不規(guī)則且與抽樣信號也有一定出入，但與原信號很相似，可得出原信號。由此知：FBG比PMD優(yōu)越。8課程設(shè)計體會 本次課設(shè)主要通過使用optisystem光纖系統(tǒng)仿真軟件對色散補償系統(tǒng)進行仿真，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化以及關(guān)鍵器件的改變對輸出波形質(zhì)量的影響，為色散補償系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)和參考優(yōu)化值。通過一個星期的查找與探討，我們了解了色散補償技術(shù)以及光纖傳輸系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成；學(xué)會了optisystem光纖系統(tǒng)仿真軟件的使用，并在軟件上建立色散補償光纖傳輸系統(tǒng)，對色散補償元件的性能做出了相應(yīng)的測試和模擬并得出了正確結(jié)果。 通過對色散補償系統(tǒng)的仿真，驗證了其工作原理，并得到了較為理想的系統(tǒng)圖，從而驗證了色散補償系統(tǒng)的正確性和設(shè)計方案的可行性。分析系統(tǒng)輸出波形可以得到，色散補償光纖傳輸系統(tǒng)存在一般光纖系統(tǒng)的性能缺點，但通過修改色散補償模塊的參數(shù)，可以優(yōu)化這些性能，提高系統(tǒng)總體性能。色散補償光纖傳輸系統(tǒng)是將調(diào)制信號經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的色散效應(yīng)通過色散補償模塊將此效應(yīng)對信號的影響降低，有些時候需要增大色散效應(yīng)，有些時候需要減小色散效應(yīng)。本課設(shè)通過對負(fù)色散光纖補償（DCF），光纖光柵色散補償(FBG)和偏振模色散補償（PMD）的仿真分析得出結(jié)果：DCF系統(tǒng)簡單，補償效果也好，但是由于光纖的補償系數(shù)跟其材料有關(guān)，不便于多種模式的補償；FBG系統(tǒng)相對較復(fù)雜，所以成本較高，但是其補償距離和補償模式可以是多