色散補(bǔ)償技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用

1、 光纖通信課程設(shè)計(jì)題目：色散補(bǔ)償技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用院（系）名稱 信 息 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 2015 年 6 月 13 日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20142015 學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)：專業(yè)： 光電信息工程 學(xué)號：學(xué)號： 姓名：姓名： 課程設(shè)計(jì)名稱：課程設(shè)計(jì)名稱： 光纖通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目： 色散補(bǔ)償技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用 完成期限：完成期限：自 2015 年 6 月 14 日至 2015 年 6 月 28 日共 2 周一、設(shè)計(jì)依據(jù)一、設(shè)計(jì)依據(jù) 通過分析色散對通信系統(tǒng)的影響，搭建基于色散補(bǔ)償技術(shù)的通信系統(tǒng)，分析色散補(bǔ)償技術(shù)對通信系統(tǒng)的影響

2、。 二、要求及主要內(nèi)容二、要求及主要內(nèi)容 了解色散補(bǔ)償技術(shù)的工作原理及基本結(jié)構(gòu)。根據(jù) optisystem 搭建了光纖傳輸系統(tǒng)平臺，驗(yàn)證色散補(bǔ)償系統(tǒng)的性能。掌握光脈沖在光纖中的傳輸過程，分析光纖的損耗、色散、非線性效應(yīng)等傳輸特性；通過對光纖色散補(bǔ)償方案的設(shè)計(jì)，仿真色散補(bǔ)償技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用。 三、途徑和方法三、途徑和方法 通過查閱資料，掌握 optisystem 軟件的使用，搭建基于色散補(bǔ)償技術(shù)的通信傳輸系統(tǒng)，分析色散補(bǔ)償對通信網(wǎng)的影響。 四、時間安排四、時間安排 1課題講解：2 小時。 2閱讀資料：10 小時。 3撰寫設(shè)計(jì)說明書：12 小時。 4修訂設(shè)計(jì)說明書：6 小時。 五、主要參考資料

3、五、主要參考資料 1 黃平.線性啁啾光纖光柵及其色散補(bǔ)償?shù)睦碚撗芯緿,廣西師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008. 2 柴瑾.線性啁啾布拉格光纖光柵特性分析及其在光纖通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償研究D,北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007. 指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日 目錄目錄1 緒論緒論.22 色散補(bǔ)償技術(shù)色散補(bǔ)償技術(shù).42.1 色散補(bǔ)償技術(shù)概述.42.1.1 色散的基本概念.42.1.2 色散補(bǔ)償?shù)母拍?42.1.3 色散補(bǔ)償技術(shù)的特點(diǎn).52.1.4 色散補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展歷程.82.2 色散補(bǔ)償光纖傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵器件.92.2.1 光源.92.2.2 馬赫曾德干涉儀.10

4、2.2.4 貝賽爾濾波器.113 色散補(bǔ)償技術(shù)仿真與性能分析色散補(bǔ)償技術(shù)仿真與性能分析.133.1 DGF 色散補(bǔ)償仿真.133.1.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu).133.1.2 仿真結(jié)果分析.143.2 光纖光柵色散(FBG)補(bǔ)償仿真 .173.2.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu).173. 2.2 仿真結(jié)果分析.173.3 偏振模色散補(bǔ)償(PMD)仿真.233.3.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu).233.3.2 仿真結(jié)果分析.23結(jié)論結(jié)論.26致致 謝謝.27參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).28 I色散補(bǔ)償技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用色散補(bǔ)償技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用摘 要目前，光纖線性通信已不能滿足現(xiàn)在信息處理傳輸?shù)囊?，因?yàn)樗嬖谥齻€主要的缺陷：其一是

5、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(jìn)行升級擴(kuò)容的主要障礙，成為影響中繼距離的主要因素。所以，對高速率長距離的系統(tǒng)必須要考慮色散補(bǔ)償問題。本文介紹了光纖通信中色散補(bǔ)償?shù)母拍?、分類、影響及補(bǔ)償方法，同時利用 Optisystem 軟件仿真模擬了色散補(bǔ)償光纖、FBG 補(bǔ)償、啁啾光纖光柵等色散補(bǔ)償方案，對色散補(bǔ)償元件的性能做出相應(yīng)的性能測試和分析。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：光纖通信 色散補(bǔ)償 Optisystem 仿真 II1 緒論緒論目前，光纖線性通信存

6、在著光纖色散，光纖損耗和非線性等缺陷，已不能滿足現(xiàn)在信息處理傳輸?shù)囊?。而影響光纖傳偷特性的因素主要有兩個：損耗和色散。色散問題已成為光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行升級擴(kuò)容的主要障礙。同時，近些年來伴隨著因特網(wǎng)的迅速崛起，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，語音、圖像、數(shù)據(jù)等信息量成爆炸式的增長，除此之外，人們對通信網(wǎng)帶寬的要求也增加。然而，解決網(wǎng)絡(luò)容量壓力的最佳選擇不免為光纖通信技術(shù)，因?yàn)槠涑咚?、大容量、長距離、高抗電磁干擾性和低成本等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。自 1970 年以來，光纖通信技術(shù)同時也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家電信骨干網(wǎng)上的單通逆?zhèn)饔渌俾始航?jīng)從 OC-48（2.5Gbit/s）增加到 OC-192（10Gbit/

7、s）,并正在向40Gbit/s 確甚至 160Gbit/s 邁進(jìn)。單模光纖中的色散分為色度色散和偏振模色散1兩類，它們分別受光纖材料的色散特性和光源的光潛寬度以及光纖中的偏振效應(yīng)影響。近幾年，摻餌光纖放大器（EDFA）和拉曼放大器的被廣泛使用和研究，這樣也解決光纖的損耗問題。由非零色散位移光纖（NZDSF）及預(yù)碉啾等各種補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，色度色散也不再對傳輸性能起主要制約作用，也就是一說，單模光纖中損耗和色度色散對光纖通信系統(tǒng)傳愉特性的影響已不是阻礙光纖通信向高速率大容量方向發(fā)展的主要因素。然而，起初不被人們注意的偏振模色散2成為目前被普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，它被認(rèn)為是限制高速光纖通信系統(tǒng)傳輸特性的最終

8、因素。根據(jù)ITU-T 組織標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一段光纖的 PMD 傳愉系數(shù)、傳輸速率和傳輸距離之間滿足如卜關(guān)系3： (1-1)2/10.kmkmpssGbLPMDB式中：B 表示傳輸速率，PMD 表示偏振模傳輸系數(shù)，L 表示傳輸距離，由此可以看出：在 PMD 值一定的情況卜隨著傳輸速率的增加，傳輸距離將急劇縮短。對目前己鋪光纜 PMD 值的測試表明，80 年代中期以前生產(chǎn)鋪設(shè)的光纜 PMD 值較大，典型值大約為 2ps/km，這就是說，2Gb/s 系統(tǒng)的傳輸距離不能超過40km；而對于 10Gbit/s 系統(tǒng)的傳偷距離則須小 25km。80 年代中期以后生產(chǎn)和 III鋪設(shè)的光纜 PMD 系數(shù)較小，其引起

9、的功率代價(jià)為 1dB 時，10Gbit/s 系統(tǒng)的傳愉距離可達(dá) 10km 至 400km ;而對于 40Gbit/s 系統(tǒng)則劇減為 25km 至 625km。由此可見，在 10Ghit/s 及以上速率的光纖通信系統(tǒng)中，偏振模色散有著不可忽視的影響，它限制著系統(tǒng)的容量和傳輸距離，所以有人認(rèn)為它將是高碼率傳輸?shù)淖罱K限制因素。只有補(bǔ)償光纖中的偏振模色散，才能提高光通信系統(tǒng)的傳輸性能，同時有效地利用全球己鋪設(shè)好的上億公里光纜，而如何補(bǔ)償偏振模色散己成為發(fā)展卜一代高速光纖通信系統(tǒng)時所而臨的重大技術(shù)挑4。 IV2 色散補(bǔ)償技術(shù)色散補(bǔ)償技術(shù)2.1 色散補(bǔ)償技術(shù)概述色散補(bǔ)償技術(shù)概述2.1.1 色散的基本概念

10、色散就是指不同顏色，不同頻率的光在光纖傳輸時，由于具有不同的傳播速度而相互分離。單模光纖主要色散是群時延色散，即波學(xué)色散和材料色散。這些色散都會導(dǎo)致光脈沖展寬，分致信號傳輸時的畸變和接收誤碼率增大。在這里說明 4 個色散術(shù)語：材料色散、波導(dǎo)色散、模式色散和偏振模色散5。 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6。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。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(jī)多個導(dǎo)模同時激勵時，各個導(dǎo)模其

11、有不同的群速，到達(dá)接收端的時刻不同7。偏振模色散：普通單模光纖實(shí)際上傳愉兩個相互正交的模式，實(shí)際在單模光纖存在各種少量隨機(jī)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8。2.1.2 色散補(bǔ)償?shù)母拍钤?10Gbit/s 以上的高速長距離傳輸系統(tǒng)中，必須考慮色散補(bǔ)償問題。色散補(bǔ)償包括色度色散補(bǔ)償和偏振模色散補(bǔ)償9。 高速光纖系統(tǒng)的群速度色散補(bǔ)償方法，其中幾種具有代表性的是基模/高階模色散補(bǔ)償光纖、色散補(bǔ)償光纖光柵、高階模色散補(bǔ)償器和 VIPA（Visual Image Phase Array）器件等。也可在信號調(diào)制和接收剛一采取一定的措施以減小色散的影響，如在信號調(diào)制時加啁啾

12、，在接收端進(jìn)行動態(tài)色散補(bǔ)償?shù)取?V色度色散補(bǔ)償?shù)姆绞桨ㄉ⒀a(bǔ)償器件和色散補(bǔ)償模塊，目前使用最多的是色散補(bǔ)償模塊（DCM） ，主要利用色散補(bǔ)償光纖 DCF 構(gòu)成模塊，但是這種色散補(bǔ)償光纖具有較強(qiáng)的非線性效應(yīng)，會使不同信道之間的串?dāng)_加大。在40Gbit/s 系統(tǒng)當(dāng)中，環(huán)境因素的變化會造成色散量大小的隨機(jī)波動，因而還要求色散補(bǔ)償模塊是可調(diào)諧的，需要動態(tài)色散補(bǔ)償，相關(guān)的技術(shù)有啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償，環(huán)形諧振器，虛相位陣列，沉積了加熱金屬的相位平板光柵，連接基于高階模光纖的長周期光柵的光開關(guān)，多腔反射濾波器等，但是真正商用的產(chǎn)品不多10。對于克服偏振模色散（PMD）,目前有兩種方案，一是在線路上解決 P

13、MD問題。采用新的，性能好的，低 PMD 系數(shù)的光纖，以及光信號采用新的調(diào)制格式，使光信號不易受 PMD 的影響。這種方法成本較低，只能用于新的光纖。第二種方法是采用 PMD 補(bǔ)償技術(shù)，對 PDM 動態(tài)地進(jìn)行調(diào)節(jié)和管理。這種方法價(jià)格昂貴，但是可以允許網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商繼續(xù)使用原有的舊光纖10。2.1.3 色散補(bǔ)償技術(shù)的特點(diǎn) 不同的色散補(bǔ)償技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，這里只說明幾種色散補(bǔ)償技術(shù)。 負(fù)色散光纖補(bǔ)償法：DCF 是一種有負(fù)色散系數(shù)的光纖，D = - 90ps/(nm.kna ) 。若在 CSMF 中接入足夠長度的 DCF,可使總的色散值控制在系統(tǒng)容限以內(nèi)，如圖 2-1 所示。原則上 DCF 可放在線路

14、的任何位置，但在發(fā)送端應(yīng)放在光放大器之前，因?yàn)槿舴旁诠夥糯笃髦螅吖β使庑盘枙鸱蔷€性，不僅減弱DCF 的補(bǔ)償作用，還會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能11。圖 2-1 DCF 的應(yīng)用舉例 從應(yīng)用的角度要求 DCF 的負(fù)色散系數(shù)愈大愈好，同時插入衰減越小越好。通常插入的 DCF 長度是需要補(bǔ)償 CSMF 的 20%左右。與其他色散補(bǔ)償措施相比。DCF 技術(shù)要相對成熟，但其插入衰減較大，約為 CSMF 的 5 倍，須用光放大器補(bǔ)償。 VI 光相位共扼（OPC）或中間頻譜反轉(zhuǎn)(MSI)技術(shù)：在 CSMF 光纖中級段的中間插入一段 DSF 作為非線性器件，當(dāng)光信一號通過時會產(chǎn)生相位共扼波，即頻潛倒置信號。此相

15、位共扼波與原信號具有時間反演的性質(zhì)。原信號因色散作用使波形展寬，而相位共扼波則因色散影響而被壓縮，從而使失真信號重新恢復(fù)。利用 OPC 技術(shù)在 360km 的 CSMF 上己成功地進(jìn)行了 10Ghit/s 的信號傳輸試驗(yàn)。其主要的限制是中間頻譜反轉(zhuǎn)單元需較準(zhǔn)確地設(shè)置在總色散值一半的地方，還要控制偏振波動，以免影響相位共扼波的時間反演特性。在非線性介質(zhì)中，當(dāng)輸入頻率為 w1、w2、w3 的光(波矢分別為 1, 2, 3)足夠強(qiáng)時，發(fā)生三階段非線性極化。當(dāng)滿足相位匹配條件時，就會產(chǎn)生四波混頻井愉出頻率為波矢為 K 的光，其中。在信號光(頻率為)傳輸一段距離之后，加入光功率足夠強(qiáng)的泵浦光(頻率為)，

16、且使其滿足相位匹配條，產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，這樣輸出光中有頻率的成分，它使得的高頻分量轉(zhuǎn)換為。的低頻分量。在繼續(xù)傳播過程中，原相位超前的光纖頻率相應(yīng)便逐漸落后，落后的相應(yīng)逐漸超前，從而減小直至抵消原有的色散。意大利、丹麥等國家研究高增益半學(xué)體光放大器、垂直腔表而輻射激光器的簡并與非簡并四波混頻，通過相位共扼或波長轉(zhuǎn)換等來實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。研究表明：頻譜反轉(zhuǎn)色散補(bǔ)償?shù)姆椒蓪?shí)現(xiàn)大容量長距離的色散補(bǔ)償，且損耗較小。用半針體器件可實(shí)現(xiàn)相位匹配四波棍頻，它與其他光器件集成還可用于光網(wǎng)絡(luò)，但對所用的大功率泵浦光波提出的一些要求還無法滿足，這些相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步研究12。 色散支持技術(shù)(DST)：DST 的基本原

17、理是，高速數(shù)字信號在直接調(diào)制方式作用下，在光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的同時還伴有 FSK 調(diào)制。這是因?yàn)榕c輸入 NRZ電信號“0”、 “1”對應(yīng)著兩個光波長，它們由于光纖色散而不能同時到達(dá)接收端，其時間差加，即：式中腳為兩個光波的頻率差，正確選抒光源的偏流一可控制v。從而可在接收機(jī)利用兩電平判決電路將 ASK 信號解調(diào)為 NRZ 信號，而光纖的色散則起到了 FS/ASK 信號轉(zhuǎn)換的作用。本技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，成本低，但是升級能力差14。 光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù):均勻光纖光柵的一個特性，就是在禁帶附近一股要 VII比普通光纖介質(zhì)大出幾個數(shù)量級信。可以利用光纖光柵的這一特性在傳輸中進(jìn)行色散補(bǔ)償。盡管這一

18、強(qiáng)色散區(qū)域存在的頻帶很窄，但其獨(dú)特的性質(zhì)還是引起了人們的關(guān)注。由于 F-P 效應(yīng)所造成的反射帶隙外振蕩的影響，這種方法一直未受到人們的重視。最近，隨著光纖光柵切趾技術(shù)的成熟，人們已經(jīng)可以消除反射帶隙幾乎所有振蕩，這使得利用均勻光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償再現(xiàn)生命力。在國外，對光纖光柵的傳輸色散性質(zhì)的理論探討和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了很大成果。有人提出利用這種強(qiáng)色散特性進(jìn)行色散補(bǔ)償，較其它色散補(bǔ)償方案更易實(shí)現(xiàn)，且其有更高的補(bǔ)償效率。實(shí)驗(yàn)上已成功實(shí)現(xiàn)了在 72km 的光纖中利用光纖光柵在 10Gbit/s 信號無誤傳渝時的色散補(bǔ)償。最近，人們又提出級聯(lián)光纖光柵的構(gòu)思，利用它可以在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多信道色散

19、的同時補(bǔ)償14。如圖 2-2 所示圖 2-2 光纖光柵色散補(bǔ)償法通過改變外部條件來改變均勻光纖光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)色散的可調(diào)諧。利用壓電陶瓷使得光纖光柵的中心波長移動了 5.02nm，這對于均勻光纖光柵的色散調(diào)諧已足夠。如果把兩個或兩個以上不同周期的光纖光柵“連接”起來組成“級聯(lián)光纖光柵，可以實(shí)現(xiàn)對不同波長的多路脈沖同時進(jìn)行色散補(bǔ)償，還可以對整個級聯(lián)光纖光柵進(jìn)行調(diào)諧，也可以對其中某些光纖光柵進(jìn)行調(diào)諧，以達(dá)到我們所期望的色散補(bǔ)償效果。 光孤子傳輸技術(shù):所謂色散可控光孤子也就是眾所周知的歸零碼(R2)調(diào)制，己同 WDM 技術(shù)相結(jié)合，能夠動態(tài)地將光網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率提升到 1 Tb/s 以上，傳輸距

20、離可達(dá)數(shù)千公里。 孤子波的特點(diǎn)是光脈沖經(jīng)過一段距離的傳輸后不會中斷或者展寬，這使已成為光纖通信網(wǎng)中的一種理想技術(shù)。光孤子經(jīng)過精心設(shè)計(jì)， ，可以周期性地以可控方式改變它的形狀，從而在到達(dá)目的地時仍然保持原狀。因此以色散可控光孤子為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)減少了對通逆再生的要求，使傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)從這些 VIII網(wǎng)中獲得新生。各種因素的平衡超長距離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要在提高光信號功率來克服噪聲影響，或者減少光信號功率來抑制非線性失真這兩者之間做出艱難選擇。而這正是光孤子能夠發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)的機(jī)會：通過均衡色散和非線性失真的影響來為光孤子脈沖創(chuàng)造近乎理想的光纖傳輸環(huán)境，允許使用比一般情況卜更大的光功率。傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般是使

21、用非歸零碼調(diào)制技術(shù)，而光孤子則使用歸零碼技術(shù)，因?yàn)樗蝗菀资芊蔷€性失真的影響：通過對光脈沖的精心設(shè)計(jì)是可以利用光纖色散的累積效應(yīng)來補(bǔ)償非線性失真的影響的。但光纖路徑上的色散特性必須作為總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分加以適當(dāng)控制，故產(chǎn)生了“色散可控光孤子”的名稱。盡管使用的設(shè)計(jì)規(guī)則不同。在光孤子網(wǎng)絡(luò)中的色散控制方式同傳統(tǒng)的長途、高比特率 DWDM 系統(tǒng)中采用的色散控制方式是相似的，即在放大器節(jié)點(diǎn)上使用無源補(bǔ)償器件（DCM） 。本技術(shù)適用于系統(tǒng)更新?lián)Q代時采用，因?yàn)樗枰眯碌南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)來控制色散。如果用在現(xiàn)有系統(tǒng)上而對現(xiàn)有系統(tǒng)要作較大的改動。光孤子傳愉技術(shù)對于超長距離中繼段的光纖色散補(bǔ)償具有很好的發(fā)展前景。本

22、方法經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)用化研究之后，它將在色散補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域中顯示優(yōu)勢。2.1.4 色散補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展歷程色散嚴(yán)重的限制了光纖的傳輸容量，為了使這一問題得到解決，早在 1980年美國貝爾公司 C.Lin 等人就提出了用光脈沖均衡技術(shù)來補(bǔ)償傳愉光纖中色散的想法。后來，研究人員針對這種想法采用法布里一泊羅( Fabry-Pcro)千涉儀的全光色散補(bǔ)償技術(shù)。1992 年，T.Oacki 提出了以 MZI 為基礎(chǔ)的光學(xué)均衡濾波器，后來 K.Takinguchi 制出了平而光波回路形式的 MZI，一個內(nèi)含 5 個 MZI 的平面光波電路，僅幾個厘米長卻能補(bǔ)償 50cm 的光纖色散。它們的缺點(diǎn)是帶寬較窄(大約 1

23、0GHz )，對輸入脈沖的偏振性很敏感。1982 年，F(xiàn).aucllcttc 首先提出采用布拉格(Sragg)光柵作為反射濾波器實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償?shù)睦碚?，但是由于?dāng)時制造工藝的落后，到了 90 年代初才使這項(xiàng)技術(shù)得到應(yīng)用，并得到了 l 000Gbit/kmls(速率 10Gbit/s,距離 1OOkm)。日前，使用最多也是最研究最廣泛的色散補(bǔ)償技術(shù)是光纖色散補(bǔ)償技術(shù)(DCF)和 Bragg 光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù)。由于色散積累是一個隨時間變化的過程，對于不同的傳輸系統(tǒng)或系統(tǒng)受外界因素 IX（如光線的彎曲、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)、環(huán)境變化、光纖線路的老化等）的干擾時，都可以引起色散值的改變，這就需要動態(tài)可調(diào)諧色

24、散補(bǔ)償裝置對變化著的色散進(jìn)行檢測跟蹤的方式進(jìn)行補(bǔ)償，基于這一思想，人們又提出了色散管理或動態(tài)色散補(bǔ)償技術(shù)。同時人們對光纖光柵的研究也開始從均勻光纖光柵轉(zhuǎn)向各種非均勻光纖光柵。DCF 補(bǔ)償技術(shù)由于技術(shù)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛研究井投入商用化16。2.2 色散補(bǔ)償光纖傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵器件色散補(bǔ)償光纖傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵器件2.2.1 光源17 用于色散補(bǔ)償系統(tǒng)的光源主要有以下幾種： DFB 和 DBR 半導(dǎo)體激光器：DFB 激光器的基本原理是基于布拉格反射原理，是依賴沿縱向等間隔分布的光柵所形成的光禍合，如圖 2-3 ,圖中光柵的周期為 A,稱為柵趾。圖 2-3 DFB 激光器的結(jié)構(gòu)DFB 激光器與

25、一般 F-P 激光器相比，主要具有以卜兩大優(yōu)點(diǎn)： 其一，動態(tài)單縱模窄線寬振蕩：由于 DFB 激光器中光柵的間距（A）很小，形成了一個微型諧振腔，對波長具有良好的選擇性，使主模和邊模值增益相對較大，從而得到比 F-P 腔激光器窄很多的線寬，井能保持動態(tài)單縱模振蕩。這里所說的“動態(tài)”，是指在高速調(diào)制下也能保打單縱模振蕩，當(dāng)然動態(tài)的譜寬要比靜態(tài)的譜寬大一點(diǎn)，但還是比 F-F 腔激光器小很多。其二，波長穩(wěn)定性好：由于 DFB 激光器內(nèi)的光柵有助于鎖定在給定的波長上，其溫度漂移約為 0.8A/C，比 F-P 腔激光器要好得多。 X DFB 激光器的光柵是制作的有源區(qū)的波一濘層上，這是光柵起分布反饋的作用

26、，所以不再需要端而反射鏡。DBR 激光器的光源是制作在有源區(qū)兩端外的波濘層上，這時光柵起著端而反射鏡的作用。圖 2-4 為 DBR 激光器的結(jié)構(gòu)圖。圖 2-4 DBR 激光器量子阱半導(dǎo)體激光器：量子半導(dǎo)體激光器是一種窄帶隙有源區(qū)夾在寬帶隙半半導(dǎo)體材料中間或交替重疊生長的半學(xué)體激光器，是一種很有發(fā)展前途的激光器。 量子階激光器與一般激光器相比，有一些不同的地方： 閥值電流低；由于其結(jié)構(gòu)中“阱”，的作用，使電子和空穴被限制在很薄的有源區(qū)內(nèi)，造成有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度很高，因而大大降低了閥值電流。線寬變窄：由于量子阱中帶間復(fù)合的特點(diǎn)，造成線寬增大系數(shù)變小，從而減小了光潛中的線寬，與雙異質(zhì)激光器相比，

27、可縮小近一倍。2.2.2 馬赫曾德干涉儀馬赫曾德干涉儀(Mach-Zchndcr; inter-fcrometcr )是用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉的儀器。1810 年，托馬斯楊在英國皇家學(xué)會上宣讀了關(guān)于薄膜色的論文。論文進(jìn)一步擴(kuò)充和發(fā)展了惠更斯的波動說，明確地提出了光具有頻率和波長，完善了光波的概念。他比較圓滿地解釋了牛頓環(huán)的干涉現(xiàn)象，認(rèn)為“當(dāng)有不同起源的兩個振動運(yùn)動或者完全相同，或者在方向很接近時，那么它們的共同作用等于它們何一個振動單獨(dú)所發(fā)生的作用之和”。這在實(shí)際上已經(jīng)提出了光的相干條件及干涉原理。這一年，他在發(fā)表于哲學(xué)會報(bào)上的論文中，全而地 XI闡述了干涉原理:“同一束光的兩不同部分

28、以不同的路徑，要么完全一樣地、要么在方向上十分接近地進(jìn)入很睛，在光線的路程是某個長度的整數(shù)倍的地方，光就被加強(qiáng)，而在干涉區(qū)域中間狀態(tài)，光將最強(qiáng)；對于不同頗色的光束來說，這個長度是不同的”。馬赫曾德干涉儀由于不帶有纖端反射鏡，需要增加一個 3dB 分路器，如圖2-5。圖 2 一 5 馬赫曾德干涉儀原理光源發(fā)出的相千光經(jīng) 3dB 分路器分為光強(qiáng) 1: 1 的兩束光分別進(jìn)入信號臂光纖和參考臂光纖，兩束光經(jīng)第二個 3dB 分路器匯合相干形成干涉條紋。M-Z 干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是不帶纖端反射鏡，克服了邁克耳遜干涉儀回波干擾的缺點(diǎn)，因而在光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域得到了比邁克耳遜干涉儀更為廣泛的應(yīng)用。2.2.4 貝賽爾濾

29、波器 電子學(xué)和信號處理中，貝賽爾（Bessel）濾波器是其有最大平坦的群延遲(線性相位響應(yīng))的線性過濾器。貝賽爾濾波器常用在音頻大橋系統(tǒng)中。模擬貝賽爾濾波器描繪為幾乎橫跨整個通頻帶的恒定的群延遲，因而在通頻帶上保持了被過濾的信號波形。濾波器的名字來自于 Fricdrich 貝賽爾，一位德國數(shù)學(xué)家（1784-1846） ，他發(fā)展了濾波器的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。貝塞爾(Bessel)濾波器具有最平坦的幅度和相位相應(yīng)。帶通(通常為用戶關(guān)注區(qū)域)的相位響應(yīng)近乎呈線性。Bessel 濾波器可用于減少所有 IIR 濾波器固有的非線性相位失真。描述貝塞耳濾波器低通濾波器的傳遞函數(shù)如下： XII這里是一個反向貝塞耳多

30、項(xiàng)式，是選定的期望截止頻率。貝塞爾（Bessel）線性相位濾波器正是由于具有向其截止頻率以卜的所有頻率提供等量延時的特性，才被用于音頻設(shè)備中，在音頻設(shè)各中，必須在不損害頻帶內(nèi)多信號的相位關(guān)系前提下，消除帶外噪聲。另外，貝塞爾濾波器的階躍響應(yīng)很快，并且沒有過沖或振鈴，這使它在作為音頻 DAC 輸出端的平滑濾波器，或青頻 ADC 輸入端的抗混疊濾波器方面，是一種出色的選擇。貝塞爾濾波器還可用于分析 D 類放大器的輸出，以及消除其它應(yīng)用中的開關(guān)噪聲，來提高失真測量和示波器波形測量的精確度。雖然貝塞爾濾波器在它的通頻帶內(nèi)提供平坦的幅度和線性相位(即一致的群延時)響應(yīng)，但它的選擇性比同階(或極數(shù))的巴特

31、沃斯（Butterworth）濾波器或切比雪大（Chcbyshey）濾波器要差。因此，為了達(dá)到特定的阻帶衰減水平，需要設(shè)計(jì)更高階的貝塞爾濾波器，從而它又需要仔細(xì)選擇放大器和兀件來達(dá)到最低的噪聲和失真度。 XIII3 色散補(bǔ)償技術(shù)仿真與性能分析色散補(bǔ)償技術(shù)仿真與性能分析日前色散補(bǔ)償技術(shù)已被國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛地研究和實(shí)驗(yàn)，形成了許多方法。傳統(tǒng)的 DCF 因其光纖技術(shù)成熟度好，生產(chǎn)方便，在近幾年內(nèi)仍然是主流產(chǎn)品；而多通遒光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù)的研究逐漸成為熱點(diǎn)，多通道色散補(bǔ)償器己經(jīng)具一備了一定的市場競爭力，大量商用產(chǎn)品己經(jīng)推向市場，有逐步取代傳統(tǒng) DCF 之勢。故本文特選 DCF, FBG 與

32、PMD 進(jìn)行色散補(bǔ)償仿真，比較之間的優(yōu)劣性，為今后的研究提供幫助。3.1 DCF 色散補(bǔ)償仿真色散補(bǔ)償仿真3.1.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 3-1 DCF 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu) 圖 3-1 為負(fù)色散光纖補(bǔ)償系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個隨機(jī)序列發(fā)生器作為信號源，經(jīng)過一段單模光纖 SMF 傳輸后再通過一段其有負(fù)色散系數(shù)的光纖，以此來觀察研究負(fù)色散光纖補(bǔ)償法(DCF)的原理和其性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)分別從信號經(jīng)過 SMF 前后和經(jīng)過負(fù)色散補(bǔ)償光纖前后的光時域觀察儀和光潛分析儀中觀察信號變化。 XIV3.1.2 仿真結(jié)果分析圖 3-2 光時域觀察儀結(jié)果(一)圖 3-2 為調(diào)制信號還沒有經(jīng)過單模光纖（SMF）的時域波形。

33、圖 3-3 光譜分析儀結(jié)果(一)圖 3-3 為調(diào)制信號還沒有經(jīng)過 SMF 傳輸?shù)墓庾V圖。 XV圖 3-4 光時域觀察儀結(jié)果(二)圖 3-4 為調(diào)制信號經(jīng) SMF 傳輸后的情形，可以清楚的看到，由于 SMF 的色散，導(dǎo)致信號的脈沖展寬。圖 3-5 光譜分析儀結(jié)果(二)圖 3-5 為調(diào)制信號經(jīng) SMF 傳輸后的光譜圖。 XVI圖 3-6 光時域觀察儀結(jié)果(三)圖 3-6 為調(diào)制信號經(jīng)過負(fù)色散補(bǔ)償光纖后還原的波形。圖 3-7 光譜分析儀結(jié)果(三) 圖 3-7 為調(diào)制信號經(jīng)過負(fù)色散補(bǔ)償系后的光譜。通過光譜分析儀可以發(fā)現(xiàn)，信號的光譜沒有發(fā)生多少變化，這一說明光纖色散對信號頻率的影響很小，可以忽略不記。而

34、通過時域觀察儀可以發(fā)現(xiàn)，色散會使信號產(chǎn)生明顯的脈沖展寬，而通過負(fù)色散光纖（負(fù)色散系數(shù) D=-90ps/nm/km）的補(bǔ)償，信號能還原為原來的信號。通過圖 3-6 可以看出經(jīng)過補(bǔ)償?shù)男盘栔饋肀仍盘柍?，而?shí)際上信號在傳輸中會產(chǎn)生延遲，這種超前對信號的傳輸沒有壞的影響，反而會保證信號傳輸?shù)男?。通過大量實(shí)驗(yàn)證明：負(fù)色散光纖的長度為 SMF 的 20%能最好的實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償，最大限度的還原出原信號。 XVII3.2 光纖光柵色散光纖光柵色散(FBG)補(bǔ)償仿真補(bǔ)償仿真3.2.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 3-8 光纖光柵色散補(bǔ)償系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 3-8 為光纖光柵色散補(bǔ)償（FBG）系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)同樣以隨機(jī)

35、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(jìn)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(jìn)入色散補(bǔ)償光柵光纖，這個補(bǔ)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相連，然后將偷出的信號發(fā)送到分析儀器進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)通過將原信號，調(diào)制后的信號和色散補(bǔ)償后的信號進(jìn)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。3. 2.2 仿真結(jié)果分析圖 3-9 調(diào)制信號的總功率 XVIII圖 3-10 調(diào)制信號的噪聲功率圖 3-11 調(diào)制信號功率圖 3-12 抽樣信號功率圖 3-9 到 3-12 為信號調(diào)制后的通過光功率觀察儀觀察到的各種功

36、率大小。 XIX圖 3-13 抽樣信號光譜圖圖 3-14 噪聲信號光譜圖 XX圖 3-15 調(diào)制信號經(jīng)過光柵補(bǔ)償后的光譜圖圖 3-13 到 3-15 為調(diào)制信號經(jīng)光柵補(bǔ)償后的各種光譜圖。圖 3 一 16 FBG 調(diào)試示意圖圖 3-16 為光柵補(bǔ)償模塊的參數(shù)設(shè)置界面。通過修改參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) XXI達(dá)到最佳補(bǔ)償效果，從而得出優(yōu)化值。圖 3-17 信號經(jīng)光纖光秘色散補(bǔ)償前后的眼圖圖 3-17 為補(bǔ)償后的誤碼率顯示圖（眼圖） 。通過多次實(shí)驗(yàn)得出相對較標(biāo)準(zhǔn)的眼圖。圖 3-18 抽樣信號波形觀察結(jié)果 XXII圖 3-19 噪聲信號波形觀察結(jié)果圖 3-20 總信號波形觀察結(jié)果圖 3-18 到 3-20

37、 為調(diào)制信號經(jīng)過光柵補(bǔ)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(bǔ)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）18。 XXIII3.3 偏振模色散補(bǔ)償偏振模色散補(bǔ)償( PMD)仿真仿真3.3.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 3-21 偏振模色散補(bǔ)償仿真結(jié)構(gòu) 圖 3-21 為偏振模色散補(bǔ)償（PMD）系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)同樣采用經(jīng)過馬赫曾德調(diào)制器調(diào)制后的信號作為仿真信號源，與 FBG 補(bǔ)償仿真結(jié)構(gòu)類似，將其中的 FBG 模塊改成 PMD 模塊，通過修改 PMD 中的參數(shù)值來得出最佳的眼圖效果，從而得出最佳參數(shù)值。3.3.2 仿真結(jié)果分析圖 3-22 調(diào)制信號總功

38、率圖 3-22 為調(diào)制信號的總功率，因?yàn)椴捎玫氖桥c FBG 一樣的信號源，所以它們的所有功率參數(shù)一樣，在這里就只顯示出總功率即可，其他功率參數(shù)可參考圖 3-10 到 3-12。 XXIV圖 3-23 調(diào)制信號補(bǔ)償后的光譜圖圖 3-23 為調(diào)制信號 PMD 后的光譜圖，可以清楚的發(fā)現(xiàn)噪聲信號占用的空間很多，而抽樣信號則大為減少。圖 3-24 調(diào)制信號 PMD 后的眼圖圖 3-24 為調(diào)制信號的誤碼率顯示圖(眼圖)，這是通過多次實(shí)驗(yàn)得出的最佳眼圖，可以發(fā)現(xiàn)其眼圖不是很規(guī)則，由此可以知道 PMD 的保真度不是很好。 XXV圖 3-25 PMD 后的波形圖 圖 3-25 為調(diào)制信號經(jīng)過偏振模色散補(bǔ)償(

39、PMD )模塊補(bǔ)償后的波形圖，與光纖光柵色散補(bǔ)償(FBG)后的波形相比更不規(guī)則，與抽樣信號相比也有一些明顯的差入，但是與原信號的相似度非常大，可以肯定可以得出原信號。因此我們可以明顯的發(fā)現(xiàn) PMD 沒有 FBG 優(yōu)越。 XXVI結(jié)論結(jié)論 通過對色散補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證了其工作原理，并得到了較為理想的系統(tǒng)眼圖，從而驗(yàn)證了色散補(bǔ)償系統(tǒng)的正確性和設(shè)計(jì)方案的可行性。分析系統(tǒng)輸出波形可以得到，色散補(bǔ)償光纖傳愉系統(tǒng)存在一般光纖系統(tǒng)的性能缺點(diǎn)，如色散、碼間串?dāng)_、非線性效應(yīng)等，但通過修改色散補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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)。本論文通過對負(fù)色散光纖補(bǔ)償（DCF） ，光纖光柵色散補(bǔ)償（FBG）和偏振模色散補(bǔ)償（PMM）的仿真分析得出結(jié)果：DCF 系統(tǒng)簡單，補(bǔ)償效果也好，但是由于光纖的補(bǔ)償系數(shù)跟其材料有關(guān)，不便于多種模式的補(bǔ)償；FBG 系統(tǒng)相對較復(fù)雜，所以成本較高，但是其補(bǔ)償距離和補(bǔ)償模式可以是多變的，具有很好的適應(yīng)性;而 PMD 系統(tǒng)部建議采用此種色散補(bǔ)償，通過查閱大量資料發(fā)現(xiàn)，PMD 補(bǔ)償適用范圍狹窄，只有一些特殊場合（軍用、密報(bào)等）才會用到，一般民用光纖傳輸系統(tǒng)的 P