高斯脈沖在光纖中傳輸?shù)难芯繄?bào)告

1、-PAGE . z東 莞 理 工 學(xué) 院本 科 畢 業(yè) 論 文畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：高斯脈沖在光纖中傳輸?shù)难芯繉W(xué)生：華海學(xué) 號(hào)：200741306121系 別：電子工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)：07光信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師及職稱(chēng)：徐永釗 副教授起止時(shí)間：2010年 10月2011年5月摘 要通過(guò)求解非線(xiàn)性薛定諤方程, 研究了線(xiàn)性光纖中色散導(dǎo)致的具有初始頻率啁啾的高斯脈沖展寬的詳細(xì)物理過(guò)程。 得到高斯脈沖在光纖中色散所致的脈沖展寬的特性,啁啾因子對(duì)脈沖展寬的影響, 并討論了光纖色散對(duì)不同寬度脈沖的影響, 對(duì)色散補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)的研究具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:光纖; 脈沖展寬; 啁啾高斯脈沖; 脈沖展寬因子Abstrac

2、tThe detailed physical process of the group- velocity dispersion induced initial frequency chirped Gaussian pulses broadening is studied through solving non- linear Schrodinger equation. The characteristics of dispersion- induced pulses broadening o f Gaussian pulses in fiber and the effect s of pul

3、ses broadening on chirp factor are obtained. T he pulses broadening of variedpulses width based on fiber dispersion are discussed. T his has many helpful values for dispersion compensation.Key words:fiber; pulse broadening; chirped Gaussian pulse; pulse broadening factor目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK

4、l _Toc2924070221.引言本課題研究的意義 PAGEREF _Toc292407022 h 1HYPERLINK l _Toc2924070231.1本課題國(guó)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc292407023 h 2HYPERLINK l _Toc2924070241.2高速光纖通信的色散補(bǔ)償技術(shù) PAGEREF _Toc292407024 h 3HYPERLINK l _Toc2924070252.理論模型與分析 PAGEREF _Toc292407025 h 4HYPERLINK l _Toc2924070263啁啾及色散導(dǎo)致脈沖展寬的理論分析和模擬 PAGEREF _To

5、c292407026 h 5HYPERLINK l _Toc2924070273.1 . 高斯脈沖在光纖中傳輸?shù)南嚓P(guān)的概念 PAGEREF _Toc292407027 h 5HYPERLINK l _Toc292407028掌握啁啾、正常色散區(qū)、反常色散區(qū)的概念 PAGEREF _Toc292407028 h 5HYPERLINK l _Toc29240702932研究光脈沖的啁啾對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)挠绊?PAGEREF _Toc292407029 h 6HYPERLINK l _Toc292407030321初始啁啾的脈沖在光纖中傳輸時(shí)的展寬因子 PAGEREF _Toc292407030 h

6、6HYPERLINK l _Toc292407031322光脈沖的啁啾對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)挠绊?PAGEREF _Toc292407031 h 7HYPERLINK l _Toc2924070323.3研究啁啾與色散的共同作用下對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)挠绊?PAGEREF _Toc292407032 h 10HYPERLINK l _Toc2924070334基于啁啾及色散導(dǎo)致脈沖展寬的數(shù)值仿真和分析 PAGEREF _Toc292407033 h 12HYPERLINK l _Toc2924070344.1 仿真工具：OPTISYSTEM12 PAGEREF _Toc292407034 h 12HYPE

7、RLINK l _Toc292407035MATLAB編程仿真 PAGEREF _Toc292407035 h 12HYPERLINK l _Toc29240703642光脈沖的啁啾對(duì)高斯脈沖傳輸數(shù)值仿真和分析 PAGEREF _Toc292407036 h 14HYPERLINK l _Toc29240703743啁啾與色散的共同作用下對(duì)高斯脈沖傳輸數(shù)值仿真和分析 PAGEREF _Toc292407037 h 15HYPERLINK l _Toc2924070385脈沖自身寬度對(duì)脈沖展寬的影響 PAGEREF _Toc292407038 h 17HYPERLINK l _Toc292407

8、0396.結(jié)論 PAGEREF _Toc292407039 h 19HYPERLINK l _Toc292407040參考文獻(xiàn)： PAGEREF _Toc292407040 h 20HYPERLINK l _Toc292407041致 PAGEREF _Toc292407041 h 21-. z1.引言本課題研究的意義由于在采用光纖的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光脈沖大多數(shù)是帶啁啾的高斯脈沖。脈沖的啁啾除了是光源調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的，由于色散及后面討論的光纖非線(xiàn)性作用下，無(wú)啁啾脈沖也會(huì)變成有啁啾的。本論文主要是研究脈沖的啁啾對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)挠绊懠斑迸c色散的共同作用下對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)?/p>

9、影響光脈沖在光纖中傳輸受到色散展寬的影響,并隨著傳輸速率( 碼率) 的提高而更加明顯,使得色散已成為光信號(hào)傳輸質(zhì)量劣化、 誤碼率增加的不可無(wú)視的因素。光纖的色散是引起光纖帶寬變窄的主要原因,光纖帶寬變窄會(huì)限制光纖的傳輸容量, 同時(shí),也限制了光信號(hào)的傳輸距離, 對(duì)光信號(hào)傳輸極為不利。 光纖數(shù)字通信傳輸?shù)氖且幌盗忻}沖碼,光纖在傳輸中的脈沖展寬,導(dǎo)致了脈沖與脈沖相重疊現(xiàn)象, 即產(chǎn)生了碼間干擾, 從而形成傳輸碼的失誤, 造成過(guò)失。 另一方面,光纖脈沖的展寬程度隨著傳輸距離的增長(zhǎng)而越來(lái)越嚴(yán)重。因此, 為了防止誤碼, 提高脈沖在光纖中的傳輸距離, 研究光纖傳輸?shù)拿}沖展寬非常重要。1.1本課題國(guó)外研究現(xiàn)狀為

10、了研究脈沖在線(xiàn)性和非線(xiàn)性傳輸過(guò)程中的波形、相位和啁啾等特性，人們進(jìn)展了長(zhǎng)期的積極探索。脈沖線(xiàn)性傳輸?shù)难芯吭诠饫w通信等領(lǐng)域中仍然占據(jù)重要地位，并不斷取得高速率、大容量的新成果。例如：2002年，Hideyuki Sotobayashi等人采用波分復(fù)用超連續(xù)譜光源、CS-RZ碼流、色散管理技術(shù)完成了8140 Gbit/s、80 km的線(xiàn)性傳輸實(shí)驗(yàn)，誤碼率到達(dá)109。2006年，Takuya oharai等人采用超連續(xù)譜產(chǎn)生的1046個(gè)信道光源信道間隔6.25 GHz在單模光纖中完成了10462.67-Gbit/s、126 km的超密集波分復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)。1990年，Katsumi Iwatsuki等

11、人利用1450 nm和1480 nmCW雙向拉曼泵浦實(shí)現(xiàn)了5 Gb/s、1550 nm孤子脈沖在23 km色散位移光纖中的傳輸實(shí)驗(yàn)，誤碼率為210-10。2001年，Okhrimchuk A G等人利用1240 nm拉曼泵浦和24 km單模光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)了10 Gb/s10000 km孤子傳輸實(shí)驗(yàn)。特別是近年來(lái)，世界各國(guó)相繼提出了光孤子通信的開(kāi)展方案。如日本星方案(STAR PROJECT)工程，目標(biāo)旨在采用孤子技術(shù)構(gòu)建全球距離的Tb/s全光網(wǎng)，以滿(mǎn)足急劇增長(zhǎng)的多媒體、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的需求，使現(xiàn)有的通信網(wǎng)改建升級(jí)為下一代通信網(wǎng)根底設(shè)施。美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室主持超快孤子多接入網(wǎng)方案，該方案研究單信道10

12、0 Gbit/s的TDM多接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)與收發(fā)設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)。荷蘭飛利浦光電子研究中心主持的歐洲升級(jí)方案的目標(biāo)是在歐洲網(wǎng)已鋪設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上采用光孤子傳輸，為歐洲的通信干線(xiàn)增大容量。法國(guó)電信(CNET)制訂的致力于WDM孤子傳輸技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、實(shí)現(xiàn)1 Tb/s、1000 km孤子傳輸?shù)目萍奸_(kāi)展方案等，以及最近提出的孤子通信系統(tǒng)ITU-T標(biāo)準(zhǔn)建議等都說(shuō)明孤子通信系統(tǒng)是下一代光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)選方案.從20世紀(jì)90年代開(kāi)場(chǎng)，在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家863方案和相關(guān)部委等的支持下，我國(guó)有許多科研院所開(kāi)展了通信理論與實(shí)驗(yàn)研究，主要研究了諸如跨距、速率、誤碼率等實(shí)現(xiàn)。色散補(bǔ)償、光孤子補(bǔ)償放大器、孤

13、子傳輸理論和傳輸實(shí)驗(yàn)，取得了許多成果。1994年至1998年，高以智、許寶西、祥林和余建軍等人采用半導(dǎo)體光孤子源，利用摻鉺光纖放大器對(duì)孤子脈沖放大后，在色散位移光纖中進(jìn)展了長(zhǎng)距離傳輸研究，1998年，余建軍等人在不同色散光纖的光纖鏈中進(jìn)展了孤子傳輸，2001年，曉光等人以色散補(bǔ)償光纖作為色散補(bǔ)償器件成功實(shí)現(xiàn)了10 GHz、38 km色散管理孤子的傳輸實(shí)驗(yàn)。文華等人研究了拉曼放大作用下的孤子脈沖傳輸?shù)惹闆r。其中，1994年文華等人計(jì)算模擬了在色散緩變光纖中利用拉曼泵浦脈沖產(chǎn)生拉曼孤子脈沖的情況。1997年，宏等人數(shù)值研究了利用調(diào)制拉曼泵浦脈沖來(lái)控制暗孤子的傳輸，說(shuō)明調(diào)制拉曼泵浦進(jìn)展傳輸控制，不僅

14、可以有效地抑制暗孤子的時(shí)間抖動(dòng)，同時(shí)還明顯降低了暗孤子間的相互作用。2005年，廷根等人研究發(fā)現(xiàn)，在光子晶體光纖的各個(gè)線(xiàn)缺陷中摻入拉曼增益介質(zhì)，得到在光子晶體光纖中能夠?qū)伦用}沖進(jìn)展拉曼放大。賈、頌豪、龐小峰、祥林和黃景寧等人的著作或譯作對(duì)我國(guó)光孤子理論和實(shí)驗(yàn)研究作出了較大的奉獻(xiàn)。國(guó)光孤子研究的技術(shù)根底相對(duì)較弱，面臨的技術(shù)難度較大，研究經(jīng)費(fèi)缺乏等原因，導(dǎo)致90年代以后研究工作進(jìn)展緩慢、與國(guó)外研究的差距較大。目前郵電學(xué)院、郵電大學(xué)、聊城大學(xué)等單位仍然堅(jiān)持研究。1.2高速光纖通信的色散補(bǔ)償技術(shù)為了擴(kuò)大光纖線(xiàn)路中繼距離把其中存在的色散降低到最低程度，同時(shí)兼顧到插入損耗合理的技術(shù)措施，其中包括專(zhuān)用補(bǔ)償

15、光纖和光學(xué)元器件，輸入端的光信號(hào)設(shè)計(jì)，使輸出端的光信號(hào)足以保證系統(tǒng)性能，諸如跨距、速率、誤碼率等實(shí)現(xiàn)。色散補(bǔ)償對(duì)G.652光纖線(xiàn)路轉(zhuǎn)入1550nm窗口和非零色散光纖線(xiàn)路都是必要的。在我國(guó)，前一種更為現(xiàn)實(shí)和必要。色散補(bǔ)償光纖技術(shù)有采用由色散補(bǔ)償光纖DCFDispersion Compensation Fiber制成的圈插入光纖線(xiàn)路中，該光纖的色散帶負(fù)號(hào)，與線(xiàn)路光纖符號(hào)相反，但消耗光功率，仍須進(jìn)一步優(yōu)化。另一種技術(shù)方法是用色散管理光纖，即DMFDispersion Managed Fiber。這種光纖有帶正、負(fù)色散區(qū)段，如同線(xiàn)路光纖延展敷設(shè)，不致于造成DCF圈那樣無(wú)謂的光損失。還有技術(shù)方法諸如預(yù)啁

16、啾P(pán)rechirp和雙模光纖補(bǔ)償以及光譜反轉(zhuǎn)等，Prechirp類(lèi)同于電路預(yù)失真，傳輸入光脈沖的啁啾與線(xiàn)路光纖色散引起的調(diào)瞅相互抵銷(xiāo)。雙模光纖法基于運(yùn)用高階模在截止波長(zhǎng)附近產(chǎn)生較大的波導(dǎo)色散帶負(fù)號(hào)與線(xiàn)路光纖中帶正號(hào)的單色散相抵銷(xiāo)。需要指出，對(duì)于用于光弧子通信*的色散補(bǔ)償需另作相應(yīng)考慮?，F(xiàn)有的色散補(bǔ)償主要采用色散補(bǔ)償光纖、啁啾光纖光柵、色散支持傳輸、頻譜反轉(zhuǎn)、正負(fù)色散位移光纖交替?zhèn)鬏數(shù)燃夹g(shù)。由于色散補(bǔ)償光纖(DCF)技術(shù)相對(duì)成熟、簡(jiǎn)單，適合長(zhǎng)距離補(bǔ)償，具有可控色散補(bǔ)償量、較強(qiáng)的升級(jí)潛力、足夠大的帶寬、與WDM兼容、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而采用DCF進(jìn)展色散補(bǔ)償具有明顯的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的運(yùn)用。2.理

17、論模型與分析在輸入脈沖的寬度大于5 ps 時(shí), 描述單模光纖傳輸模型的非線(xiàn)性薛定諤方程為 1, 2( 1)式中A ( z , T )是脈沖包絡(luò)光場(chǎng)慢變復(fù)振幅, T 是隨脈沖以群速度vg 移動(dòng)的參考系中的時(shí)間量度T = t-, = 1/ vg , z 是脈沖沿光纖傳輸?shù)木嚯x, 是二階色散( 線(xiàn)性色散) 系數(shù)( 單位是ps2/ km) ,( W- 1km- 1)是非線(xiàn)性系數(shù)，( ( 1/ km)是光纖損耗系數(shù)。方程( 1)右邊的三項(xiàng)分別表示光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的吸收效應(yīng)、 色散效應(yīng)和非線(xiàn)性效應(yīng)。定義歸一化振幅:U= 2P 0 是入射脈沖的初始峰值功率, 方程( 1)變?yōu)?(3)在不考慮非線(xiàn)性效應(yīng)的

18、情況下( 即= 0) ,方程( 3)變?yōu)?(4)式( 4)是一偏微分方程,利用傅立葉變換可以方便地求解。對(duì)U( z , )進(jìn)展傅立葉變換得:U( z , T) =(5)( 6)由傅立葉變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系:U( z , T ) U ( z , ) (7)這樣將( 4)式轉(zhuǎn)化為常微分方程: (8)解偏微分方程( 7) 式得到:( 9)式( 9)說(shuō)明, 在暫不考慮損耗的情況下,群速度色散改變了光脈沖的每一個(gè)頻譜分量的相位,而且其改變量依賴(lài)于頻率!和距離z ,雖然這種變化不會(huì)影響光脈沖的頻譜!, 但它卻能改變光脈沖的形狀。將方程( 9) 帶入式( 5)得方程( 4)的通解為: ( 10)式中是入射光場(chǎng)在z

19、 = 0 處的傅立葉變換。 (11)3啁啾及色散導(dǎo)致脈沖展寬的理論分析和模擬3.1 . 高斯脈沖在光纖中傳輸?shù)南嚓P(guān)的概念掌握啁啾、正常色散區(qū)、反常色散區(qū)的概念由于在采用光纖的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光脈沖大多數(shù)是帶啁啾的高斯脈沖。所謂的啁啾，是指脈沖的頻率光頻是隨時(shí)間而變化的；而高斯分布是指脈沖的包絡(luò)形狀。這種入射光場(chǎng)脈沖的歸一化振幅可表示為式中T=t-Z/Vg為以群速度Vg移動(dòng)的參考系中的時(shí)間量度，Z為傳播主向。To為脈沖幅度1/e 處的初始半寬度。C為脈沖的初始啁啾參量，C0時(shí)，表示脈沖從前沿到后沿的瞬時(shí)頻率線(xiàn)性增加，稱(chēng)上或正啁啾；C0時(shí)，正好相反，為下或負(fù)啁啾。當(dāng)C

20、=0時(shí)，脈沖是無(wú)啁啾的。脈沖的啁啾除了是光源調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的，由于色散及后面討論的光纖非線(xiàn)性作用下，無(wú)啁啾脈沖也會(huì)變成有啁啾的。高斯脈沖在單模光纖中傳播時(shí)，其脈寬會(huì)因色散展寬，從To展寬到Tz，并有可發(fā)現(xiàn)，原來(lái)無(wú)啁啾的高斯脈沖沿光纖傳輸后，色散使它產(chǎn)生了啁啾。且瞬時(shí)頻率隨時(shí)間增加而降低，因此是負(fù)啁啾。啁啾的產(chǎn)生，進(jìn)下一步加劇了色散的影響。這是脈沖在0的正常色散區(qū)傳輸時(shí)，色散產(chǎn)生的啁啾將是正啁啾。32研究光脈沖的啁啾對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)挠绊?21初始啁啾的脈沖在光纖中傳輸時(shí)的展寬因子下面分析具有初始啁啾的高斯脈沖通過(guò)單模光纖時(shí)的情況。設(shè)進(jìn)入光纖前的脈沖是具有啁啾的高斯脈沖( 下式中C 為啁啾因子) :

21、(12)將( 12) 式代入( 11) 式積分得: (積分用到 ) (11) = = (13)將( 13)式帶入( 10)式得: 14( 14) 式即為高斯脈沖在光纖方向任一點(diǎn)z 處的振幅。假設(shè)忽略光纖的吸收,上式變?yōu)? 15我們注意到( 15)式是一個(gè)復(fù)數(shù)式,為了求其寬度,需要把實(shí)數(shù)局部和虛數(shù)局部分開(kāi), 為此,把( 15)式平方后得到的高斯光脈沖為:開(kāi)方式( 16) , 即得光纖中傳播的光波場(chǎng):+arctan(17)下面求脈沖展寬后的寬度, 定義色散長(zhǎng)度為L(zhǎng) D=,則由( 17)式得到光脈沖的形狀為: (18)為了形象地描述脈沖展寬與傳輸距離的關(guān)系,定義均方根寬度式中，利用( 15)式的結(jié)果

22、, 可以得到具有初始啁啾的脈沖在光纖中傳輸時(shí)的展寬因子 19式中,為z = 0 時(shí)啁啾高斯脈沖的初始均方根寬度。322光脈沖的啁啾對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)挠绊懹缮厦娴某跏歼钡拿}沖在光纖中傳輸時(shí)的展寬因子公式分析, 取C= - 2, T0= 30 ps, = 9,即二階色散的情況下,其色散長(zhǎng)度= 100km。可以得到在傳輸距離z 分別等于0, 0. 2 ,0. 4, 0. 6, 0. 8, 1. 0 時(shí)的脈沖波形,如圖1( a)所示;圖1( b)是取C= 2, 其他參數(shù)取值一樣的情況下,光脈沖展寬的波形圖。L D=稱(chēng)為色散長(zhǎng)度，在在討論色散長(zhǎng)度效應(yīng)時(shí)，通常作為傳輸距離z 的歸一化量度。假設(shè)Z，則色散效

23、應(yīng)可略去不計(jì)，從上式可得，脈沖無(wú)展寬。而當(dāng)時(shí)，無(wú)啁啾脈沖的，色散效應(yīng)起主要作用，非線(xiàn)性效應(yīng)作用小。因此，色散對(duì)系統(tǒng)性能的限制，高速率時(shí)要比低速率嚴(yán)重得多。圖2是其他參數(shù)同圖1取值的情況下, 啁啾因子C 取不同值時(shí),啁啾高斯脈沖的展寬因子隨距離的變化關(guān)系曲線(xiàn)。從圖2可以看出, 對(duì)C= 0(即無(wú)初始啁啾脈沖)的曲線(xiàn),隨傳輸距離的增加,展寬因子逐漸增大, 但是速度相對(duì)較小,脈沖展寬相對(duì)緩慢;從圖2 還可以看出,脈沖的展寬除依賴(lài)于和 C 的相對(duì)符號(hào)外,與啁啾因子數(shù)值也有關(guān),在傳輸距離一樣的情況下, C的數(shù)值越大, 展寬因子越大,脈沖隨傳輸距離展寬得越快。并且由圖可知無(wú)論的符號(hào)，C的數(shù)值越大，最后脈沖隨

24、傳輸距離也展寬得越快的。研究啁啾與色散的共同作用下對(duì)高斯脈沖傳輸?shù)挠绊懮厦鎴D分析可知：從圖1( a) 中可以看到, 當(dāng)C 0 時(shí), 脈沖急劇展寬, 傳輸效果急劇惡化, 即此情況下,線(xiàn)性初始啁啾不利于光脈沖傳輸。 以上分析是在正常色散區(qū)( 0) ,在反常色散區(qū)亦然。在圖2中對(duì)C= - 2 的曲線(xiàn), 此時(shí)C 0,得與圖1( a)一樣結(jié)論,即線(xiàn)性初始啁啾對(duì)二階色散有一個(gè)補(bǔ)償過(guò)程,這是因?yàn)槎A色散參數(shù)引起橫過(guò)脈沖的頻率的線(xiàn)性變化, 即線(xiàn)性頻率啁啾對(duì)C= 2 與C= 4 的曲線(xiàn), 可得與圖1( b)一樣的結(jié)論。色散導(dǎo)致的脈沖壓縮或展寬可定性解釋如下。對(duì)正啁啾脈沖，瞬時(shí)頻率隨時(shí)間的增加而增加，即脈沖前沿的

25、頻率低，后沿的頻率高。但當(dāng) 0時(shí)，脈沖的高斯分量稱(chēng)為藍(lán)移要比低頻分量稱(chēng)為紅移傳播得快，從而使頻率較高的正啁啾脈沖的后沿，要比低的脈沖前沿傳播得快，結(jié)果就產(chǎn)生了脈沖壓縮，即脈寬變窄，這就是圖中C=1和C=2在初始階段發(fā)生的情況。脈沖壓縮效應(yīng)也可解釋為： 0時(shí)色散產(chǎn)生的啁啾是負(fù)的，它對(duì)脈沖本身的正啁啾起抵消作用。在*個(gè)距離上，兩者恰好相抵，脈寬變??；而超過(guò)這個(gè)距離后，色散致啁啾超過(guò)了脈沖的初始的啁啾，脈沖開(kāi)場(chǎng)展寬。脈沖壓縮效應(yīng)可來(lái)增加傳輸距離，圖可清楚地看出這一點(diǎn)：在同樣的脈沖展寬量時(shí)，有脈沖壓縮效應(yīng)時(shí)的傳輸距離要大得多。為此，應(yīng)用足C 0的條件。但一般的半導(dǎo)體激光器光源在直接強(qiáng)度調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的光脈

26、沖是負(fù)啁啾的C 0的單模光纖。但普通的G652單模光纖在1550nm波長(zhǎng)時(shí) 0，不能滿(mǎn)足C 0的條件。但采用專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)光纖，如Corning的 MetroCor單模光纖，它在整個(gè)C及L波段上的色散系數(shù)D 0，在C波段，其平均D=-8Ps/(nmKm)。采用這種光纖，直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器發(fā)送的10Gb/s高速光脈沖，可傳送100Km。相比之下，假設(shè)彩用G652光纖，同樣的信號(hào)只能傳送10km .因此，通常情況下要采用個(gè)調(diào)制方式，以降低光脈沖的啁啾，但外調(diào)制器十分昂貴，對(duì)本錢(qián)很敏感的城域網(wǎng)是難以承受的。而上面討論的方案因無(wú)需要外調(diào)制器而就很有競(jìng)爭(zhēng)力了。4 基于啁啾及色散導(dǎo)致脈沖展寬的數(shù)值仿真和分析

27、4.1 仿真工具：OPTISYSTEM光通訊系統(tǒng)正在變得日益復(fù)雜，這些系統(tǒng)通常包含多個(gè)信號(hào)通道、不同的拓?fù)錁?gòu)造、非線(xiàn)性器件和非高斯噪聲源，對(duì)它們的設(shè)計(jì)和分析是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜的。如果得到先進(jìn)的軟件工具的幫助，就會(huì)使得這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析變得迅速而有效。OPTISYSTEM是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化各種類(lèi)型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長(zhǎng)距離通訊系統(tǒng)到LANS和MANS都使用。對(duì)一個(gè)基于實(shí)際光纖通訊系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級(jí)模擬器，OPTISYSTEM具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件和系統(tǒng)的分級(jí)定義。它的性能可以通過(guò)附加的用戶(hù)器件庫(kù)和完整的界面進(jìn)展擴(kuò)展，而成為一系列廣泛使

28、用的工具。全面的圖形用戶(hù)界面控制光子器件設(shè)計(jì)、器件模型和演示。巨大的有源和無(wú)源器件的庫(kù)包括實(shí)際的波長(zhǎng)相關(guān)的參數(shù)，參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶(hù)研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。因?yàn)槭菫榱朔舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)者、光通訊工程師、研究人員和學(xué)術(shù)界的要求而設(shè)計(jì)的，OPTISYSTEM滿(mǎn)足了急速開(kāi)展的光子市場(chǎng)對(duì)一個(gè)強(qiáng)有力而易于使用的光系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的需求。OPTISYSTEM允許對(duì)物理層任何類(lèi)型的虛擬光連接和寬帶光網(wǎng)絡(luò)的分析，從遠(yuǎn)距離通訊到MANS和LANS都適用。它的廣泛應(yīng)用包括：物理層的器件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的光通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，CATV或者TDMWDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，SONETSDH的環(huán)形設(shè)計(jì)，傳輸器、信道、放大器和接收器的

29、設(shè)計(jì)，色散圖設(shè)計(jì)，不同承受模式下誤碼率BER和系統(tǒng)代價(jià)penalty的評(píng)估，放大的系統(tǒng)BER和連接預(yù)算計(jì)算。MATLAB編程仿真在不算光纖中自相位調(diào)制對(duì)啁啾及色散的作用下的高斯脈沖傳輸?shù)挠绊懙牡南?，用上面以?jīng)推導(dǎo)出來(lái)的理論模型來(lái)MATLAB編程如下：clear all;close all;tic;n=1; a=0.2;a1=a./4.343;T0=10;%T=40;M=1024;dt=T/M;T=20;M=2048/4;dt=2*T/M;t=linspace(-T,T,M+1);%T1=50;T2=8;T=T1+T2;M=2048*2;t=linspace(-T1,T2,M+1);dt=T/M

30、;w1=linspace(-pi/dt,pi/dt,M+1);w=fftshift(w1(1:M);%w=2*pi/T*(-M/2:M/2-1);w=fftshift(w);w2=w;r=1;P0=1;B2=10;sgnB2=1;C= input(輸入C ); while(C=0)Ld=T02/abs(B2);z=0.6*Ld;h=z/500;%u=e*p(-t(1:M).2/2);%Gauss%u=e*p(-t(1:M).2/2/T0.2);%Gaussu0=e*p(-(1+i*C/2)*t(1:M).2/2);%sechu=e*p(-(1+i*C/2)*t(1:M).2/2);%sechU

31、=u;D=e*p(-i*sgnB2.*(i.*w).2./(2*Ld).*h);ut=u;u00=u;for k0=1:n; for k1=1:fi*(z./(n.*h) u1=fft(u).*D; u2=ifft(u1); u=u2; u3=u2+u0; end U=U;u;endone=ones(1,M);figure(1); plot(t(1:M),abs(u0).2,r);hold on; plot(t(1:M),abs(u).2,b);hold on; a*is(-8,8,0,1.4);set(gcf,color,w)hold onC= input(輸入C);End42光脈沖的啁啾對(duì)

32、高斯脈沖傳輸數(shù)值仿真和分析由上面編程可得到光脈沖的啁啾對(duì)高斯脈沖傳輸數(shù)值仿真圖如下：從圖其他參數(shù)取值一樣的情況下而啁啾因子C 取不同值時(shí),光脈沖展寬的波形圖可以看出。當(dāng)C 0 時(shí), 脈沖急劇展寬, 傳輸效果急劇惡化, 即此情況下,線(xiàn)性初始啁啾不利于光脈沖傳輸。從而進(jìn)一步證實(shí)了3.22中理論：啁啾因子C 取不同值時(shí),啁啾高斯脈沖的展寬因子的變化關(guān)系曲線(xiàn)。由上圖更可以看出，,無(wú)論色散怎樣，在傳輸距離一樣的情況下, 啁啾因子數(shù)值C的數(shù)值越大, 展寬因子越大,脈沖隨傳輸距離展寬得越快。43啁啾與色散的共同作用下對(duì)高斯脈沖傳輸數(shù)值仿真和分析由上面編程可得到光脈沖的啁啾與色散的共同作用下對(duì)高斯脈沖傳輸數(shù)值

33、仿真圖如下上面圖分析可知： 當(dāng)C=2C 0 時(shí), 脈沖急劇展寬, 傳輸效果急劇惡化, 即此情況下,線(xiàn)性初始啁啾不利于光脈沖傳輸。上面圖分析可知： 當(dāng)C=-4C 0 時(shí), 脈沖急劇展寬, 傳輸效果急劇惡化, 即此情況下,線(xiàn)性初始啁啾不利于光脈沖傳輸。 以上分析是在正常色散區(qū)( 0) ,在反常色散區(qū)亦然。色散導(dǎo)致的脈沖壓縮或展寬可定性解釋如下。對(duì)正啁啾脈沖，瞬時(shí)頻率隨時(shí)間的增加而增加，即脈沖前沿的頻率低，后沿的頻率高。但當(dāng) 0時(shí)，脈沖的高斯分量稱(chēng)為藍(lán)移要比低頻分量稱(chēng)為紅移傳播得快，從而使頻率較高的正啁啾脈沖的后沿，要比低的脈沖前沿傳播得快，結(jié)果就產(chǎn)生了脈沖壓縮，即脈寬變窄，這就是圖中C=2在初始階

34、段發(fā)生的情況。脈沖壓縮效應(yīng)也可解釋為： 0時(shí)色散產(chǎn)生的啁啾是負(fù)的，它對(duì)脈沖本身的正啁啾起抵消作用。在*個(gè)距離上，兩者恰好相抵，脈寬變?。欢^(guò)這個(gè)距離后，色散致啁啾超過(guò)了脈沖的初始的啁啾，脈沖開(kāi)場(chǎng)展寬。5脈沖自身寬度對(duì)脈沖展寬的影響設(shè)輸入脈沖為啁啾高斯脈沖: , 在單模光纖中傳輸時(shí)的脈沖展寬可以由( 19)式求得均方根脈沖展寬因子與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。圖3 是當(dāng) T0= 5 ps、 10 ps、 20 ps、 50 ps、 100ps, = - 20 ps2/ km 時(shí),高斯脈沖的展寬因子與在光纖中傳輸長(zhǎng)度的關(guān)系。由于對(duì)于固定的光纖是一定的, 所以色散長(zhǎng)度L D與初始脈寬T 0 有關(guān)。初始脈寬越寬

35、, L D 越大, 其展寬因子較小且隨光纖長(zhǎng)度的變化越緩慢。反之, 初始脈寬越窄,L D 越小,其展寬因子越大且隨光纖長(zhǎng)度急劇變化。對(duì)于超短脈沖來(lái)說(shuō), 散射長(zhǎng)度較小,在同樣長(zhǎng)度的光纖中傳輸時(shí), 脈沖展寬程度要大(對(duì)于C 0 的情況,開(kāi)場(chǎng)有一脈沖壓縮過(guò)程,此時(shí)展寬因子變小)。 圖3 中, 脈沖寬度5 ps 的展寬最厲害,其它依次減弱,到脈寬為50 ps、 100 ps 時(shí),展寬因子隨光纖長(zhǎng)度的變化非常小。所以對(duì)短脈沖和超短脈沖在光纖中的傳輸就必須采取有效的措施來(lái)抑制脈沖的展寬, 確保光纖高質(zhì)量的傳輸。表1中列出了不同寬度的脈沖在= - 20 ps2/km 的光纖中傳輸10 km 后的脈沖展寬情況

36、。表1不同寬度的脈沖在光纖中傳輸10 km后的脈沖展寬情況Tab. 1Broadening properties of dif ferent pulses aftertransmitting over 10 km in f iber可以看出隨著脈沖寬度的增加, 脈沖展寬逐漸減小, 5 ps 的脈沖在光纖中傳輸10 km 后其脈寬展寬了39 倍多。 也就是說(shuō)在同樣條件下窄脈寬脈沖的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于寬脈寬脈沖,而脈沖寬度又直接決定了系統(tǒng)的傳輸速率。 所以,在窄帶寬大容量光通信中,必須非常重視脈沖展寬影響。6.結(jié)論以上通過(guò)解薛定諤方程, 研究了線(xiàn)性光纖中色散導(dǎo)致具有初始頻率啁啾的高斯脈沖展寬的詳細(xì)物

37、理過(guò)程。 得到啁啾高斯脈沖在光纖中二階色散所導(dǎo)致的脈寬表達(dá)式,作圖模擬了因色散造成的脈沖展寬和展寬因子隨傳輸距離的變化關(guān)系?？梢钥闯? 啁啾高斯脈沖在光纖中傳輸因色散而展寬,色散導(dǎo)致的脈沖壓縮C 0的條件或展寬可定性解釋如下：對(duì)正啁啾脈沖，瞬時(shí)頻率隨時(shí)間的增加而增加，即脈沖前沿的頻率低，后沿的頻率高。但當(dāng) 0時(shí)，脈沖的高斯分量稱(chēng)為藍(lán)移要比低頻分量稱(chēng)為紅移傳播得快，從而使頻率較高的正啁啾脈沖的后沿，要比低的脈沖前沿傳播得快，結(jié)果就產(chǎn)生了脈沖壓縮，即脈寬變窄，這就是圖中C=1和C=2在初始階段發(fā)生的情況。脈沖壓縮效應(yīng)也可解釋為： 0時(shí)色散產(chǎn)生的啁啾是負(fù)的，它對(duì)脈沖本身的正啁啾起抵消作用。在*個(gè)距離

38、上，兩者恰好相抵，脈寬變小；而超過(guò)這個(gè)距離后，色散致啁啾超過(guò)了脈沖的初始的啁啾，脈沖開(kāi)場(chǎng)展寬。脈沖壓縮效應(yīng)可來(lái)增加傳輸距離，圖可清楚地看出這一點(diǎn)：在同樣的脈沖展寬量時(shí)，有脈沖壓縮效應(yīng)時(shí)的傳輸距離要大得多。但是在C 0 時(shí),有一初始脈沖壓縮過(guò)程, 而后展寬, 這說(shuō)明啁啾可以在一定限度補(bǔ)償二階色散。 并分析研究了不同寬度的脈沖在光纖中傳輸時(shí)的脈沖展寬情況,可知同樣條件下窄脈寬脈沖的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于寬脈寬脈沖,而脈沖寬度又直接決定了系統(tǒng)的傳輸速率。 這對(duì)于窄帶寬大容量光通信中的色散補(bǔ)償技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)： 1光纖通信原理與系統(tǒng)東南大學(xué) 明德 主編 2光纖通信系統(tǒng)郵電大學(xué) 顧畹儀 主編 3非線(xiàn)性光纖光學(xué)電子工業(yè) G.P. Agrawal著 4Govind P A. 非線(xiàn)性光纖光學(xué) M . 胡國(guó)絳, 黃超, 譯. 天津:天津大學(xué), 1992: 21- 46. 5均, 黃德修, 新亮. 光纖傳輸模型的數(shù)值計(jì)