光纖課程設(shè)計(jì)-色散補(bǔ)償分析

光纖課程設(shè)計(jì)——色散補(bǔ)償分析光纖課程設(shè)計(jì)——色散補(bǔ)償分析17/18光纖課程設(shè)計(jì)——色散補(bǔ)償分析目錄TOC\o"1-9"\u1課程設(shè)計(jì)題目 12課程設(shè)計(jì)目的 13課程設(shè)計(jì)時(shí)間 14課程設(shè)計(jì)環(huán)境 15課程設(shè)計(jì)任務(wù) 16課程設(shè)計(jì)原理 16.1概述 16.2色散及其分類 26.3色散補(bǔ)償光纖（DCF） 36.4啁啾光纖光柵(CFBG)色散補(bǔ)償 46.5偏振模色散補(bǔ)償法（PMD） 57課程設(shè)計(jì)過(guò)程及調(diào)試、結(jié)果 67.1負(fù)色散光纖補(bǔ)償（DCF） 67.2光纖光柵色散補(bǔ)償（FBG） 87.3偏振模色散補(bǔ)償（PMD） 138課程設(shè)計(jì)體會(huì) 16參考文獻(xiàn) 161課程設(shè)計(jì)題目色散補(bǔ)償分析2課程設(shè)計(jì)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(shí)，并且掌握一種光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件OptiSystem的使用；要求學(xué)生熟悉色散補(bǔ)償原理，熟悉軟件，會(huì)應(yīng)用軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)試，獲得相關(guān)結(jié)果，并可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；同時(shí)也考驗(yàn)同學(xué)們的自學(xué)能力、解決問(wèn)題的能力以及合作精神。3課程設(shè)計(jì)時(shí)間1周（2014年6月23日-2014年6月27日）4課程設(shè)計(jì)環(huán)境基于windows7系統(tǒng)，用Optisystem7.0軟件進(jìn)行仿真5課程設(shè)計(jì)任務(wù)熟悉OptiSystem軟件的使用，基于OptiSystem軟件完成色散補(bǔ)償?shù)姆抡嬖O(shè)計(jì)，對(duì)色散補(bǔ)償元件的性能做相應(yīng)的性能測(cè)試和模擬，增強(qiáng)研究問(wèn)題解決問(wèn)題的動(dòng)手能力。6課程設(shè)計(jì)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螅驗(yàn)樗嬖谥齻€(gè)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(wèn)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(wèn)題已成為光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)容的主要障礙。受色散的影響，傳輸速率為10Gbit／s、光脈沖寬度為50ps的系統(tǒng)只能傳輸40km。傳輸速率為80Gbit／s時(shí)，傳輸距離不足2km。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(diǎn)偏離1．55um窗口使之在1．55um波長(zhǎng)處的色散不為零，約有2～6ps／km．nm的色散，這就是G．655光纖。當(dāng)光纖傳輸?shù)乃俾瘦^低、距離較短時(shí)，采用G、655光纖進(jìn)行傳輸?shù)霓k法是可行的。但是，G．655光纖并沒有解決色散問(wèn)題，高速、長(zhǎng)距離傳輸中仍然需要色散補(bǔ)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(shí)現(xiàn)。而G．652光纖在1．55um窗口處的大色散可以有效的抑制非線性，通過(guò)色散補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)通道間距為50GHz的WDM系統(tǒng)的傳輸毫無(wú)問(wèn)題。迄今為止，全世界鋪設(shè)的光纖干線長(zhǎng)達(dá)2億公里以上，其中的80％為G．652光纖。我國(guó)的八縱八橫主要干線鋪設(shè)的基本也都是G．652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(jìn)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G．652光纖上開通高速系統(tǒng)，關(guān)鍵問(wèn)題是色散補(bǔ)償。6.2色散及其分類光信號(hào)在光纖傳輸中不但幅度會(huì)因損耗而減小，波形亦會(huì)發(fā)生愈來(lái)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(hào)中的各種分量在光纖中的群速度不同（因而時(shí)延不同）引起的。這些分量包括發(fā)送信號(hào)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(shí)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(gè)導(dǎo)模之間群速度不同造成模間色散在發(fā)送機(jī)多個(gè)導(dǎo)模同時(shí)激勵(lì)時(shí)，各個(gè)導(dǎo)模具有不同的群速，到達(dá)接收端的時(shí)刻不同。（2）波導(dǎo)色散：這是某個(gè)導(dǎo)模在不同波長(zhǎng)（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(zhǎng)引起不同的群速度。（4）偏振模色散：普通單模光纖實(shí)際上傳輸兩個(gè)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(duì)稱性，造成了兩個(gè)偏振模的群時(shí)延不同，導(dǎo)致偏振模色散。在這四項(xiàng)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(zhǎng)色散，它們的相對(duì)大小，與光源本身譜寬及調(diào)制邊帶寬度有關(guān)。對(duì)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(duì)大小又與工作波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)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(jì)。6.3色散補(bǔ)償光纖（DCF）其基本原理是通過(guò)對(duì)光纖的芯徑及折射率分布的設(shè)計(jì)，利用光纖的波導(dǎo)色散效應(yīng)，使其零色散波長(zhǎng)大于1.55微米，即在1.55微米波長(zhǎng)處產(chǎn)生較大的負(fù)色散，這樣當(dāng)常規(guī)光纖和色散補(bǔ)償光纖級(jí)聯(lián)使用時(shí)，兩者將會(huì)互相抵消。若用Ds和Dc分別表示常規(guī)光纖和色散補(bǔ)償光纖在λ1處的色散系數(shù)，Ls和Lc分別表示常規(guī)光纖和色散補(bǔ)償光纖的傳輸距離，則當(dāng)滿足（6-1）時(shí)，群時(shí)延色散被補(bǔ)償，當(dāng)滿足（6-2）時(shí)，二階色散被補(bǔ)償。式中Ds1和Dc1是Ds和Dc的微商。斜率補(bǔ)償型DCF的優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)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(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償?shù)氖走x方案。它的缺點(diǎn)是非線性效應(yīng)較明顯，輸入光功率不能過(guò)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(bǔ)償光纖對(duì)正色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的色散進(jìn)行補(bǔ)償6.4啁啾光纖光柵(CFBG)色散補(bǔ)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(zhǎng)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(shí)延，短波長(zhǎng)分量經(jīng)受的時(shí)延長(zhǎng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)分量經(jīng)受的時(shí)延短，光柵所引入的時(shí)延與光纖中傳輸時(shí)造成的時(shí)延正好相反，二者引入的時(shí)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(shí)延曲線?？梢钥吹綆挿秶鷥?nèi)的時(shí)延曲線基本為一條直線，其斜率就是該光纖光柵所能補(bǔ)償?shù)纳⒘?。圖6-2啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償原理圖6-3用光環(huán)形器將啁啾光柵的反射信號(hào)分離出來(lái)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(bǔ)償量大，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖色散和色散斜率的同時(shí)補(bǔ)償，折射率調(diào)制可以根據(jù)需要來(lái)通過(guò)不同的曝光過(guò)程加以控制，且價(jià)格低廉，易于大批量生產(chǎn)。因此，啁啾光纖光柵色散補(bǔ)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(bǔ)償法（PMD）單模光纖中，基模是由兩個(gè)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(hào)脈沖展寬，從而形成偏振模色散。PMD是由以下幾個(gè)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(guò)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(xiàng)異性；光纜在鋪設(shè)使用過(guò)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(hào)通過(guò)一些光通信器件如隔離器、耦合器、濾波器時(shí)，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(guó)際上主要是以兩種方式對(duì)PMD進(jìn)行補(bǔ)償，即在傳輸?shù)墓饴飞现苯訉?duì)光信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償或在光接收機(jī)內(nèi)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。兩者的實(shí)質(zhì)都是利用某種光的或電的延遲線對(duì)PMD造成的兩偏振模之間的時(shí)延差進(jìn)行補(bǔ)償。其基本原理為：首先在光或電上將兩偏振模信號(hào)分開，然后用延遲線分別對(duì)其進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，在反饋回路的控制下，使兩偏振模之間的時(shí)延差為零，最后將補(bǔ)償后的兩偏振模信號(hào)混合輸出。7課程設(shè)計(jì)過(guò)程及調(diào)試、結(jié)果本次課程設(shè)計(jì)是通過(guò)optisystem光纖系統(tǒng)仿真軟件對(duì)色散補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要采用了三種方法，即負(fù)色散光纖補(bǔ)償（DCF），光柵色散補(bǔ)償（FBG）和偏振模色散補(bǔ)償（PMD）。通過(guò)這些不同的方法得到了較為理想的色散補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真圖，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性。7.1負(fù)色散光纖補(bǔ)償（DCF）如圖7-1所示，利用OptiSystem設(shè)計(jì)這樣的布局對(duì)其色散補(bǔ)償進(jìn)行仿真和分析。對(duì)初始時(shí)的脈沖波形，以及經(jīng)過(guò)10km非線性色散光纖或的脈沖波形，以及最后經(jīng)過(guò)FBG色散補(bǔ)償器后的脈沖波形進(jìn)行檢測(cè)和分析，從而設(shè)計(jì)和改善系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償性能。圖7-1DCF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7-2DCF色散補(bǔ)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(guò)10km后的脈沖波形圖圖7-5經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償器的光脈沖波形可見，模擬出的結(jié)果和我們經(jīng)計(jì)算預(yù)期的結(jié)果相當(dāng)一致，這也為我們對(duì)提供的色散補(bǔ)償元件的性能做了很好的性能測(cè)試和模擬。7.2光纖光柵色散補(bǔ)償（FBG）圖7-6FBG系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖7-6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)序列發(fā)生器作為信號(hào)源，通過(guò)馬赫曾德調(diào)制器調(diào)制后進(jìn)入光纖傳輸系統(tǒng)。信號(hào)先經(jīng)過(guò)SMF再通過(guò)理想摻餌光纖放大器進(jìn)入色散補(bǔ)償光柵光纖，這個(gè)補(bǔ)償線路由一個(gè)閉環(huán)控制器控制。輸出的信號(hào)通過(guò)一個(gè)探測(cè)器針再與貝塞爾低通濾波器項(xiàng)鏈，然后將輸出的信號(hào)發(fā)送到分析儀器進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)通過(guò)將原信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)和色散補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)它們的仿真圖研究其中產(chǎn)生何種變化，同時(shí)將得出最佳仿真的效果值。圖7-7至7-10為信號(hào)調(diào)制后的通過(guò)光功率觀察儀觀察到的各種功率大小:圖7-7調(diào)制信號(hào)的總功率圖7-8調(diào)制信號(hào)的噪聲功率圖7-9調(diào)制信號(hào)功率圖7-10抽樣信號(hào)功率圖7-11至7-13為調(diào)制信號(hào)經(jīng)光柵補(bǔ)償后的各種光譜圖:圖7-11抽樣信號(hào)光譜圖圖7-12噪聲信號(hào)光譜圖圖7-13調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光柵補(bǔ)償后的光譜圖圖7-14FBG參數(shù)示意圖圖7-15至7-18為調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光柵補(bǔ)償后的波形，可以從中發(fā)現(xiàn)噪聲信號(hào)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(hào)的干擾同時(shí)保證信號(hào)不失真（即誤碼率降低）。圖7-15信號(hào)經(jīng)光纖光柵色散補(bǔ)償前后的眼圖圖7-16抽樣信號(hào)波形觀察結(jié)果圖7-17噪聲信號(hào)波形觀察結(jié)果圖7-18總信號(hào)波形觀察結(jié)果圖為調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光柵補(bǔ)償后的波形，由此可知噪聲信號(hào)基本被過(guò)濾。可得光柵補(bǔ)償能使誤碼率降低。7.3偏振模色散補(bǔ)償（PMD）圖7-19PMD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(lái)得出最佳眼圖以及最佳參數(shù)值。圖7-20調(diào)制信號(hào)總功率圖7-21調(diào)制信號(hào)補(bǔ)償后的光譜圖由本圖可知，噪聲信號(hào)占用的空間很多，而抽樣信號(hào)則大為減少。圖7-22經(jīng)過(guò)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(guò)PMD系統(tǒng)后的波形本圖是經(jīng)過(guò)PMD系統(tǒng)后的波形圖，相對(duì)于FBG而言，其更不規(guī)則且與抽樣信號(hào)也有一定出入，但與原信號(hào)很相似，可得出原信號(hào)。由此知：FBG比PMD優(yōu)越。

8課程設(shè)計(jì)體會(huì)本次課設(shè)主要通過(guò)使用optisystem光纖系統(tǒng)仿真軟件對(duì)色散補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)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(duì)輸出波形質(zhì)量的影響，為色散補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考優(yōu)化值。通過(guò)一個(gè)星期的查找與探討，我們了解了色散補(bǔ)償技術(shù)以及光纖傳輸系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成；學(xué)會(huì)了optisystem光纖系統(tǒng)仿真軟件的使用，并在軟件上建立色散補(bǔ)償光纖傳輸系統(tǒng)，對(duì)色散補(bǔ)償元件的性能做出了相應(yīng)的測(cè)試和模擬并得出了正確結(jié)果。通過(guò)對(duì)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)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)償光纖傳輸系統(tǒng)存在一般光纖系統(tǒng)的性能缺點(diǎn)，但通過(guò)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(hào)經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的色散效應(yīng)通過(guò)色散補(bǔ)償模塊將此效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響降低，有些時(shí)候需要增大色散效應(yīng)，有些時(shí)候需要減小色散效應(yīng)。本課設(shè)通過(guò)對(duì)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（PMD）的仿真分析得出結(jié)果：DCF系統(tǒng)簡(jiǎn)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(duì)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補(bǔ)償適用范圍狹窄，只有一些特殊場(chǎng)合才會(huì)用到，一般民用光纖傳輸系統(tǒng)的PMD效