光纤课程设计-色散补偿分析

光纤课程设计——色散补偿分析光纤课程设计——色散补偿分析17/18光纤课程设计——色散补偿分析目录TOC\o"1-9"\u1课程设计题目 12课程设计目的 13课程设计时间 14课程设计环境 15课程设计任务 16课程设计原理 16.1概述 16.2色散及其分类 26.3色散补偿光纤（DCF） 36.4啁啾光纤光栅(CFBG)色散补偿 46.5偏振模色散补偿法（PMD） 57课程设计过程及调试、结果 67.1负色散光纤补偿（DCF） 67.2光纤光栅色散补偿（FBG） 87.3偏振模色散补偿（PMD） 138课程设计体会 16参考文献 161课程设计题目色散补偿分析2课程设计目的要求学生根据题目要求，寻找相关资料，了解理论知识，并且掌握一种光通信系统设计软件OptiSystem的使用；要求学生熟悉色散补偿原理，熟悉软件，会应用软件进行系统设计，调试，获得相关结果，并可以对结果进行分析；同时也考验同学们的自学能力、解决问题的能力以及合作精神。3课程设计时间1周（2014年6月23日-2014年6月27日）4课程设计环境基于windows7系统，用Optisystem7.0软件进行仿真5课程设计任务熟悉OptiSystem软件的使用，基于OptiSystem软件完成色散补偿的仿真设计，对色散补偿元件的性能做相应的性能测试和模拟，增强研究问题解决问题的动手能力。6课程设计原理6.1概述目前，光纤线性通信已不能满足现在信息处理传输的要求，因为它存在着三个主要的缺陷：其一是光纤的色散，其二是光纤损耗,其三是非线性。低损耗光纤和掺铒光纤放大器的广泛应用解决了高速光纤通信系统的传输损耗问题。光纤的色散又能有效抑制四波混频等非线性效应，因此，色散问题已成为光纤通信系统进行升级扩容的主要障碍。受色散的影响，传输速率为10Gbit／s、光脉冲宽度为50ps的系统只能传输40km。传输速率为80Gbit／s时，传输距离不足2km。为了兼顾色散和非线性两种要素，人们提出了一种折衷方案，即将光纤的零色散点偏离1．55um窗口使之在1．55um波长处的色散不为零，约有2～6ps／km．nm的色散，这就是G．655光纤。当光纤传输的速率较低、距离较短时，采用G、655光纤进行传输的办法是可行的。但是，G．655光纤并没有解决色散问题，高速、长距离传输中仍然需要色散补偿。并且由于其低色散，光纤的非线性效应使通道间距为50GHz的波分复用(WDM)系统很难实现。而G．652光纤在1．55um窗口处的大色散可以有效的抑制非线性，通过色散补偿，实现通道间距为50GHz的WDM系统的传输毫无问题。迄今为止，全世界铺设的光纤干线长达2亿公里以上，其中的80％为G．652光纤。我国的八纵八横主要干线铺设的基本也都是G．652光纤。随着全球信息业务量的迅猛增加，通信网络必然要进一步向高速大容量方向发展，开发已有光通信系统的潜力，在G．652光纤上开通高速系统，关键问题是色散补偿。6.2色散及其分类光信号在光纤传输中不但幅度会因损耗而减小，波形亦会发生愈来愈大的失真，脉冲展宽，从而限制了光纤的最高信息传输速率。这种失真是由于信号中的各种分量在光纤中的群速度不同（因而时延不同）引起的。这些分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量及光纤中的不同模式分量。时延失真是由于光纤色散而产生的，光纤色散包括以下四种：（1）模间色散：多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散在发送机多个导模同时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。（2）波导色散：这是某个导模在不同波长（光源有一定的谱宽）下的群速度不同引起的色散，它与光纤结构的波导效应有关，又称为结构色散。（3）材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化，而光源有一定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度。（4）偏振模色散：普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，实际在单模光纤存在各种少量随机的不确定性，不对称性，造成了两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。在这四项色散中，波导色散和材料色散正比于光源的谱宽，故总称波长色散，它们的相对大小，与光源本身谱宽及调制边带宽度有关。对单模光纤，没有模间色散，波导色散与材料色散是主要的，它们的相对大小又与工作波长有关。对于多模光纤，模间色散与材料色散是主要的，波导色散可略去不计。6.3色散补偿光纤（DCF）其基本原理是通过对光纤的芯径及折射率分布的设计，利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于1.55微米，即在1.55微米波长处产生较大的负色散，这样当常规光纤和色散补偿光纤级联使用时，两者将会互相抵消。若用Ds和Dc分别表示常规光纤和色散补偿光纤在λ1处的色散系数，Ls和Lc分别表示常规光纤和色散补偿光纤的传输距离，则当满足（6-1）时，群时延色散被补偿，当满足（6-2）时，二阶色散被补偿。式中Ds1和Dc1是Ds和Dc的微商。斜率补偿型DCF的优点是带宽不受限制，产品供应商多，稳定性高。目前，斜率补偿DCF模块已获广泛应用，在全球范围内，它是1550nm外调制光纤干线/超干线长距离传输系统实现色散补偿的首选方案。它的缺点是非线性效应较明显，输入光功率不能过高，插入损耗较大。此外，DCF制成的DCM色散量不可调，而且不同类型的光纤需要不同类型的DCF。图6-1用负色散的色散补偿光纤对正色散标准单模光纤的色散进行补偿6.4啁啾光纤光栅(CFBG)色散补偿其基本原理是：啁啾光纤光栅中，谐振波是位置的函数，因此不同波长的入射光在啁啾光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时延，短波长分量经受的时延长，长波长分量经受的时延短，光栅所引入的时延与光纤中传输时造成的时延正好相反，二者引入的时延差相互抵消，使脉冲宽度得以恢复。图6为光纤光栅的反射谱和时延曲线。可以看到带宽范围内的时延曲线基本为一条直线，其斜率就是该光纤光栅所能补偿的色散量。图6-2啁啾光纤光栅色散补偿原理图6-3用光环形器将啁啾光栅的反射信号分离出来啁啾光纤光栅与现有光纤系统兼容性好，具有较低的传输损耗和插入损耗，色散补偿量大，能够实现光纤色散和色散斜率的同时补偿，折射率调制可以根据需要来通过不同的曝光过程加以控制，且价格低廉，易于大批量生产。因此，啁啾光纤光栅色散补偿器已被公认为具有很好应用前景的色散解决方案。6.5偏振模色散补偿法（PMD）单模光纤中，基模是由两个相互垂直的偏振模组成的。两偏振模的群速度由于受到外界一些不稳定因素的影响而产生差异，在传播中两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。PMD是由以下几个方面的因素造成的：光纤所固有的双折射，即光纤在生产过程中产生的几何尺寸不规则和在光纤中残留应力导致折射率分布的各项异性；光缆在铺设使用过程中，由于受到外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化的影响而产生偏振模耦合效应，从而改变两偏振模各自的传播常数和幅度，导致当光信号通过一些光通信器件如隔离器、耦合器、滤波器时，由于器件结构和材料本身的不完整性，也能导致双折射，产生PMD。目前国际上主要是以两种方式对PMD进行补偿，即在传输的光路上直接对光信号进行补偿或在光接收机内对电信号进行补偿。两者的实质都是利用某种光的或电的延迟线对PMD造成的两偏振模之间的时延差进行补偿。其基本原理为：首先在光或电上将两偏振模信号分开，然后用延迟线分别对其进行延时补偿，在反馈回路的控制下，使两偏振模之间的时延差为零，最后将补偿后的两偏振模信号混合输出。7课程设计过程及调试、结果本次课程设计是通过optisystem光纤系统仿真软件对色散补偿系统进行仿真，主要采用了三种方法，即负色散光纤补偿（DCF），光栅色散补偿（FBG）和偏振模色散补偿（PMD）。通过这些不同的方法得到了较为理想的色散补偿系统的仿真图，从而验证了设计方案的正确性和可行性。7.1负色散光纤补偿（DCF）如图7-1所示，利用OptiSystem设计这样的布局对其色散补偿进行仿真和分析。对初始时的脉冲波形，以及经过10km非线性色散光纤或的脉冲波形，以及最后经过FBG色散补偿器后的脉冲波形进行检测和分析，从而设计和改善系统中的色散补偿性能。图7-1DCF系统仿真结构而该布局中的关键元件属性设定可参见下图7-2：图7-2DCF色散补偿器的属性设定图图7-3入纤前光脉冲的波形图图7-4经过10km后的脉冲波形图图7-5经过色散补偿器的光脉冲波形可见，模拟出的结果和我们经计算预期的结果相当一致，这也为我们对提供的色散补偿元件的性能做了很好的性能测试和模拟。7.2光纤光栅色散补偿（FBG）图7-6FBG系统仿真结构图7-6为光纤光栅色散补偿（FBG）系统仿真结构，本实验同样以随机序列发生器作为信号源，通过马赫曾德调制器调制后进入光纤传输系统。信号先经过SMF再通过理想掺饵光纤放大器进入色散补偿光栅光纤，这个补偿线路由一个闭环控制器控制。输出的信号通过一个探测器针再与贝塞尔低通滤波器项链，然后将输出的信号发送到分析仪器进行分析。实验通过将原信号，调制后的信号和色散补偿后的信号进行比较，通过它们的仿真图研究其中产生何种变化，同时将得出最佳仿真的效果值。图7-7至7-10为信号调制后的通过光功率观察仪观察到的各种功率大小:图7-7调制信号的总功率图7-8调制信号的噪声功率图7-9调制信号功率图7-10抽样信号功率图7-11至7-13为调制信号经光栅补偿后的各种光谱图:图7-11抽样信号光谱图图7-12噪声信号光谱图图7-13调制信号经过光栅补偿后的光谱图图7-14FBG参数示意图图7-15至7-18为调制信号经过光栅补偿后的波形，可以从中发现噪声信号基本被屏蔽掉了，因此我们得出光栅补偿能较好的防止噪声信号的干扰同时保证信号不失真（即误码率降低）。图7-15信号经光纤光栅色散补偿前后的眼图图7-16抽样信号波形观察结果图7-17噪声信号波形观察结果图7-18总信号波形观察结果图为调制信号经过光栅补偿后的波形，由此可知噪声信号基本被过滤。可得光栅补偿能使误码率降低。7.3偏振模色散补偿（PMD）图7-19PMD系统仿真结构图为PMD系统仿真结构，类似于FBG，但不同于FBG的是，将FBG模块改成PMD模块并修改其参数从而来得出最佳眼图以及最佳参数值。图7-20调制信号总功率图7-21调制信号补偿后的光谱图由本图可知，噪声信号占用的空间很多，而抽样信号则大为减少。图7-22经过PMD后的眼图由图发现眼图并不很规则，可知PMD保真度不高。图7-23经过PMD系统后的波形本图是经过PMD系统后的波形图，相对于FBG而言，其更不规则且与抽样信号也有一定出入，但与原信号很相似，可得出原信号。由此知：FBG比PMD优越。

8课程设计体会本次课设主要通过使用optisystem光纤系统仿真软件对色散补偿系统进行仿真，分析系统结构参数变化以及关键器件的改变对输出波形质量的影响，为色散补偿系统的设计提供指导和参考优化值。通过一个星期的查找与探讨，我们了解了色散补偿技术以及光纤传输系统工作原理及构成；学会了optisystem光纤系统仿真软件的使用，并在软件上建立色散补偿光纤传输系统，对色散补偿元件的性能做出了相应的测试和模拟并得出了正确结果。通过对色散补偿系统的仿真，验证了其工作原理，并得到了较为理想的系统图，从而验证了色散补偿系统的正确性和设计方案的可行性。分析系统输出波形可以得到，色散补偿光纤传输系统存在一般光纤系统的性能缺点，但通过修改色散补偿模块的参数，可以优化这些性能，提高系统总体性能。色散补偿光纤传输系统是将调制信号经光纤传输后产生的色散效应通过色散补偿模块将此效应对信号的影响降低，有些时候需要增大色散效应，有些时候需要减小色散效应。本课设通过对负色散光纤补偿（DCF），光纤光栅色散补偿(FBG)和偏振模色散补偿（PMD）的仿真分析得出结果：DCF系统简单，补偿效果也好，但是由于光纤的补偿系数跟其材料有关，不便于多种模式的补偿；FBG系统相对较复杂，所以成本较高，但是其补偿距离和补偿模式可以是多变的，具有很好的适应性；而PMD补偿适用范围狭窄，只有一些特殊场合才会用到，一般民用光纤传输系统的PMD效