高斯脉冲在光纤中传输的研究

1东莞理工学院本科毕业论文毕业设计题目：高斯脉冲在光纤中传输的研究学生姓名：李华海学号：200741306121系别：电子工程学院专业班级：07光信息科学与技术指导教师姓名及职称：徐永钊副教授起止时间：2010年10月——2011年5月2摘要通过求解非线性薛定谔方程,研究了线性光纤中色散导致的具有初始频率啁啾的高斯脉冲展宽的详细物理过程。得到高斯脉冲在光纤中色散所致的脉冲展宽的特性,啁啾因子对脉冲展宽的影响,并讨论了光纤色散对不同宽度脉冲的影响,对色散补偿等技术的研究具有一定的参考价值。关键词:光纤;脉冲展宽;啁啾高斯脉冲;脉冲展宽因子3AbstractThedetailedphysicalprocessofthegroup-velocitydispersioninducedinitialfrequencychirpedGaussianpulsesbroadeningisstudiedthroughsolvingnon-linearSchrodingerequation.Thecharacteristicsofdispersion-inducedpulsesbroadeningofGaussianpulsesinfiberandtheeffectsofpulsesbroadeningonchirpfactorareobtained.Thepulsesbroadeningofvariedpulseswidthbasedonfiberdispersionarediscussed.Thishasmanyhelpfulvaluesfordispersioncompensation.Keywords:fiber;pulsebroadening;chirpedGaussianpulse;pulsebroadeningfactor4目录1.引言——本课题研究的意义...............................11.1本课题国内外研究现状.........................................21.2高速光纤通信的色散补偿技术...................................32.理论模型与分析........................................43．啁啾及色散导致脉冲展宽的理论分析和模拟................53.1.高斯脉冲在光纤中传输的相关的概念................5——掌握啁啾、正常色散区、反常色散区的概念......................................53．2研究光脉冲的啁啾对高斯脉冲传输的影响..............53．21初始啁啾的脉冲在光纤中传输时的展宽因子..................................53．22光脉冲的啁啾对高斯脉冲传输的影响..............................................73.3研究啁啾与色散的共同作用下对高斯脉冲传输的影响..94．基于啁啾及色散导致脉冲展宽的数值仿真和分析...........124.1仿真工具：OPTISYSTEM[12].....................................12MATLAB编程仿真.............................................124．2光脉冲的啁啾对高斯脉冲传输数值仿真和分析...................144．3啁啾与色散的共同作用下对高斯脉冲传输数值仿真和分析.........155脉冲自身宽度对脉冲展宽的影响.........................176.结论.................................................19参考文献：.............................................20致谢...............................................2111.引言——本课题研究的意义由于在采用光纤的数字光纤通信系统中，直接调制半导体激光器发射的光脉冲大多数是带啁啾的高斯脉冲。脉冲的啁啾除了是光源调制时产生的，由于色散及后面讨论的光纤非线性作用下，无啁啾脉冲也会变成有啁啾的。本论文主要是研究脉冲的啁啾对高斯脉冲传输的影响及啁啾与色散的共同作用下对高斯脉冲传输的影响光脉冲在光纤中传输受到色散展宽的影响,并随着传输速率(码率)的提高而更加明显,使得色散已成为光信号传输质量劣化、误码率增加的不可忽视的因素。光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因,光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量,同时,也限制了光信号的传输距离,对光信号传输极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码,光纤在传输中的脉冲展宽,导致了脉冲与脉冲相重叠现象,即产生了码间干扰,从而形成传输码的失误,造成差错。另一方面,光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此,为了避免误码,提高脉冲在光纤中的传输距离,研究光纤传输的脉冲展宽非常重要。21.1本课题国内外研究现状为了研究脉冲在线性和非线性传输过程中的波形、相位和啁啾等特性，人们进行了长期的积极探索。脉冲线性传输的研究在光纤通信等领域中仍然占据重要地位，并不断取得高速率、大容量的新成果。例如：2002年，HideyukiSotobayashi等人采用波分复用超连续谱光源、CS-RZ码流、色散管理技术完成了81×40Gbit/s、80km的线性传输实验，误码率达到10－9。2006年，Takuyaoharai等人采用超连续谱产生的1046个信道光源（信道间隔6.25GHz）在单模光纤中完成了1046×2.67-Gbit/s、126km的超密集波分复用传输实验。1990年，KatsumiIwatsuki等人利用1450nm和1480nmCW双向拉曼泵浦实现了5Gb/s、1550nm孤子脉冲在23km色散位移光纤中的传输实验，误码率为2×10-10。2001年，OkhrimchukAG等人利用1240nm拉曼泵浦和24km单模光纤环实现了10Gb/s10000km孤子传输实验。特别是近年来，世界各国相继提出了光孤子通信的发展计划。如日本星计划(STARPROJECT)项目，目标旨在采用孤子技术构建全球距离的Tb/s全光网，以满足急剧增长的多媒体、数据等业务的需求，使现有的通信网改建升级为下一代通信网基础设施。美国MIT林肯实验室主持超快孤子多接入网计划，该计划研究单信道100Gbit/s的TDM多接入网的网络结构、节点与收发设备等关键技术。荷兰飞利浦光电子研究中心主持的欧洲升级计划的目标是在欧洲网已铺设的标准单模光纤上采用光孤子传输，为欧洲的通信干线增大容量。法国电信(CNET)制订的致力于WDM孤子传输技术的产业化、实现1Tb/s、1000km孤子传输的科技发展计划等，以及最近提出的孤子通信系统ITU-T标准建议等都表明孤子通信系统是下一代光纤通信系统的优选方案.从20世纪90年代开始，在国家自然科学基金、国家863计划和相关部委等的支持下，我国有许多科研院所开展了通信理论与实验研究，主要研究了诸如跨距、速率、误码率等实现。色散补偿、光孤子补偿放大器、孤子传输理论和传输实验，取得了许多成果。1994年至1998年，高以智、许宝西、杨祥林和余建军等人采用半导体光孤子源，利用掺铒光纤放大器对孤子脉冲放大后，在色散位移光纤中进行了长距离传输研究，1998年，余建军等人在不同色散光纤的光纤链中进行了孤子传输，2001年，张晓光等人以色散补偿光纤作为色散补偿器件成功实现了10GHz、38km色散管理孤子的传输实验。曹文华等人研究了拉曼放大作用下的孤子脉冲传输等情况。其中，1994年曹文华等人计算模拟了在色散缓变3光纤中利用拉曼泵浦脉冲产生拉曼孤子脉冲的情况。1997年，李宏等人数值研究了利用调制拉曼泵浦脉冲来控制暗孤子的传输，表明调制拉曼泵浦进行传输控制，不仅可以有效地抑制暗孤子的时间抖动，同时还明显降低了暗孤子间的相互作用。2005年，沈廷根等人研究发现，在光子晶体光纤的各个线缺陷中掺入拉曼增益介质，得到在光子晶体光纤中能够对孤子脉冲进行拉曼放大。贾东方、刘颂豪、庞小峰、杨祥林和黄景宁等人的著作或译作对我国光孤子理论和实验研究作出了较大的贡献。国内光孤子研究的技术基础相对较弱，面临的技术难度较大，研究经费不足等原因，导致90年代以后研究工作进展缓慢、与国外研究的差距较大。目前南京邮电学院、北京邮电大学、聊城大学等单位仍然坚持研究。1.2高速光纤通信的色散补偿技术为了扩大光纤线路中继距离把其中存在的色散降低到最低程度，同时兼顾到插入损耗合理的技术措施，其中包括专用补偿光纤和光学元器件，输入端的光信号设计，使输出端的光信号足以保证系统性能，诸如跨距、速率、误码率等实现。色散补偿对G.652光纤线路转入1550nm窗口和非零色散光纤线路都是必要的。在我国，前一种更为现实和必要。色散补偿光纤技术有采用由色散补偿光纤（DCF＝DispersionCompensationFiber）制成的圈插入光纤线路中，该光纤的色散带负号，与线路光纤符号相反，但消耗光功率，仍须进一步优化。另一种技术方法是用色散管理光纤，即DMF（＝DispersionManagedFiber）。这种光纤有带正、负色散区段，如同线路光纤延展敷设，不致于造成DCF圈那样无谓的光损失。还有技术方法诸如预啁啾（Prechirp）和双模光纤补偿以及光谱反转等，Prechirp类同于电路预失真，传输入光脉冲的啁啾与线路光纤色散引起的调瞅相互抵销。双模光纤法基于运用高阶模在截止波长附近产生较大的波导色散（带负号）与线路光纤中带正号的单色散相抵销。需要指出，对于用于光弧子通信*的色散补偿需另作相应考虑。现有的色散补偿主要采用色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、色散支持传输、频谱反转、正负色散位移光纤交替传输等技术。由于色散补偿光纤(DCF)技术相对成熟、简单，适合长距离补偿，具有可控色散补偿量、较强的升级潜力、足够大的带宽、与WDM兼容、性能稳定等优点，因而采用DCF进行色散补偿具有明显的优势，得到了广泛的运用。42.理论模型与分析在输入脉冲的宽度大于5ps时,描述单模光纤传输模型的非线性薛定谔方程为[1,2]AAAiTAiZA222222(1)式中A(z,T)是脉冲包络光场慢变复振幅,T是随脉冲以群速度vg移动的参考系中的时间量度T=t-Z1,1=1/vg,z是脉冲沿光纤传输的距离,2是二阶色散(线性色散)系数(单位是ps2/km),(W-1km-1)是非线性系数，((1/km)是光纤损耗系数。方程(1)右边的三项分别表示光脉冲在光纤中传输时的吸收效应、色散效应和非线性效应。定义归一化振幅:U=0pA（2）P0是入射脉冲的初始峰值功率,方程(1)变为:UUPUiTUiZU2022222(3)在不考虑非线性效应的情况下(即=0),方程(3)变为:22222TUiZUUi(4)式(4)是一偏微分方程,利用傅立叶变换可以方便地求解。对U(z,)进行傅立叶变换得:U(z,T)=dTiU)exp(),(~21(5)dTTiUU)exp(),(),(~(6)由傅立叶变换的对应关系:U(z,T)U~(z,)),(~)(2),(22UiTTU(7)这样将(4)式转化为常微分方程:UiuiU~),(~2222~(8)解偏微分方程(7)式得到:2222)(exp),0(~),(~iUUi(9)式(9)表明,在暂不考虑损耗的情况下,群速度色散改变了光脉冲的每一个频谱分量的相位,而2221且其改变量依赖于频率!和距离z,虽然这种变化不会影响光脉冲的频谱!,但它却