光纤课程设计——色散补偿分析

目录1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...........................................................................................................................1611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2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3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。4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5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。67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