毕业设计（论文）-基于光子晶体光纤的wdm系统的设计

毕业设计（论文）题目基于光子晶体光纤的WDM系统的设计姓名余文志学号0811122121所在学院理学院专业班级2008级光信1班指导教师成纯富日期2012年05月22日摘要随着人类社会进入信息时代，人们对信息量的需求不断提高，导致全球信息传输量呈级数增长，对通信网络的带宽、容量和传输速率提出了更高的要求，在这种背景下WDM技术应运而生。在WDM系统中，理想的光纤应该具有很小的衰减、适当的色散、很低的偏振模色散，较大的有效面积、理想的弯曲损耗特性等。但传统的光纤很难满足这些要求，这就限制了光网络容量和传输速率的进一步提高。为了解决这一问题人们开始研究新型光纤，本文所研究的光子晶体光纤就是众多新型光纤中的一种。理论研究结果表明这种光纤具有很多优良的传输特性，如不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、可控的波导色散特性、极低的损耗和极低的非线性效应等。光子晶体光纤以其独特的传输特性，很好的解决了光纤传输中遇到的损耗、色散和非线性等问题，因而近几年来对光子晶体光纤的研究备受关注。本文利用OPTISYSTEM软件对基于光子晶体光纤的WDM系统的其传输性能做了仿真研究，主要研究了以下内容1、研究了光子晶体光纤WDM系统光源发射功率对其性能的影响，侧重研究了NRZ码型和RZ码型的光子晶体光纤WDM系统的功率特性。研究发现对于两种调制码型在较低功率时噪声对系统的影响占主导因素，在高功率情况时非线性效应对系统的影响占主导，并确定了两种码型的最佳发射功率。2、研究了码型对光子晶体光纤WDM系统传输性能的影响。研究发现在低功率时NRZ码型比RZ码型的抗噪性能好；在高功率时RZ码型比NRZ码型的抗非线性能力强。RZ码型更适合在高速速率的长距离通信系统中使用。3、研究了传输距离对RZ码型光子晶体光纤WDM系统的影响。发现传输距离的增加，接收的信号质量严重恶化，分析发现造成传输性能的降低是由于级联结构中EDFA和积累的非线性效应引起的。同时确定其最大传输距离为850KM，最佳的传输距离为700KM。4、研究了色散对光子晶体光纤WDM系统的影响。发现色散和色散斜率对高速长距离的光子晶体光纤WDM系统影响十分严重，因此在设计中必须处理好色散和色散斜率的补偿问题。关键字光子晶体光纤、WDM、OPTISYSTEM、仿真。ABSTRACTASHUMANSOCIETYENTERTHEINFORMATIONAGE,THEDEMANDSOFINFORMATIONCONTINUETOINCREASE,LEADINGTOEXPONENTIALGROWTHOFGLOBALINFORMATIONTRANSMISSIONAMOUNTANDAHIGHERDEMANDONTHECOMMUNICATIONNETWORKBANDWIDTH,CAPACITYANDTRANSFERRATE,INTHISCONTEXT，THETECHNOLOGYOFWDMCOMESINTOBEINGINTHEWDMSYSTEM,THEIDEALFIBERSHOULDHAVECHARACTERISTICSOFSMALLATTENUATION,APPROPRIATEDISPERSION,LOWPOLARIZATIONMODEDISPERSION，LARGEEFFECTIVEAREAANDIDEALBENDINGLOSSHOWEVER,THECONVENTIONALOPTICALFIBERISDIFFICULTTOMEETTHESEREQUIREMENTS,WHICHLIMITSFURTHERIMPROVETHECAPACITYANDTRANSFERRATEOFOPTICALNETWORKTOSOLVETHISPROBLEM,PEOPLEBEGINTOSTUDYNEWKINDSOFFIBERPHOTONICCRYSTALFIBERSTUDIEDINTHISARTICLEISONEOFTHEMTHETHEORETICALRESULTSSHOWTHATTHISFIBERHASMANYEXCELLENTTRANSMISSIONCHARACTERISTICS,SUCHASUNCUTOFFOFTHESINGLEMODE,THECONTROLLEDMODEAREA,FLEXIBLEDISPERSIONPROPERTIES,CONTROLLABLEWAVEGUIDEDISPERSION,LOWLOSSANDVERYLOWNONLINEAREFFECTASPHOTONICCRYSTALFIBERHASSUCHUNIQUECHARACTERISTICSOFTRANSMISSION,WHICHPROVIDEDAGOODSOLUTIONTOTHEPROBLEMSOFTRANSMISSIONLOSS,DISPERSIONANDNONLINEARITYINTHEFIBER,THUS,INRECENTYEARS,THESTUDYOFPHOTONICCRYSTALFIBERBECOMESHOTPOINTINTHISARTICLE,WEUSEOPTISYSTEMSIMULATIONSOFTWARETOSTUDYTHETRANSMISSIONPERFORMANCEOFWDMSYSTEMSBASEDONPHOTONICCRYSTALFIBERTHESESTUDIESMAINLYINCLUDE1、FIRST，WESTUDYTHEEFFECTOFTHELASERTRANSMITTINGPOWERONTHETRANSMISSIONPERFORMANCEOFTHEPCFWDMSYSTEM,FOCUSINGONTHEPOWERCHARACTERISTICSOFNRZPATTERNANDRZPATTERNTHESTUDYFOUNDFORTHETWOMODULATIONPATTERN,INTHECASEOFLOWPOWER,THEIMPACTOFNOISEONTHESYSTEMISTHEDOMINANTFACTORINTHECASEOFHIGHPOWER,THEIMPACTOFNONLINEAREFFECTSONTHESYSTEMISTHEDOMINANTFACTOR,ANDFINDTHEBESTTRANSMITTINGLAUNCHPOWEROFTHETWOPATTERNS2、SECONDLY，WESTUDYTHEINFLUENCEOFTHEMODULATIONPATTERNONTHETRANSMISSIONPERFORMANCEOFTHEPCFWDMSYSTEMTHESTUDYFOUNDINTHECASEOFLOWPOWER,THEANTINOISEPERFORMANCEOFTHENRZPATTERNISBETTERTHANTHERZPATTERNINTHECASEOFHIGHPOWER,THEANTINONLINEARCAPABILITYOFRZPATTERNISSTRONGERTHANTHENRZPATTERNRZPATTERNISMORESUITABLEFORUSEINHIGHRATEANDLONGDISTANCECOMMUNICATIONSYSTEMS3、THEN,WEINVESTIGATETHEINFLUENCEOFTHETRANSMISSIONDISTANCEONTHERZPATTERNPCFWDMSYSTEMFOUNDTHATASTHEINCREASEOFTHETRANSMISSIONDISTANCE,THERECEIVEDSIGNALQUALITYBECOMEBADLYWEFOUNDTHEEDFAANDTHEACCUMULATIONOFNONLINEAREFFECTSARETHEDOMINANTFACTORSTHATCAUSETHEREDUCTIONOFTHETRANSMISSIONPERFORMANCEATTHESAMETIME,WEFINDTHEMAXIMUMTRANSMISSIONDISTANCEIS850KM,THEBESTTRANSMISSIONDISTANCEIS700KM4、FINALLY，WEEXPLORETHEIMPACTOFTHEDISPERSIONONTHEPCFWDMSYSTEMFOUNDTHATTHEIMPACTOFTHEDISPERSIONANDTHEDISPERSIONSLOPEONTHELONGDISTANCEANDHIGHSPEEDPCFWDMSYSTEMSISVERYSERIOUS,SODISPERSIONCOMPENSATIONISSUESANDDISPERSIONSLOPECOMPENSATIONISSUESMUSTBEADDRESSEDWELLINTHEDESIGNKEYWORDSPHOTONICCRYSTALFIBER,WDM,OPTISYSTEM,SIMULATION目录摘要IXABSTRACTX第一章绪论111光纤通信技术发展和现状112光子晶体光纤研究背景及发展2121光子晶体光纤研究背景2122光子晶体光纤的发展313WDM技术发展及现状414论文内容安排5第二章光子晶体光纤621光子晶体光纤的概念和分类622光子晶体光纤特性8221无截止单模特性8222灵活的色散特性10223非线性特性12224弯曲损耗特性12第三章WDM系统1331波分复用（WDM）技术的基本概念1332波分复用（WDM）技术的原理1433WDM系统的基本形式1534WDM系统的特点及优势1735WDM系统中存在的问题18第四章基于光子晶体光纤的WDM系统的仿真研究1941OPTISYSTEM仿真软件简介1942光子晶体光纤WDM仿真系统的建立2243发射功率对光子晶体光纤WDM传输性能的影响24431NRZ码型光子晶体光纤WDM系统的功率特性24432RZ码型光子晶体光纤WDM系统的功率特性2744RZ码型和NRZ码型传输性能比较3045传输距离对光子晶体光纤WDM系统的影响3246色散对光子晶体光纤WDM系统的影响35第五章总结和展望3951总结3952展望39致谢40参考文献41第一章绪论随着人类社会进入信息时代，人们对信息量的需求不断提高，各种多媒体业务和基于IP的实时/准实时业务等新兴数据业务不断涌现，导致全球信息量呈级数增长，对通信网络的带宽、容量和传输速率提出了更高的要求，在这种背景下WDM（WAVELENGTHDIVISIONMULTIPLEXING）技术应运而生。WDM技术充分利用了单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，将不同波长的信号经波分复用器耦合到一根光纤实现多路光信号的复用传输。在WDM系统中，理想的想的光纤应该具有很小的衰减、适当的色散、很低的偏振模色散，较大的有效面积、理想的弯曲损耗特性等。但传统的光纤很难满足这些要求，这就限制了光网络容量和传输速率的进一步提高。为了解决这一问题人们开始研究新型光纤，本文所研究的光子晶体光纤就是众多新型光纤中的一种。理论和实验结果都表明这种光纤具有很多优良的传输特性，如不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、可控的波导色散特性、极低的损耗和极低的非线性效应等。光子晶体光纤以其独特的传输特性，很好的解决了光纤传输中遇到的损耗、色散和非线性等问题，因而近几年来对光子晶体光纤的研究备受关注。本文以光子晶体光纤为研究对象，将光子晶体光纤应用于WDM系统中，并使用OPTISYSTEM软件对其传输性能做了仿真研究。11光纤通信技术发展和现状1980年人类史上第一个商用光纤通信系统问市。这个光纤通信系统以波长800NM的砷化镓激光器作为光源，传输速率仅有45MB/S，并且每隔10公里需要一个中继器增强讯号。第二代的商用光纤通信系统也在1980年代初期就发展出来，使用波长1300NM的磷砷化镓铟激光器。到了1987年，一个商用光纤通信系统的传输速率已经高达17GB/S，比第一个光纤通信系统的速率快了将近四十倍之多，同时传输的功率与讯号衰减的问题也有显著改善，间隔50公里才需要一个中继器增强讯号。80年代末，EDFA（掺铒光纤放大器）诞生，它的出现使得光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使了WDM系统的诞生。很快采用1550NM光源的第三代光通信系统出现了，光纤损耗也降低到02DB/KM，同时色散位移光纤（DISPERSIONSHIFTEDFIBER；DSF）的出现使得在1550NM光波传输时色散几乎为零，因而可将激光光谱限制在单纵模。这些技术上的突破使得第三代光纤通信系统的传输速率达到25GB/S，而且中继器的间隔可达到100KM远。不久以后利用了光放大器（OPTICALAMPLIFIER）和波分复用（WAVELENGTHDIVISIONMULTIPLEXING；WDM）技术的第四代高速光纤通信系统诞生，自此光纤通信系统的容量开始以每六个月增加一倍的方式大幅跃进，目前已达到16TB/S，较第一代的传输速率快近10万倍1。12光子晶体光纤研究背景及发展121光子晶体光纤研究背景目前光纤通信系统常用光纤的有G652光纤（常规单模光纤）、G653光纤（色散位移光纤）、G655光纤（非零色散位移光纤）和大有效面积光纤。G652光纤在1310NM的色散为零，最低损耗窗口却在1550NM波段，在1550NM的色散系数约为17PS/NMKM。G652光纤首先被应用于1310NM，但自从EDFA问世以后，光纤通信已经从1310NM转到了1550NM。但是G652光纤在1550NM的高色散限制了其传输速率，传输速率超过25GBIT/S时，在长距离系统中需要采用色散补偿。为了解决色散限制，人们又开发了G653光纤。G653光纤在1550NM具有低的损耗和色散，利用G653光纤在1550NM传输速率能达到10GBIT/S以上。但是当WDM系统大量推广应用时发现，由于EDFA在WDM中的使用，使进入光纤的光功率有很大的提高，而导致交叉相位调制和四波混频等非线性效应出现。由于G653光纤在1550NM窗口的色散值太小，使得在G653光纤上工作的WDM系统受四波混频效应的影响太严重。于是人们不得不开发出G655光纤，其工作波长为1550NM，零色散波长位于1550NM附近。当它的零色散波长小于1550NM时具有正色散值，而零色散波长大于1550NM时具有负色散值，因而可以有效地避免四波混频造成的影响。但它的主要缺点是可能产生调制不稳定现象或不能利用自相位调制来扩大色散受限传输距离。为了降低非线性效应的影响，大有效面积光纤被开发出来了，其有效面积达72，零色散点处于1510NM附近，因而在相同的光纤功2M率时，降低了光纤中传输的功率密度，可以有效地克服非线性效应的影响。它的主要缺点是色散斜率偏大，在长距离传输时需要采取色散补偿技术。尽管人们为了解决传统光纤的损耗、色散和非线性等问题，做了大量的努力，发明了很多新型光纤，但基于传统理论的光纤不能很好的解决上述问题，这就促使人们开始研究新型光纤传播理论。近年来光子晶体光纤的出现引起了人们的广泛关注，光子晶体光纤导光机理与传统光纤完全不同，使得光子晶体光纤与传统光纤产生了本质区别，使其具备了很多传统光纤难以达到的优越特性，使人们在解决上述问题时看到了新的希望。相对于传统光纤而言，光子晶体光纤开创了完全不同的光波传输理论，并且其性能也有很大的不同。光子晶体光纤和普通单模光纤相比有以下突出的优点第一、光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；第二、光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；第三、光子晶体光纤可通过改变结构灵活地设计色散和色散斜率；第四、光子晶体光纤具有超低损耗。尤其CORENCLADNMODENOREMCLA是当包层空气比例很大时，可以看成其纤芯直接置于空气中。图22折射率引导光子晶体光纤（TIRPCF）结构及导光示意图10光子带隙光子晶体光纤的结构和导光基理如图23所示，光子带隙光纤导光机制与传统光纤完全不同，光子晶体光纤是利用光子带隙效应来传播光的。频率处于光子带隙内的光不能在包层中传播，所以这些频率的光耦合进纤芯后，将被限制在纤芯中，无法泄露出去，从而达到传导光的目的。其纤芯是空气孔，并且只有当纤芯的空气孔足够大时，即其直径大于气孔间距的40时，才会有光子带隙产生。由于光子带隙效应，光波被自然地限制在了纤芯中传播，这样就会大大减小传输损耗，具有很大的实用价值。带隙型光纤的模式折射率满足如下条件当/K时,/K/KCORENHHMODENL（21）当/KCORECORED（22）其中，为光子带隙上边界对应的传播常数，为光子带隙下边界对应的传HL播常数12。最初提出光子晶体光纤概念的时候，希望利用光子禁带效应来导光，但比较两种光子晶体光纤，折射率引导光子晶体光纤无论在理解或是制作上都更为简单，因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制，而且不需要精确的空气孔排列，更适合于制作，故在目前大多数的研究和应用都是针对光子晶体光纤。图23光子带隙光子晶体光纤（PBGPCF）结构及导光示意图1022光子晶体光纤特性光子晶体光纤包层中空气孔特殊的排列结构使得其呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，如支持宽波长范围单模传输，模场面积、色散的极大可控性，可控的非线性等等。这些特性突破了传统光纤光学的局限，大大拓展了光子晶体光纤的应用范围，在超快激光光学、光通信、微光电子学及强场物理学等领域开辟了新的研究方向。本节将对光子晶体光纤的特性作较全面的介绍。221无截止单模特性众所周知，传统光纤的归一化频率V决定了模式数目，当V0反常色散7的要求，传输信号已不能分辨。从其眼图随功率的变化上看，0DBM也是其最佳功率点。（A）4DBM（B）2DBM（C）0DBM（D）2DBM（E）4DBM（F）6DBM（G）8DBM（H）10DBM（I）12DBM图4111552NM信道不同发射功率下的眼图结合以上对光子晶体光纤WDM系统的几个方面的考虑，我们可以知道发射功率为0DBM，使用NRZ码型的光子晶体光纤WDM系统仿真模型的综合性能最好。432RZ码型光子晶体光纤WDM系统的功率特性对于RZ码型的光子晶体光纤WDM系统仿真模型，我同样在发射功率为4DBM14DBM的范围内以2DBM的间隔进行了10次实验。与研究NRZ码型时相同，利用ORIGIN软件将第1信道（1566NM），中间两个信道（1552NM和1550NM）以及最后的第16信道（1536NM）在不同功率下的最小误码率曲线叠加得到如图412的曲线图。从曲线图中，我们仍可以看到中间两信道在各个功率下都比在相应功率下的第1信道和第16信道的误码率高，即中间两信道受串扰最大。因此我们在监测中仍考虑中间两个信道的传输性能。同时我们可以看到RZ码型的光子晶体光纤WDM系统的最小误码率随功率变化的曲线具有和NRZ码型的光子晶体光纤WDM系统最小误码率曲线相同的规律，也是在最低误码率功率点前噪声影响占主导因素，在之后非线性效应占主导因素。同样我们也可以看到在1552NM信道和1550NM信道在6DBM出可以获得最低误码率。图412不同信道不同功率下的最小误码率分布同样我们也不知看最小误码率，我们也对Q因子曲线和眼图作了考虑。为了研究方便，我只对1552NM的Q因子曲线和眼图进行了研究。我们可以得到1552NM信道在不同发射功率下的Q因子曲线，经过ORIGIN软件对其处理后可得到图413。从图中我们可以看出在4DBM6DBM间1552NM信道Q因子曲线随发射功率增大而变得越来越好，之后Q因子下降，功率到达14DBM时，Q因子已下降到7以下，已不满足最低要求。在6DBM取得最好的Q因子曲线，即获得最佳Q因子曲线的功率点也在6DBM，与前面所得最小误码率的功率相同。图4131552NM信道不同发射功率下的Q因子为了进一步确定6DBM是否是最佳功率，我们仍对在不同功率下1552NM眼图进行分析，1552NM信道不同功率下的眼图如图414所示。1552NM信道和1550NM信道处，我们可以看到在46DBM内随着功率的增长眼图的质量越来越好，在这段范围内传输过程中引入的噪声对系统的影响占主要作用；在614DBM内随着功率的增长眼图的质量越来越差，可见在这段范围内非线性效应占主导作用。两信道在6DBM处的眼图清晰，张开度大，可见在此功率下系统的性能比较理想。（A）4DBM（B）2DBM（C）0DBMD2DBM（E）4DBM（F）6DBM（G）8DBM（H）10DBM（I）12DBM图4141552NM信道不同发射功率下的眼图结合以上对光子晶体光纤WDM仿真系统的几个方面的考虑，我们可以知道发射功率为6DBM，使用RZ码型的光子晶体光纤WDM系统仿真模型的综合性能最好。44RZ码型和NRZ码型传输性能比较目前归零码RETURNTOZERO,RZ和非归零码NORETURNTOZERO,NRZ是数字通信领域应用得最为广泛的两种码型。两者在传输性能上各有优点，NRZ码型在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；RZ码型的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。两种码型各有各的有点，为了确定那种码型更适合光子晶体光纤WDM系统仿真模型，我对两种码型的传输性能做了分析。利用上一节我们对两种码型的功率特性的研究和所得到的数据，我们将同一信道NRZ码和RZ码最大Q因子随功率变化的曲线画在一个图中，我们就得到了所监测信道的两种码型最大Q因子随功率变化曲线的对比图，如图415所示。（A）1536NM（B）1550NM（C）1552NM（D）1566NM图415NRZ码型和RZ码型四信道最大Q因子与功率的关系从图415中我们可以看到，在四个信道中都有这样的规律，RZ码型在较低功率时最大Q因子比NRZ码型的要小，在较大功率时RZ码型的最大Q因子比NRZ码型大的多，且NRZ码型在功率超过4DBM后最大Q因子随功率增加而极快的下降。从上节中我们知道影响最大Q因子关于功率变化曲线的因素有噪声和非线性效应，在低功率范围内噪声影响为主导因素，在高功率段非线性效应占主导因素。基于此我们可以得出这样结论RZ码型抗非线性干扰能力比NRZ码型的强得多，而NRZ码型的抗噪声能力比RZ码型的稍强。40GBPS传输速率的光子晶体光纤WDM系统的非线性效应很强，要获得高的光信噪比OSNR和较远的传输距离,必须提高光源的发射功率,而高的发射功率不可避免地会增强光纤的非线性效应,从而产生严重的波形畸变。所以在40GBIT/S的长距离光子晶体光纤WDM系统中非线性效应成为我们主要考虑的一个问题，在调制码型上必须选择抗非线性效应干扰能力较强的码型。由上面的分析我们知道RZ码型抗非线性干扰能力比NRZ码型的强得多，自然我决定在仿真系统中使用RZ码型作为调制码型，并在下面的研究中均使用RZ码型进行研究。45传输距离对光子晶体光纤WDM系统的影响由于PCF传输信号时存在损耗和色散，我们采用的是PCFEDFADCPCFEDFA的多级联模式。虽然EDFA的应用解决了传输损耗的问题，但在对信号的放大过程时，也将噪声放大了，还会引入新的噪声信号，同时EDFA对不同波长的增益补偿不同，使得系统的信噪比大大降低，传输性能大大降低。随着传输距离的增加，EDFA的使用数量的增加，系统的综合性能将大大降低。我们对在不同距离下光子晶体光纤WDM系统传输性能做了仿真研究。如上节一样虽然我们在研究时，非线性效应仅考虑了自相位调制的影响。我分别对发射距离为150KM1000KM的情况以50KM的间隔进行了18次仿真实验。我利用ORIGIN软件将第1信道（1566NM），中间两个信道（1552NM和1550NM）以及最后的第16信道（1536NM）在不同功率下的最大Q因子曲线叠加得到如图416的曲线图。416不同信道最大Q因子随传输距离的变化从图416我们可以看到随着传输距离的增加，四个信道的最大Q因子整体趋势在下降，但局部区域有增加的趋势，这说明最大Q因子在总体上可以评判系统的传输性能，但要进一步分析系统的性能需结合其它方法。图416中当传输距离为850KM时1550NM信道的最大Q因子下降到了646879，当达到900KM时最大Q因子下降到637262；当传输距离为950KM时1552NM信道的最大Q因子下降到699702，达到1000KM时最大Q因子下降到64338。可见当距离超过850KM时，中间两个受串扰最严重的信道的最大Q因子出现小于7的情况，已不满足Q7的最低标准，说明此时1550NM信道和1552NM信道传输的信号失真量变得很大，已不能分辨了。（A）850KMB900KM图4171550NM信道850KM和900KM传输距离时的眼图A950KMB1000KM图4181552NM信道950KM和1000KM传输距离时的眼图两个信道在850KM后眼图如图417和图418所示，眼图杂乱，张开度很小，传输质量已变得很差，说明超过850KM后这两个信道的传输质量确实已不能得到保证，而在光子晶体光纤WDM系统中我们应保证每一个通道都能正常传输，所以在设计光子晶体光纤WDM系统时传输距离不能超过850KM。同时在设计中我们要求较大的Q因子以确保信号传输质量，同时我们也需要大的传输距离。但传输距离越远，信号的传输质量越差，Q因子越小，二者相互矛盾不可兼得，所以我们在选取最佳的传输距离时必须综合考虑两方面因素，做出折中选择。从图416中我们可以看到传输距离为700KM时各信道最大Q因子都大于9，即系统Q因子比较好，而传输距离也比较理想。图419是在700KM传输距离时四个信道的眼图，我们可以看到四个信道的眼图都比较清晰，眼皮厚度不是很大，可知噪声不大，眼图张开高度也比较好，与图418时的眼图相比明显好得多，可以看出传输距离为700KM时系统的综合传输性能是比较理想的。（A）1566NM（B）1552NM（C）1550NM（D）1536NM图419传输距离为700KM时四信道的眼图46色散对光子晶体光纤WDM系统的影响目前的WDM系统中，在应用EDFA后传输距离大大增加，但同时色散也随着增加，使WDM系统成为一个色散受限系统，光纤的色散成为影响WDM系统性能的主要因素之一。光纤色散导致光脉冲在光纤传输中出现脉冲展宽，这样的脉冲展宽在数字通信中将会引起码间串扰，使得通信质量下降，从而限制光纤的通信容量和通信距离。在光导波理论中我们知道，不同的模式对应有不同的模折射率或有效折射率，不同模式间有效折射率差将导致群速度的不同和脉冲展宽，称为模间色散。进入光纤的光脉冲能量包含很多不同的频率分量，脉冲中的不同频率分量将以不同的群速度传输，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速度色散GVD。同样色散问题在光子晶体光纤WDM系统中同样存在，在此节中我对光子晶体光纤WDM色散特性进行了研究。（A）1566NM（B）1552NM（C）1550NM（D）1536NM图420无色散补偿时不同信道的眼图在研究中，我将光子晶体光纤WDM仿真系统中激光器的功率设置在最佳功率6DBM，传输距离设置为700KM，并将传输模块中的色散补偿光纤去除，仅对PCF传输光纤使用EDFA进行功率补偿，其它设置都不变。仿真结果如图420所示。我们可以看到在没有进行色散补偿时，四个监测通道的信号传输已无法进行，而图419所示的有色散补偿情况下的四个监测信道眼图质量却十分好，这说明在高速率长距离的光子晶体光纤WDM系统中色散对传输性能的影响是很大的。同时我对无色散补偿时的传输距离进行了研究，我在02KM14KM范围内以02KM间隔进行了7次仿真，用软件处理后得到此时四个监测信道最大Q因子随传输距离变化的曲线（图421）。图421无色散偿情况下传输距离对最大Q因子的影响我们从图421可以看到在无色散补偿情况下信号传输质量随传输距离的增加恶化的相当快，传输距离达到14KM时，最大Q因子已下降到7以下，可见在无色散补偿情况下其传输距离不超过14KM，而图416所示的有补偿时的最大传输距离可达850KM，两者相差几百倍。从中可以看出色散是影响光子晶体光纤WDM系统传输性能的一个很重要的因素，在设计光子晶体光纤WDM系统时必须处理好色散的补偿问题。在以上的研究中，我们都未考虑光子晶体光纤的色散斜率影响，现在我们看一下考虑色散斜率的情况，我仍将光子晶体光纤WDM仿真系统中激光器的功率设置在最佳功率6DBM，传输距离设置为700KM，并将传输模块中的色散补偿光纤和传输光纤中的色散斜率选项勾选，并将各自的色散斜率值输入。仿真后得到四个信道的眼图（图422）。从图422中我们可以看到，在中心波长处最大Q因子为707988，略大于最7,可认为可以正常传输，但其它信道眼图已变得不能分辨，信号传输不能继续下去了。可见色散补偿光纤的负色散斜率过大造成了补偿失配，虽然色散补偿较好的时候，但色散斜率无法得到较好的补偿，从而导致系统的传输性能下降。（A）1566NM（B）1552NM（C）1550NM（D）1566NM图422四信道在考虑色散斜率时的眼图同时我对无色散补偿时的传输距离进行了研究，我在5KM30KM范围内以5KM间隔进行了6次仿真，用软件处理后得到此时四个监测信道最大Q因子随传输距离变化的曲线（图423）。我们可以看到在中心波长1550NM处最大Q因子基本保持不变，在图422可以看出中心波长处传输距离直到700KM时仍可以继续传输；1552NM信道最大Q因子受影响较小，但随着传输距离增加，传输性能也会下降很多，图422中可以看到在传输700KM后，眼图很差，已无法分辨；而1566NM和1536NM两个偏离中心波长的信道的最大Q因子随传输距离增加却下降很快，传输距离超过12KM时，最大Q因子已下降到7以下。可见由于色散斜率的补偿失配，偏离中心波长的各信道均受影响，偏离中心波长越远的信道受影响越大。在长距离高速率的光子晶体光纤WDM系统中，色散斜率对各信道的传输性能的影响不可忽视，在设计时必须考虑好色散斜率的补偿。图423考虑色散斜率时四信道最大Q因子关于传输距离的曲线在设计中使用的DCPCF的负色散斜率过大，在色散得到补偿时，导致色散斜率补偿失配，因此在光子晶体色散补偿光纤的设计时，必须考虑色散斜率的补偿与色散补偿相匹配的问题，既满足D1L1D2L20和DS1L1DS2L20。D1和DS1分别为PCF的色散和色散斜率，D2和DS2分别为PCF的色散和色散斜率，L1和L2分别为DCPCF和PCF的长度可见色散和色散斜率对高速率长距离的光子晶体光纤WDM系统的影响都是不容忽视的，因此在设计时除了考虑色散补偿时，还必须考虑色散斜率的补偿，并保证二者相互匹配。第五章总结和展望51总结本论文首先回顾了光子晶体光纤和WDM系统的发展史，介绍了光子晶体光纤的概念、特性，然后对WDM系统的结构原理进行了阐述。从第四章开始，我们利用OPTISYSTEM软件对使用光子晶体光纤作为传输光纤和色散补偿光纤的WDM系统进行了仿真研究，其内容主要有1、研究了所搭建的WDM仿真模型的激光光源发射功率对其性能的影响。在研究中分别对使用NRZ调制码型和RZ调制码型时的WDM仿真模型的功率特性进行了研究。研究发现对于两种调制码型在较低功率时影响其传输性能的主要因素是噪声，在高功率情况时非线性效应对系统的传输性能影响占主导，并确定了两种码型的最佳发射功率。2、对使用RZ码型的WDM仿真模型和使用NRZ码型的WDM仿真模型的传输性能做了比较。研究发现在低功率时NRZ码型的WDM系统比RZ码型的WDM系统传输性能好，这说明NRZ码型比RZ码型的抗噪性能好；在高功率时RZ码型的WDM系统比NRZ码型的WDM系统的传输性能好得多，这说明RZ码型比NRZ码型的抗非线性能力强。3、研究了传输距离对RZ码型WDM系统的影响。发现传输的增加，接收的信号质量严重恶化，分析发现造成传输性能的降低是由于级联结构中EDFA和积累的非线性效应引起的。同时确定其最大传输距离为850KM，最佳的传输距离为700KM。4、研究了色散的WDM系统的影响。发现色散对高速长距离的WDM系统影响十分严重，在无色散补偿时仅能传输14KM，因此在设计中必须处理好色散的补偿问题。52展望本文对使用光子晶体光纤作为传输光纤和色散补偿光纤的WDM系统进行了仿真研究，其中使用的两种光子晶体光纤参数来自于目前的研究中。发现目前的光子晶体光纤传输性能尚无法与目前的传统光纤相比，其损耗、色散、有效模面积由于制造工艺的限制还远达不到理论值。但随着众多科研工作者的不断努力，我们有理由相信光子晶体光纤必将取代传统光纤，将彻底解决WDM系统中存在的非线性、色散和损耗等问题，使得WDM系统的传输容量和速率能进一步提高，可以肯定光子晶体光纤必将在未来的WDM系统中占有不可替代的地位。致谢在此本科论文即将完成之际，请允许我向众多给予我指导、关心和鼓励的老师、朋友、同学表示衷心的感谢我首先要感谢的就是我的指导老师成纯富老师。本论文是在成老师的指导下完成的，从选择课题到确定方案，从论文初稿到最后审定，无不倾注了他悉心关怀和指导。成老师学识渊博，不仅在科研和学术方面具有严谨求实的治学态度，认真细致的工作作风，这些都给我留下了深刻的影响。在此，我谨向成纯富老师表示衷心的感谢和深深的敬意其次在论文的研究过程中，同学也给了我很多帮助，得到了他们在学习、研究和生活等方面上给予我的无私指导与帮助，在此向他们表示敬意和感谢最后，感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师参考文献1刘增基，周洋溢，胡辽林，任光亮，周绮丽编著光纤通信西安电子科学出版社20082KNIGHTJCETALLARGEMODEAREAPHOTONICCRYSTALFIBERELECTRONLETT,1998,3413134713483WJWADSWORTHETALLARGEMODEAREAPHOTONICCRYSTALFIBERLASERCONFERENCEONLASERSANDELECTROOPTICS,2001,3194FURUSAWAKETALMODELOCKEDLASERBASEDONYTTERBIUMDOPEDHOLEYFIBERELECTRONICSLETTERS,2001,3795605615WJWADSWORTH,ETALHIGHPOWERAIRCLADPHOTONICCRYSTALFIBERLASEROPTICSEXPRESS,2003,11148536LIMPERTJETALHIGHPOWERAIRCLADLARGEMODEAREAPHOTONICCRYSTALFIBERLASEROPTICSEXPRESS,2003,1178188237李园下一代40/100GDWDM最新进展通信世界2010年1月18日8YABLONOVITCHEINHIBITEDSPONTANEOUSEMISSIONINSOLIDSTATEPHYSICSANDELECTRONICSPHYSREVLETT,1987,5820205920619JOHNSSTRONGLOCALIZATIONOFPHOTONSINCERTAINDISORDEREDDIELECTRICSUPERLATTICESPHYSREVLETT,1987,58232486248910唐灿光子晶体光纤研究硕士论文电子科技大学200511JCKNIGHT,TABIRKS,PSTRUSSELLETALALLSILICASINGLEMODEOPTICALFIBERWITHPHOTONICCRYSTALCLADDINGJOPTLETT,1996,21154712ANDERSBJARKLEV,JESBROENGARACELISANCHEZBJARKLEVPHOTONICCRYSTALFIBERSMFIRSTEDITIONLONDONKLUWERACADEMICPUBLISHERS,200318318413JCKNIGHT,TABIRKS,PSJRUSSELLANDDMATKINALLSILICASINGLEMODEFIBERWITHPHOTONICCRYSTALCLADDING，OPTLETT，1997，2248448514TABIRKS,JCKNIGHT,PSTJRUSSELLENDLESSLYSINGLEMODEPHOTONICCRYSTALFIBEROPTLETT,1997,2296196315JCKNIGHT,TABIRKS,PSTRUSSELLPROPERTIESOFPHOTONICCRYSTALFIBERANDTHEEFFECTIVEINDEXMODELJOPTSOCAM,1998AXMINGKANGLIUPRINCIPLESANDAPPLICATIONSOFOPTICALCOMMUNICATIONSCHICAGOIRWIN,199617谈斌,陈晓伟,李世忱全内反射光子晶体光纤光电子激光,2002CKNIGHT,JARRIAGA,TABIRKS,ETA1ANOMALOUSDISPERSIONINPHOTONICCRYSTALFIBERPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,2000,12780780919WDM原理中国电信维护岗位认证教材编写小组编制20KENJIKUROKAWA,KAZUHIDENAKAJIMA,KYOZOTSUJIKAWA,TAKASHIYAMAMOTO,ANDKATSUSUKETAJIMAULTRAWIDEBANDTRANSMISSIONOVERLOWLOSSPCFJOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL27,NO11,JUNE1,20091653166221侯尚林，韩佳巍，朱鹏，李志杰基于双芯光子晶体光纤的低非线性宽带色散补偿光纤的设计第期2010年月第31卷毕业设计（论文）任务书学院理学院指导教师成纯富职称讲师学生姓名余文志专业班级08光信1学号0811122121设计题目基于光子晶体光纤的WDM系统的设计设计内容目标和要求一、毕业设计目标与要求本毕业设计要求1、了解光子晶体光纤的特性、结构、原理及分类。2、了解WDM系统的原理和结构，以及使用OPTISYSTEM软件设计WDM系统的方法，完成光子晶体光纤WDM仿真系统的搭建。3、利用OPTISYSTEM仿真软件对基于光子晶体光纤的WMD通信系统进行系统仿真。研究发射功率、传输距离、码型、色散对光子晶体光纤WDM系统性能的影响。4、对实验数据进行处理并绘图，并对其进行分析，得出相应结论。二、设计进度1、3月初3月中旬进行资料的查询，撰写开题报告，文献综述。2、3月中旬3月底对WDM系统的原理以及光子晶体特性、OPTISYSTEM仿真软件等进行熟悉和学习工作。3、4月初4月中旬整合前阶段所学知识，完成系统原理的初步设计。4、4月中旬5月中旬利用OPTISYSTEM仿真软件对设计的系统进行仿真研究，同时完成数据及图像的处理工作，并对实验结果进行初步总结和分析。5、5月中旬5月底完成毕业设计论文的撰写及装订工作指导教师签名年月日基层教学单位审核学院审核此表由指导教师填写学院审核毕业设计（论文）学生开题报告课题名称基于光子晶体光纤的WDM系统的设计课题来源导师提供课题类型BY指导教师成纯富学生姓名余文志学号0811122121专业班级08光信1本课题的研究现状、研究目的及意义随着社会的发展，人们对通信效果和质量提出了更高的要求，宽带视频、多媒体业务等新兴数据业务的社会需求不断增长，信息传输量急剧膨胀。在这样的背景下光纤通讯技术应运而生，为了进一步提高光纤的通信容量，人们开始研究WDM系统。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率或波长不同可以将光纤的抵损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，通过发送端和接收端的波分复用器来实现一根光纤实现多路光信号的复用传输。近年来，传统光纤限制了WDM系统的传输性能的进一步提高，以及光子晶体光纤各项优异特性进一步显现，光子晶体光纤在WDM系统中的应用已为研究热点。为了进一步提高WDM系统的传输性能，必须开发出新型光纤。光子晶体光纤（PCF）就是迄今人们发现最理想光纤。光子晶体光纤的概念是在光子晶体的基础上最早由STJRUSSELL等人于1992年提出。它实际是一种由单一介质（通常为石英玻璃，也可以为塑料）构成的，由波长量级空气孔构成其微结构包层的新型光纤。与传统光纤比较，光子晶体光纤具有高的非线性系数、可控的零色散点和极低的损耗，并具有更好的色散补偿性能。1996年拉制出第一根光子晶体光纤，19972000年，BIRKS、BRODERICKH、RANKA和KERBAG分别对光子晶体光纤的单模特性、增强的非线性特性、奇异的色散特性和损耗特性进行了研究。2001年,KSUZUKI等报导了在1550NM处,损耗为13DB/KM,模式双折射高达14的高偏振光子晶体光纤。2003年,BZSIGRI310等利用长度为56KM,在1550NM处衰减为17DB/KM的光子晶体光纤做了10GBIT/S数据传输实验。2004年，KATSUSUKETAJIMA等制备的光子晶体光纤,在1310NM和1550NM处,损耗分别为037DB/KM和071DB/KM。2005年,丹麦技术大学的MDNIELSEN等报道了在1550NM处模场面积高达1550MM2、损耗仅为048DB/KM的光子晶体光纤。由于光子晶体光纤具有一些传统光纤所没有的奇异特性,如在光子带隙中传输信息,具有超低损耗、超低非线性、超低色散等特性，其必将成为未来光通信的理想材料。因此,光子晶体光纤在WDM系统应用中的研究具有重要的学术意义和实际应用价值。课题类型（1）A工程实践型；B理论研究型；C科研装置研制型；D计算机软件型；E综合应用型（2）X真实课题；Y模拟课题；（1）、（2）均要填，如AY、BX等。本课题的研究内容1、了解光子晶体光纤的特性、结构、原理及分类。2、了解WDM系统的原理和结构，以及使用OPTISYSTEM软件设计WDM系统的方法，完成光子晶体光纤WDM仿真系统的搭建。3、利用OPTISYSTEM仿真软件对基于光子晶体光纤的WMD通信系统进行系统仿真。研究发射功率、传输距离、码型、色散对光子晶体光纤WDM系统性能的影响。4、对实验数据进行处理并绘图，并对其进行分析，得出相应结论。本课题研究的实施方案、进度安排实施方案首先对WDM系统