色散补偿技术在通信网中的应用

光纤通信课程设计 题目 色散补偿技术在通信网中的应 用 院 系 名称 信 息 工 程 学 院 专 业 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 2015 年 6 月 13 日 课程设计任务书 2014 2015 学年第二学期 专业 专业 光电信息工程 学号 学号 姓名 姓名 课程设计名称 课程设计名称 光纤通信系统课程设计 设计题目 设计题目 色散补偿技术在通信网中的应用 完成期限 完成期限 自 2015 年 6 月 14 日至 2015 年 6 月 28 日共 2 周 一 设计依据一 设计依据 通过分析色散对通信系统的影响 搭建基于色散补偿技术的通信系统 分 析色散补偿技术对通信系统的影响 二 要求及主要内容二 要求及主要内容 了解色散补偿技术的工作原理及基本结构 根据 optisystem 搭建了光纤传 输系统平台 验证色散补偿系统的性能 掌握光脉冲在光纤中的传输过程 分 析光纤的损耗 色散 非线性效应等传输特性 通过对光纤色散补偿方案的设 计 仿真色散补偿技术在通信网中的应用 三 途径和方法三 途径和方法 通过查阅资料 掌握 optisystem 软件的使用 搭建基于色散补偿技术的 通信传输系统 分析色散补偿对通信网的影响 四 时间安排四 时间安排 1 课题讲解 2 小时 2 阅读资料 10 小时 3 撰写设计说明书 12 小时 4 修订设计说明书 6 小时 五 主要参考资料五 主要参考资料 1 黄平 线性啁啾光纤光栅及其色散补偿的理论研究 D 广西师范大学硕士学位 论文 2008 2 柴瑾 线性啁啾布拉格光纤光栅特性分析及其在光纤通信系统中的色散补偿 研究 D 北京邮电大学硕士学位论文 2007 指导教师 签字 教研室主任 签字 批准日期 年 月 日 目录目录 1 绪论绪论 2 2 色散补偿技术色散补偿技术 4 2 1 色散补偿技术概述 4 2 1 1 色散的基本概念 4 2 1 2 色散补偿的概念 4 2 1 3 色散补偿技术的特点 5 2 1 4 色散补偿技术的发展历程 8 2 2 色散补偿光纤传输系统的关键器件 9 2 2 1 光源 9 2 2 2 马赫曾德干涉仪 10 2 2 4 贝赛尔滤波器 11 3 色散补偿技术仿真与性能分析色散补偿技术仿真与性能分析 13 3 1 DGF 色散补偿仿真 13 3 1 1 系统仿真结构 13 3 1 2 仿真结果分析 14 3 2 光纤光栅色散 FBG 补偿仿真 17 3 2 1 系统仿真结构 17 3 2 2 仿真结果分析 17 3 3 偏振模色散补偿 PMD 仿真 23 3 3 1 系统仿真结构 23 3 3 2 仿真结果分析 23 结论结论 26 致致 谢谢 27 参考文献参考文献 28 I 色散补偿技术在通信网中的应用色散补偿技术在通信网中的应用 摘 要 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 成为影响中继距离的主要因素 所以 对 高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题 本文介绍了光纤通信中色散补偿的概念 分类 影响及补偿方法 同时利 用 Optisystem 软件仿真模拟了色散补偿光纤 FBG 补偿 啁啾光纤光栅等色散 补偿方案 对色散补偿元件的性能做出相应的性能测试和分析 关键词 关键词 光纤通信 色散补偿 Optisystem 仿真 II 1 绪论绪论 目前 光纤线性通信存在着光纤色散 光纤损耗和非线性等缺陷 已不能 满足现在信息处理传输的要求 而影响光纤传偷特性的因素主要有两个 损耗 和色散 色散问题已成为光纤通信系统进行升级扩容的主要障碍 同时 近些年来伴随着因特网的迅速崛起 经济的快速发展 语音 图像 数据等信息量成爆炸式的增长 除此之外 人们对通信网带宽的要求也增加 然而 解决网络容量压力的最佳选择不免为光纤通信技术 因为其超高速 大 容量 长距离 高抗电磁干扰性和低成本等无可比拟的优点 自 1970 年以来 光纤通信技术同时也取得了突飞猛进的发展 发达国家电信骨干网上的单通逆 传愉速率己经从 OC 48 2 5Gbit s 增加到 OC 192 10Gbit s 并正在向 40Gbit s 确甚至 160Gbit s 迈进 单模光纤中的色散分为色度色散和偏振模色散 1 两类 它们分别受光纤材 料的色散特性和光源的光潜宽度以及光纤中的偏振效应影响 近几年 掺饵光 纤放大器 EDFA 和拉曼放大器的被广泛使用和研究 这样也解决光纤的损 耗问题 由非零色散位移光纤 NZDSF 及预碉啾等各种补偿技术的发展 色 度色散也不再对传输性能起主要制约作用 也就是一说 单模光纤中损耗和色 度色散对光纤通信系统传愉特性的影响已不是阻碍光纤通信向高速率大容量方 向发展的主要因素 然而 起初不被人们注意的偏振模色散 2 成为目前被普遍 关注的焦点 它被认为是限制高速光纤通信系统传输特性的最终因素 根据 ITU T 组织标准规定 一段光纤的 PMD 传愉系数 传输速率和传输距离之间满 足如卜关系 3 1 1 2 10 km kmps sGb LPMDB 式中 B 表示传输速率 PMD 表示偏振模传输系数 L 表示传输距离 由此可 以看出 在 PMD 值一定的情况卜随着传输速率的增加 传输距离将急剧缩短 对目前己铺光缆 PMD 值的测试表明 80 年代中期以前生产铺设的光缆 PMD 值 较大 典型值大约为 2ps km 这就是说 2Gb s 系统的传输距离不能超过 40km 而对于 10Gbit s 系统的传偷距离则须小 25km 80 年代中期以后生产和 III 铺设的光缆 PMD 系数较小 其引起的功率代价为 1dB 时 10Gbit s 系统的传愉 距离可达 10km 至 400km 而对于 40Gbit s 系统则剧减为 25km 至 625km 由此 可见 在 10Ghit s 及以上速率的光纤通信系统中 偏振模色散有着不可忽视的 影响 它限制着系统的容量和传输距离 所以有人认为它将是高码率传输的最 终限制因素 只有补偿光纤中的偏振模色散 才能提高光通信系统的传输性能 同时有效地利用全球己铺设好的上亿公里光缆 而如何补偿偏振模色散己成为 发展卜一代高速光纤通信系统时所而临的重大技术挑 4 IV 2 色散补偿技术色散补偿技术 2 1 色散补偿技术概述色散补偿技术概述 2 1 1 色散的基本概念 色散就是指不同颜色 不同频率的光在光纤传输时 由于具有不同的传播 速度而相互分离 单模光纤主要色散是群时延色散 即波学色散和材料色散 这些色散都会导致光脉冲展宽 分致信号传输时的畸变和接收误码率增大 在 这里说明 4 个色散术语 材料色散 波导色散 模式色散和偏振模色散 5 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 6 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 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 各个导模其有不同的群速 到达接收端的时刻不同 7 偏振模色散 普通单模光纤实际上传愉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 8 2 1 2 色散补偿的概念 在 10Gbit s 以上的高速长距离传输系统中 必须考虑色散补偿问题 色散 补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿 9 高速光纤系统的群速度色散补偿方法 其中几种具有代表性的是基模 高阶 模色散补偿光纤 色散补偿光纤光栅 高阶模色散补偿器和 VIPA Visual Image Phase Array 器件等 也可在信号调制和接收刚一采取一定的措施以减 小色散的影响 如在信号调制时加啁啾 在接收端进行动态色散补偿等 V 色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块 目前使用最多的 是色散补偿模块 DCM 主要利用色散补偿光纤 DCF 构成模块 但是这种色 散补偿光纤具有较强的非线性效应 会使不同信道之间的串扰加大 在 40Gbit s 系统当中 环境因素的变化会造成色散量大小的随机波动 因而还要 求色散补偿模块是可调谐的 需要动态色散补偿 相关的技术有啁啾光纤光栅 色散补偿 环形谐振器 虚相位阵列 沉积了加热金属的相位平板光栅 连接 基于高阶模光纤的长周期光栅的光开关 多腔反射滤波器等 但是真正商用的 产品不多 10 对于克服偏振模色散 PMD 目前有两种方案 一是在线路上解决 PMD 问题 采用新的 性能好的 低 PMD 系数的光纤 以及光信号采用新的调制 格式 使光信号不易受 PMD 的影响 这种方法成本较低 只能用于新的光纤 第二种方法是采用 PMD 补偿技术 对 PDM 动态地进行调节和管理 这种方法 价格昂贵 但是可以允许网络运营商继续使用原有的旧光纤 10 2 1 3 色散补偿技术的特点 不同的色散补偿技术具有不同的特点 这里只说明几种色散补偿技术 负色散光纤补偿法 DCF 是一种有负色散系数的光纤 D 90ps nm kna 若在 CSMF 中接入足够长度的 DCF 可使总的色散值控制在系统容限以内 如图 2 1 所示 原则上 DCF 可放在线路的任何位置 但在发送端应放在光放大 器之前 因为若放在光放大器之后 高功率光信号会引起非线性 不仅减弱 DCF 的补偿作用 还会严重影响系统的性能 11 图 2 1 DCF 的应用举例 从应用的角度要求 DCF 的负色散系数愈大愈好 同时插入衰减越小越好 通常插入的 DCF 长度是需要补偿 CSMF 的 20 左右 与其他色散补偿措施相 比 DCF 技术要相对成熟 但其插入衰减较大 约为 CSMF 的 5 倍 须用光放 大器补偿 VI 光相位共扼 OPC 或中间频谱反转 MSI 技术 在 CSMF 光纤中级段的中 间插入一段 DSF 作为非线性器件 当光信一号通过时会产生相位共扼波 即频 潜倒置信号 此相位共扼波与原信号具有时间反演的性质 原信号因色散作用 使波形展宽 而相位共扼波则因色散影响而被压缩 从而使失真信号重新恢复 利用 OPC 技术在 360km 的 CSMF 上己成功地进行了 10Ghit s 的信号传输试验 其主要的限制是中间频谱反转单元需较准确地设置在总色散值一半的地方 还 要控制偏振波动 以免影响相位共扼波的时间反演特性 在非线性介质中 当 输入频率为 w1 w2 w3 的光 波矢分别为 1 2 3 足够强时 发生三阶段非线性 极化 当满足相位匹配条件时 就会产生四波混频井愉出频率为 波矢为 K 的光 其中 在信号光 频率为 传输一段距离之后 加入光功率足够强的泵浦光 频率为 且使其满足 相位匹配条 产生四波混频效应 这样输出光中有频率的成分 它 使得的高频分量转换为 的低频分量 在继续传播过程中 原相位超前的 光纤频率相应便逐渐落后 落后的相应逐渐超前 从而减小直至抵消原有的色 散 意大利 丹麦等国家研究高增益半学体光放大器 垂直腔表而辐射激光器 的简并与非简并四波混频 通过相位共扼或波长转换等来实现色散补偿 研究 表明 频谱反转色散补偿的方法可实现大容量长距离的色散补偿 且损耗较小 用半针体器件可实现 相位匹配四波棍频 它与其他光器件集成还可用于光网络 但对所用的大功率 泵浦光波提出的一些要求还无法满足 这些相关技术有待进一步研究 12 色散支持技术 DST DST 的基本原理是 高速数字信号在直接调制方式 作用下 在光强度调制 IM 的同时还伴有 FSK 调制 这是因为与输入 NRZ 电信号 0 1 对应着两个光波长 它们由于光纤色散而不能同时到达接收端 其时间差加 即 式中脚为两个 光波的频率差 正确选抒光源的偏流一可控制 v 从而可在接收机利用两电平 判决电路将 ASK 信号解调为 NRZ 信号 而光纤的色散则起到了 FS ASK 信号 转换的作用 本技术结构简单 技术成熟 成本低 但是升级能力差 14 光纤光栅色散补偿技术 均匀光纤光栅的一个特性 就是在禁带附近一股要 VII 比普通光纤介质大出几个数量级信 可以利用光纤光栅的这一特性在传输中进 行色散补偿 尽管这一强色散区域存在的频带很窄 但其独特的性质还是引起 了人们的关注 由于 F P 效应所造成的反射带隙外振荡的影响 这种方法一直 未受到人们的重视 最近 随着光纤光栅切趾技术的成熟 人们已经可以消除 反射带隙几乎所有振荡 这使得利用均匀光纤光栅进行色散补偿再现生命力 在国外 对光纤光栅的传输色散性质的理论探讨和实验研究已经取得了很大成 果 有人提出利用这种强色散特性进行色散补偿 较其它色散补偿方案更易实 现 且其有更高的补偿效率 实验上已成功实现了在 72km 的光纤中利用光纤 光栅在 10Gbit s 信 号无误传渝时的色散补偿 最近 人们又提出级联光纤光栅的构思 利用它可 以在密集波分复用系统中实现多信道色散的同时补偿 14 如图 2 2 所示 图 2 2 光纤光栅色散补偿法 通过改变外部条件来改变均匀光纤光栅的结构参数 可以实现色散的可调 谐 利用压电陶瓷使得光纤光栅的中心波长移动了 5 02nm 这对于均匀光纤光 栅的色散调谐已足够 如果把两个或两个以上不同周期的光纤光栅 连接 起来 组成 级联光纤光栅 可以实现对不同波长的多路脉冲同时进行色散补偿 还可 以对整个级联光纤光栅进行调谐 也可以对其中某些光纤光栅进行调谐 以达 到我们所期望的色散补偿效果 光孤子传输技术 所谓色散可控光孤子也就是众所周知的归零码 R2 调制 己同 WDM 技术相结合 能够动态地将光网络的传输速率提升到 1 Tb s 以上 传输距离可达数千公里 孤子波的特点是光脉冲经过一段距离的传输后不会中断或者展宽 这使 已 成为光纤通信网中的一种理想技术 光孤子经过精心设计 可以周期性地以可 控方式改变它的形状 从而在到达目的地时仍然保持原状 因此以色散可控光 孤子为基础的网络基础结构减少了对通逆再生的要求 使传统的光纤网从这些 VIII 网中获得新生 各种因素的平衡超长距离系统的设计者需要在提高光信号功率 来克服噪声影响 或者减少光信号功率来抑制非线性失真这两者之间做出艰难 选择 而这正是光孤子能够发挥优点的机会 通过均衡色散和非线性失真的影 响来为光孤子脉冲创造近乎理想的光纤传输环境 允许使用比一般情况卜更大 的光功率 传统的系统一般是使用非归零码调制技术 而光孤子则使用归零码 技术 因为它不容易受非线性失真的影响 通过对光脉冲的精心设计是可以利 用光纤色散的累积效应来补偿非线性失真的影响的 但光纤路径上的色散特性 必须作为总体系统设计的一部分加以适当控制 故产生了 色散可控光孤子 的 名称 尽管使用的设计规则不同 在光孤子网络中的色散控制方式同传统的长 途 高比特率 DWDM 系统中采用的色散控制方式是相似的 即在放大器节点 上使用无源补偿器件 DCM 本技术适用于系统更新换代时采用 因为它需要用新的系统结构来控制色 散 如果用在现有系统上而对现有系统要作较大的改动 光孤子传愉技术对于 超长距离中继段的光纤色散补偿具有很好的发展前景 本方法经过进一步实用 化研究之后 它将在色散补偿技术领域中显示优势 2 1 4 色散补偿技术的发展历程 色散严重的限制了光纤的传输容量 为了使这一问题得到解决 早在 1980 年美国贝尔公司 C Lin 等人就提出了用光脉冲均衡技术来补偿传愉光纤中色散 的想法 后来 研究人员针对这种想法采用法布里一泊罗 Fabry Pcro 千涉仪的 全光色散补偿技术 1992 年 T Oacki 提出了以 MZI 为基础的光学均衡滤波器 后来 K Takinguchi 制出了平而光波回路形式的 MZI 一个内含 5 个 MZI 的平面 光波电路 仅几个厘米长却能补偿 50cm 的光纤色散 它们的缺点是带宽较窄 大约 10GHz 对输入脉冲的偏振性很敏感 1982 年 F aucllcttc 首先提出采 用布拉格 Sragg 光栅作为反射滤波器实现色散补偿的理论 但是由于当时制造 工艺的落后 到了 90 年代初才使这项技术得到应用 并得到了 l 000Gbit kmls 速率 10Gbit s 距离 1OOkm 日前 使用最多也是最研究最广泛的 色散补偿技术是光纤色散补偿技术 DCF 和 Bragg 光纤光栅色散补偿技术 由于 色散积累是一个随时间变化的过程 对于不同的传输系统或系统受外界因素 IX 如光线的弯曲 网络结构的重构 环境变化 光纤线路的老化等 的干扰时 都可以引起色散值的改变 这就需要动态可调谐色散补偿装置对变化着的色散 进行检测跟踪的方式进行补偿 基于这一思想 人们又提出了色散管理或动态 色散补偿技术 同时人们对光纤光栅的研究也开始从均匀光纤光栅转向各种非 均匀光纤光栅 DCF 补偿技术由于技术简单 成本低等优点 一直被广泛研究 井投入商用化 16 2 2 色散补偿光纤传输系统的关键器件色散补偿光纤传输系统的关键器件 2 2 1 光源 17 用于色散补偿系统的光源主要有以下几种 DFB 和 DBR 半导体激光器 DFB 激光器的基本原理是基于布拉格反射原 理 是依赖沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光祸合 如图 2 3 图中光栅的周 期为 A 称为栅趾 图 2 3 DFB 激光器的结构 DFB 激光器与一般 F P 激光器相比 主要具有以卜两大优点 其一 动态单纵模窄线宽振荡 由于 DFB 激光器中光栅的间距 A 很 小 形成了一个微型谐振腔 对波长具有良好的选择性 使主模和边模值增益 相对较大 从而得到比 F P 腔激光器窄很多的线宽 井能保持动态单纵模振荡 这里所说的 动态 是指在高速调制下也能保打单纵模振荡 当然动态的谱宽 要比静态的谱宽大一点 但还是比 F F 腔激光器小很多 其二 波长稳定性好 由于 DFB 激光器内的光栅有助于锁定在给定的波长 上 其温度漂移约为 0 8A C 比 F P 腔激光器要好得多 X DFB 激光器的光栅是制作的有源区的波一泞层上 这是光栅起分布反馈 的作用 所以不再需要端而反射镜 DBR 激光器的光源是制作在有源区两端外 的波泞层上 这时光栅起着端而反射镜的作用 图 2 4 为 DBR 激光器的结构图 图 2 4 DBR 激光器 量子阱半导体激光器 量子半导体激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带隙 半半导体材料中间或交替重叠生长的半学体激光器 是一种很有发展前途的激 光器 量子阶激光器与一般激光器相比 有一些不同的地方 阀值电流低 由于其结构中 阱 的作用 使电子和空穴被限制在很薄的 有源区内 造成有源区内粒子数反转浓度很高 因而大大降低了阀值电流 线宽变窄 由于量子阱中带间复合的特点 造成线宽增大系数变小 从而 减小了光潜中的线宽 与双异质激光器相比 可缩小近一倍 2 2 2 马赫曾德干涉仪 马赫曾德干涉仪 Mach Zchndcr inter fcrometcr 是用分振幅法产生双光束以 实现干涉的仪器 1810 年 托马斯 杨在英国皇家学会上宣读了关于薄膜色的论 文 论文进一步扩充和发展了惠更斯的波动说 明确地提出了光具有频率和波 长 完善了光波的概念 他比较圆满地解释了牛顿环的干涉现象 认为 当有不 同起源的两个振动运动或者完全相同 或者在方向很接近时 那么它们的共同 作用等于它们何一个振动单独所发生的作用之和 这在实际上已经提出了光的 相干条件及干涉原理 这一年 他在发表于 哲学会报 上的论文中 全而地 XI 阐述了干涉原理 同一束光的两不同部分以不同的路径 要么完全一样地 要 么在方向上十分接近地进入很睛 在光线的路程是某个长度的整数倍的地方 光就被加强 而在干涉区域中间状态 光将最强 对于不同颇色的光束来说 这个长度是不同的 马赫曾德干涉仪由于不带有纤端反射镜 需要增加一个 3dB 分路器 如图 2 5 图 2 一 5 马赫曾德干涉仪原理 光源发出的相千光经 3dB 分路器分为光强 1 1 的两束光分别进入信号臂光 纤和参考臂光纤 两束光经第二个 3dB 分路器汇合相干形成干涉条纹 M Z 干 涉仪的优点是不带纤端反射镜 克服了迈克耳逊干涉仪回波干扰的缺点 因而 在光纤传感技术领域得到了比迈克耳逊干涉仪更为广泛的应用 2 2 4 贝赛尔滤波器 电子学和信号处理中 贝赛尔 Bessel 滤波器是其有最大平坦的群延迟 线性相位响应 的线性过滤器 贝赛尔滤波器常用在音频大桥系统中 模拟贝 赛尔滤波器描绘为几乎横跨整个通频带的恒定的群延迟 因而在通频带上保持 了被过滤的信号波形 滤波器的名字来自于 Fricdrich 贝赛尔 一位德国数学家 1784 1846 他发展了滤波器的数学理论基础 贝塞尔 Bessel 滤波器具有最平坦的幅度和相位相应 带通 通常为用户关 注区域 的相位响应近乎呈线性 Bessel 滤波器可用于减少所有 IIR 滤波器固有 的非线性相位失真 描述贝塞耳滤波器低通滤波器的传递函数如下 XII 这里是一个反向贝塞耳多项式 是选定的期望截止频率 贝塞尔 Bessel 线性相位滤波器正是由于具有向其截止频率以卜的所有 频率提供等量延时的特性 才被用于音频设备中 在音频设各中 必须在不损 害频带内多信号的相位关系前提下 消除带外噪声 另外 贝塞尔滤波器的阶 跃响应很快 并且没有过冲或振铃 这使它在作为音频 DAC 输出端的平滑滤 波器 或青频 ADC 输入端的抗混叠滤波器方面 是一种出色的选择 贝塞尔 滤波器还可用于分析 D 类放大器的输出 以及消除其它应用中的开关噪声 来 提高失真测量和示波器波形测量的精确度 虽然贝塞尔滤波器在它的通频带内提供平坦的幅度和线性相位 即一致的 群延时 响应 但它的选择性比同阶 或极数 的巴特沃斯 Butterworth 滤波器 或切比雪大 Chcbyshey 滤波器要差 因此 为了达到特定的阻带衰减水平 需要设计更高阶的贝塞尔滤波器 从而它又需要仔细选择放大器和兀件来达到 最低的噪声和失真度 XIII 3 色散补偿技术仿真与性能分析色散补偿技术仿真与性能分析 日前色散补偿技术已被国内外许多学者进行了广泛地研究和实验 形成了 许多方法 传统的 DCF 因其光纤技术成熟度好 生产方便 在近几年内仍然是 主流产品 而多通遒光纤光栅色散补偿技术的研究逐渐成为热点 多通道色散 补偿器己经具一备了一定的市场竞争力 大量商用产品己经推向市场 有逐步 取代传统 DCF 之势 故本文特选 DCF FBG 与 PMD 进行色散补偿仿真 比较 之间的优劣性 为今后的研究提供帮助 3 1 DCF 色散补偿仿真色散补偿仿真 3 1 1 系统仿真结构 图 3 1 DCF 系统仿真结构 图 3 1 为负色散光纤补偿系统仿真结构 本实验系统设计一个随机序列发 生器作为信号源 经过一段单模光纤 SMF 传输后再通过一段其有负色散系数的 光纤 以此来观察研究负色散光纤补偿法 DCF 的原理和其性能参数 实验分 别从信号经过 SMF 前后和经过负色散补偿光纤前后的光时域观察仪和光潜分析 仪中观察信号变化 XIV 3 1 2 仿真结果分析 图 3 2 光时域观察仪结果 一 图 3 2 为调制信号还没有经过单模光纤 SMF 的时域波形 图 3 3 光谱分析仪结果 一 图 3 3 为调制信号还没有经过 SMF 传输的光谱图 XV 图 3 4 光时域观察仪结果 二 图 3 4 为调制信号经 SMF 传输后的情形 可以清楚的看到 由于 SMF 的 色散 导致信号的脉冲展宽 图 3 5 光谱分析仪结果 二 图 3 5 为调制信号经 SMF 传输后的光谱图 XVI 图 3 6 光时域观察仪结果 三 图 3 6 为调制信号经过负色散补偿光纤后还原的波形 图 3 7 光谱分析仪结果 三 图 3 7 为调制信号经过负色散补偿系后的光谱 通过光谱分析仪可以发现 信号的光谱没有发生多少变化 这一说明光纤色散对信号频率的影响很小 可 以忽略不记 而通过时域观察仪可以发现 色散会使信号产生明显的脉冲展宽 而通过负色散光纤 负色散系数 D 90ps nm km 的补偿 信号能还原为原来 的信号 通过图 3 6 可以看出经过补偿的信号着起来比原信号超前 而实际上 信号在传输中会产生延迟 这种超前对信号的传输没有坏的影响 反而会保证 信号传输的效率 通过大量实验证明 负色散光纤的长度为 SMF 的 20 能最好 的实现色散补偿 最大限度的还原出原信号 XVII 3 2 光纤光栅色散光纤光栅色散 FBG 补偿仿真补偿仿真 3 2 1 系统仿真结构 图 3 8 光纤光栅色散补偿系统仿真结构 图 3 8 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相 连 然后将偷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 3 2 2 仿真结果分析 图 3 9 调制信号的总功率 XVIII 图 3 10 调制信号的噪声功率 图 3 11 调制信号功率 图 3 12 抽样信号功率 图 3 9 到 3 12 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 XIX 图 3 13 抽样信号光谱图 图 3 14 噪声信号光谱图 XX 图 3 15 调制信号经过光栅补偿后的光谱图 图 3 13 到 3 15 为调制信号经光栅补偿后的各种光谱图 图 3 一 16 FBG 调试示意图 图 3 16 为光栅补偿模块的参数设置界面 通过修改参数进行系统仿真实验 XXI 达到最佳补偿效果 从而得出优化值 图 3 17 信号经光纤光秘色散补偿前后的眼图 图 3 17 为补偿后的误码率显示图 眼图 通过多次实验得出相对较标准 的眼图 图 3 18 抽样信号波形观察结果 XXII 图 3 19 噪声信号波形观察结果 图 3 20 总信号波形观察结果 图 3 18 到 3 20 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 18 XXIII 3 3 偏振模色散补偿偏振模色散补偿 PMD 仿真仿真 3 3 1 系统仿真结构 图 3 21 偏振模色散补偿仿真结构 图 3 21 为偏振模色散补偿 PMD 系统仿真结构 本系统仿真结构同样采 用经过马赫曾德调制器调制后的信号作为仿真信号源 与 FBG 补偿仿真结构类 似 将其中的 FBG 模块改成 PMD 模块 通过修改 PMD 中的参数值来得出最 佳的眼图效果 从而得出最佳参数值 3 3 2 仿真结果分析 图 3 22 调制信号总功率 图 3 22 为调制信号的总功率 因为采用的是与 FBG 一样的信号源 所以 它们的所有功率参数一样 在这里就只显示出总功率即可 其他功率参数可参 考图 3 10 到 3 12 XXIV 图 3 23 调制信号补偿后的光谱图 图 3 23 为调制信号 PMD 后的光谱图 可以清楚的发现噪声信号占用的空 间很多 而抽样信号则大为减少 图 3 24 调制信号 PMD 后的眼图 图 3 24 为调制信号的误码率显示图 眼图 这是通过多次实验得出的最佳 眼图 可以发现其眼图不是很规则 由此可以知道 PMD 的保真度不是很好 XXV 图 3 25 PMD 后的波形图 图 3 25 为调制信号经过偏振模色散补偿 PMD 模块补偿后的波形图 与 光纤光栅色散补偿 FBG 后的波形相比更不规则 与抽样信号相比也有一些明 显的差入 但是与原信号的相似度非常大 可以肯定可以得出原信号 因此我 们可以明显的发现 PMD 没有 FBG 优越 XXVI 结论结论 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 统眼图 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 色散补偿光纤传愉系统存在一般光纤系统的性能缺点 如色 散 码间串扰 非线性效应等 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 本论文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 PMM 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 系统部建议采用此种色散补偿 通过查阅大量资料发现 PMD 补偿适用范围狭窄 只有一些特殊场合 军用 密报等 才会用到 一般 民用光纤传输系统的 PMD 效应可忽略 且通过仿真可发现其补偿效果不是很 好 XXV