《光纤通信原理与技术》课程设计基于光纤光栅技术的波分复用器设计.doc

光纤通信原理与技术期末课程设计论文题目 ：基于光纤光栅技术的波分复用器设计 姓 名 学 号 学 院 电气工程学院 专业班级 2007级通信工程2班 目录 摘要20引言3一、波分复用(WDM)概述31.1波分复用系统构成原理41.2波分复用原理41.3波分复用的优势5二、光栅型波分复用器原理7三、波分复用系统VPl仿真设计83.1 光发送系统83.2 信号传输系统93.3 光接收系统93.4仿真结果及性能分析10四、结论及心得体会12参考文献13基于光纤光栅技术的波分复用器的设计姓名： 专业：07通二 学号： 指导教师： 摘要：首先介绍了波分复用器（WDM）的工作原理，用VPI仿真设计了一个4信道、复用参考频率为193.1THz、信道间隔为100GHz、传输速率为4×10Gbit/s、传输距离为100km的WDM系统进行模拟仿真实验；通过比较个节点光谱分布分析复用器的性能，最后设计出最优的波分复用器。关键词：光纤通信；波分复用；光栅；VPI仿真Abstract:The principle of wavelength division multiplexing(WDM) is introduced,a four channels WDM system is designed with VPI simulasion software,the reference frequency,channel interval,transport rate and distance are 193.1 THz,100GHz,4×10Gbit/s and 100km respetively. By comparing the spectral distribution of nodes, multiplexer performance, the final design of the optimal wavelength division multiplexer.Key words：Fiberoptical communication，WDM ，Grating，VP1 simulation0引言随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传送量正以一种加速度的形式膨胀。信息时代要求越来越大容量的传输网络。波分复用（WDM）技术是光纤通信增容，建设大容量光纤传输网的最佳手段，波分复用/解复用器件是波分复用系统中的关键元件之一。光纤光栅技术应用于光通信中的波分复用技术是近年来兴起的一种技术，并以其制作工艺简单，角度和波长选择性好，衍射效率高，对偏振的影响容易控制等优势得到广泛关注。因而随着光通信和全光网络的迅速发展，目前基于光纤光栅技术的波分复用器的工艺改进，性能优化等方面工作有很大的前景。本文主要介绍了光栅型波分复用器的结构和原理，并进行了VPI仿真。 一、波分复用(WDM)概述波分复用(WDM)是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。n个光发送机发送出有不同波长承载的光信号，通过光复用器耦合到同一根光纤中，经过光纤传输到达接收端后，由解复用器将不同波长信号在空间上分开，分别进入各自的光接收机。对于长途通信，还需在传输光纤中加入中继器或光放大器，以补偿光信号的损耗。 在WDM传输系统的发送端，需要采用波分复用器将待传输的多个光载波信号进行复接，而在接收端采用解复用器分离出不同波长的光信号。1.1波分复用系统构成原理N路波长复用的WDM系统的总体结构主要由发送和接收光复用终端（OMT）单元与中继线路发达（ILA）单元三部分组成。其结构图如下：l1l2lN波分复用器l1l2lN波分解复用器光功率放大器光线路放大器光线路放大器光前置放大器1.2波分复用原理波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。其信号频谱示意图如下：1.3波分复用的优势光纤的容量是极其巨大的，而传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号，这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。为了充分利用光纤的巨大带宽资源，增加光纤的传输容量，以密集WDM技术为核心的新一代的光纤通信技术已经产生。WDM技术具有如下特点：超大容量目前使用的普通光纤可传输的带宽是很宽的，但其利用率还很低。使用DWDM技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍。现在商用最高容量光纤传输系统为1.6Tbit/s系统，朗讯和北电网络两公司提供的该类产品都采用160x10Gbit/s方案结构。容量3.2Tbit/s实用化系统的开发已具备条件。对数据的“透明”传输由于DWDM系统按光波长的不同进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的。一个WDM系统的业务可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一样。系统升级时能最大限度地保护已有投资在网络扩充和发展中，无需对光缆线路进行改造，只需更换光发射机和光接收机即可实现，是理想的扩容手段，也是引入宽带业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段，而且利用增加一个波长即可引入任意想要的新业务或新容量。高度的组网灵活性、经济性和可靠性利用WDM技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络结构要大大简化，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便，由此而带来的网络的灵活性、经济性和可靠性是显而易见的。可兼容全光交换可以预见，在未来可望实现的全光网络中，各种电信业务的上/下、交叉连接等都是在光上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。因此，WDM技术将是实现全光网的关键技术之一，而且WDM系统能与未来的全光网兼容，将来可能会在已经建成的WDM系统的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络。二、光栅型波分复用器原理 光栅型波分复用器属于角色散型器件，是利用角色散元件来分离和合并不同波长的光信号。入射光照射到光栅上后，由于光栅的角色散作用，不同波长的光信号以不同的角度反射，然后经透镜会聚图（a），输出到同一根光纤，从而完成波长选择及复用功能。图a两个重要技术指标：角色散本领:角色散本领是相距为单位波长的光波散开角度，其表达式为：色分辨本领：色分辨本领反映器件分辨波长很接近的谱线的能力。其色分辨本领定义为：d为光栅常数, k是光栅的衍射级数, N是光栅的槽数。可见,要得到性能好的光栅，总槽数N应尽量多，光栅常数d应尽量小，并尽量选用高的衍射级数。 三、波分复用系统VPl仿真设计根据相关ITU建议和WDM 系统的原理，用VPI仿真设计一个4信道、复用参考频率为1931THz、信道间隔为100GHz、传输速率为4×10Gbits、传输距离为100km的WDM 通信系统嘲。如图1所示，整个WDM系统又可细分为光发送系统、波分复用系统、信号传输系统、波分解复用系统和信号接收系统五个主要部分。图1 WDM VPI仿真系统3.1 光发送系统光发送机首先由PRBS Generator(pseudo random binary sequence generator)产生电信号，然后由NRZ Coder进行非归零码的码型变换，再经过Rise Time Adjustment对上升时间的调整，最后通过一个MZ Modulator对光源进行调制，将电信号转换为光信号。四个激光器(LaserCW)的发射频率分别为：f1=193.1THz一150GHz，f2=193.1THz一5OGHz，f3=193.1THz+50GHz，f4=193.1THz+150GHz,平均光功率lmW；四个PRBS发生器所产生的码元(CodeWord)分别设置10000000、00100000、00001000、00000010。四个光发送机发射的四路光信号先由一个Bus Create 4：1合成一根总线；然后由Bus Fork总线中的信号分成两路，一路送入光谱仪进行光谱分析，另一路送入波分复用器(其中复用器的插入损耗设为Lerx=05dB)。3.2 信号传输系统信号传输部分由单模光纤(SMF)、非零色散位移光纤(NZDSF)I光放大器(OAMP)组成。由实验和理论计算可知，通道间隔越窄，光纤的色散越小，四波混频(FWM)的效率也越高，所以SMF在1550nm波段较大的色散系数有利于抑制FWM。但是色散系数越大，高比特率的传输中继距离越短，对于10Gbits速率的信号，即使采用外调制技术，尽可能压缩光源的谱线宽度，也只能传输60km。所以必须使用色散补偿技术，来抵消它的色散。非零色散位移光纤的特点是在1550nm窗口，色散系数很小，但不为零，可以降低四波混频(FWM)的影响。在15301565nm之间典型参数为：衰减系数小于025dBkm，色散系数在l-6psnm·km之间。光放大器用于补偿信号传输过程中的损耗，根据系统中光纤衰减情况将该放大器的增益系数设为G=2 ldB)3.3 光接收系统经解复用器解复用后的四路信号，首先表示为一根总线，再由Bus Fork分成两路，一路进入光谱仪进行光谱分析，另一路由Bus Split 1：4分成四路信号，分别输入四个光接收机。解复用后每一路光信号被送入相应的光接收机，光接收机将光信号转换为电信号。图1中的示波器用来显示电信号的波形，Clock Recovery和BER组合构成一套误码率分析仪，用来分析系统的误码率。3.4仿真结果及性能分析各测试点仿真结果如下图：(a) (b) （c） （d）（e） （d）(a )调制后的光功率谱；(b)复用后的光功率谱；(c)经SMF传输后的光功率谱 ；(d)经NZDSF后的光功率谱；(e)OAMP放大后的光功率谱；(f)解复用后的光功率谱。图(c)(e)分别是图l中光谱仪OSAa、OSAb和OSAc的光谱在频率 =1931THz-150GHz附近的局部放大图。相比复用后的信号，经过llkm的SMF传输后光功率衰减aA=231dB在经过89km的NZ 、F传输在B点，又衰减了 一1869dB，总共衰减了21dB。然后，经过一个增益为21dB的OAMP对光谱进行补偿。可见经过光放大后，信号的光功率已与MUX点的光功率大小基本相同，只是因为OAMP在对信号光进行放大的同时，也对传输过程中的噪声进行了放大，再加上OAMP本身有5dB左右的噪声存在，所以造成了放大后的信号光谱有一定程度的展宽。如(f)所示，由于解复用器插入损耗的影响，解复用后MUX点的光谱相对光放大后的光功率有大约05dB的衰减。（a）为输入信号波形 （b）为解复用后波形比较如图(a)和(b)所示的信道Channel1在调制前和解复用后Chanel1(out)电信号波形图可见，前者信号波形保持得较好，这是由于在传输系统中使用了色散补偿技术，很好地抑制了传输过程中的色散，所以接收信号相对于输入信号看不出明显的脉冲展宽；后者由于传输过程中的损耗，以及光接收机本身所存在的暗电流、热噪声等因素，故造成了信号不可避免地会有一定幅度的衰减和变形。四、结论及心得体会在设计波分复用器件时，要充分考虑降低损耗，降低误码率，采用色散补偿技术，以提高系统的可靠性。由于光栅技术在该仿真软件中无法实现，所以本实验只对一个常规的波分复用器进行了仿真及性能分析。光栅技术在波分复用器中应用只做了理论阐述。通过本次设计，学习到许多新知识，加深了对WDM及通信系统的理解，增加了自己的动手能力。参考文献 1 郑玉甫，张椿玲,等.光纤通信原理与技术.兰州大学出版社，2006.2 马军山光纤通信原理与技术M北京：人民邮电出版社，2004 3 张劲松，等光波分复用技术M，北京：北京邮电大学出版社，2002 4 马军山，方祖捷全光波长转换技术J激光与光电子学进展，2001，21(3)：21-30 5 杨邦湘WDM系统使用的光纤技术J，有线电视技术，2001，8(8).