毕业设计（论文）基于光子晶体光纤的WDM系统的设计06850.doc

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1、 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

2、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

3、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

4、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。Abstract As human society enter the information age, the demands of information continue to increase, leading to exponential growth of global information transmission amount and a higher demand on the communi

5、cation network bandwidth, capacity and transfer rate, in this context，the technology of WDM comes into being. In the WDM system, the ideal fiber should have characteristics of small attenuation, appropriate dispersion, low polarization mode dispersion，large effective area and ideal bending loss. How

6、ever, the conventional optical fiber is difficult to meet these requirements, which limits further improve the capacity and transfer rate of optical network. To solve this problem, people begin to study new kinds of fiber. Photonic crystal fiber studied in this article is one of them. The theoretica

7、l results show that this fiber has many excellent transmission characteristics, such as uncut-off of the single-mode, the controlled mode area, flexible dispersion properties, controllable waveguide dispersion, low loss and very low non-linear effect. As Photonic crystal fiber has such unique charac

8、teristics of transmission, which provided a good solution to the problems of transmission loss, dispersion and nonlinearity in the fiber, thus, in recent years, the study of photonic crystal fiber becomes hot point.In this article, we use Optisystem simulation software to study the transmission perf

9、ormance of WDM systems based on photonic crystal fiber. These studies mainly include: 1、First，we study the effect of the laser transmitting power on the transmission performance of the PCF WDM system, focusing on the power characteristics of NRZ pattern and RZ pattern. The study found: for the two m

10、odulation pattern, in the case of low-power, the impact of noise on the system is the dominant factor; in the case of high-power, the impact of nonlinear effects on the system is the dominant factor, and find the best transmitting launch power of the two patterns. 2、Secondly，we study the influence o

11、f the modulation pattern on the transmission performance of the PCF WDM system. The study found: in the case of low-power, the anti-noise performance of the NRZ pattern is better than the RZ pattern; in the case of high-power, the anti-nonlinear capability of RZ pattern is stronger than the NRZ patt

12、ern. RZ pattern is more suitable for use in high-rate and long-distance communication systems. 3、Then, we investigate the influence of the transmission distance on the RZ pattern PCF WDM system. Found that as the increase of the transmission distance, the received signal quality become badly. We fou

13、nd the EDFA and the accumulation of nonlinear effects are the dominant factors that cause the reduction of the transmission performance. At the same time, we find the maximum transmission distance is 850km, the best transmission distance is 700km. 4、Finally，we explore the impact of the dispersion on

14、 the PCF WDM system. Found that the impact of the dispersion and the dispersion slope on the long-distance and high-speed PCF WDM systems is very serious, so dispersion compensation issues and dispersion slope compensation issues must be addressed well in the design.Key words：Photonic crystal fiber,

15、 WDM, Optisystem, simulation.目 录摘要IXAbstractX第一章 绪论11.1 光纤通信技术发展和现状11.2 光子晶体光纤研究背景及发展21.2.1 光子晶体光纤研究背景21.2.2 光子晶体光纤的发展31.3 WDM技术发展及现状41.4 论文内容安排5第二章 光子晶体光纤62.1 光子晶体光纤的概念和分类62.2 光子晶体光纤特性82.2.1 无截止单模特性82.2.2 灵活的色散特性102.2.3 非线性特性122.2.4 弯曲损耗特性12第三章 WDM系统133.1 波分复用（WDM）技术的基本概念133.2 波分复用（WDM）技术的原理143.3 W

16、DM系统的基本形式153.4 WDM系统的特点及优势173.5 WDM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194.1 Optisystem仿真软件简介194.2 光子晶体光纤 WDM仿真系统的建立224.3 发射功率对光子晶体光纤WDM传输性能的影响244.3.1 NRZ码型光子晶体光纤WDM系统的功率特性244.3.2 RZ码型光子晶体光纤WDM系统的功率特性274.4 RZ码型和NRZ码型传输性能比较304.5 传输距离对光子晶体光纤WDM系统的影响324.6 色散对光子晶体光纤WDM系统的影响35第五章 总结和展望395.1 总结395.2 展望39致谢40

17、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（Wavelength Division Multiplexing）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

18、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。1.1 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

19、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1.7Gb/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

20、现了，光纤损耗也降低到0.2dB/km，同时色散位移光纤（dispersion-shifted fiber；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2.5Gb/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（Optical Amplifier）和波分复用（Wavelength Division Multiplexing；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1.6Tb/s，较第一代的传输速率快近10万倍1。1

21、.2 光子晶体光纤研究背景及发展1.2.1 光子晶体光纤研究背景目前光纤通信系统常用光纤的有G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.655光纤（非零色散位移光纤）和大有效面积光纤。G.652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)。G.652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G.652光纤在1550nm的高色散限制了其传输速率，传输速率超过2.5Gbit/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

22、G.653光纤。G.653光纤在1550nm具有低的损耗和色散，利用G.653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G.653光纤在1550nm窗口的色散值太小，使得在G.653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G.655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

23、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

24、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2.2折射率引导光子晶体光纤（TIR-PCF）结构及导光示意

25、图10光子带隙光子晶体光纤的结构和导光基理如图2.3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 /k （2.1）当 /k （2.2）其中，为光子带隙上边界对应的传播常数，为光子带

26、隙下边界对应的传播常数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2.3光子带隙光子晶体光纤（PBG-PCF）结构及导光示意图102.2 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

27、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。2.2.1 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V2.405时光纤是单模的1。由于材料折射率相对于波长的变化较缓慢，因此传统光纤的V值与波长差不多成反比，如果缩短工作波长，就出现多模化。普通单模光纤的截止波长一般大于1um。光子晶体光纤最吸引人的特点之一就是对于设计合理的光子晶体光纤来说，可以在所有频率范围内支持单模特性，这也就是所说的无休止单模特性(Endlessly single mode)，简称ESM。对于光子晶体光纤来说，只要满足空气孔

28、足够的小，且空气孔间的中心距离之比(简称孔比率)满足一定要求(如孔比率0.2)，便具有永久单模传输特性，即这样的光纤不存在截止波长。另外，这种特性与光纤的绝对尺寸无关。不管光纤尺寸放大或缩小，仍可保持其单模传输特性。1996年英国的J.C.Knight等人13报道了具有很宽单模波长范围(至少4584550nm)的TIR-PCF，随后又提出了“无穷单模光子晶体光纤”的概念，并通过有效折射率和有效归一化频率的概念对宽范围单模特性做出了解释14。无休止单模特性的基本原理是波长决定着包层和纤芯间的有效折射率差，当波长变短时，模式电场分布更加向纤芯区集中，这样就减少了一部分光延伸入包层，从而包层的有效折

29、射率得到提高，并且减少了折射率差，这就减轻了在普通单模光纤中当传输光的波长降低时出现多模现象的趋势。这种单模工作波段的扩展对波分复用系统增加信道数具有重要意义。这个特性已经在理论上得到了证实，对于这个性质，可以从标准阶跃型光纤的公式来理解：对于纤芯半径为，内芯和包层折射率分别为和的常规阶跃光纤，导模的数目由归一化频率V决定，有V=（）（- （2.3）当V值小于2.405时，光纤维持单模特性。根据此式，为了使V值足够小可以减小或减小纤芯和包层的折射率差。已经为um量级，减小余地有限，且会增加光纤的非线性系数和耦合难度，而大的非线性系数往往是需要避免的。因此要想增大光纤的单模波长范围应设法减小折射

30、率差。 T. A. Birks 等人提出的光子晶体光纤的等效折射率模型14,15光子晶体光纤具有比普通单模光纤大得多的单模传输频带。对于光子晶体光纤，空气比例决定了包层的等效折射率，只要减小空气比例就可以使纤芯和包层的折射率差变小。若在没有纤芯缺陷情况下无限大的周期性光子晶体包层所能允许的最大传播常数是，则包层等效折射率可定义为14 = （2.4）进一步定义光子晶体光纤的等效 V 值为 = （2.5）其中是光子晶体光纤包层晶体的孔间距离。与式(2.3)相似，它决定了光子晶体光纤的单模条件。与普通阶跃光纤在0 时 V而导致多模不同，解标量波方程的结果表明，短波条件下光子晶体光纤中光场集中在以气孔

31、为边界的纤芯区，波长越短，模场在含气孔的包层区的能量越小。等式(2.5)表明，的值是有限的，在短波极限情况下，它的值不直接与和相关，而是依赖于气孔孔径的相对尺寸(/)，只要孔径相对尺寸足够小就可以保持单模特性。在长波情况下，近似极限值是 = （2.6）其中，是空气折射率；F是空气填充比例，即光子晶体包层空气所占面积比例。所以，长波方向随波长增大 V 值减小，短波方向存在 V 值的有限值极限，而只要极限值小于2.405(通过减小孔径与孔间距的比值)，理论上就有全波段范围的单模特性。2.2.2 灵活的色散特性光子晶体光纤具有良好的色散性质，不像普通光纤，光子晶体光纤可以由单一材料制成，因此纤芯和包

32、层在力学和热学上是可以做到完全匹配的，也就是说，纤芯和包层的折射率差不会由于材料的不相容性而受到限制，从而可以在很长的波长范围内得到较大的色散。 我们知道，对于普通阶跃光纤，零色散值的位移是通过调节波导色散实现的。弱导条件下的波导色散Dw与V值相关联，可表示为16 Dw=- （2.7）其中，下是单位长度的传输延时；是纤芯的群折射率；是光波在轴方向的传播常数，是纤芯材料的传播常数。考虑到光纤材料色散Dm在波长大于1.27um时为负，为了在小于1.27um的某波长处得到零色散值，根据公式(2.7)要使相应的波导色散值Dw为正，中括号以内的部分必须为负。从与V的关系曲线（图2.4）可知，对于模在V2.405即光纤中能维持单模的条件下，与V曲线的斜率为正，且在V值小于1.4时的二阶导数为负值；虽然图2.4的二阶导数为正值，但是V值的进一步增大将导致多模传输，并且多模区的波导色