光纤光栅在高速光通信系统色散补偿中的应用.pdf
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1、武汉理工大学 硕士学位论文 光纤光栅在高速光通信系统色散补偿中的应用 姓名:周小燕 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:文双春 20060401 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 光纤通信系统中传输容量的扩大、传输速度的提高、传输距离的延长都与 光纤的损耗、非线性效应、色散效应紧密相关。随着掺铒光纤放大器的广泛使 用,损耗问题基本得到了解决,光纤色散和非线性效应便成了目前光纤通信系 统中限制光信号传输速率和传输距离的主要因素。由于光纤色散能够有效地抑 制四波混频等非线性效应,因此对光纤通信系统进行升级扩容的关键将集中体 现在色散问题上,而在高速率、超长距离的大容量光纤通信系统中,
2、也只有进 行有效的色散补偿才能满足通信系统进一步传输的要求。本文重点研究了光纤 光栅在高速光纤通信系统色散补偿中的应用,主要工作如下: 首先,从光脉冲在单模光纤中传输的基本方程出发,分析了高速光纤通信 系统中色散补偿的原理以及色散对光纤通信系统的影响。 其次,分析了目前国内外高速光纤通信系统中各种色散补偿技术及其机制、 特点,从系统性能的角度分析比较了它们的优缺点。如:虚像相位阵列法、光 孤子传输、平丽光路法等。这些色散补偿方法技术成熟程度较低,实用化的进程 很缓慢。相比较而言,光纤光栅最具优势。光纤光栅是对高速率、超长距离大 容量光纤通信系统进行色散补偿最有前途的种技术方案。 最后,基于O
3、P T I W A V E 仿真软件,模拟仿真了三个在G 6 5 2 光纤传输的以 光纤光栅进行色散补偿的系统性能,这些系统的传输速率分别为1 0G b S 、4 0G b s 光纤通信系统以及4 0G b s ,1 6 通道的高速密集波分复用( D W D M ) 系统。模拟 研究结果表明:入纤光功率的大小对色散补偿系统的影响犬,对于每个系统, 入纤光功率在某个范围之问,系统性能较好:光纤光栅的色散补偿带宽对系统 的影响较大。另外,在高速D W D M 系统中色散斜率对误码率也有一定的影响。 关键词:光纤通信,色散补偿,光纤光栅,虚像相位阵列法平丽光路法 武汉理工大学硕一I :学位论文 A
4、b s t r a c t I no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ,t h ee n l a r g e m e n to ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , t h e i m p r o v e m e n to ft r a n s m i s s i o nr a t e t h ee x t e n s i o no ft r a n s m i s s i o nd i s t a n c e a r ea l l c l o s e l yl i n k e dw
5、i t hn o n l i n e a re f f e c ta n dd i s p e r s i o ne f f e c t W i t hw i d e n e da p p l i c a t i o n o fE D F A ,t h ew e a k n e s si nf i b e rl o s si sm o s t l yc o n t r o l l e d T h e r e f o r e ,t h eF i b e r d i s p e r s i o ne f f e c ta n dn o n l i n e a re f f e c tb e c o
6、 m et h er e m a i n i n gs i g n i f i c a n tf a c t o r st h a t r e s t r i c tt h er a t ea n dd i s t a n c eo f t r a n s m i s s i o no f o p t i c a ls i g n a l B e c a u s ed i s p e r s i o nc a n e f f i c i e n t l yr e s t r a i nt h ee f f e c to fn o r d i n e a rs 0t h a t r e g a
7、r d i n gt h ek e yt Ou p d a t ea n d e n l a r g eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ,m o s t l yt h ed i s p e r s i o nl e f tm a j o rp r o b l e m s A n di t o n l ya p p l i c a b l e t o s a t i s f y f l L r t h e r r e q u i r e m e n to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b y c o m
8、p e n s a t i n gd i s p e r s i o no nt h eo p t i c a ls y s t e mo fh i g h e rs p e e da n dl o n g e rd i s t a n c e T h em a i nw o r k so f m i n ea l et h ef o l l o w i n g : F i r s to fa I l Iu n d e rt h ep r i n c i p l eo ft r a n s m i t t i n gt h r o u g hl i g h tp u l s eo ns i n
9、 g l e m o d ef i b e r s ,W ea n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo f c o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o ni nw o r l d w i d eh i g h b i tr a t eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dw h a te f f e c to no o t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw 鹅l
10、 e f tb yd i s p e r s i o n S e c o n d y ,o n ea u t h o r i t y m a d ea n a l y s e so nt e c h n o l o g yo fc o m p e n s a t i n g d i s p e r s i o ni nw o r l d w i d eh i 曲b i tr a t eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d i n v e s t i g a t e dt h em e c h a n i
11、s ma n dc h a r a c t e r i s t i c i ni t ,a n dc o m p a r e dw e a k n e s sa n d s t r e n g t hf r o mt h ep o i n to fs y s t e mP e r f o r m a n c e A n dt h o s ei n v e s t i g a t i o n sf o c u so n V i t u a lI m a g eP h a s e dA r r a y 、F i b e rS o l i t i o nT r a n s m i s s i o n
12、 、P l a n a rO p t i c a lC i r c u i t T h e a b o v e - m e n t i o n e dt e c h n o l o g i e so fc o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o na r cs t i l li nt h e i ri n f a n c y a n ds l o w l yo nt h ep r o c e e d so fa p p l i c a t i o n H o w e v e r , t h eF B Gk e e p si t sc o m p e t i
13、 t i v e e d g e ,c o m p a r e dw i t ho t h e rt e c h n o l o g i e s S of a r , F B Gi st h em o s tp r o m i s i n gp r o j e c t d e s i g n e d f o rt h eh i g hb i t - r a t e ,l a r g ec a p a c i t y , a n dl o n g e rd i s t a n c et r a n s m i s s i o n d i s t a n c eo p t i c a lc o m
14、 m u n i c a t i o ns y s t e mv i ac o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o n F i n a l l y , b a S e do r lO p t i w a v eS o f t w a r e ,w es i m u l a t e dt h ep e r f o r m a n c eo f3 s y s t e m sG 6 5 2o p t i c a lt r a n s m i s s i o n si no r d e rt oc o m p e n s a t ed i s p e r s i
15、o nv i aF B G _ I h e I l 茎堡堡三盔堂堡主堂垡笙塞 r a t eo f e a c ht h r e ei sr e s p e c t i v e l y1 0G b s ,4 0 G b s ,a n d1 6c h a n n e l s 、4 0 G b s D W D M T h ei n v e s t i g a t i o ni ns i m u l a t i o ne x p l a i nt h a tt h eq u a n t i t yo ft h ei n p u tf i b e rp o w e r g r e a t l ya f
16、 f e c t st h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns y s t e ma n di n p u t f i b e rp o w e ri na p a r t i c u l a rr a n g ei ne a c hs y s t e m i sw e l lc a p a b l e ,a n db e s i d e s ,d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n b a n d w i t h so ft h ef i b e rb r a g g sg r a t i n
17、 gp l a y sa l li m p o r t a n t l yr o l ei nt h es y s t e m F u r t h e r m o r e ,o t h e r 铱p 鲤i 芏n e n t ss h o wt h a ti th a sc e r t a i ni m p a c to nb i te r r o rr a t e i n h i g I Is p e e dD W D Ms y s t e m K e yw o r d s :O p t i c a lF i b e rC o m m m u n i c a t i o n ,D i s p
18、e r s i o nC o m p e n s a t i o n ,F i b e rB r a g g G r a t i n g ,V i m a lI m a g eP h a s e dA r r a y ,P l a n a rO p t i c a lC i r c u i t l i l 此页若属实,请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致 谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我
19、一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名: 1 虱! j ! 整日期趟桐那目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借 阅:学校可以公布论文的全部内容,可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密詹应遵守此规定) 研究生签名:两j :越,导师签名:主皿毒 日期:2 鲤型竖鲴弱日 注:请将此声明装订在论文的目录前 武汉理。F 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 光通信的发展历史十分悠久,早在三千多年前,周朝就有利用烽火台的火
20、 光传递信息,直到今天我们仍然可以见到依靠空气进行光信息传输的信号灯, 但是这种传输方式严重受限于气候条件、地形地貌、建筑物阻挡和传输距离等 等,目前已经让位于光纤通信。2 l 世纪将是信息时代,信息时代将会大大地推 动科学技术、经济贸易的全球化高速发展。现代科学技术、工业和农业的现代 化及经济贸易中人与人之间的交流,必然带来全球性的海量信息交换。光纤通 信以其通信容量大、中继距离长、抗电磁干预等优点,已经成为支撑全世界海 量信息交换的最重要的技术支柱之一1 1 l 。 1 9 6 6 年,英目标准电信研究所英籍华裔科学家高锟( C h a r l e s K C ) 博士( 现 为美籍) 和
21、G A H o c k h a m 详细研究了玻璃豹传输损耗后,首先提出了光纤通信 的思想。当时,他们撰写的论文光频介质纤维表面波导( D i e l e c t r i cF i b e rS u r f a c e W a v e g u i d ef o rO p t i c a lF r e q u e n c i e s ) 发表在伦敦电气工程师协会会刊上,文中明 确提出用石英玻璃纤维( 简称光纤) 传送光信号来进行通信。该论文从理论上 指出:光纤可实现超高速透信;光纤对光能的损失可低达2 0 d B l o n 。此外, 他还给出了光纤的原始构造,及其几何尺寸精度要求达到微米数量级
22、。高锟的 思想得到了当时英国邮电总局电信研究所和美国贝尔实验室少数科学家的认 同。随后,他们与美国康宁玻璃公司( C o m i n gG l a s sW o r k s ) 合作,在1 9 7 0 年, 研制成功了世界上第一根损耗低于2 0 d B I o n 光纤,为光通信找到了一个优良的 传输介质,使得光源和传输介质的问题都得到了解决,光纤通信在实用化的道 路上向前迈进了一大步,从此便进入了光纤通信迅猫发展的时代【1 】。 1 2 研究背景 在回顾光纤通信发展历程的时候,我们都会十分清晰地认识到,光纤品种 的推陈出新过程,就是人们对光纤色散在光纤通信系统中所起的重要作用的认 识过程。1
23、 9 7 7 年,美国贝尔实验室在芝加哥掰电话局之间开通了世界上第一条 武汉理:J = 大学硕士学位论文 实用化光纤通信系统,其传输速度为4 5 M b i t s ,采用的是多模光纤,光源用的 是工作波长为o 8 5 , u r n 的L E D 发光管。国际电信联盟( I T U T ) 建议将5 0 1 2 5 m 多模光纤定义为G 6 5 1 光纤,这一系统适用于小容量、短距离的通信线路。 2 0 世纪7 0 年代末,人们试图用研制成功的长寿命半导体激光器来代替发光 管光源,以获取更长的通信距离和更大的通信容量。可是,激光在多模光纤叶1 传输时会发生模式噪声。为克服模式噪声,8 0 年
24、代初成功地研制出零色散点在 1 3 l “小的单模光纤,因为单模光纤的设计思想是只传输一个模式,所以不发生 多模光纤中传输时所发生的模式噪声。国际电信联盟( r r U T ) 建议将这种单模 光纤定义为G 6 5 2 光纤( 非色散位移单模光纤) ,也称为标准单模光纤。 1 9 8 3 , 第一代单模石英光纤( I T O T G 6 5 2 ) 实现商用化,但它在1 5 5 p r o 处色散较大,限 制了光纤通信系统的传输距离,主要应用于波跃为1 3 1 t m 、传输速率为6 2 2 M b s 及以下的长距离通信系统。它是目前应用最为广泛的光纤类型,故又称为标准 单模或常规光纤S M
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- 光纤 光栅 高速 光通信 系统 色散 补偿 中的 应用
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