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×××××××××××

××××届毕业设计（论文）

日期：××××年 ××月

中文摘要

色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤的传输容量。对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散，在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽，劣化的程度随数据速率的平方增大，因而对色散补偿的研究是一项极有意义的课题。

色散是影响光纤通信质量的一个主要因素，啁啾光纤光栅色散补偿技术是一种实用的色散补偿方式，因而成为目前光纤通信领域的一个研究热点。本论文以光纤传输通信系统为研究对象，对系统的模型，仿真方法和系统的性能进行了深入的研究和探索，通过对仿真结果的研究验证系统的性能，得到最佳系统参数，采取了较佳的方案。

论文主要工作如下：

1） 介绍、分析布拉格光纤光栅的基本原理及其相关基础知识；

2） 分析研究色散对光纤的短程及远程传输信号的影响；

3） 利用OptiSystem仿真软件对色散对光纤传输的影响进行适当的仿真分析。

4） 利用OptiSystem仿真软件实现布拉格光纤光栅对光纤脉冲信号传输中色散的补偿作用。

关键词：光纤光栅，色散补偿，时延，带宽，补偿距离，光通信系统，OptiSystem，仿真

ABSTRACT IN CHINESE

Dispersion is an important optical properties of the fiber, which causes optical pulse broadening, and severely limits the transmission capacity of optical fiber. Play a major role for actual use on a long haul single-mode fiber, chromatic dispersion, polarization mode dispersion in high-speed transmission, can’t be ignored. Pulses in optical fibers, the pulse width broadening the extent of degradation increases with the square of the data rate, and thus the study of the dispersion compensation is a very significant issue.

So dispersion is an important factor that impact the optical communication. Chirped fiber grating is considered to be one of the most useful technology for high-bit-rate optical communication. Therefore, it has been a hot topic in recent years. The communication optical fiber transmission system, the system model, simulation method and system performance conducted in-depth study and exploration of the performance of the verification system through the simulation results, the optimal system parameters, adopted a more excellent program.

The research works in the dissertation are summarized as follows:

1) Introduction and analysis of the basic principles and basic knowledge of fiber Bragg gratings;

2) Analyze the impact of dispersion on the short-and long-range transmission signal of the fiber;

3) The use of appropriate simulation analysis the simulation OptiSystem software dispersive optical fiber transmission.

4) Fiber Bragg gratings for dispersion compensation in optical pulse signal transmission of OptiSystem simulation software.

Key words：Optical fiber grating, the dispersion compensation and time delay, bandwidth, compensation distance, optical communication system, OptiSystem, simulation

第一章 绪论

1.1 光纤通信的发展历程

1966年，英国标准电信研究所英籍华裔科学家高锟（CharlesK ,C）博士和G.A.Hockham详细研究了玻璃纤维的传输损耗后，首先提出了光纤通信的思想。当时，他们撰写的论文Dielectric Fiber Surface Waveguide for Optical Frequencies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：光纤可实现超高速通信；光线中光能的损失可抵达20dB/km。

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。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部分科学家的认同。随后，他们与美国康宁公司（Coming Glass Works）合作，在1970年，研制成功了世界上第一根损耗低于20dB/km的光纤，为光通信找到了一个优良的传输介质，光信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猛发展的时代。

光器件是实现光通信系统的基石，为了适应光通信系统的快速发展，人们在光器件和相关材料方面的开发研究上花费了大量的精力，并取得了丰硕的成果，光纤光栅是今年来发展最快的光纤器件之一。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并将紫外光从光纤的端面注入光纤的芯层中，用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人用244nm的紫外光双光束全息干涉形成干涉条纹，实现了光纤布拉格光撒（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术取得了重大进展，光纤光栅进入实用阶段。20世纪90年代以来若干关键技术获得的了重要的突破，主要有：利用两束紫外光束的干涉，通过光纤侧面在纤芯中写入光栅，增加了选择工作波长的自由度；利用相位掩膜技术进行光栅写入，降低了对紫外光源相干性和稳定性的要求；利用高压载氢敏化技术对光纤进行预处理，提高了普通商用通信光纤的光敏性，降低了光纤光栅的成本；特殊组分和配比的专用光敏光纤，改善了光纤光栅的传输谱。随着这些光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的范围越来越广泛，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的各个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤通信领域中继掺铒光纤放大器（EDFA）之后的又一重大技术突破。

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性（这种现象也成为光致折射率变化效应）。比如上文中提到的用激光干涉条纹从侧面辐照掺锗光纤，就可使其成为光纤光栅，这种光栅在大约500°C以下稳定不变，而用500°C以上高温可擦除。在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可制作出许多性能独特的光纤无源器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，能与光纤很好的耦合，可与与它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是布拉格光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。对光纤光栅的研究主要集中在光栅的写入技术（尤其是非周期光栅的写入技术）、光栅的传输和传感特性以及光栅的应用等几个方面。本论文研究的是光纤光栅在高速光纤通信系统中的色散补偿的应用。

1.2 光纤通信研究的目的和意义

纵观光纤通信的发展历史，我们可以清晰地看到，光纤通信中传输容量的扩大、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、色散效应紧密相连。这些都是阻碍光纤通信向前发展的主要因素。损耗限制了站间距离的增加，非线性效应则会严重地影响系统的传输质量，同时也限制中继距离，而色散则造成脉冲展宽，引起码间干扰。

随着掺铒光纤放大器、波分复用技术在光纤通信系统中的商用化后，损耗问题基本得到了解决，色散便上升为首要限制因素。而光纤的色散还能够有效地抑制四波混频等非线性效应，因此对光通信系统进行升级扩容的关键将集中体现在色散问题上。在高速率、超长距离的大容量光纤通信系统中，也只有进行有效色散补偿才能满足通信系统进一步传输的要求，因此，研究色散广利对于解决超长距离传输具有重大意义。色散补偿技术是未来高速、大容量、长距离光纤通信系统中必不可少的重要技术。

如今已经埋设的单模光纤大多是一阶色散零点位于1.31μm波长处的常规单模光纤，在此波长上传输可以不考虑一阶色散的影响。然而由于1.55μm是石英光纤3个低损耗窗口中损耗最低的一个，而且掺铒光纤放大器也是工作在此波长上，这使得人们倾向于利用1.55μm处的波长，在此波长处常规光纤的色散系数约为17ps/(nm·km)，因此色散问题就很突出。从长远来看，随着人们对信息量需求的增加，要求通信系统能够在较宽波段范围内工作，波段资源的开发必然对色散补偿提出更高的要求。

40Gbit/s系统的色散容限只有10Gbit/s系统的十六分之一，也就是说，这种容限与信号速率的平方成反比。光纤色散对通信系统的新能影响主要表现在对传输中继距离和传输速率的限制。当色散引起光信号脉冲的展宽大于0.3倍的输入脉宽时，光接收灵敏度急剧下降、均衡困难、误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码艰巨，这就不得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信质量。特别是对于长距离、高速光通信系统来说影响尤为严重。因此，色散效应成为了重要的研究课题之一。

如何解决色散问题已引起全世界的关注，各国研究人员先后提出色散补偿方法有：色散补偿光纤补偿技术（DCF，Dispersion Comqensation fiber）、光纤光栅补偿技术（CFG，Chirped Fiber Grating）、虚像相位整列法（VIPA，Virtual Imaged Phased ）、光纤孤子传输（Fiber，Soliton Transmission）、中点谱反转法（MSSI，Mid-Span Spectral Inversion）、色散支持传输（DST，Diapeision Supported Transmission）、平面光路法（POC，Planar Optical Circuit）、预啁啾补偿技术（per-chirping）等等，这些方法各有优缺点。

色散补偿光纤补偿技术早在1980年有Lin等人提出，如今它已经成为应用十分广泛的补偿技术，已经大规模地商业化制造和生产。色散补偿光纤是无源器件，可放在传输网中的任何位置，使用灵活、方便、可靠。但在器件小型化和加大传输距离方面有明显不足：损耗大、非线性强；为了实现对不同信道的补偿，必须采用复杂剖面结构的色散和斜率同时补偿光纤，增大了工艺难度和成本。

1986年，Ouellette首次提出了采用啁啾光纤光栅对光纤的色散进行补偿。1994年J.A.R Williams等人进行了线性啁啾光纤光栅色散补偿的10Gb/s100km传输系统，首次论证了切趾对改善光纤光栅时延特性的作用。光纤光栅补偿法特点是器件小型化、损耗低、对偏振不敏感、色散补偿量大、反射率高以及反射带宽宽等；而且光栅体积小，可以很容易安装在现有传输系统中，很方便地进行全光通信的一维集成；而且它的工艺简单，造价不高，还可以根据传输距离灵活地设计我们所需要的补偿量，因此，光纤光栅最具有优势。

1.3 光纤通信系统的概述

光纤通信作为现代通信的主要通信方式，在现代通信网中起着举足轻重的作用。随着社会的不断进步，通信向大容量，长距离方向发展是必然趋势。光通信是以电通信发展而来的，是成熟的电通信技术与先进光子技术的结合，是利用光作为信息载体，以二氧化硅为基本原材料来传输携带信息的光波达到通信的目的。由光发射机、光纤与光接受机组成。

光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤系统可分为三个基本单元：光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成。光源是其核心部件，由半导体光二极管LED或者激光二极管LD构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信号恢复电路组成。光发射机光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源、无源光器件，连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减产生的光功率减弱。

光纤通信系统可以根据系统所使用的传输信号形式、传输光的波长和光纤的类型进行不同的分类。按传输信号的不同，光纤通信系统可以分为：模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统。按波长和光纤类型分类，光纤通信系统分为四类：短波长（0.85μm左右）多模光纤通信系统；长波长（1.31μm）多模光纤通信系统；长波长（1.31μm）单模光纤通信系统；长波长（1.55μm）单模光纤通信系统。

光纤通信与其他通信手段相比，其特点在于：频带宽，通信容量大；损耗低、中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强、体积小、重量轻、便于施工与维护、原材料来源丰富，价格低廉。

虽然光纤还存在光放大难，电力传输困难，纤芯质地脆弱，弯曲半径不宜太小，机械强度低等一些缺陷，但这些问题都不是严重的，随着科技的发展这些问题将会一一获得解决。

随着人类社会发展到信息社会对声音、图象和数据等信息的交流量非常大。以往的通信手段已不能满足人们的需要，而光纤通信以其通信容量大、保密性能高、体积小、重量轻、原材料资源丰富、造价低廉、施工手段多样、灵活、方便、无再生中继距离长等一系列优点。其应用领域普及通信、交通、工业、医疗、教育、航天航空和计算机等各个行业，并向着更广更深的层次发展。

由于光纤损耗低、通信容量大、直径小、重量轻、不导电、不短路和敷设容易等优特点，现广泛运用于公用电信网、局域网、不同网络层面、专网及其危险环境下的通信线等。基于社会的发展和需要，光纤通信系统也正向超高速、超大容量波分复用（WDM）系统发展，并逐渐步入全面光联网；同时为了适应干线网和城域网的不同发展需要，开发新型光纤是必经之途，目前已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光纤（G.655光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。

本章小结

本章是论文的绪论部分，主要对光纤通信系统的发展历程，研究意义和基本概述等做了简要的介绍，阐明了论文研究的理论背景和实际研究的目的意义。

第二章 光纤色散与布拉格光纤光栅的补偿

纵观光纤通信的发展，损耗与色散一直是长期阻碍光纤通信向前发展的主要因素。损耗限制了站间距的增加，而色散则造成脉冲展宽，引起码间干扰。当码速小于5Gbit/s时，传输距离的限制主要由光纤的损耗决定。若码速超过6Gbit/s，则色散成为决定光纤通信系统性能优劣的主要因素。由于单模光纤的损耗主要是由瑞利散射所引起，而瑞利散射光强正比于a2715aefc08aa70e0f25b8aeab9c28a4.png，因此当单模光纤的工作波长从1.3 μm移向1.55μm波段时，其损耗就从0.4dB/km降到0.2dB/km，由此就得到最低损耗窗口，使光纤通信的中继距离得到扩大。尤其是近年来掺铒光纤放大器（EDFA）的开发成功和实用化，它工作于1.55μm波段，可在约35nm宽范围内提供达40dB的增益，较好地解决了光纤通信中的损耗问题，使人类向实现超高速、大容量、长距离的光纤通信又迈出了坚实的一步。

本文对光纤通信系统研究主线就是如何有效地控制色散，使信号在高码速，长距离传输中不失真地传输到接收端。在光纤通信系统中，信息是通过编了码的光脉冲序列在光纤中传输的，光脉冲的宽度由系统比特率B决定。如果脉冲扩宽到指定的比特隙（7ca637d08c07a9986216e338fc113aa2.png）之外，就会与探测过程相互干扰并产生误码。当用光纤放大器补偿光纤损耗时，L超过数千千米，色散问题变得相当严重。因此，光纤色散成为限制光纤通信系统传输性能的主要因素之一。

2.1 光色散与光时延

2.1.1 光的色散、相速、群速和时延

不同频率（波长）的光在同一个介质中的折射率不同，这种光在介质中传播时传播速度（折射率）随频率不同而变化的现象称为色散。色散通常是由于材料的不同特性引起的，实际上主要是指材料色散。

在真空中，所有频率的光（电磁波）都以相同的速度c传播，在各向同性介质中，不同频率的光的传播速度不同。理想的单色光以速度 8cb22f50156951420a7f6b95b5bf13d2.png沿z轴传播，n为光在这种介质中的折射率。单色波列可以表示为：

7fcabea22ae4bd3acaee5f31d857eb8d.png （2.1.1）

其中，ω为光的角频率，k=2π/λ为光在该介质中的波数，λ为光在该介质中的波长。这里的速度υ实际上表示的是光的等相位面在介质中的传播速度，称为相速度（简称相速），一般用52c39b0bdbe7388d431af7fac109d2de.png来表示，可见：

5837f346f9a9c69bb0c180ae93d460bf.png （2.1.2）

考虑最简单的情况，假设非单色光是由两个频率分立的单色波构成，两者均沿z方向传播，振幅均为3adb4edd14951ddd757ccb4eb18f8518.png，频率为7c6a387be4acb371e992788a43c650b7.png和29785a50913f335c1c7c5b2dc69fca83.png，而且相差不大，它们叠加后的波列为：

aada0b35a206af87414377d25449bc00.png （2.1.3）

其中f4f3b67f9fd51e621dd113efca8b3b7b.png。式中的第一项形成缓变包络，第二项形成高频载波。

一般来说，低频包络向前的移动速度和高频载波向前移动的速度是不同的。高频载波的速度速度即前面提到的相速度52c39b0bdbe7388d431af7fac109d2de.png，它是高频载波的等相面向前的推移速度。低频包络的移动速度称为群速度，用d31aa9f6a53ba0f4d6457dc026a4d579.png表示，是低频包络在空间向前的移动速度。

可见，同一束光有两个传播速度，一个是相速，一个是群速，由于光的频率很高，高频载波的相位变化很快，而能量主要集中在波包上，因此，实际测量得到的是波包在两点之间的传播时间，而不是高频载波的传播时间。通常，称波包在介质中传播单位长度的距离所需要的时间为群时延，用τ来表示。因此，在实验中测量的光信号通过单位长度的传播时间为群时延。所以（2.1.3）式可以变为：

c5d7ff11c2dc92eab35c20cc869d091a.png （2.1.4）

其中，第一个余弦函数表示波包的移动；第二个余弦函数表示载波的移动，因此有5837f346f9a9c69bb0c180ae93d460bf.png ，70d59936ad0a2a6a1da9554406c783e5.png。

实际的准单色波可以看作由无限多频率在ω附近、Δω范围内连续分布的单色波组成，其合成波也是由载波和慢变包络组成，这样的包络通常称为波包，波包的移动速度即群速度，波包中振幅最大的地方时能量最集中的地方，群速度（简称群速）代表了能量的传播速度，也就是信号的传播速度。群速可表示为：

2fb32524dd4316beb4553585e40a9359.png （2.1.5）

上式即材料中光的群速度表达式。可见，波包在介质中通过单位长度距离需要的时间为：

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/c7816548c381e53a580216fc700abb68a882ad77.html