《光纖通信原理與技術(shù)》課程設(shè)計(jì)基于光纖光柵技術(shù)的波分復(fù)用器設(shè)計(jì)

1、光纖通信原理與技術(shù)期末課程設(shè)計(jì)論文題目 ：基于光纖光柵技術(shù)的波分復(fù)用器設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號(hào) 學(xué) 院 電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 2007級(jí)通信工程2班 目錄 摘要20引言3一、波分復(fù)用(wdm)概述31.1波分復(fù)用系統(tǒng)構(gòu)成原理41.2波分復(fù)用原理41.3波分復(fù)用的優(yōu)勢(shì)5二、光柵型波分復(fù)用器原理7三、波分復(fù)用系統(tǒng)vpl仿真設(shè)計(jì)83.1 光發(fā)送系統(tǒng)83.2 信號(hào)傳輸系統(tǒng)93.3 光接收系統(tǒng)93.4仿真結(jié)果及性能分析10四、結(jié)論及心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)13基于光纖光柵技術(shù)的波分復(fù)用器的設(shè)計(jì)姓名： 專(zhuān)業(yè)：07通二 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 摘要：首先介紹了波分復(fù)用器（wdm）的工作原理，用vpi仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)4信

2、道、復(fù)用參考頻率為193.1thz、信道間隔為100ghz、傳輸速率為410gbit/s、傳輸距離為100km的wdm系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)；通過(guò)比較個(gè)節(jié)點(diǎn)光譜分布分析復(fù)用器的性能，最后設(shè)計(jì)出最優(yōu)的波分復(fù)用器。關(guān)鍵詞：光纖通信；波分復(fù)用；光柵；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,chan

3、nel interval,transport rate and distance are 193.1 thz,100ghz,410gbit/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

4、隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信領(lǐng)域的信息傳送量正以一種加速度的形式膨脹。信息時(shí)代要求越來(lái)越大容量的傳輸網(wǎng)絡(luò)。波分復(fù)用（wdm）技術(shù)是光纖通信增容，建設(shè)大容量光纖傳輸網(wǎng)的最佳手段，波分復(fù)用/解復(fù)用器件是波分復(fù)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一。光纖光柵技術(shù)應(yīng)用于光通信中的波分復(fù)用技術(shù)是近年來(lái)興起的一種技術(shù)，并以其制作工藝簡(jiǎn)單，角度和波長(zhǎng)選擇性好，衍射效率高，對(duì)偏振的影響容易控制等優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注。因而隨著光通信和全光網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，目前基于光纖光柵技術(shù)的波分復(fù)用器的工藝改進(jìn)，性能優(yōu)化等方面工作有很大的前景。本文主要介紹了光柵型波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)和原理，并進(jìn)行了vpi仿真。 一、波分復(fù)用(wdm)概述波分復(fù)用(w

5、dm)是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍劃分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段用作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長(zhǎng)的光信號(hào)。n個(gè)光發(fā)送機(jī)發(fā)送出有不同波長(zhǎng)承載的光信號(hào)，通過(guò)光復(fù)用器耦合到同一根光纖中，經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，由解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)信號(hào)在空間上分開(kāi)，分別進(jìn)入各自的光接收機(jī)。對(duì)于長(zhǎng)途通信，還需在傳輸光纖中加入中繼器或光放大器，以補(bǔ)償光信號(hào)的損耗。 在wdm傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，需要采用波分復(fù)用器將待傳輸?shù)亩鄠€(gè)光載波信號(hào)進(jìn)行復(fù)接，而在接收端采用解復(fù)用器分離出不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。1.1波分復(fù)用系統(tǒng)構(gòu)成原理n路波長(zhǎng)復(fù)用的wdm系統(tǒng)的總體

6、結(jié)構(gòu)主要由發(fā)送和接收光復(fù)用終端（omt）單元與中繼線路發(fā)達(dá)（ila）單元三部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如下：l1l2ln波分復(fù)用器l1l2ln波分解復(fù)用器光功率放大器光線路放大器光線路放大器光前置放大器1.2波分復(fù)用原理波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍劃分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長(zhǎng)的光信號(hào)。其信號(hào)頻譜示意圖如下：1.3波分復(fù)用的優(yōu)勢(shì)光纖的容量是極其巨大的，而傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)都是在一根光纖中傳輸一路光信號(hào)，這樣的方法實(shí)際上只使用了光纖豐富帶寬的很少一部分。為了充分利用光纖的巨大帶寬資源，增加光

7、纖的傳輸容量，以密集wdm技術(shù)為核心的新一代的光纖通信技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生。wdm技術(shù)具有如下特點(diǎn)：超大容量目前使用的普通光纖可傳輸?shù)膸捠呛軐挼?，但其利用率還很低。使用dwdm技術(shù)可以使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸容量增加幾倍、幾十倍乃至幾百倍。現(xiàn)在商用最高容量光纖傳輸系統(tǒng)為1.6tbit/s系統(tǒng)，朗訊和北電網(wǎng)絡(luò)兩公司提供的該類(lèi)產(chǎn)品都采用160x10gbit/s方案結(jié)構(gòu)。容量3.2tbit/s實(shí)用化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已具備條件。對(duì)數(shù)據(jù)的“透明”傳輸由于dwdm系統(tǒng)按光波長(zhǎng)的不同進(jìn)行復(fù)用和解復(fù)用，而與信號(hào)的速率和電調(diào)制方式無(wú)關(guān)，即對(duì)數(shù)據(jù)是“透明”的。一個(gè)wdm系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可以承載多種格式的“業(yè)務(wù)”信號(hào)，如at

8、m、ip或者將來(lái)有可能出現(xiàn)的信號(hào)。wdm系統(tǒng)完成的是透明傳輸，對(duì)于“業(yè)務(wù)”層信號(hào)來(lái)說(shuō)，wdm系統(tǒng)中的各個(gè)光波長(zhǎng)通道就像“虛擬”的光纖一樣。系統(tǒng)升級(jí)時(shí)能最大限度地保護(hù)已有投資在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中，無(wú)需對(duì)光纜線路進(jìn)行改造，只需更換光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，是理想的擴(kuò)容手段，也是引入寬帶業(yè)務(wù)（例如catv、hdtv和b-isdn等）的方便手段，而且利用增加一個(gè)波長(zhǎng)即可引入任意想要的新業(yè)務(wù)或新容量。高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性利用wdm技術(shù)構(gòu)成的新型通信網(wǎng)絡(luò)比用傳統(tǒng)的電時(shí)分復(fù)用技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要大大簡(jiǎn)化，而且網(wǎng)絡(luò)層次分明，各種業(yè)務(wù)的調(diào)度只需調(diào)整相應(yīng)光信號(hào)的波長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、層次分明

9、以及業(yè)務(wù)調(diào)度方便，由此而帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性是顯而易見(jiàn)的?？杉嫒萑饨粨Q可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)可望實(shí)現(xiàn)的全光網(wǎng)絡(luò)中，各種電信業(yè)務(wù)的上/下、交叉連接等都是在光上通過(guò)對(duì)光信號(hào)波長(zhǎng)的改變和調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，wdm技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且wdm系統(tǒng)能與未來(lái)的全光網(wǎng)兼容，將來(lái)可能會(huì)在已經(jīng)建成的wdm系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光網(wǎng)絡(luò)。二、光柵型波分復(fù)用器原理 光柵型波分復(fù)用器屬于角色散型器件，是利用角色散元件來(lái)分離和合并不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。入射光照射到光柵上后，由于光柵的角色散作用，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)以不同的角度反射，然后經(jīng)透鏡會(huì)聚圖（a），輸出到同一根光纖，從而完成波

10、長(zhǎng)選擇及復(fù)用功能。圖a兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)：角色散本領(lǐng):角色散本領(lǐng)是相距為單位波長(zhǎng)的光波散開(kāi)角度，其表達(dá)式為：色分辨本領(lǐng)：色分辨本領(lǐng)反映器件分辨波長(zhǎng)很接近的譜線的能力。其色分辨本領(lǐng)定義為：d為光柵常數(shù), k是光柵的衍射級(jí)數(shù), n是光柵的槽數(shù)?？梢?jiàn),要得到性能好的光柵，總槽數(shù)n應(yīng)盡量多，光柵常數(shù)d應(yīng)盡量小，并盡量選用高的衍射級(jí)數(shù)。 三、波分復(fù)用系統(tǒng)vpl仿真設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)itu建議和wdm 系統(tǒng)的原理，用vpi仿真設(shè)計(jì)一個(gè)4信道、復(fù)用參考頻率為1931thz、信道間隔為100ghz、傳輸速率為410gbits、傳輸距離為100km的wdm 通信系統(tǒng)嘲。如圖1所示，整個(gè)wdm系統(tǒng)又可細(xì)分為光發(fā)送系統(tǒng)、波

11、分復(fù)用系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、波分解復(fù)用系統(tǒng)和信號(hào)接收系統(tǒng)五個(gè)主要部分。圖1 wdm vpi仿真系統(tǒng)3.1 光發(fā)送系統(tǒng)光發(fā)送機(jī)首先由prbs generator(pseudo random binary sequence generator)產(chǎn)生電信號(hào)，然后由nrz coder進(jìn)行非歸零碼的碼型變換，再經(jīng)過(guò)rise time adjustment對(duì)上升時(shí)間的調(diào)整，最后通過(guò)一個(gè)mz modulator對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。四個(gè)激光器(lasercw)的發(fā)射頻率分別為：f1=193.1thz一150ghz，f2=193.1thz一5oghz，f3=193.1thz+50ghz，f4=1

12、93.1thz+150ghz,平均光功率lmw；四個(gè)prbs發(fā)生器所產(chǎn)生的碼元(codeword)分別設(shè)置10000000、00100000、00001000、00000010。四個(gè)光發(fā)送機(jī)發(fā)射的四路光信號(hào)先由一個(gè)bus create 4：1合成一根總線；然后由bus fork總線中的信號(hào)分成兩路，一路送入光譜儀進(jìn)行光譜分析，另一路送入波分復(fù)用器(其中復(fù)用器的插入損耗設(shè)為lerx=05db)。3.2 信號(hào)傳輸系統(tǒng)信號(hào)傳輸部分由單模光纖(smf)、非零色散位移光纖(nzdsf)i光放大器(oamp)組成。由實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算可知，通道間隔越窄，光纖的色散越小，四波混頻(fwm)的效率也越高，所以sm

13、f在1550nm波段較大的色散系數(shù)有利于抑制fwm。但是色散系數(shù)越大，高比特率的傳輸中繼距離越短，對(duì)于10gbits速率的信號(hào)，即使采用外調(diào)制技術(shù)，盡可能壓縮光源的譜線寬度，也只能傳輸60km。所以必須使用色散補(bǔ)償技術(shù)，來(lái)抵消它的色散。非零色散位移光纖的特點(diǎn)是在1550nm窗口，色散系數(shù)很小，但不為零，可以降低四波混頻(fwm)的影響。在15301565nm之間典型參數(shù)為：衰減系數(shù)小于025dbkm，色散系數(shù)在l-6psnmkm之間。光放大器用于補(bǔ)償信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗，根據(jù)系統(tǒng)中光纖衰減情況將該放大器的增益系數(shù)設(shè)為g=2 ldb)3.3 光接收系統(tǒng)經(jīng)解復(fù)用器解復(fù)用后的四路信號(hào)，首先表示為一根

14、總線，再由bus fork分成兩路，一路進(jìn)入光譜儀進(jìn)行光譜分析，另一路由bus split 1：4分成四路信號(hào)，分別輸入四個(gè)光接收機(jī)。解復(fù)用后每一路光信號(hào)被送入相應(yīng)的光接收機(jī)，光接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖1中的示波器用來(lái)顯示電信號(hào)的波形，clock recovery和ber組合構(gòu)成一套誤碼率分析儀，用來(lái)分析系統(tǒng)的誤碼率。3.4仿真結(jié)果及性能分析各測(cè)試點(diǎn)仿真結(jié)果如下圖：(a) (b) （c） （d）（e） （d）(a )調(diào)制后的光功率譜；(b)復(fù)用后的光功率譜；(c)經(jīng)smf傳輸后的光功率譜 ；(d)經(jīng)nzdsf后的光功率譜；(e)oamp放大后的光功率譜；(f)解復(fù)用后的光功率譜。圖(c)

15、(e)分別是圖l中光譜儀osaa、osab和osac的光譜在頻率 =1931thz-150ghz附近的局部放大圖。相比復(fù)用后的信號(hào)，經(jīng)過(guò)llkm的smf傳輸后光功率衰減aa=231db在經(jīng)過(guò)89km的nz 、f傳輸在b點(diǎn)，又衰減了 一1869db，總共衰減了21db。然后，經(jīng)過(guò)一個(gè)增益為21db的oamp對(duì)光譜進(jìn)行補(bǔ)償。可見(jiàn)經(jīng)過(guò)光放大后，信號(hào)的光功率已與mux點(diǎn)的光功率大小基本相同，只是因?yàn)閛amp在對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大的同時(shí)，也對(duì)傳輸過(guò)程中的噪聲進(jìn)行了放大，再加上oamp本身有5db左右的噪聲存在，所以造成了放大后的信號(hào)光譜有一定程度的展寬。如(f)所示，由于解復(fù)用器插入損耗的影響，解復(fù)用后mu

16、x點(diǎn)的光譜相對(duì)光放大后的光功率有大約05db的衰減。（a）為輸入信號(hào)波形 （b）為解復(fù)用后波形比較如圖(a)和(b)所示的信道channel1在調(diào)制前和解復(fù)用后chanel1(out)電信號(hào)波形圖可見(jiàn)，前者信號(hào)波形保持得較好，這是由于在傳輸系統(tǒng)中使用了色散補(bǔ)償技術(shù)，很好地抑制了傳輸過(guò)程中的色散，所以接收信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)看不出明顯的脈沖展寬；后者由于傳輸過(guò)程中的損耗，以及光接收機(jī)本身所存在的暗電流、熱噪聲等因素，故造成了信號(hào)不可避免地會(huì)有一定幅度的衰減和變形。四、結(jié)論及心得體會(huì)在設(shè)計(jì)波分復(fù)用器件時(shí)，要充分考慮降低損耗，降低誤碼率，采用色散補(bǔ)償技術(shù)，以提高系統(tǒng)的可靠性。由于光柵技術(shù)在該仿真軟件中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以本實(shí)驗(yàn)只對(duì)一個(gè)常規(guī)的波分復(fù)用器進(jìn)行了仿真及性