1、光纖通信原理與技術期末課程設計論文題目 ：基于光纖光柵技術的波分復用器設計 姓 名 學 號 學 院 電氣工程學院 專業班級 2007級通信工程2班 目錄 摘要20引言3一、波分復用(wdm)概述31.1波分復用系統構成原理41.2波分復用原理41.3波分復用的優勢5二、光柵型波分復用器原理7三、波分復用系統vpl仿真設計83.1 光發送系統83.2 信號傳輸系統93.3 光接收系統93.4仿真結果及性能分析10四、結論及心得體會12參考文獻13基于光纖光柵技術的波分復用器的設計姓名： 專業：07通二 學號： 指導教師： 摘要：首先介紹了波分復用器（wdm）的工作原理，用vpi仿真設計了一個4信

2、道、復用參考頻率為193.1thz、信道間隔為100ghz、傳輸速率為410gbit/s、傳輸距離為100km的wdm系統進行模擬仿真實驗；通過比較個節點光譜分布分析復用器的性能，最后設計出最優的波分復用器。關鍵詞：光纖通信；波分復用；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、隨著科學技術的迅猛發展，通信領域的信息傳送量正以一種加速度的形式膨脹。信息時代要求越來越大容量的傳輸網絡。波分復用（wdm）技術是光纖通信增容，建設大容量光纖傳輸網的最佳手段，波分復用/解復用器件是波分復用系統中的關鍵元件之一。光纖光柵技術應用于光通信中的波分復用技術是近年來興起的一種技術，并以其制作工藝簡單，角度和波長選擇性好，衍射效率高，對偏振的影響容易控制等優勢得到廣泛關注。因而隨著光通信和全光網絡的迅速發展，目前基于光纖光柵技術的波分復用器的工藝改進，性能優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用器的結構和原理，并進行了vpi仿真。 一、波分復用(wdm)概述波分復用(w

5、dm)是光纖通信中的一種傳輸技術，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應用的波長范圍劃分成若干個波段，每個波段用作一個獨立的通道傳輸一種預定波長的光信號。n個光發送機發送出有不同波長承載的光信號，通過光復用器耦合到同一根光纖中，經過光纖傳輸到達接收端后，由解復用器將不同波長信號在空間上分開，分別進入各自的光接收機。對于長途通信，還需在傳輸光纖中加入中繼器或光放大器，以補償光信號的損耗。 在wdm傳輸系統的發送端，需要采用波分復用器將待傳輸的多個光載波信號進行復接，而在接收端采用解復用器分離出不同波長的光信號。1.1波分復用系統構成原理n路波長復用的wdm系統的總體

6、結構主要由發送和接收光復用終端（omt）單元與中繼線路發達（ila）單元三部分組成。其結構圖如下：l1l2ln波分復用器l1l2ln波分解復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波分復用原理波分復用是光纖通信中的一種傳輸技術，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應用的波長范圍劃分成若干個波段，每個波段作一個獨立的通道傳輸一種預定波長的光信號。其信號頻譜示意圖如下：1.3波分復用的優勢光纖的容量是極其巨大的，而傳統的光纖通信系統都是在一根光纖中傳輸一路光信號，這樣的方法實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技術為核心的新一代的光纖通信技術已經產生。wdm技術具有如下特點：超大容量目前使用的普通光纖可傳輸的帶寬是很寬的，但其利用率還很低。使用dwdm技術可以使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍、幾十倍乃至幾百倍。現在商用最高容量光纖傳輸系統為1.6tbit/s系統，朗訊和北電網絡兩公司提供的該類產品都采用160x10gbit/s方案結構。容量3.2tbit/s實用化系統的開發已具備條件。對數據的“透明”傳輸由于dwdm系統按光波長的不同進行復用和解復用，而與信號的速率和電調制方式無關，即對數據是“透明”的。一個wdm系統的業務可以承載多種格式的“業務”信號，如at

8、m、ip或者將來有可能出現的信號。wdm系統完成的是透明傳輸，對于“業務”層信號來說，wdm系統中的各個光波長通道就像“虛擬”的光纖一樣。系統升級時能最大限度地保護已有投資在網絡擴充和發展中，無需對光纜線路進行改造，只需更換光發射機和光接收機即可實現，是理想的擴容手段，也是引入寬帶業務（例如catv、hdtv和b-isdn等）的方便手段，而且利用增加一個波長即可引入任意想要的新業務或新容量。高度的組網靈活性、經濟性和可靠性利用wdm技術構成的新型通信網絡比用傳統的電時分復用技術組成的網絡結構要大大簡化，而且網絡層次分明，各種業務的調度只需調整相應光信號的波長即可實現。由于網絡結構簡化、層次分明

9、以及業務調度方便，由此而帶來的網絡的靈活性、經濟性和可靠性是顯而易見的。可兼容全光交換可以預見，在未來可望實現的全光網絡中，各種電信業務的上/下、交叉連接等都是在光上通過對光信號波長的改變和調整來實現的。因此，wdm技術將是實現全光網的關鍵技術之一，而且wdm系統能與未來的全光網兼容，將來可能會在已經建成的wdm系統的基礎上實現透明的、具有高度生存性的全光網絡。二、光柵型波分復用器原理 光柵型波分復用器屬于角色散型器件，是利用角色散元件來分離和合并不同波長的光信號。入射光照射到光柵上后，由于光柵的角色散作用，不同波長的光信號以不同的角度反射，然后經透鏡會聚圖（a），輸出到同一根光纖，從而完成波

10、長選擇及復用功能。圖a兩個重要技術指標：角色散本領:角色散本領是相距為單位波長的光波散開角度，其表達式為：色分辨本領：色分辨本領反映器件分辨波長很接近的譜線的能力。其色分辨本領定義為：d為光柵常數, k是光柵的衍射級數, n是光柵的槽數。可見,要得到性能好的光柵，總槽數n應盡量多，光柵常數d應盡量小，并盡量選用高的衍射級數。 三、波分復用系統vpl仿真設計根據相關itu建議和wdm 系統的原理，用vpi仿真設計一個4信道、復用參考頻率為1931thz、信道間隔為100ghz、傳輸速率為410gbits、傳輸距離為100km的wdm 通信系統嘲。如圖1所示，整個wdm系統又可細分為光發送系統、波

11、分復用系統、信號傳輸系統、波分解復用系統和信號接收系統五個主要部分。圖1 wdm vpi仿真系統3.1 光發送系統光發送機首先由prbs generator(pseudo random binary sequence generator)產生電信號，然后由nrz coder進行非歸零碼的碼型變換，再經過rise time adjustment對上升時間的調整，最后通過一個mz modulator對光源進行調制，將電信號轉換為光信號。四個激光器(lasercw)的發射頻率分別為：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prbs發生器所產生的碼元(codeword)分別設置10000000、00100000、00001000、00000010。四個光發送機發射的四路光信號先由一個bus create 4：1合成一根總線；然后由bus fork總線中的信號分成兩路，一路送入光譜儀進行光譜分析，另一路送入波分復用器(其中復用器的插入損耗設為lerx=05db)。3.2 信號傳輸系統信號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。由實驗和理論計算可知，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有利于抑制fwm。但是色散系數越大，高比特率的傳輸中繼距離越短，對于10gbits速率的信號，即使采用外調制技術，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償技術，來抵消它的色散。非零色散位移光纖的特點是在1550nm窗口，色散系數很小，但不為零，可以降低四波混頻(fwm)的影響。在15301565nm之間典型參數為：衰減系數小于025dbkm，色散系數在l-6psnmkm之間。光放大器用于補償信號傳輸過程中的損耗，根據系統中光纖衰減情況將該放大器的增益系數設為g=2 ldb)3.3 光接收系統經解復用器解復用后的四路信號，首先表示為一根

14、總線，再由bus fork分成兩路，一路進入光譜儀進行光譜分析，另一路由bus split 1：4分成四路信號，分別輸入四個光接收機。解復用后每一路光信號被送入相應的光接收機，光接收機將光信號轉換為電信號。圖1中的示波器用來顯示電信號的波形，clock recovery和ber組合構成一套誤碼率分析儀，用來分析系統的誤碼率。3.4仿真結果及性能分析各測試點仿真結果如下圖：(a) (b) （c） （d）（e） （d）(a )調制后的光功率譜；(b)復用后的光功率譜；(c)經smf傳輸后的光功率譜 ；(d)經nzdsf后的光功率譜；(e)oamp放大后的光功率譜；(f)解復用后的光功率譜。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。相比復用后的信號，經過llkm的smf傳輸后光功率衰減aa=231db在經過89km的nz 、f傳輸在b點，又衰減了 一1869db，總共衰減了21db。然后，經過一個增益為21db的oamp對光譜進行補償。可見經過光放大后，信號的光功率已與mux點的光功率大小基本相同，只是因為oamp在對信號光進行放大的同時，也對傳輸過程中的噪聲進行了放大，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光譜有一定程度的展寬。如(f)所示，由于解復用器插入損耗的影響，解復用后mu

16、x點的光譜相對光放大后的光功率有大約05db的衰減。（a）為輸入信號波形 （b）為解復用后波形比較如圖(a)和(b)所示的信道channel1在調制前和解復用后chanel1(out)電信號波形圖可見，前者信號波形保持得較好，這是由于在傳輸系統中使用了色散補償技術，很好地抑制了傳輸過程中的色散，所以接收信號相對于輸入信號看不出明顯的脈沖展寬；后者由于傳輸過程中的損耗，以及光接收機本身所存在的暗電流、熱噪聲等因素，故造成了信號不可避免地會有一定幅度的衰減和變形。四、結論及心得體會在設計波分復用器件時，要充分考慮降低損耗，降低誤碼率，采用色散補償技術，以提高系統的可靠性。由于光柵技術在該仿真軟件中無法實現，所以本實驗只對一個常規的波分復用器進行了仿真及性