Achieving Optical Fiber Communication Experiments by Optisystem

论文摘要

光纤通信技术是当前通信中最重要的技术之一,它可以通过光纤将传输加载在光上的信息。目前,光纤通信取得了巨大的进步,一些新技术大大的提高了通信容量,使得光通信向更广的领域应用。光通信的发展由于成本和重构设备的限制使得很多先进的光通信技术在某种程度上不能广泛被很快的应用,因此对于系统的实验与仿真对于预测和优化系统性能是十分必要的。本文利用光系统（Optisystem）软件中的分析各种光通信技术（如WDM, DBM, EDFA和DCF等）。可以发现,利用此软件可以实现前面所提到的每个技术的基本功能。此软件还可以通过调整适当的光通信中的可理解的范围的机制参数来减低系统成本,使得学生可以更加快速直观的理解光通信系统。本文分为6章,第一章主要介绍了光通信的基本历史,以及回顾了光纤通信的发展和重要性。并介绍了Optisystem软件的相关工作和本文的组成结构。第二章主要介绍了复用技术的总类,在本文我们主要介绍了两种复用技术。目前,普遍应用的SDH技术采用的是电域的时分复用。时分复用扩容的优点是扩容的策略很明显,可以实现4倍的无缝平滑升级,已达到更高的速率,并且容易在数据流中抽取某个数据和组合信号,适合在需要采取保护策略的环路网络中使用,但是由于高速电子器件和半导体激光器的直接调制能力的限制,要实现40Gb/s以上的信号速率十分困难,而光时分复用技术的出现为解决电子瓶颈问题提供了有效的措施。光时分复用是一种构成高比特率传输很有效的技术,在系统发送端与接收端,与信号处理有关的所有电子设备均工作在基带比特速率下,不存在电子瓶颈问题,采用光学复用方式把低比特率数据流进行复用,经过光纤传输后,在接收端用光学方法把它们解复用出来,这种方法避免了使用高速电子器件。另一种复用技术就是光波分复用技术把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段,每个波段用作一个独立的通道传输一种预订波长的光信号,在波分复用传输系统的发送端,多路信号经光／电转化由不同波长的光载波携带,再采用合波器将多个载波信号进行复接,对于100公里以上的传输距离,通常还需要加光放大器补偿线路造成的光功率损耗；而在接收端采用分波器分离出不同波长光信号,再经过光／电转换恢复出原始电信号送到相应的接收机。第三章主要介绍了光调制技术,根据高的频谱利用率的调制码型来提高系统性能。本章将重点介绍几种普遍实用的调制码型。非归零码是最简单的调制码型,其一个脉冲代表一个完整的比特周期,其具有窄的光谱,对激光相位噪声不敏感,并对发送机与接收机有较窄的电带宽,简化了发送与接收的复杂度。第二种码型是载波抑制的归零码,这是归零码得一种特殊形式,其载波抑制,而且相邻比特之间有相位转移,这种格式可以很好的抑制四波混频效应和群速度色散。第三种码型是差分相移键控,这种调制格式将信息采用相位编码的格式取代幅度编码。由于光电二极管对光强度很敏感,而对光相位并不敏感,因此,差分相移键控信号在接收端需要特殊的接收机,如马赫-曾德尔时延干涉仪。这种信号可以较好的抑制光纤的非线性和偏振模色散效应,增加传输距离。最后我们将介绍双二进制编码,其是将传统的振幅键控和相移键控结合起来,这种调制格式当每个相位转变时,有奇数个0比特在两个连续的1比特之间出现,发送端采用电信号的前置编码来避免在接收端的循环解码,从而使得接收机可以采用类似非归零码得标准直接检测。这种调制格式可以很好的抑制自发布里渊散射。本章最后,我们利用optisystem模型实现了双二进制编码的系统。第四章介绍了几种放大器,包括以下几种：第一种介绍了半导体光放大器,这是一种增益介质,可以分为法布里-珀罗半导体激光放大器和半导体行波光放大器两种。第二种式拉曼放大器,它是基于自发拉曼散射非线性效应来实现的,这种效应的产生是由于光纤中的高功率所引起的。拉曼放大的主要特征是沿着光纤传输可以实现连续放大。双向放大并且可以提供稳定性,对反射不敏感等特性。第三种是布里渊光纤放大器,它和拉曼放大器除了是利用自发布里渊散射非线性效应实现外其他都是相同的。这种放大器可以通过放大某个信道而不影响其他信道来实现信道选择性放大。第四种是掺饵光纤放大器,它是利用饵元素来实现放大过程的。它可以提供两个放大窗口,分别是980nm和1550nm。最后我们模拟搭建了利用掺饵光纤放大器optisystem系统并发现信号的放大特性。而且噪声较小,放大前后没有明显差别。第五章我们主要介绍了色散补偿器件,由于色散造成的脉冲展宽会限制信号的全光传输距离,因此为了延长全光传输距离,需采用色散补偿技术。光纤通信系统及技术的发展要求色散补偿技术向着高补偿效率,结构简单,高可靠性,使用方便,易于升级和扩容、器件小型化,降低成本等方向发展。我们这里将介绍几种色散补偿方法来克服光纤中的色散引起的衰减。布拉格光栅是一种可以发射一个特定波长,这个波长对应光栅周期,当光栅是啁啾的,即沿着轴线型变化,因此,光的不同光谱成分将在光栅的不同的位置反射。采用啁啾光纤光栅进行色散补偿,具有体积小,插入损耗低,与光纤兼容性好,波长选择性好,非线性效应的功率阀值与传输光纤相当,易于集成等优点。光纤光栅法还便于系统使用和维护,其成本低,可升级性好,可靠性高,极化不敏感,具有很好的实用性。其缺点就是插入损耗偏大,另外能补偿的波长范围较窄,要提高补偿范围需要级联多个光纤光栅。第二种方法是光相位结合,用来产生多种非线性效应。一般特性是所有这些效应都可以在传输中进行双向传输。第三种方法就是高阶模式光纤,利用高阶模式的负色散特性。基于色散装置的高阶模式光纤在波长为1550nm处的色散因子是-270ps/nm.km,c波段的斜率因子为-5.6ps/nm2。第四种方法是色散补偿光纤,是一种利用负色散特性特别设计的光纤,高的负色散值用来补偿常规光纤的大波长范围的正色散。利用色散补偿光纤可以采用前置,后置和对称补偿等三种方法。采用此种方法进行色散补偿,具有使用灵活,方便,可靠等特点,易于实现光纤传输网的升级和扩容,且具有足够大的带宽,缺点是损耗高,可达到0.5-1dB/km,因此需配合光放大器一起使用。此外,还存在色散斜率和传输光纤不匹配的问题,造成短波长过补偿,长波长欠补偿。另外,由于色散位移要付出牺牲有效面积的代价,因此其非线性当传输速率和距离近一步提高时,其非线性问题就会格外突出。我们利用色散补偿光纤实现了Optisystem模型,综上所述,本文我们利用光纤通信中的若干器件搭建了Optisystrem系统,验证了波分复用系统,双二进制码型调制系统,掺饵光纤放大系统,和利用色散补偿光纤实现色散补偿系统。利用Optisystem软件可以更好的为实验做理论与技术支持,,同时可以更加快速直观的理解光通信系统。

论文目录

• Abstract
• 摘要
• List of Figures
• List of Tables
• LIST OF ABBREVIATIONS
• CHAPTER 1:INTRODUCTION
• 1.1 Historical perspective of optical communication
• 1.2 Optical Fiber Communication Technology
• 1.3 OptiSystem Software
• 1.4 Related Work
• 1.5 Organization of the Thesis
• CHAPTER 2:Optical Multiplexing Technology
• 2.1 Introduction
• 2.2 Time-Division Multiplexing（TDM）
• 2.3 Wavelenth Division Multiplexing（WDM）
• 2.4 Summary
• CHAPTER 3:Optical Modulation Technology
• 3.1 NRZ Modulation Format
• 3.2 CS-RZ Modulation Format
• 3.3 DPSK Modulation Format
• 3.4 Doubinary Modulation Format
• 3.5 Summary
• CHAPTER 4:Optical Amplifier Technology
• 4.1 Definition of Optical Amplifier
• 4.2 Semiconductor Optical Amplifier （SOA）
• 4.3 Raman Amplifier
• 4.4 Brillouin Fiber Amplifiers
• 4.5 Erbium-Doped Fiber Amplifier （EDFA）
• 4.6 Summary
• CHAPTER 5:Dispersion Compensation Technology
• 5.1 overview
• 5.2 Fiber Bragg Gratings （FBG）
• 5.3 Optical Phase Conjugation （OPC）
• 5.4 High-Order Mode （HOM） fiber
• 5.5 Dispersion Compensating Fiber （DCF）
• 5.6 Summary
• CHAPTER 6:Conclusion & Future Work
• 6.1 Conclusion
• 6.2. Future Work
• REFRENCES
• ACKNOWLEDGMENTS