【正文】 toff of the singlemode, the controlled mode area, flexible dispersion properties, controllable waveguide dispersion, low loss and very low nonlinear effect. As Photonic crystal fiber has such unique characteristics of transmission, which provided a good solution to the problems of transmission loss, dispersion and nonlinearity in the fiber, thus, in recent years, the study of photonic crystal fiber bees hot point. In this article, we use Optisystem simulation software to study the transmission performance of WDM systems based on photonic crystal fiber. These studies mainly include: First， we study the effect of the laser transmitting power on the transmission performance of the PCF WDM system, focusing on the power characteristics of NRZ pattern and RZ pattern. The study found: for the two modulation pattern, in the case of lowpower, the impact of noise on the system is the dominant factor。 在 WDM系統(tǒng)中，理想的想的光纖應(yīng)該具有很小的衰減、適當(dāng)?shù)纳ⅰ⒑艿偷钠衲Ｉⅲ^大的有效面積、 理想的彎曲損耗 特性等。 光子晶體光纖以其 獨(dú)特的傳輸特性，很好的解決了光纖傳輸中遇到的損耗、色散和非線性等問題 ，因而近幾年來(lái)對(duì)光子晶體光纖的研究備受關(guān)注。 第二代的商用光纖通 信 系統(tǒng)也在 1980年代初期就發(fā)展出來(lái)，使用波長(zhǎng) 1300nm的磷砷化鎵銦 激光器 。 這些技術(shù)上的突破使得第三代光纖通 信 系統(tǒng)的傳輸速率達(dá)到 ，而且中繼器的間隔可達(dá)到 100km遠(yuǎn) 。 km)。 在 1550nm具有低的損耗和色散，利用 在 1550nm傳輸速率能達(dá) 到 10Gbit/s以上。當(dāng)它的零色散波長(zhǎng)小于 1550nm時(shí)具有正色散值，而 零色散波長(zhǎng)大于1550nm時(shí)具有負(fù)色散值，因而可以有效地避免四波混頻造成的影響。 盡管人們?yōu)榱私鉀Q傳統(tǒng)光纖的損耗、色散和非線性等問題，做了大量的努力，發(fā)明了很多新型光纖，但基于傳統(tǒng)理論的光纖不能很好的解決上述問題，這就促使人們開始研究新型光纖傳播理論。 光子晶體光纖的發(fā)展 1996年，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心和丹麥技術(shù)大學(xué)電磁系首先報(bào)道了成功制備出 PCF。 2021年，日本 Norihiko等人以鎖模摻 Er3+光纖激光器為泵浦源，結(jié)合周期極化 LiNbO3，泵浦長(zhǎng) 60cm的高非線性 PCF，得到波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為 ～ ，脈寬為55fs，所用 PCF芯徑為 ，零色散波長(zhǎng)大 約在 [3]。計(jì)算得到在 2050ps/（ ），可以補(bǔ)償 120倍長(zhǎng)度的 （ 17ps/（ ）），可以補(bǔ)償 240倍長(zhǎng)度的 （ （ ）），從而大大縮短了色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度 [5]。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 WDM 技術(shù)發(fā)展 及現(xiàn)狀 光纖通信技術(shù)出現(xiàn)不久，波分復(fù)用技術(shù)就被開發(fā)出來(lái)了。 90年初，隨著光電器件（ 高精確和穩(wěn)定的波長(zhǎng)的激光器、濾光器和光放大器 ）的迅速發(fā)展，特別是 EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（ 1530～1565nm）區(qū)域采用ＷＤＭ技術(shù)成為可能。新的光纜干線選用了能適合 WDM系統(tǒng)的新型光纖，相繼出現(xiàn)了利用密集波分復(fù)用 (DWDM)系統(tǒng)的改造和容量升級(jí)，國(guó)內(nèi)外 各大通信公司紛紛推出自己的 WDM系統(tǒng)。 2021年運(yùn)營(yíng)商引入 10Gbps的 DWDM系統(tǒng)，同時(shí) 32 WDM系統(tǒng)，并在加緊研制 8 10Gbps及 32 10Gbps的 WDM系統(tǒng)。武漢郵電科學(xué)研究院在會(huì)上宣布： 該院和中國(guó)電信聯(lián)合承建的國(guó)家“ 863”計(jì)劃重大科研項(xiàng)目 —— “ 3T可擴(kuò)展到 80 40Gbit/sDWDM傳輸系統(tǒng)設(shè)備工程化與試驗(yàn)” 實(shí)用化工程， 成功通過(guò)國(guó)家科技部驗(yàn)收。2021年 9月阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室再次創(chuàng)造了 100Petab/skm的世界紀(jì)錄，這相當(dāng)于每秒鐘把 400部 DVD傳輸 7000km。 目前 我國(guó) WDM系統(tǒng)中普遍采用 。 同時(shí) 隨著中繼距離的延長(zhǎng)，光放大器的使用，尤其是波分復(fù)用信道數(shù)的增加，使進(jìn)入光纖的光功率達(dá)到 5mW以上，甚至幾十毫瓦。本文基于此，對(duì)基于光子晶體光纖的 WDM系統(tǒng)進(jìn)行了研究 ，并使用仿真軟件對(duì)其傳輸性能做了仿真研究 。 第四章利用 Optisystem軟件對(duì)使用光子晶體光纖的 WDM系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行模擬仿真。光子晶體按照空問分布的周期性可以分為：一維、二維和三維光子晶體。與電子晶體不同，光子晶體是折射率周期性變化產(chǎn)生光子能帶和能隙，頻率 (波長(zhǎng)、能量 )處在禁帶范圍內(nèi)的光子禁止在光子晶體中傳播。 基于光子晶體這一特性，人們?cè)诠庾泳w的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了光子晶體光纖的概念。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上是在 二氧化硅 基體中沿光纖軸向有規(guī)律地分布 著許多氣孔 (氣線 )。缺陷處的折射率可以大于也可以小于包層的折射率，若湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 為前者，則可以用等效折射率法進(jìn)行處理，這種處理方法有直觀、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。 通過(guò)在包層中引入空氣孔 ， 降低包層的有效折射率 cladn ， 使得纖芯折射率coren 大于包層折射率 cladn ， 其模式折射率 moden 滿足 coren moden cladn 。 其纖芯是空氣孔， 并且只有當(dāng)纖芯的空氣孔足夠大時(shí)，即其直徑大于氣孔間距的 40%時(shí)，才會(huì)有光子帶隙產(chǎn)生。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 光子帶隙光子晶體光纖（ PBGPCF）結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光示意圖 [10] 光子晶體光纖特性 光子晶體光纖包層中空氣孔特殊的排列結(jié)構(gòu)使得其呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實(shí)現(xiàn)的特性，如支 持寬波長(zhǎng)范圍單模傳輸，模場(chǎng)面積、色散的極大可控性，可控的非線性 等等。由于材料折射率相對(duì)于波長(zhǎng)的變化較緩慢，因此傳統(tǒng)光纖的 V值與波長(zhǎng)差不多成反比，如果縮短工作波長(zhǎng)，就出現(xiàn)多?；Ａ硗?，這種特性與光纖的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)。這種單模工作波段的擴(kuò)展對(duì)波分復(fù)用系統(tǒng)增加信道數(shù)具有重要意義。 因此要想增大光纖的單模波長(zhǎng)范圍應(yīng)設(shè)法減小折射率差。與式 ()相似，它決定了光子晶體光纖的單模條件。所以，長(zhǎng)波方向隨波長(zhǎng)增大 V 值減小，短波方向存在 V 值的有限值極限，而只要極限值小于 (通過(guò)減小孔徑與孔間距的比值 )，理論上就有全波段范圍的單模特性。 考慮到光纖材料色散 Dm在波長(zhǎng)大于，為了在小于 ，根據(jù)公式 ()要使相應(yīng)的波導(dǎo)色散值 Dw為正，中括號(hào)以內(nèi)的部分必須為負(fù)。首先把 ()式改寫為 22e f f202e f f 2/Vnn ?? ）（ ??? （ ） 設(shè)在短波區(qū) efV 趨于極限值 limV ，則相應(yīng)地 ()式可近似為 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 2202eff fnn ??? （ ） 其中 2lim 2/Vf ）（ ?? ? 為常數(shù)。 根據(jù)圖 ，曲線的斜率是不斷減小的，而只要滿足 [17] ? ???/1V? ， ? 1/2 （ ） 通過(guò)對(duì)（ ）式求導(dǎo)就有 ? ? ???????? ????????????? ? 222221e f f22d ndk211kn 1d nd ????? ?）（ （ ） 其中 1k 和 2k 都是常數(shù)， 這樣 D 總為正的 值。 圖 光子晶體光纖的群速度色散（ GVD）曲線 [18] 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 非線性特性 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的 光子晶體光纖 可以得到理想的 非線性效應(yīng)。 彎曲損耗特性 光子晶體光纖彎曲損耗小，與傳統(tǒng)光纖不同的是，光子晶體光纖不僅在長(zhǎng)波方向上存在彎曲損耗邊，同時(shí)在短波長(zhǎng)上也存在彎曲損耗 邊。 光子晶體光纖擁有傳統(tǒng)光纖所不具備的特性預(yù)示著它具有廣泛的應(yīng)用前景，作為一種新興技術(shù)，光子晶體光纖正處在迅速發(fā)展之中，全球很多機(jī)構(gòu)和公司在光子晶體光纖研究上投入了巨大的人力和物力，近年來(lái)也 取得了不少研究成果。 然而隨著 近年來(lái)各種 通信新業(yè)務(wù)的發(fā)展， 寬帶視頻、多媒體、網(wǎng)絡(luò)游戲等業(yè)務(wù)的日益興起， 尤其是 Inter業(yè)務(wù) 在全球范圍迅速推廣 ， 語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)等信息量成爆炸式增長(zhǎng) ， 信 息傳 送量正以一種加速度的形式膨脹， 這無(wú)疑 對(duì)光域骨干網(wǎng)的帶寬提出了越來(lái)越高 的要求 。但由于“電子瓶頸”的 限制， 大于 10Gbps的商用 電時(shí)分復(fù)用 系統(tǒng) 很難實(shí)現(xiàn)，這就注定電時(shí)分復(fù)用擴(kuò)容技術(shù)的基本沒有了潛力，因此該方案已逐漸淡出人們的視 野。 經(jīng)過(guò)十多年的研究和發(fā)展， WDM技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用 。所謂頻分、時(shí)分、波分和空分復(fù) 用，是指按頻率、時(shí)間、波長(zhǎng)和空間來(lái)進(jìn)行分割的光通信系統(tǒng)。隨著電 光技術(shù)的向前發(fā)展，在同一光纖中波長(zhǎng)的密度會(huì)變得很高。 與通用的單信道系統(tǒng)相比，密集 WDM（ DWDM）不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴(kuò)容簡(jiǎn)單和 性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是它可以直接接入多種業(yè)務(wù)更使得它的應(yīng)用前景十分光明。 采用 WDM技術(shù)可以將每根光纖的巨大帶寬分成許多互不重疊的波長(zhǎng)信道，每個(gè)信道都可以并行，異步和高速地按當(dāng)前電子處理數(shù)據(jù)的極限速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而可以充分利用光纖地巨大帶寬。 隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)間隔為納米級(jí)的復(fù)用，甚至可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)間隔為零點(diǎn)幾個(gè)納米級(jí)的復(fù)用，只是在器件的技術(shù)要求上更加嚴(yán)格，可用的波長(zhǎng)數(shù)也 將極大增大。 圖 WDM 系統(tǒng)的構(gòu)成及光譜示意圖 WDM 系統(tǒng)的 基本形式 WDM 系統(tǒng)的 基本構(gòu)成主要分雙纖單向傳輸和 單纖雙向 傳輸兩種方式。 λ 11光源 λ NN……波分復(fù)用檢測(cè)器 λ 1檢測(cè)器 λ N…… 1 Nλ N……光源 λ 1波分復(fù)用檢測(cè)器 λ N+ 1N + 1……檢測(cè)器 λ 2N2Nλ N+ 1 λ 2N……光源 λ 2N……光源 λ N + 12NN + 1單根光纖 圖 WDM 的雙向傳輸方式 [19] 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 WDM 系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) WDM系統(tǒng)之所以在光通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中不可替代的組成部分，與其所具有的特性是密不可分的。 (2) 對(duì)各類業(yè)務(wù)信號(hào)“透明”傳輸。 (3) 改造現(xiàn)有系統(tǒng)成本低。 WDM網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要隨時(shí)升級(jí)擴(kuò)容，以滿足未來(lái)新業(yè)務(wù)的需求。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、層次分明以及業(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的。 (7) 降低器件的超高速要求。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 第四章 基于光子晶體光纖的 WDM 系統(tǒng)的仿真研究 光纖通信技術(shù) 的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分繁復(fù)的工作 ， 涉及 到多學(xué)科領(lǐng)域， 無(wú)論在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)或初始方案 ，還是新型傳輸系統(tǒng)與結(jié)構(gòu) 的探索與研究 時(shí) ，都要進(jìn)行 冗長(zhǎng)繁雜的計(jì)算。 我們?cè)谠O(shè)計(jì) WDM系統(tǒng)時(shí)，使用了一款光通信工作者常用的軟件 —— Optisystem仿真軟件。全面的圖形用戶界面控制光子器件設(shè)計(jì)、器件模型和演示。優(yōu)點(diǎn)：投資風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低，快速投入市場(chǎng)，快速、低成本的原型設(shè)計(jì)，系統(tǒng)性能的全面認(rèn)識(shí)，輔助設(shè)計(jì)容差參數(shù)的參數(shù) 靈敏性評(píng)估 ， 面向用戶的直觀的設(shè)計(jì)選項(xiàng)和腳本 ， 直接存取大規(guī)模的系統(tǒng)特征數(shù)據(jù) ， 自動(dòng)的參數(shù)掃描和優(yōu)化。 Optisystem軟件的界面十分友好，操作簡(jiǎn)單。（見圖 ） 圖 任務(wù)區(qū) 泊塢窗 相當(dāng)于“試驗(yàn)平臺(tái)” Project Layout周邊的工具箱 、 調(diào)試器以及記錄本 、負(fù)責(zé)主窗口的器件載入，當(dāng)前操作任務(wù)的新近及歷史信息顯示： 器件庫(kù)湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 （ Component Library） 、 任務(wù)瀏覽器（ Project Browser）、 描述欄（ Description） 。（這點(diǎn)類似于 Win操作系統(tǒng)中資源管理器的側(cè)欄）