【文章內(nèi)容簡介】 21年，英國 Bath大學 Blanch等人用 200fs的泵浦脈沖在 PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜，日本電報電話公司 1562nm、脈寬 、重復頻率40GHz的光脈沖注入到 200m長的色散平坦保偏 PCF中，在 1550nm區(qū)域產(chǎn)生了超過40nm的均勻超連續(xù)譜，而美國 Rochester大學 Crystal Fiber A公司低雙折射、高非線性 PCF獲得 600～ 1000nm的超連續(xù)譜 [6]。 雖然在理論上可以推得光子晶體光纖將可以獲得比現(xiàn)有光纖更低的損耗、更小的色散、更大的有效模面積、更低的非線性等特性，但時至今日實際制作的 光子晶體光纖性能仍不及傳統(tǒng)光纖，但經(jīng)過近年來眾 多科研人員的不懈努力也取得了很多研究成果，我們有理由相信 光子晶體光纖必將取代傳統(tǒng)光纖。 湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設計（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，波分復用技術(shù)就被開發(fā)出來了。 WDM（波分復 用）技術(shù)是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，是指在一根光纖中同時傳輸多個波長的光載波信號， WDM是 在光纖 中實行的頻分復用技術(shù)， 與光纖有著不可分割的聯(lián)系，目前 WDM系統(tǒng)是在 1550nm窗口實行的多波長復用技術(shù)。 雙波長波分復用系統(tǒng)（ 1310/1550nm） 80年代在美國 ATamp。T網(wǎng)中使用，速率為 2 。 90年初，隨著光電器件（ 高精確和穩(wěn)定的波長的激光器、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。因此從 1995年開始 WDM技術(shù) 發(fā)展很快，特別是基于摻鉺光纖放大器 EDFA的 1550nm窗口密集波分復用（ DWDM）系統(tǒng)。 Ciena推出了 16 ， Lucent公司推出 8 。 1997年以來， 8波道、16波道、 32波道、 64波道甚至 128波道 WDM系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，傳輸速率也從 20Gbps，80Gbps， 320Gbps， 640Gbps到 ，國際干線、國內(nèi)干線、省內(nèi)干線也開始采用 WDM系統(tǒng)。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)了利用密集波分復用 (DWDM)系統(tǒng)的改造和容量升級，國內(nèi)外 各大通信公司紛紛推出自己的 WDM系統(tǒng)。到 1998年，大約 90％的長途通信線路裝用 DWDM系統(tǒng)已達到一根光纖傳輸?shù)目側(cè)萘?400Gbps。與此同時，光纖放大器 EDFA的產(chǎn)品已經(jīng)成熟可靠，他們能與 DWDM系統(tǒng)聯(lián)合運用，大約每隔 80、 100km設置一個線路中間放大站，長途線路的傳輸距離可達 1000km。 1998年 12月，武漢郵電科學研究院自主開發(fā)的我國第一個具有完全自 主知識產(chǎn)權(quán)的 8 DWDM系統(tǒng)工程，成功地通過了信息產(chǎn)業(yè)部的鑒定驗收，這標志著我國己成為世界上少數(shù)能夠提供 WDM設備商用產(chǎn)品的國家之一。 2021年運營商引入 10Gbps的 DWDM系統(tǒng)，同時 32 WDM系統(tǒng)，并在加緊研制 8 10Gbps及 32 10Gbps的 WDM系統(tǒng)。 2021年中國第一套 DWDM系統(tǒng)在武漢郵電科學研究院誕生。 2021年， 國產(chǎn)大容量 ( 80 40Gbit/s ) 傳輸設備在中國電信所 屬的 上海和杭州之間的光傳輸線路上開通，且實現(xiàn)了 穩(wěn) 定運行，表明我國在超高速率、超大容量光傳輸上得了全面突破，達到世界最高的商用水平。 2021年 6月 8日，“ 我國超高速、超大容量、超長距離光通信技術(shù)研究進展” 發(fā)布會在京召 開。武漢郵電科學研究院在會上宣布： 該院和中國電信聯(lián)合承建的國家“ 863”計劃重大科研項目 —— “ 3T可擴展到 80 40Gbit/sDWDM傳輸系統(tǒng)設備工程化與試驗” 實用化工程， 成功通過國家科技部驗收。該系統(tǒng) 2021年 40Gbps的 DWDM系統(tǒng)作為骨干網(wǎng)提升速率的技術(shù)開始實現(xiàn)大規(guī)模商用部署，經(jīng)過近幾年的發(fā)展 40Gbps的 DWDM商用系統(tǒng)已日臻成熟。隨著 40Gbps的 DWDM系統(tǒng)的逐漸成熟，人們轉(zhuǎn)而把研究目標轉(zhuǎn)移到 100Gbps的 DWDM系統(tǒng)。光傳輸革新倡導者的阿爾卡特朗訊貝爾實驗室在 2021年就在 Verizon網(wǎng)絡中，在弗羅里大邁阿密成功開湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 5 展 100G信號的傳送，在原 40G的平臺上，在 504km的光纜線路上傳送了 100G的信號。2021年 9月阿爾卡特朗訊貝爾實驗室再次創(chuàng)造了 100Petab/skm的世界紀錄，這相當于每秒鐘把 400部 DVD傳輸 7000km。這一紀錄把目前海纜的傳輸容量提升了 10倍 [7]。當 40G已經(jīng)逐漸成為高速傳輸網(wǎng)的主要建網(wǎng)方式， 2021年 ６ 月 100GE標準的通過給 了 100G華麗的出場，將所有人的目光都拉向了 100G ，在業(yè)務的驅(qū)動下，100G正在大跨步的發(fā)展和完善，即將成為未來高速傳輸領(lǐng) 域的主流技術(shù)。信息社會發(fā)展使得整個社會上的信息量正以爆炸式的速度增長， 100GDWDM顯然不是光通信發(fā)展的終點，當 100GDWDM還未真正登上歷史的舞臺， 單波 400G乃至 1Tbps的研究也早已經(jīng)悄然展開 。 目前 我國 WDM系統(tǒng)中普遍采用 。由于 化硅，因此其材料色散是固有的，而且二氧化硅對光波的吸收和瑞利散射是本征的，是無法避免的。目前長途高速系統(tǒng)選用 1550nm波長，色散為 17～ 19ps/(nm﹒ km)，中繼段的色散值很大，而且系統(tǒng)至少要受到 。這些都限制了 WDM系統(tǒng)地傳輸速率和傳輸中繼距離。 同時 隨著中繼距離的延長，光放大器的使用，尤其是波分復用信道數(shù)的增加，使進入光纖的光功率達到 5mW以上，甚至幾十毫瓦。如此高的光功率使光纖的折射率改變并產(chǎn)生非線性，成為限制 WDM系統(tǒng)性能的因素。 正因為傳統(tǒng)光纖存在自生難以克服的缺點，限制了 WDM系統(tǒng)容量和傳輸速率的進一步提高。所以光子晶體光纖概念一經(jīng)提出 便 引起人們的巨大興趣，其為人們解決 上述問題提供了新的辦法。本文基于此，對基于光子晶體光纖的 WDM系統(tǒng)進行了研究 ，并使用仿真軟件對其傳輸性能做了仿真研究 。 論文內(nèi)容安排 本論文 內(nèi) 容安排： 本論文 第一章為緒論 ，簡單的介紹了一下光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程，光子晶體光纖的研究 背景和發(fā)展， WDM技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀。 第二章對光之晶體光纖做了全面的介紹， 包概括光子晶 體光纖的概念和原理、光子晶體光纖的特性 。 第三章系統(tǒng)的研究了波分復用系統(tǒng)，包括 WDM系統(tǒng)的組成和原理、 WDM系統(tǒng)的傳輸方式以及 WDM系統(tǒng)存在的問題。 第四章利用 Optisystem軟件對使用光子晶體光纖的 WDM系統(tǒng)的傳輸性能進行模擬仿真。 最后是結(jié)論和展望 ，總結(jié)本論文的主要工作，并對研究 前景 進行了展望。 湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 6 第二 章 光子晶體光纖 1987年， Yablonovitch[8]和 John[9]在研究如何抑制自發(fā)輻射和光子局域特性時分別獨立提出了光子晶體（ Photonic Crystal， PC）的概念。光子晶體就是將不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在一維、二維或者三維空間組成具有光波長量級的折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)材料。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。如圖 。其中一維光子晶體就是我們通常所說的光學多層膜，多層介質(zhì)膜周期性地排列形成一維光子帶隙，使某些頻率范圍的光子無法穿越，產(chǎn)生高效率的反射。在 實際的應用中，二維和三維光子晶體有著更廣泛的前景，因此更受到人們的重視。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、能量 )處在禁帶范圍內(nèi)的光子禁止在光子晶體中傳播。當在光子晶體中引入缺陷使其周期性結(jié)構(gòu)遭到破壞時，光子能隙就形成了具有一定頻率寬度的缺陷區(qū)。一些特定波長的光波可以在這個缺陷區(qū)傳播。因此，光子晶體可以控制光在其中的傳播行為。 基于光子晶體這一特性，人們在光子晶體的基礎上進一步提出了光子晶體光纖的概念。 圖 光子晶體的分類 [10] （不同灰度代表不同折射率，箭頭所 示為光子帶隙所在的方向） 光子晶體光纖的概念和分類 基于光子晶體 導光機理， 1992首次提出光子晶體光纖（ Photonic Crystal Fiber； PCF） 的概念 [11]。 光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖 (Microstructured Fiber) 或多孔光纖 (Holey Fiber)。 光子晶體光纖是一種帶有線缺陷的二維光子晶體，光纖包層為空氣和 二氧化硅 的周期結(jié)構(gòu)，周期常數(shù) (或叫做晶格常數(shù)、特征長度 )為波長量 。這種結(jié)構(gòu)實際上是在 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 )。通過適當設計氣孔的位置、大小和間距，可對某一波段形成帶隙。光纖纖芯是破壞了這種周期結(jié)構(gòu)的缺陷，這種缺陷可以是空氣，也可以是 二氧化硅 或其它介質(zhì)。與普通光纖不同，光子晶體光纖可以僅由一種材料制成。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)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 7 為前者，則可以用等效折射率法進行處理，這種處理方法有直觀、簡便的優(yōu)點。根據(jù)光 子晶體光纖的傳輸原理，人們通常將光子晶體光纖分為兩大類： 折射率引導 （ TIR） 光子晶體光纖和光子帶隙 （ PBG） 光子晶體光纖。 折射率引導光纖 的結(jié)構(gòu) 和導光基理如圖 ，其包層 為規(guī)律排列的空氣孔，纖芯為固體硅。 折射率引導光纖 與傳統(tǒng)的光纖相似， 都是利用全反射原理來導光。 通過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 。 尤其是當包層空 氣比例很大時，可以看成其纖芯直接置于空氣中。 圖 折射率引導 光子晶體光纖（ TIRPCF）結(jié)構(gòu)及導光示意圖 [10] 光子帶隙光子晶體光纖 的結(jié)構(gòu)和導光基理如圖 ， 光子帶隙光纖 導光機制與傳統(tǒng)光纖完 全不同， 光子晶體光纖是利用光子帶隙效應來傳播光的。 頻率處于光子帶隙內(nèi)的光不能在包層中傳播 ， 所以這些頻率的光耦合進纖芯后 ， 將被限制在纖芯中 ， 無法泄露出去 ， 從而達到傳導光的目的。 其纖芯是空氣孔， 并且只有當纖芯的空氣孔足夠大時，即其直徑大于氣孔間距的 40%時，才會有光子帶隙產(chǎn)生。由于光子帶隙效應，光波被自然 地限制在了纖芯中傳播，這樣就會大大減小傳輸 損耗，具有很大的實用價值。 帶隙型光纖的模式折射率滿足如下條件 : 當 coren H? /k 時 , H? /k moden L? /k （ ） 當 coren H? /k 時 , coren moden L? /k （ ） 其中 ， H? 為光子帶隙上邊界對應的傳播常數(shù) ， L? 為光子帶隙下邊界對應的傳播常數(shù) [12]。 最初提出光子晶體光纖概念的時候，希望利用光子禁帶效應來導光，但比較兩種光子晶體光纖，折射率引導光子晶體光纖無論在理解或是制作上都更為簡單，因為它可沿用經(jīng)典 的全內(nèi)反射理解導光機制，而且不需要精確的空氣孔排列，更適合 于制作，故在目前大多數(shù)的研究和應用都是針對光子晶體光纖。 湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 8 圖 光子帶隙光子晶體光纖（ PBGPCF）結(jié)構(gòu)及導光示意圖 [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)光纖中難以實現(xiàn)的特性，如支 持寬波長范圍單模傳輸，模場面積、色散的極大可控性，可控的非線性 等等。這些特性突破了傳統(tǒng)光纖光學的局限，大大拓展了光子晶體光纖的應用范圍，在超快激光光學、光通信、微光電子學及強場物理學等領(lǐng)域 開辟了新的研究方向。 本節(jié)將對光子晶體光纖的特性 作較全面的介紹。 無截止 單模 特性 眾所周知，傳統(tǒng)光纖的歸一化頻率 V決定了模式數(shù)目，當 V 單模的 [1]。由于材料折射率相對于波長的變化較緩慢，因此傳統(tǒng)光纖的 V值與波長差不多成反比，如果縮短工作波長，就出現(xiàn)多?；?。普通單模光纖的截止波長 一般大于 1um。 光子晶體光纖最吸引人的特點之一就是對于設計合理的光子晶體光纖來說，可以在所有頻率范圍內(nèi)支持單模特性，這也就是所說的無休止單模特性(Endlessly single mode)，簡稱 ESM。 對于光子 晶體光纖來說 ，只要滿足空氣孔足夠的小，且空氣孔間的中心距離之比 (簡稱孔比率 )滿足一定要求 (如孔比率? )，便具有永久單模傳輸特性，即這樣的光纖不存在截止波長。另外，這種特性與光纖的絕對尺寸無關(guān)。不管光纖尺寸放大或縮小，仍可保持其單模傳輸特性。 1996年英國的 [13]報道了具有很寬單模波長范圍 (至少458~4550nm)的 TIRPCF，隨后又提出了“無窮單模光子晶體光纖” 的概念，并通過有效折射率和有效歸一化頻率的概念對寬范圍單模特性做 出了解釋 [14]。 無休止單模特性的基本原理是波長決定著包層和纖芯間的有效折射率差，當波長變短時，模式電場分布更加向纖芯區(qū)集中，這樣就減少了一部分光延伸入包湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 9 層，從而包層的有效折射率得到提高，并且減少了折射率差，這就減輕了在普通單模光纖中當傳輸光的波長降低時出現(xiàn)多模現(xiàn)象的趨勢。這種單模工作波段的擴展對波分復用系統(tǒng)增加信道數(shù)具有重要意義。這個特性已