【正文】 層 等效折射率可定義為 [14] effn =k? （ ） 進一步定義光子晶體光纖的等效 V 值為 efV = ???2 2/12eff21 nn ）（ ? （ ） 其 中Λ是光子晶體光纖包層晶體的孔間距離。 T. A. Birks 等人提出的光子晶體光纖的等效折射率模型 [14,15]光子晶體光纖具有比普通單模光纖大得多的單模傳輸頻帶。 ? 已經(jīng)為 um 量級， 減小余地有限 ，且會增加光纖的非線性系數(shù)和耦合 難度，而大的非線性系數(shù)往往是需要避免的 。這個特性已經(jīng)在理論上得到了證實，對于這個性質(zhì)，可以從標(biāo)準(zhǔn)階躍型光纖的公式來理解 ： 對于纖芯半徑為 ? ， 內(nèi) 芯和包層折射率分別為 1n 和 2n 的常規(guī)階躍光纖，導(dǎo)模的數(shù)目由歸一化頻率 V決定，有 V=（ ???/2 ）（ 2 1 n 22n 2/1） （ ） 當(dāng) V 值小于 時， 光纖維持單模特性。 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(dāng)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(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)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(dāng)傳輸光的波長降低時出現(xiàn)多?，F(xiàn)象的趨勢。不管光纖尺寸放大或縮小，仍可保持其單模傳輸特性。 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。普通單模光纖的截止波長 一般大于 1um。 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(dāng) V 單模的 [1]。這些特性突破了傳統(tǒng)光纖光學(xué)的局限，大大拓展了光子晶體光纖的應(yīng)用范圍，在超快激光光學(xué)、光通信、微光電子學(xué)及強場物理學(xué)等領(lǐng)域 開辟了新的研究方向。 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(yīng)來導(dǎo)光，但比較兩種光子晶體光纖，折射率引導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用都是針對光子晶體光纖。由于光子帶隙效應(yīng)，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。 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(dǎo)光的目的。 尤其是當(dāng)包層空 氣比例很大時，可以看成其纖芯直接置于空氣中。 折射率引導(dǎo)光纖 與傳統(tǒng)的光纖相似， 都是利用全反射原理來導(dǎo)光。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(dǎo) （ TIR） 光子晶體光纖和光子帶隙 （ PBG） 光子晶體光纖。與普通光纖不同，光子晶體光纖可以僅由一種材料制成。通過適當(dāng)設(shè)計氣孔的位置、大小和間距，可對某一波段形成帶隙。 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 。 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(dǎo)光機理， 1992首次提出光子晶體光纖（ Photonic Crystal Fiber； PCF） 的概念 [11]。因此，光子晶體可以控制光在其中的傳播行為。當(dāng)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)。在 實際的應(yīng)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。如圖 。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。 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。 第三章系統(tǒng)的研究了波分復(fù)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。 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。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。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。這些都限制了 WDM系統(tǒng)地傳輸速率和傳輸中繼距離。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。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(dāng) 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 。這一紀(jì)錄把目前海纜的傳輸容量提升了 10倍 [7]。光傳輸革新倡導(dǎo)者的阿爾卡特朗訊貝爾實驗室在 2021年就在 Verizon網(wǎng)絡(luò)中，在弗羅里大邁阿密成功開湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)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。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。 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。 2021年中國第一套 DWDM系統(tǒng)在武漢郵電科學(xué)研究院誕生。 1998年 12月，武漢郵電科學(xué)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(biāo)志著我國己成為世界上少數(shù)能夠提供 WDM設(shè)備商用產(chǎn)品的國家之一。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。 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)。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(fù)用（ DWDM）系統(tǒng)。T網(wǎng)中使用，速率為 2 。 WDM（波分復(fù) 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(fù)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(fù)用技術(shù)。 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。 PCF的色散補償作用在高速率、大容量、遠距離的 WDM系統(tǒng)中將會具有極大的應(yīng)用價值。 2021年，清華大學(xué)研究人員理論上計算了 PCF的色散值，所選擇 PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)為：空氣孔間距為 ，空氣孔直徑與空氣孔間距之比是 。 2021年 1月，Wadsworth等人報導(dǎo)了利用大模面積空氣包層 PCF研制的高功率 PCF激光器，其結(jié)構(gòu)為雙程后向線性腔結(jié)構(gòu)，最大輸出功 率 ，斜率效率 30%，實現(xiàn)單橫模運轉(zhuǎn)[4]。雙包層光子晶體光纖摻雜離子為 Yb3+離子，纖芯直徑 ，數(shù)值孔徑 ，內(nèi)包層直徑 150um，數(shù)值孔 徑 ，利用 20W光纖耦合二極管陣列泵浦該光纖，光纖長度為 17m， 獲得了 ，斜效率 21%[2]。莫斯科大學(xué) 等人也進行了包層具有周期分布空氣導(dǎo)孔的多孔光纖的研制。光子晶體光纖和普通單模光纖相比有以下突出的 優(yōu)點：第一、光子晶體光纖可以在很大的頻率范圍內(nèi)支持光的單模傳輸；第二、 光子晶湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 體光纖允許改變纖芯面 積，以削弱或加強光纖的非線性效應(yīng)；第三、光子 晶體光纖可通過改變結(jié)構(gòu)靈活地設(shè)計色散和色散斜率；第四、 光子晶體光纖具有超低損耗 ()的潛力。近年來光子晶體光纖的 出現(xiàn)引起了人們的廣泛關(guān)注，光子晶體光纖導(dǎo)光機理與傳統(tǒng)光纖完全不同，使得光子晶體光纖與傳統(tǒng)光纖產(chǎn)生了本質(zhì)區(qū)別，使 其 具 備了 很多傳統(tǒng)光纖難以達到的優(yōu)越特性，使人們在解決上述問題時看到了新的希望 。它的主要缺點是色散斜率偏大，在長距離傳輸時需要采取色散補償技術(shù)。但它 的主要缺點是可能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定現(xiàn)象或不能利用自相位調(diào)制來擴大色散受限傳輸距離。于是人們不得不開發(fā)出 ，其工作波長為 1550nm，零色散波長位于1550nm附近。但是當(dāng) WDM系統(tǒng)大量推廣應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，由于 EDFA在 WDM中的使用，使進入光纖的光功率有很大的提高，而導(dǎo)致交叉相位調(diào)制和四波混頻等非線性效應(yīng)出現(xiàn)。為了解決色散限制，人們又開發(fā)了 。 于 1310nm，但自從 EDFA問世以后，光纖通信已經(jīng)從 1310nm轉(zhuǎn)到了 1550nm。 在 1310nm的色散為零，最低損耗窗口卻在 1550nm波段，在 1550nm的色散系數(shù)約為17ps/(nm不久以后利用了 光放大器（ Optical Amplifier） 和波分復(fù)用（ Wavelength Division Multiplexing； WDM）技術(shù)的第四代高速光纖通信 系統(tǒng)誕生，自此 光纖湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 通信 系統(tǒng)的容量開始 以每六個月增加一倍的方式大幅躍進 ，目前已達到 ，較第一代的傳輸速率快近 10萬倍 [1]。很快采用 1550nm光源的第三代光通信 系統(tǒng)出現(xiàn)了 ，光纖損耗也降低到 ， 同時色散位移光纖 （ dispersionshifted fiber； DSF）的出現(xiàn)使得在 1550nm光波傳輸時色散幾乎為零，因而可將 激光光譜 限制在 單縱模。 到了 1987年， 一個商用光纖通 信 系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)高達 ，比第一個光纖通 信 系統(tǒng)的速率快了將近四十倍之 多 ，同時傳輸?shù)墓β逝c訊號衰減的問題也有顯著改善， 間隔 50公里才需要一個中繼器增強訊號。這個光纖通信 系統(tǒng)以波長800nm的砷化鎵激光器作為光源，傳輸速率僅有 45Mb/s，并且每隔 10公里需要一個中繼器增強訊號。 本文 以 光子晶體光纖為研究對象，將光子晶體光纖應(yīng)用于 WDM系統(tǒng) 中，并使用 Optisystem軟件對其傳輸性能做了仿真研究 。 理論和實驗結(jié)果都表明這種光纖具有很多優(yōu)良的傳輸特性 ，如不截止的單模特性、 可控的模場面積、靈活的色散特性、可控的波導(dǎo)色散特性、 極低的損耗和極低的非線性效應(yīng) 等。 但傳 統(tǒng)的光纖很難滿足這些要求，這就限制了光網(wǎng)絡(luò)容量和 傳輸速率 的進一步提高 。 WDM技術(shù) 充分利用 了單模光纖低損耗區(qū)帶 來的巨大帶寬資源，將不同波長的信號經(jīng)波分復(fù)用器耦合到一根光纖實現(xiàn)多路光信號的復(fù)用傳輸。 in the case of highpower, the impact of nonlinear effects on the system is the dominant factor, and find the best transmitting launch power of the two patterns. Secondly， we study the influence of the modulation pattern on the transmission performance of the PCF WDM system. The study found: in the case of lowpower, the antinoise performance of the NRZ pattern is better than the RZ 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） III pattern。 關(guān)鍵字 ： 光子晶體光纖、 WDM、 Optisystem、仿真 。 研究了色散對光子晶體光纖 WDM系統(tǒng)的影響。發(fā)現(xiàn)傳輸 距離 的增加，接收的信號質(zhì)量嚴(yán)重惡化，分析發(fā)現(xiàn)造成傳輸性能的降低是由于級聯(lián)結(jié)構(gòu)中 EDFA和積累的非線性效應(yīng)引起的。 RZ碼型更適合在高速速率的長距離通信系統(tǒng)中使用。 研究了碼 型對 光子晶體光纖 WDM系統(tǒng) 傳輸性能 的影響 。 本文利用 Optisystem軟件對基于光子晶體光纖的 WDM系統(tǒng)的其傳輸性能做了仿真研究，主要研究了以下內(nèi)容： 研究了 光子晶體光纖 WDM系統(tǒng) 光源發(fā)射功率對其性能的影響 ，側(cè)重 研究 了NRZ碼型和 RZ碼型的 光子晶體光纖 WDM系統(tǒng) 的功率特性 。理論研究結(jié)果表明這種光纖具有很多優(yōu)良的傳輸特性，如不截止的單模特性、可控的模場面積、靈活的色散特性、可控的波導(dǎo)色散特性、極低的損耗和極低的非線性效應(yīng)等。但傳統(tǒng)的光纖很難滿足這些要求，這就限制了光網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的進一步提高。 畢