光纤通信中的色散补偿实验仿真

目 录

1 绪论 ...................................................................................................... 1

2 色散补偿技术 ...................................................................................... 2

2.1 色散补偿技术概述 .................................................................................... 2

2.1.1 色散的基本概念 ..................................................................................... 2

2.1.2 色散补偿的概念 ..................................................................................... 2

2.1.3 色散补偿技术的特点 ............................................................................. 3

2.1.4 色散补偿技术的发展历程 ..................................................................... 5

2.2 色散补偿光纤传输系统的关键器件 ........................................................ 5

2.2.1 光源 ......................................................................................................... 5

2.2.2 马赫曾德干涉仪 ..................................................................................... 6

2.2.3 光放大器 ................................................................................................. 7

2.2.4 贝赛尔滤波器 ......................................................................................... 8

3 色散补偿技术仿真与性能分析 ........................................................ 10

3.1 DCF色散补偿仿真 .................................................................................. 10

3.1.1 系统仿真结构 ....................................................................................... 10

3.1.2 仿真结果分析 ....................................................................................... 10

3.2 光纤光栅色散（FBG）补偿仿真 .......................................................... 13

3.2.1 系统仿真结构 ....................................................................................... 13

3. 2.2 仿真结果分析 ...................................................................................... 13

3.3 偏振模色散补偿（PMD）仿真 ............................................................. 18

3.3.1 系统仿真结构 ....................................................................................... 18 3.3.2 仿真结果分析 ...................................................................................... 18

4 结论 .................................................................................................... 21

参考文献 ................................................................................................ 22

致谢......................................................................................................... 23

附录......................................................................................................... 24

1 绪论

目前，光纤线性通信存在着光纤色散，光纤损耗和非线性等缺陷，已不能满足现在信息处理传输的要求。而影响光纤传输特性的因素主要有两个：损耗和色散。色散问题已成为光纤通信系统进行升级扩容的主要障碍。

同时，近些年来伴随着因特网的迅速崛起，经济的快速发展，语音、图像、数据等信息量成爆炸式的增长，除此之外，人们对通信网带宽的要求也增加。然而，解决网络容量压力的最佳选择不免为光纤通信技术，因为其超高速、大容量、长距离、高抗电磁干扰性和低成本等无可比拟的优点。自1970年以来，光纤通信技术同时也取得了突飞猛进的发展，发达国家电信骨干网上的单通道传输速率己经从 0C-48(2.5Gbit/s)增加到OC- 192（10Gbit/s），并正在向40Gbit/s确甚至160Gbit/s迈进。

单模光纤中的色散分为色度色散和偏振模色散[1]两类，它们分别受光纤材料的色散特性和光源的光谱宽度以及光纤中的偏振效应影响。近几年，掺饵光纤放大器(EDFA)和拉曼放大器的被广泛使用和研究，这样也解决光纤的损耗问题。由于非零色散位移光纤(NZDSF)及预啁啾等各种补偿技术的发展，色度色散也不再对传输性能起主要制约作用，也就是说，单模光纤中损耗和色度色散对光纤通信系统传输特性的影响已不是阻碍光纤通信向高速率大容量方向发展的主要因素。然而，起初不被人们注意的偏振模色散[2]成为目前被普遍关注的焦点，它被认为是限制高速光纤通信系统传输特性的最终因素。根据ITU-T组织标准规定，一段光纤的PMD传输系数、传输速率和传输距离之间满足如下关系[3]:

B Gbs PMD ps2 L km 10

式中：B表示传输速率，PMD表示偏振模传输系数，L表示传输距离，由此可以看出：在PMD值一定的情况下随着传输速率的增加，传输距离将急剧缩短。对目前已铺光缆PMD值的测试表明，80年代中期以前生产铺设的光缆PMD值较大，典型值大约为2ps/km，这就是说，2Gb/s系统的传输距离不能超过400km；而10Gbit/s系统的传输距离则须小于25km。80年代中期以后生产和铺设的光缆PMD系数较小，其引起的功率代价为1dB时，10Gbit/s系统的传输距离可达10km至400km；而对于40Gbit/s系统则剧减为25km至625km。由此可见，在10Ghit/s及以上速率的光纤通信系统中，偏振模色散有着不可忽视的影响，它限制着系统的容量和传输距离，所以有人认为它将是高码率传输的最终限制因素。只有补偿光纤中的偏振模色散，才能提高光通信系统的传输性能，同时有效地利用全球已铺设好的上亿公里光缆，而如何补偿偏振模色散己成为发展下一代高速光纤通信系统时所面临的重大技术挑战[4]。

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2.1 色散补偿技术概述

2.1.1 色散的基本概念 色散补偿技术

色散就是指不同颜色，不同频率的光在光纤传输时，由于具有不同的传播速度而相互分离。单模光纤主要色散是群时延色散，即波导色散和材料色散。这些色散都会导致光脉冲展宽，导致信号传输时的畸变和接收误码率增大。在这里说明4个色散术语：材料色散、波导色散、模式色散和偏振模色散[5]。

材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化，而光源有一定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度[6]。

波导色散：这是某个导模在不同波长（光源有一定的谱宽）下的群速度不同引起的色散，它与光纤结构的波导效应有关，又称为结构色散。

模间色散：多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送机多个导模同时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同[7]。

偏振模色散：普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，实际在单模光纤存在各种少量随机的不确定性，不对称性，造成了两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散[8]。

2.1.2 色散补偿的概念

在10Gbit/s以上的高速长距离传输系统中，必须考虑色散补偿问题。色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿[9]。

高速光纤系统的群速度色散补偿方法，其中几种具有代表性的是基模/高阶模色散补偿光纤、色散补偿光纤光栅、高阶模色散补偿器和VIPA(Visual Image Phase Array)器件等。也可在信号调制和接收时采取一定的措施以减小色散的影响，如在信号调制时加啁啾，在接收端进行动态色散补偿等。

色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块，目前使用最多的是色散补偿模块（DCM），主要利用色散补偿光纤DCF构成模块，但是这种色散补偿光纤具有较强的非线性效应，会使不同信道之间的串扰加大。在40Gbit/s系统当中，环境因素的变化会造成色散量大小的随机波动，因而还要求色散补偿模块是可调谐的，需要动态色散补偿，相关的技术有啁啾光纤光栅色散补偿，环形谐振器，虚相位阵列，沉积了加热金属的相位平板光栅，连接基于高阶模光纤的长周期光栅的光开关，多腔反射滤波器等，但是真正商用的产品不多[10]。

对于克服偏振模色散（PMD），目前有两种方案，一是在线路上解决PMD问题。采用新的，性能好的，低PMD系数的光纤，以及光信号采用新的调制格式，使光信号不易受PMD的影响。这种方法成本较低，只能用于新的光纤。第二种方法是采用PMD补偿技术，对PMD动态地进行调节和管理。这种方法价格昂贵，但是可以允许网络运营商继续使用

原有的旧光纤[10]。

2.1.3 色散补偿技术的特点

不同的色散补偿技术具有不同的特点，这里只说明几种色散补偿技术。

D 90ps nm km 。负色散光纤补偿法：DCF是一种有负色散系数的光纤，若在CSMF

中接入足够长度的DCF，可使总的色散值控制在系统容限以内，如图2-1所示。原则上DCF可放在线路的任何位置，但在发送端应放在光放大器之前，因为若放在光放大器之后，高功率光信号会引起非线性，不仅减弱DCF的补偿作用，还会严重影响系统的性能[11]

。

图2-1 DCF的应用举例

从应用的角度要求DCF的负色散系数愈大愈好，同时插入衰减越小越好。通常插入的DCF长度是需要补偿CSMF的20%左右。与其他色散补偿措施相比。DCF技术要相对成熟，但其插入衰减较大，约为CSMF的5倍，须用光放大器补偿。

光相位共轭（OPC）或中间频谱反转（MSI）技术：在CSMF光纤中级段的中间插入一段DSF作为非线性器件，当光信号通过时会产生相位共轭波，即频谱倒置信号。此相位共轭波与原信号具有时间反演的性质。原信号因色散作用使波形展宽，而相位共轭波则因色散影响而被压缩，从而使失真信号重新恢复。利用OPC技术在360km的CSMF上已成功地进行了10Gbit/s的信号传输试验。其主要的限制是中间频谱反转单元需较准确地设置在总色散值一半的地方，还要控制偏振波动，以免影响相位共轭波的时间反演特性。在非线性介质中，当输入频率为ω1、ω2、ω3的光（波矢分别为1、2、3）足够强时，发生三阶段非线性极化。当满足相位匹配条件Δ=i+j+k=0时，就会产生四波混频并输出频率为ω=ωi+ωj+ωk波矢为K的光，其中i，j，k=1，2，3，j≠k。在信号光（频率为ωs）传输一段距离之后，加入光功率足够强的泵浦光（频率为ωp），且使其满足相位匹配条件，产生四波混频效应，这样输出光中有频率ω=2ωp-ωs的成分，它使得ωs的高频分量转换为ω的低频分量。在继续传播过程中，原相位超前的光纤频率相应便逐渐落后，落后的相应逐渐超前，从而减小直至抵消原有的色散。意大利、丹麦等国家研究高增益半导体光放大器、垂直腔表面辐射激光器的简并与非简并四波混频，通过相位共轭或波长转换等来实现色散补偿。研究表明：频谱反转色散补偿的方法可实现大容量长距离的色散补偿，且损耗较小。用半导体器件可实现相位匹配四波混频，它与其他光器件集成还可用于光网络，但对所用的大功率泵浦光波提出的一些要求还无法满足，这些相关技术有待进一步研究[12]。

色散支持技术（DST）：DST的基本原理是，高速数字信号在直接调制方式作用下，

在光强度调制(IM)的同时还伴有FSK调制。这是因为与输入NRZ电信号―0‖、―1‖对应着两个光波长，它们由于光纤色散而不能同时到达接收端，其时间差加 t D L，即: t V 2 D C式中 V为两个光波的频率差，正确选择光源的偏流可控制 V。从而可在接收机利用两电平判决电路将ASK信号解调为NRZ信号，而光纤的色散则起到了FS/ASK信号转换的作用。本技术结构简单，技术成熟，成本低，但是升级能力差[14]。

光纤光栅色散补偿技术：均匀光纤光栅的一个特性，就是在禁带附近一般要比普通光纤介质大出几个数量级倍。可以利用光纤光栅的这一特性在传输中进行色散补偿。尽管这一强色散区域存在的频带很窄，但其独特的性质还是引起了人们的关注。由于F-P效应所造成的反射带隙外振荡的影响，这种方法一直未受到人们的重视。最近，随着光纤光栅切趾技术的成熟，人们已经可以消除反射带隙几乎所有振荡，这使得利用均匀光纤光栅进行色散补偿再现生命力。在国外，对光纤光栅的传输色散性质的理论探讨和实验研究已经取得了很大成果。有人提出利用这种强色散特性进行色散补偿，较其它色散补偿方案更易实现，且具有更高的补偿效率。实验上已成功实现了在72km的光纤中利用光纤光栅在10Gbit/s信号无误传输时的色散补偿。最近，人们又提出级联光纤光栅的构思，利用它可以在密集波分复用系统中实现多信道色散的同时补偿[14]。如图2-2所示

图2-2 光纤光栅色散补偿法

通过改变外部条件来改变均匀光纤光栅的结构参数，可以实现色散的可调谐。利用压电陶瓷使得光纤光栅的中心波长移动了5.02nm，这对于均匀光纤光栅的色散调谐已足够。如果把两个或两个以上不同周期的光纤光栅―连接‖起来组成―级联光纤光栅‖，可以实现对不同波长的多路脉冲同时进行色散补偿，还可以对整个级联光纤光栅进行调谐，也可以对其中某些光纤光栅进行调谐，以达到我们所期望的色散补偿效果。

光孤子传输技术：所谓色散可控光孤子也就是众所周知的归零码(RZ)调制，它同WDM技术相结合，能够动态地将光网络的传输速率提升到1Tb/s以上，传输距离可达数千公里。

孤子波的特点是光脉冲经过一段距离的传输后不会中断或者展宽，这使它成为光纤通信网中的一种理想技术。光孤子经过精心设计，可以周期性地以可控方式改变它的形状，从而在到达目的地时仍然保持原状。因此以色散可控光孤子为基础的网络基础结构减少了对通道再生的要求，使传统的光纤网从这些网中获得新生。各种因素的平衡超长距离系统的设计者需要在提高光信号功率来克服噪声影响，或者减少光信号功率来抑制非线性失真这两者之间做出艰难选择。而这正是光孤子能够发挥优点的机会、:通过均衡色散和非线性失真的影响来为光孤子脉冲创造近乎理想的光纤传输环境，允许使用比一般情况下更大的

光功率。传统的系统一般是使用非归零码调制技术，而光孤子则使用归零码技术，因为它不容易受非线性失真的影响:通过对光脉冲的精心设计是可以利用光纤色散的累积效应来补偿非线性失真的影响的。但光纤路径上的色散特性必须作为总体系统设计的一部分加以适当控制，故产生了―色散可控光孤子‖的名称。尽管使用的设计规则不同.在光孤子网络中的色散控制方式同传统的长途、高比特率DWDM系统中采用的色散控制方式是相似的，即在放大器节点上使用无源补偿器件(DCM)[15]。

本技术适用于系统更新换代时采用，因为它需要用新的系统结构来控制色散。如果用在现有系统上而对现有系统要作较大的改动。光孤子传输技术对于超长距离中继段的光纤色散补偿具有很好的发展前景。本方法经过进一步实用化研究之后，它将在色散补偿技术领域中显示优势。

2.1.4 色散补偿技术的发展历程

色散严重的限制了光纤的传输容量，为了使这一问题得到解决，早在1980年美国贝尔公司C.Lin等人就提出了用光脉冲均衡技术来补偿传输光纤中色散的想法。后来，研究人员针对这种想法采用法布里-泊罗（Fabry-Pero）干涉仪的全光色散补偿技术。1992年，T.Ozeki提出了以MZI为基础的光学均衡滤波器，后来K.Takinguchi制出了平面光波回路形式的MZI，一个内含5个MZI的平面光波电路，仅几个厘米长却能补偿50km的光纤色散。它们的缺点是带宽较窄（大约10GHz），对输入脉冲的偏振性很敏感。1982年，F.Ouellette首先提出采用布拉格（Bragg）光栅作为反射滤波器实现色散补偿的理论，但是由于当时制造工艺的落后，到了90年代初才使这项技术得到应用，并得到了1000Gbit·km/s（速率10Gbit/s，距离100km）。目前，使用最多也是最研究最广泛的色散补偿技术是光纤色散补偿技术（DCF）和Bragg光纤光栅色散补偿技术。由于色散积累是一个随时间变化的过程，对于不同的传输系统或系统受外界因素（如光线的弯曲、网络结构的重构、环境变化、光纤线路的老化等）的干扰时，都可以引起色散值的改变，这就需要动态可调谐色散补偿装置对变化着的色散进行检测跟踪的方式进行补偿，基于这一思想，人们又提出了色散管理或动态色散补偿技术。同时人们对光纤光栅的研究也开始从均匀光纤光栅转向各种非均匀光纤光栅。DCF补偿技术由于技术简单、成本低等优点，一直被广泛研究并投入商用化[16]。

2.2 色散补偿光纤传输系统的关键器件

2.2.1 光源[17]

用于色散补偿系统的光源主要有以下几种：

DFB和DBR半导体激光器：DFB激光器的基本原理是基于布拉格反射原理，是依赖沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2-3，图中光栅的周期为A，称为栅距。

图2-3 DFB激光器的结构

DFB激光器与一般F-P激光器相比，主要具有以下两大优点：

其一，动态单纵模窄线宽振荡：由于DFB激光器中光栅的间距（A）很小，形成了一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模值增益相对较大，从而得到比F-P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模振荡。这里所说的―动态‖，是指在高速调制下也能保持单纵模振荡，当然动态的谱宽要比静态的谱宽大一点，但还是比F-P腔激光器小很多。

其二，波长稳定性好：由于DFB激光器内的光栅有助于锁定在给定的波长上，其温度漂移约为0.8A/C，比F-P腔激光器要好得多。

DFB激光器的光栅是制作的有源区的波导层上，这是光栅起分布反馈的作用，所以不再需要端面反射镜。DBR激光器的光源是制作在有源区两端外的波导层上，这时光栅起着端面反射镜的作用。图2-4为DBR激光器的结构图。

图2-4 DBR激光器

量子阱半导体激光器：量子阱半导体激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长的半导体激光器，是一种很有发展前途的激光器。

量子阱激光器与一般激光器相比，有一些不同的地方：

阈值值电流低：由于其结构中―阱‖的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源区内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流。

线宽变窄：由于量子阱中带间复合的特点，造成线宽增大系数变小，从而减小了光谱中的线宽，与双异质激光器相比，可缩小近一倍。

2.2.2 马赫曾德干涉仪

马赫曾德干涉仪（Mach-Zehnder; inter-ferometer）是用分振幅法产生双光束以实现干

涉的仪器。1810年，托马斯·杨在英国皇家学会上宣读了关于薄膜色的论文。论文进一步扩充和发展了惠更斯的波动说，明确地提出了光具有频率和波长，完善了光波的概念。他比较圆满地解释了牛顿环的干涉现象，认为―当有不同起源的两个振动运动或者完全相同，或者在方向很接近时，那么它们的共同作用等于它们每一个振动单独所发生的作用之和。‖这在实际上已经提出了光的相干条件及干涉原理。这一年，他在发表于《哲学会报》上的论文中，全面地阐述了干涉原理：―同一束光的两不同部分以不同的路径，要么完全一样地、要么在方向上十分接近地进入眼睛，在光线的路程差是某个长度的整数倍的地方，光就被加强，而在干涉区域中间状态，光将最强；对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的。‖

马赫曾德干涉仪由于不带有纤端反射镜，需要增加一个3dB分路器，如图2-5。

图2-5 马赫曾德干涉仪原理

光源发出的相干光经3dB分路器分为光强1：1的两束光分别进入信号臂光纤和参考臂光纤，两束光经第二个3dB分路器汇合相干形成干涉条纹。M—Z干涉仪的优点是不带纤端反射镜，克服了迈克耳逊干涉仪回波干扰的缺点，因而在光纤传感技术领域得到了比迈克耳逊干涉仪更为广泛的应用。

2.2.3 光放大器

在WDM系统中，光放大器有3种应用：发送侧波分复用器之后放大信号的光放大器——功率放大器，线路上的光放大器——线路放大器，接收侧解复用器之前的光放大器——前置放大器。迄今为止，人们已研究成功3种光放大器，即半导体激光放大器、非线性光纤拉曼放大器和掺稀土元素的光纤放大器。掺稀土元素的光纤放大器又可分为掺铒光纤放大器（EDFA）和掺镨光纤放大器（PDFA），其中，EDFA适合于长波长1550nm窗口的光信号放大，而PDFA适用于1310nm窗口的光信号。目前已经达到实用化水平并在WDM系统应用的就是掺铒光纤放大器EDFA。

一个典型的EDFA由掺铒光纤、泵浦源和波分复用器组成。其中掺铒光纤提供放大，泵浦源提供足够强的泵浦功率，波分复用器将信号与泵浦光混合，掺铒光纤放大器构成如图2-6所示。

图2-6 掺铒光纤放大器构成

EDFA是利用激光泵浦石英光纤中掺铒离子（Er3+）的受激辐射来实现对1550nm波段光信号的放大。由于光放大器有很宽频带一般在1530nm～1565nm，这给采用EDFA的光系统提供了―透明‖特性，放大与信号码率和信号格式无关，而且能把各波长信号光同时放大。

EDFA的增益均衡很重要。WDM系统是一个多波长工作系统，当某些波长信号失去时，由于增益竞争，其能量会转移到存在的信号上，使其它波长的功率提高。在接收端，由于电平的突然提高会带来误码，而且在极限情况下，例如当8路波长中7路丢失时，所有的功率都集中到一个波长上，功率会达到+17dBm左右，这又会带来强烈的非线性或接收机过载，也会带来误码。

EDFA的增益控制技术有许多种，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持（输出／输入）增益不变，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。另外，还有饱和波长的方法。在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号失去时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持EDFA输出功率和增益保持恒定。当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些[3][5] 。

2.2.4 贝赛尔滤波器

电子学和信号处理中，贝赛尔(Bessel)滤波器是具有最大平坦的群延迟（线性相位响应）的线性过滤器。贝赛尔滤波器常用在音频天桥系统中。模拟贝赛尔滤波器描绘为几乎横跨整个通频带的恒定的群延迟，因而在通频带上保持了被过滤的信号波形。滤波器的名字来自于Friedrich贝赛尔，一位德国数学家（1784–1846），他发展了滤波器的数学理论基础。

贝塞尔(Bessel)滤波器具有最平坦的幅度和相位相应。带通（通常为用户关注区域）的相位响应近乎呈线性。Bessel滤波器可用于减少所有IIR滤波器固有的非线性相位失真。

描述贝塞耳滤波器低通滤波器的传递函数如下：

这里θn(s)是一个反向贝塞耳多项式，ω0是选定的期望截止频率。

贝塞尔(Bessel)线性相位滤波器正是由于具有向其截止频率以下的所有频率提供等量延时的特性，才被用于音频设备中，在音频设备中，必须在不损害频带内多信号的相位关系前提下，消除带外噪声。另外，贝塞尔滤波器的阶跃响应很快，并且没有过冲或振铃，这使它在作为音频DAC输出端的平滑滤波器，或音频ADC输入端的抗混叠滤波器方面，是一种出色的选择。贝塞尔滤波器还可用于分析D类放大器的输出，以及消除其它应用中的开关噪声，来提高失真测量和示波器波形测量的精确度。

虽然贝塞尔滤波器在它的通频带内提供平坦的幅度和线性相位（即一致的群延时）响应，但它的选择性比同阶（或极数）的巴特沃斯(Butterworth)滤波器或切比雪夫(Chebyshev)滤波器要差。因此，为了达到特定的阻带衰减水平，需要设计更高阶的贝塞尔滤波器，从而它又需要仔细选择放大器和元件来达到最低的噪声和失真度。

3 色散补偿技术仿真与性能分析

目前色散补偿技术已被国内外许多学者进行了广泛地研究和实验，形成了许多方法。传统的DCF因其光纤技术成熟度好，生产方便，在近几年内仍然是主流产品；而多通道光纤光栅色散补偿技术的研究逐渐成为热点，多通道色散补偿器己经具备了一定的市场竞争力，大量商用产品己经推向市场，有逐步取代传统DCF之势。故本文特选DCF、FBG与PMD进行色散补偿仿真，比较之间的优劣性，为今后的研究提供帮助。

3.1 DCF色散补偿仿真

3.1.1 系统仿真结构

图3-1 DCF系统仿真结构

图3-1为负色散光纤补偿系统仿真结构，本实验系统设计一个随机序列发生器作为信号源，经过一段单模光纤SMF传输后再通过一段具有负色散系数的光纤，以此来观察研究负色散光纤补偿法（DCF）的原理和其性能参数。实验分别从信号经过SMF前后和经过负色散补偿光纤前后的光时域观察仪和光谱分析仪中观察信号变化。

3.1.2 仿真结果分析

图3-2 光时域观察仪结果（一）

图3-2为调制信号还没有经过单模光纤（SMF）的时域波形。

图3-3 光谱分析仪结果（一）

图3-3为调制信号还没有经过SMF传输的光谱图。

图3-4 光时域观察仪结果（二）

图3-4为调制信号经SMF传输后的情形，可以清楚的看到，由于SMF的色散，导致信号的脉冲展宽。

图3-5 光谱分析仪结果（二）

图3-5为调制信号经SMF传输后的光谱图。

图3-6 光时域观察仪结果（三）

图3-6为调制信号经过负色散补偿光纤后还原的波形。

图3-7 光谱分析仪结果（三）

图3-7为调制信号经过负色散补偿系后的光谱。通过光谱分析仪可以发现，信号的光谱没有发生多少变化，这说明光纤色散对信号频率的影响很小，可以忽略不计。而通过时域观察仪可以发现，色散会使信号产生明显的脉冲展宽，而通过负色散光纤（负色散系数D=-90ps/nm/km）的补偿，信号能还原为原来的信号。通过图3.6可以看出经过补偿的信号看起来比原信号超前，而实际上信号在传输中会产生延迟，这种超前对信号的传输没有坏的影响，反而会保证信号传输的效率。通过大量实验证明：负色散光纤的长度为SMF的20%能最好的实现色散补偿，最大限度的还原出原信号。

3.2 光纤光栅色散（FBG）补偿仿真

3.2.1 系统仿真结构

图3-8 光纤光栅色散补偿系统仿真结构

图3-8为光纤光栅色散补偿（FBG）系统仿真结构，本实验同样以随机序列发生器作为信号源，通过马赫曾德调制器调制后进入光纤传输系统。信号先经过SMF再通过理想掺铒光纤放大器进入色散补偿光栅光纤，这个补偿线路由一个闭环控制器控制。输出的信号通过一个探测器针再与贝塞尔低通滤波器相连，然后将输出的信号发送到分析仪器进行分析。实验通过将原信号，调制后的信号和色散补偿后的信号进行比较，通过它们的仿真图研究其中产生何种变化，同时将得出最佳仿真的效果值。

3. 2.2 仿真结果分析

图3-9 调制信号的总功率

图3-10 调制信号的噪声功率

图3-11 调制信号功率

图3-12 抽样信号功率

图3-9到3-12为信号调制后的通过光功率观察仪观察到的各种功率大小。

图3-13 抽样信号光谱图

图3-14 噪声信号光谱图

图3-15 调制信号经过光栅补偿后的光谱图

图3-13到3-15为调制信号经光栅补偿后的各种光谱图。

图3-16 FBG调试示意图

图3-16为光栅补偿模块的参数设置界面。通过修改参数进行系统仿真实验以达到最佳补偿效果，从而得出优化值。

图3-17 信号经光纤光栅色散补偿前后的眼图

图3-17为补偿后的误码率显示图（眼图）。通过多次实验才得出此相对较标准的眼图。

图3-18 抽样信号波形观察结果

图3-19 噪声信号波形观察结果

图3-20 总信号波形观察结果

图3-18到3-20为调制信号经过光栅补偿后的波形，可以从中发现噪声信号基本被屏蔽掉了，因此我们得出光栅补偿能较好的防止噪声信号的干扰同时保证信号不失真（即误码率降低）[18]。

3.3 偏振模色散补偿（PMD）仿真

3.3.1 系统仿真结构

图3-21 偏振模色散补偿仿真结构

图3-21为偏振模色散补偿（PMD）系统仿真结构，本系统仿真结构同样采用经过马赫曾德调制器调制后的信号作为仿真信号源，与FBG补偿仿真结构类似，将其中的FBG模块改成PMD模块，通过修改PMD中的参数值来得出最佳的眼图效果，从而得出最佳参数值。

3.3.2 仿真结果分析

图3-22 调制信号总功率

图3-22为调制信号的总功率，因为采用的是与FBG一样的信号源，所以它们的所有功率参数一样，在这里就只显示出总功率即可，其他功率参数可参考图3-10到3-12。

图3-23 调制信号补偿后的光谱图

图3-23为调制信号PMD后的光谱图，可以清楚的发现噪声信号占用的空间很多，而抽样信号则大为减少。

图3-24 调制信号PMD后的眼图

图3-24为调制信号的误码率显示图（眼图），这是通过多次实验得出的最佳眼图，可以发现其眼图不是很规则，由此可以知道PMD的保真度不是很好。

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