燕山大学本科毕业设计开题报告

燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：基于超结构光纤光栅的多信道色散补偿技术研究学院（系）：燕山大学电气工程学院年级专业：10仪表1班学生姓名：指导教师：完成日期：2014.3.26一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1966.7，英籍、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE 杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。

1970-美国康宁公司三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克用改进型化学相沉积法（MCVD 法）成功研制成传输损耗只有20dB/km的低损耗石英光纤。

1974-美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法――CVD法（汽相沉积法），使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。

1976-美国在亚特兰大的贝尔实验室地下管道开通了世界上第一条光纤通信系统的试验线路。

采用一条拥有144个光纤的光缆以44.736Mbps的速率传输信号，中继距离为10 km。

采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。

1978年K.O.Hill 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。

1996年，各种波长的激光器研制成功,可实现多波长多通道的光纤通信，这就是所谓波分复用(WDM)技术。

在2000年，利用WDM技术，一根光纤传输速率达到640 Gb/s。

各种波长的高速激光器的出现使光纤传输达到太比特/秒量级(1 Tb/s=1000 Gb/s)，这时人们才认识到光纤的发明引发了通信技术的一场革命。

在国内，从20世纪90年代中后期开展光纤光栅的研究工作。

光纤光栅传感器解调技术的研究主要集中于大学和科研院所，而且绝大多数都处于实验室阶段。

以南开大学光纤中心和武汉理工大学光纤研究中心为代表。

1982年，中国第一条实用化的光纤通信线路在武汉建成。

1997年,中国首个采用国际电信联盟ITU-T SDH标准速率为622 Mb/s光纤通信线路在攀枝花建成。

1999年,中国首个WDM多波长光纤通信线路在青岛至济南之间建成，采用8个波长,每波长传输速率2.5 Gb/s。

2005年，3.2 Tb/s光纤通信线路在上海杭州开通,是当时世界上容量最大的商用线路。

中国光纤通信的产业已有一定规模。

中国的光纤产能约8×107km(2011年).，中国光纤通信的市场很大，因为中国广大农村的发展需要，特别是穷困地区尚无通信，而大城市需要发展光纤到户。

通信技术的进步。

近年来，光纤通信技术得到了长足的发展，新技术不断涌现，这大幅提高了通信能力，并使光纤通信的应用范围不断扩大。

而光纤通讯的发展是以光纤为介质的，光纤的质量直接影响信号的传输。

对于现代的玻璃光纤而言，存在最严重的问题并不是信号的衰减，而是色散问题，也就是说信号在光纤内传输一段距离后逐渐扩散重叠，使得接收端很难判别信号的高或低[6-8]。

相对于现代的玻璃光纤的诸多不足，光纤光栅最有许多优势，而超结构光纤光栅除具有一般光纤光栅的优点之外，它还具有多个信道的反射和时延特性，极好的波长选择性，在它的反射谱图中可得到精细的阻带通带相间排列的谱特性，且它有多个周期的反射峰，它的反射谱响应还具有通道多、通道间隔稳定、通带窄的独特特性，在现代大容量高速率波分复用光纤通信网中有着广阔的应用前景。

超结构光纤光栅一直是人们研究的热点，特别更具有优势，幅度超结构光栅在频域包络上能够实现为sinc函数的形式，其频谱的第一级零点限制了能够利用的信道数目。

扩大信道数目的办法就是超结构光纤光栅，近来更是引起人们的重视。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题（一）本论文主要研究的内容1、光纤通讯的现状和发展2、色散补偿原理和色散补偿技术3、光纤光栅的基本理论4、均匀超结构光栅，变迹超结构光栅和啁啾超结构光栅的光谱特性分析5、对基于超结构光栅的色散补偿技术进行研究（二）需要解决的关键性问题1、掌握超结构光栅的各类分析方法，重点掌握利用传输矩阵法对超结构光栅的研究2、采用定变量方法对超结构光栅的长度﹑折射率调制量、采样率进行分析，观察取样周期﹑变迹和啁啾系数等参数对超结构光栅反射谱的影响规律3、研究超结构光栅的反射谱特性4、研究中要使用到OptiGrating仿真软件，要学会熟练使用5、完成相应的参数设置三、研究步骤、方法及措施(一)、研究步骤1、掌握光纤通信的相关信息，色散补偿基本原理及相关技2、掌握超结构光栅的反射普特性，学会用传输矩阵法进行分析3、使用OptiGrating 仿真软件，进行相关参数的设置4、总结规律，得出相关结论（二）、方法及措施（1）了解色散补偿、光纤光栅基本原理色散补偿的其基本原理，是在通信系统中插入具有负色散系数的装置，平衡掉系统中积累的色散，或者用脉冲压缩工具将被展宽的脉冲压窄。

超结构光栅是对均匀光纤布拉格光栅按照一定的规律在空间上进行采样，其结构分布图如图所示。

Uniform grating图（1）超结构光栅结构分布图取样函数式周期为A L ，采样率为A B L L R =的矩形函数，B L 为取样长度。

简便起见，本文以下讨论的均假设整个光栅为理想均匀曝光光栅，也就是整个光栅内各个周期单元具有全同特性。

（2）学会传输矩阵分析方法。

光纤光栅是由空间变化的紫外光照射光纤形成的。

假设形成光栅的结果仅仅是对研究的光纤导模有效折射率eff n δ的一种微扰，于是有⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=)z (z 2cos 1n )z (n eff eff φΛπνδδ （1） 其中，eff n δ：光栅周期内空间平均的折射率变化，v ：折射率变化的条纹可见度，Λ：平均光栅周期，)(z φ描述光栅的啁啾。

依照耦合理论，光栅折射率分布的空间特性决定了光栅的光谱响应。

经过矩形函数采样的光栅区折射率分布可表示为⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∑∞≠-∞=1)z (z 2cos )L m 2cos()L L m sin(m2L L 2n )z (n 0m m A A B A B eff eff φΛππππδδ （2） 对超结构光纤光栅，模式耦合发生在传输方向相反的模式之间。

设+A 和-A 分别表示为前向、后向传输模的复振幅，利用耦合模理论及边界条件1)0(=+A ，0)(=-L A ，我们可以得到均匀超结构光纤光栅的输入和输出关系为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+)()()0()0(L A L A F A A （3） 式中F 为二维传输矩阵，⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--+=)sinh()cosh()sinh()sinh()sinh()cosh(z r r i z r z r r k i z r r ikr z r r i z r F B B B B B B B B B B B i δδ （4） 其中eff B n z k νδλπ=)( ， dz d 21)11(n 2dz d 21)z (B eff 0φλλπφΛπβδ--=--= ， 22δ-=k r B ， 02Λ=eff B n λ为布拉格中心波长，0Λ为光栅中心周期。

对于超结构光纤光栅，就相当于整个光栅看成是在多个等长度均匀布拉格光栅间引入多个非曝光区，光栅所分段数由实际光栅长度及采样率决定。

非曝光区的矩阵元形式可以表示为⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=)2/exp(00)2/exp('i i i i i F φφ （5） 式中λπφ/22/0z n eff i ∆=，其中B A L L z -=∆0为两光栅间的非曝光区的长度。

最终的输入输出关系⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+-+-+out out out out in in A A F F F F A A F A A 22211211 （6）式中'1'21M M i F F F F F F -⋅⋅⋅⋅⋅⋅=为最终变换矩阵，其中i 为奇数则代表均匀矩阵元i F ，i 为偶数则代表非曝光区矩阵元'i F 。

同样利用边界条件0=-outA ，可得功率反射系数211212//F F A A R in in ==+- （7） 其中11F 、21F 分别为最终变换矩阵中第一列的元素。

（3）仿真软件定为OptiGrating ，要学会使用软件。

主要的操作是调试相关参数，总结规律，最终得出相应的结论。

（4） 完成相应的绘图工作。

四、研究工作进度1-4周：查阅相关文献，阅读资料；5-8周：进行理论研究，分章节讨论；9-12周：对相关的资料进行总结，进行仿真实验；13-16周：组织与课题相关的材料，撰写论文；17-18周：修改论文，参加答辩。

五、主要参考文献[1] 谢枫锋,余震虹,陈浩,孙亮. 变迹对啁啾光纤光栅色散补偿性能的影响.2013,30(4):1763-1766[2] 杨林,段开椋,罗时荣等. 折射率调制深度误差对切趾啁啾光纤光栅特性的影响[J].强激光与粒子束,2011,23(2):308-312.[3] 顾铮先,蒋秀丽. 薄包层啁啾长周期光纤光栅的色散补偿[J].光学学报,2009,29(4):879-883.[4] 王锐,张国平,陈伟. 色散补偿技术的最新进展. 光通信研究. 2008,（6）：26-29[5] 朱丹丹,田秀仙,李志全. 取样光栅各参量变化对反射谱影响规律的研究. 光学与光电技术. 2007, 5(5):61-64[6] 郑吉林,王荣,李玉权等. 基于重构等效啁啾取样光栅的可调谐微波光子滤波器的仿真研究. 中国激光, 2008, 35(s2):250-253[7] 黄俊,黄德修,李宏. 通信系统中色散补偿光纤的研究[J].光学于光电技术.2005,3(4):12-28[8] 王铁军,黄德修.色散补偿技术的最新进展.中国科技核心刊. 2004(6):56-59[9] 王亢,余俊,俞凌云. 啁啾光纤光栅的色散补偿研究. 浙江工业大学学报. 2008, 36(1):77-79[10] 李建新,陈雪,黄永清, 任晓敏. 利用均匀光纤光栅进行色散补偿. 光通信技术. 2000, 24(2):131-134[11] 游澜, 余重秀. 取样光纤光栅的光谱特性分析.中央民族大学学报. 2005, 14(1):20-25[12] 蒋超,张沛,张永军. 基于YEV4 不相关的共享通路保护算法0W16.光通信技术. 2007,31(7):4-6[13] 张银英,王德翔,戴恩光,张肇仪,徐安士,吴德明. 基于非线性啁啾光纤光栅实现的色散可调谐. 2002, 31(12):1056-1058[14] 贾宝华, 盛秋琴, 陈凯, 韩军, 董孝义. 光纤光栅在色散补偿系统中的应用. 光电子技术. 2003, 23(1):57-64[15] 金晓峰,张仲先.非均匀光纤光栅响应特性的研究.光学学报.1999,19(6):721-727[16] 朱松林. 章献民等.用统一耦合模理论分析含布拉格光栅的对称光纤耦合器的传输特性. 光学学报.2001,21(8):990-995[17] Yuzhe Yin, Xiangfei Chen, Lin Zhu, Kun Xu, Zongqiang Lin, Xuhui Li, Shizhong Xie. Analytical expression and system simulation of eye opening penalty for chirped sampled Bragg grating dispersion compensator. Optics Communications. 2002,20(3):93-99[18] Takayoshi Mori, Taiji Sakamoto, Takashi Yamamoto, Shigeru Tomita. Modal dispersion compensation by using digital coherent receiver with adaptive equalization in multi-mode fiber transmission. Optical Fiber Technology. 2013, (19):132-138[19] ERDOGAN T. Fiber grating spectra[J].J Lightwave Technol, 1997,15(8):1277-1294.[20] C.H.Wang,L.R.Chen,P.W.E.Smith.Analysis of chirped-sampled and sampled-chirped fiber Bragg gratings.Applied Optics,2002,41(9):1654-1660.[21] R.M.Atkins, V.Mizrahl,T.Erodogan.248nm induced vacuum UV spectral changes in optical fiber perform cores:support for a color center model of photosensitivity Electron.Lett.,1993,29(4):385-387.[22] M.Douay,W.X.Xie,T.Taunay,et al.Densification involved in the UV-Based photosensitivity of silica glasses and optical fiber.J.of Lightwave Technol.,1997,15(8):1329-1342六、指导教师意见……………………………………………………………………………………………指导教师签字：年月日七、系级教学单位审核意见：审查结果：□ 通过□ 完善后通过□ 未通过负责人签字：年月日。