毕业设计(论文)
光纤通信系统的仿真分析
电子科技大学中山学院教务处制发
光纤通信系统的仿真分析
摘 要
光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。
光纤通信系统的计算机仿真，是对此类系统进行规划设计、可行性论证以及研制新型系统的重要手段，可用于对已设计的光纤传输系统在硬件实现之前进行性能评估和可行性论证，可节约大量时间和经费; 同时在分析中可随时改动参数值，便于理论研究。
本文对光纤通信系统的仿真进行了深入的探讨，首先介绍了光纤通信系统的特点及构成，接着对光纤通信系统仿真软件Optisystem的简单介绍并对传输速率为10Gb/s的光纤通信系统进行仿真设计和分析，详细介绍了仿真的流程和分析后的结果并作出总结。
关键词：光纤通信系统；Optisystem；仿真
I
Simulation Analysis of Optical Fiber
Communication System
Abstract
Optical fiber communication system used optical wave as carrier，and very fine optical fiber made of high purity glass as transmission medium. It can transmit information through photoelectric conversion.
Optical fiber communication systems computer simulation is of such systems planning and design，feasibility study and development of new types of systems important means can be used to have been designed optical transmission systems in hardware prior to the performance evaluation and feasibility study，Can save a lot of time and funding，while in the analysis parameters can be changed at any time，for theoretical research.
The paper discusses in depth the simulation of optical fiber communication system，firstly the characteristics and structure of Optical fiber communication system was introduced, then the simulation software (Optisystem) was simply presented, and an optical fiber communication system with transfer rate of 10 Gb/s was simulated and designed, the process and result of simulation was detailed and the summary was made.
Keywords: Optical fiber communication system; Optisystem; simulation
II
目 录
1 绪论 ............................................................................................................................................. 1 1.1 光纤通信概述 ...................................................................................................................... 1 1.1.1 光纤通信的优点 ............................................................................................................ 1 1.1.2 光纤通信的缺点 ............................................................................................................ 2 1.1.3 光纤通信的应用 ............................................................................................................ 3 1.2 系统仿真原理 ...................................................................................................................... 3 2 光纤通信系统及其构成 ............................................................................................................. 5 2.1 光发送机 .............................................................................................................................. 5 2.2 光纤线路 .............................................................................................................................. 5 2.3 光接收机 .............................................................................................................................. 6 2.4 光中继器 .............................................................................................................................. 6 3 光纤通信系统仿真软件 ............................................................................................................. 7 4 数字模型建立与性能仿真分析 ................................................................................................. 8 4.1 发射系统模型的建立 .......................................................................................................... 8
4.1.1 数字模型建立 ................................................................................................................ 8 4.1.2 光源与系统性能关系的仿真分析 ................................................................................ 8 4.2 传输系统模型的建立 ........................................................................................................ 10 4.2.1 数字模型建立 .............................................................................................................. 10 4.2.2 传输速率与光纤传输系统特性的关系 ...................................................................... 11 4.2.3 光纤信道参数与光纤传输系统特性的关系 .............................................................. 13 4.2.4 光放大器对系统性能的影响 ...................................................................................... 17 4.3 接收系统模型的建立 ........................................................................................................ 19 4.3.1 数字模型建立 .............................................................................................................. 19 4.3.2 光电检测器与系统性能关系的仿真分析 .................................................................. 20 4.4 波分复用系统仿真分析 .................................................................................................... 22 5 光纤通信系统仿真实验 ........................................................................................................... 25 5.1 10Gb/s光纤通信系统模型的建立 ..................................................................................... 25 5.2 仿真结果分析 .................................................................................................................... 26 5.3 光纤通信技术的发展现状及趋势 .................................................................................... 28 5.3.1 光纤通信技术的现状 .................................................................................................. 28 6 结论 ........................................................................................................................................... 29 致 谢 ........................................................................................................................................... 30
III
参考文献 ....................................................................................................................................... 31
IV
1 绪论
1.1 光纤通信概述
通信是指两个或多个实体之间交换信息的过程，而通信系统是该过程的具体实现。一个世纪的通信系统包括信息的采集、格式变换、传输和交换的过程所涉及的所有实体。光通信是指利用某种特定波长频率的光波信号承载信息，并将此光信号通过光纤或者大气信道传送到对方，然后在还原出原始信息的过程。广义上的光通信包括光纤通信和大气光通信两大类，目前在通信领域内主要采用的是光纤通信方式。
1977年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个光纤通信的现场实验，系统采用GaAlAs（镓铝砷）半导体激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.736Mbit/s，传输110km。使光纤通信向实用化迈出了一步。
光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中，起着举足轻重的作用，本章将概述国内外光纤通信技术的历史，现状和前景。光纤即光导纤维的简称。光纤通信是以光为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低，频带宽，无电磁感应等传输特点。因此，人们希望将光纤作为灵活性强，经济的优质传输介质，广泛地应用于数字传输方式和图像通信方式中，这种通信方式在今后非话业务的发展中是不可缺少的。
由于光纤通信具有一系列优异的特点，因此，光纤通信技术近几年来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。可以说，这种新兴技术，是世界新技术革命的重要标志。又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。光纤与以往的铜导线相比，有本质的区别，因此，在传输理论，制造技术，连接方法，测试方法等方面，基本上都不能采用铜质电缆的理论与方法。
1.1.1 光纤通信的优点
（1）容许频带宽，传输容量大
光是频率极高的电磁波，传输中可以获得极高的信号频谱。在光纤中传输的激光属于近红外线的范围，波长在0.75m到2.5m，其中仅仅十分之一作为传输所用的频带，就可传送约1010路的电话。所以光纤在单位面积上有着很大的信号传输能力，也就是说光纤传输在单位面积上的信息密度很高，传输容量很大。
（2）传输损耗小，中继距离长
目前单模光纤在1310nm波长窗口衰减系数约为0.35dB/km，1550nm窗口衰减系数约为0.2dB/km，而且在相当宽的频带内特性几乎一致，因此用光纤比用同轴电缆或波导管的终极距离长得多。工作波长为1550nm的色散位移单模光纤通信系统，
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若传输速率为2.5Gbit/s则中继距离可达150km；若传输速率为102.5Gbit/s，则中继距离可达100km；若采用光纤放大器和色散补偿光纤等，中继距离还可增加。
（3）泄露小，保密性好
由于光纤传输的特殊机理，在光线中传输的光向外泄露的能量很微弱，难以被截取或窃听。因此与其他无线、有线通信方式相比有很好的保密性，信息在光纤中传输非常安全，单根光缆内部署多根光纤也不会引入串扰。
（4）节省了大量的有色金属
制造普通的电缆会消耗大量的铅、铜等有色金属。以同轴电缆为例，1km的四管中同轴电缆大约需要460kg的铜，但制造1km的光纤，则仅仅需要几十克的石英。而制造光纤的石英（是要成为为SiO2）原料便宜而又丰富，基本上属于取之不竭。
（5）抗电磁干扰的性能好
光纤主要是由石英材料制成，它不易受外界各种电磁场干扰。强电或者雷击等对光纤的传输性能影响也不大。甚至是在核辐射等极端环境中，光纤通信仍然能正常进行，这是普通电缆通信所不能做到的。因此，光纤通信在电力输配、雷击多发地区、核试验、电气化铁路等恶劣环境中应用更能体现它的优越性。
（6）重量轻，可挠性好，敷设方便
在传输相同的信息量时，光缆的重量通常比其他通信电缆的重量要轻很多。因为每根光纤的直径都很小，所以制成光缆后可充分利用地下管道。有些二次套塑制材料的光纤，即使以几厘米的曲率半径将它弯曲也不会折断，在施工时可以采用与其他电缆类似的敷设技术来进行敷设，通信设备的重量通常很轻而且体积也很小，对军事和航空航天等在特殊应用环境下使用具有非常重要的意义。
1.1.2 光纤通信的缺点
（1）抗拉强度低
光纤的理论抗拉强度大于钢的抗拉强度。但是，由于光纤在生产过程中表面存在获产生微裂痕，光纤受拉时应力全部加于此，从而使光纤的实际抗拉强度非常低，这就是裸光纤很容易折断的原因。
（2）光纤连接困难
要使光纤的连接损耗小，两根光纤的纤芯比喻严格对准。由于光纤的纤芯很细，加之石英的熔点很高，因此连接很困难，余姚有昂贵的专用工具。
（3）光线怕水
水进入光缆中会使得信道损耗增大，甚至使通信中断；会造成光缆中的金属构件氧化，使金属构件腐蚀，导致光缆强度降低。
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1.1.3 光纤通信的应用
光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视与计算机网，以及其他数据传输系统中都得到了广泛的应用。光纤通信单位应用概括如下：
（1） 通信网，主要用于遍及全球的电信网和Internet中作语音、数据通信。包括全
球通信网（国家和国家间的光缆干线）、各国的公共电信网（如我过的国家一级干线、省级干线及县以下的支线和市话中继通信系统）、专用网（如电力、铁路、国防通信等的光缆系统）和特殊的通信网络（如石油、化工、煤矿等易燃易爆环境下使用的光缆通信系统）。
（2） 计算机网络，如局域网、存储局域网（SAN）等网络中的交换机、路由器和
服务器等之间的高速传输链路。
（3） 有线电视网，如有线电视的干线和分配网、工业电视系统的监控和自动控制
系统的数据传输等。
（4） 综合业务的光纤接入网，可实现电话、数据、视频及媒体业务的接入网络。
1.2 系统仿真原理
系统仿真是20世纪40年代末至今一直伴随着计算机技术发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（Optisystem）就是通过软件建立实际系统模型并且利用这些模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、且实际系统实验难以实现的少数领域，后来逐步发展到石油、电力、冶金、化工、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到经济系统、社会系统、交通运输系统以及生态系统等一些非工程系统领域。可以说，现代仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统的重要手段。其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。
仿真分为系统仿真和电路仿真。系统仿真是利用数字公式或者传输函数来模拟器件的外部特性。电路仿真就是用电阻、电感、电容等常用元器件组成等效电路模型来模拟原器件的一些特性。系统仿真实质上就是对其真实系统的一种模仿。这种模仿是对系统某一层次抽象属性的模拟。我们通常将这种过程称为建模。人们利用所建立的模型进行一些相关的试验，从中获得我们所想要的信息，然后对其进行深入的认识、分析以及理解其在真实系统中该层次的相关规律，从而进行深入判断、决策和对其处理。人们不仅只针对模型分析还可以将其投入到实际的系统中，对直接参与实验的对象之间进行相关分析。
系统仿真技术已广泛地应用于各个领域的研究、设计、训练和开发。在国际上一致认为它是 \"迄今为止最有效、最经济的综合集成方法 \"，是 \"推动科技进步的战略技术 \"。随着计算机技术和仿真技术的发展，计算机所控制的空间将是所有互
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连的远程通信网的总和。在未来或许人们只要用一根电缆插入与大脑固定连接的插座，将计算机与大脑连接起来就能进入计算机空间，领略各种美妙的奇景，就可以周游列国或入地心游览。计算机空间能为不同文化、国家和民族的人们提供相互交流思想的平台和为汇集他们的集体智慧提供无穷的机遇。
本论文中在对光纤通信系统理论分析的基础上，利用Optisystem仿真软件，建立了高速大容量光纤系统的仿真模型，目的是验证光纤通信系统中各个器件的某些参数与高速光纤通信系统特性的关系。具体包括光源器件中激光器调制频率和偏置电流与系统特性的关系；光纤的损耗和色散以及光放大器对系统特性的影响；接收机的光电检测器与系统性能的关系；并对波分复用以传输速率为10Gb/s的光纤通信系统进行仿真分析。在建模中通过对系统的改进以及对各项参数的调试，得到传输速率为10Gb/s，传输距离为40km，误码率在109以下的光纤通信系统仿真模型，及一组比较优化的系统参数。
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2 光纤通信系统及其构成
光纤通信系统由光发送机、光纤线路、光中继器、光接收机组成其连接如图2-1所示；
图2-1 光纤通信体统的组成框图
2.1 光发送机
光发送机由光源、驱动器和调制器组成，其中发送机的核心是光源。光发送机的作用是将输入的电信号转换成光信号并且最大限度地注入光纤线路。对核心光源的要求是输出功率够大，调制速率高，输出的光功率和光波的长度要相对稳定，器件寿命需长等。普通的激光器谱线宽度较宽，是多纵模激光器，在高速率调制下，激光器输出频谱较宽，从而限制了传输的码速和中继距离。目前最使用广泛的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。在通信网络中大量应用的是分布反馈激光器（DFB-LD）和多量子阱激光器（MQW-LD）等高性能单纵模激光器。
光发送机把电信号转换成光信号的过程是通过电信号对光源进行调制而实现的。光调制一般分为直接调制、外调制两种。直接调制又称内调制指直接用电信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率等），从而得到光频的调频波或调幅波；外调制是让光源输出的频率与幅度等一定的光载波在通过光调制器后，实现对光载波的频率、幅度及相位等的调制，外调制方式需要调制器，结构复杂，但容易获得好的的调制性能，尤其是适合于高速率下的运用。
2.2 光纤线路
光纤线路由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。是光信号的传输媒介。把来自发送机的光信号以尽可能小的衰减和脉冲展宽传送到接收机。对光纤的要求是基本传输参数、衰减和色散要尽可能小，光纤要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞合在一起组成的光缆。按照传输模式一般分为单模光纤和
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多模光纤。由于单模光纤的传输性能比多模光纤优越得多，因此目前包括骨干网络、城域网络和接入网络中都普遍采用单模光纤。
目前常用的光纤主要是石英光纤，其损耗和波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长在850nm、1310nm、1550nm。为此光纤通信系统的工作波长时只能是选择在这三个波长区。激光器的发射波长、光检测器的相应波长都与其一致。SiO2单模光纤在这三个低损耗波长区的衰减系数典型值分别小于2dB/km、0.4dB/km和0.25dB/km。石英光纤在=1310nm附近有一个零色散区，此处色散值可能做到最小。通过光纤的设计，可以使零色散波长移到1550nm处，即在=1550nm处实现损耗和色散都最小的色散位移光纤。
2.3 光接收机
光检测器、放大器、相关电路组成了光接收机。它的主要功能是将由发送机发送的光信号转换为电信号，经放大、再生恢复后变为原来的电信号。对光检测器的主要是响应度要高、噪声要低、响应速度要快。目前我国广泛使用的光检测器有雪崩光电二极管（APD）和光电二极管（PIN）。
光接收机通过光检测器把光信号转换为电信号。直接检测、外差检测是光检测器常用的两种检测方法。直接检测是通过光检测器直接将光信号转换成电信号。外差检测则是在接收机中设置了两个元器件：本地振荡器和混频器，将本地震荡光和光纤输出的光进行混频，产生了差拍从而输出中频信号，再通过光检测器把中频信号转换为电信号。这种外差检测的方式，对本地激光器的要求很高，它要求光源非常稳定、谱线宽度非常窄、相位和偏振的方向要可以控制的单模激光器，虽然要求很高但有一个显著的有点就是接收的灵敏度非常高。目前光纤通信系统中常用的是直接检测方式。外差检测的方式虽然技术复杂，但也有这很多有点例如：传输速率高、接收灵敏度高，所以在通信方式中会很有前景。
2.4 光中继器
目前光纤通信系统大多采用光中继器，它采用光电光的形式，将光信号先变换为电信号，再将恢复后的电信号再变为光信号，而不是直接放大，因此光中继结构较为复杂，价格昂贵。随着光放大器的开发、成熟、使用，可进行光的直接放大，实现全光通信。
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3 光纤通信系统仿真软件
光通讯系统正在变得日益复杂。先进的软件工具使得这些系统的设计和分析变得迅速而有效。本文我们将用到OptiSystem软件对其系统进行仿真分析。
OptiSystem是一款光通信系统模拟软件包，它的优势是设计、测试和优化各种宽带光网络物理层的虚拟光连接等，无论是长距离的通信系统还是局域网或城域网都可以使用此软件。全面的图形用户界面设计、形象的器件模型和真实的演示。包括波长实际的相关参数和优化的巨大的有源器件库和无源器件库，方便使用者研究特定的器件参数、技术参数对系统性能的影响。
Optisystem光仿真软件的优点： a) 大幅度降低投资风险；
b) 原型设计不仅快速而且低成本； c) 全面认识系统的性能；
d) 直观的面向用户的设计选择和脚本； e) 直接存取大规模的系统特征数据；
Optisystem光仿真软件各器件的功能运用如下：
发射器件库包含了如半导体激光器、编码器、调制器和比特序列发生器等的所有与光信号产生和编码有关的器件。使用OptiSystem仿真软件允许用户输入曾经测量出来的数据来评估现在所需的参数。对于随即数字的发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同调制的模式下和算法之间进行相关选择。
传输通道主要是以光纤为主。对于任意WDM信号，OptiSystem仿真软件采用了一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号振幅和相位受影响的相关现象和效果。在很大程度上，可以真实的预测波形的失真和眼图的退化等其它关键要素。
目前光纤网络所需的器件有EDFA和拉曼放大器，无论是WDM的网络转发器还是到CATV的接线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem可以让用户选择想要的模型。在通过利用具有多功能特性的半导体激光器，来完成信号的放大和波长转换。
用户可以依据光探测器的输入端的混合信号来选择不同的模型。如果是噪声与信号混在一起的话，使用适当的PFD来描述是必要的，这样可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率等相关的参数。在这个库中，用户可以考虑用不同的滤波器形式来设计接收器。
总之，OptiSystem光纤系统仿真软件非常适合对光纤通信系统进行仿真，并且可以很好地实现对其系统参数的测试。在该系统发展迅速的当前，对其进行仿真是减少经费开支和试验时间最好的途径。
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4 数字模型建立与性能仿真分析
4.1 发射系统模型的建立
4.1.1 数字模型建立
光发射机的作用是把输入的电信号转换成光信号并且将光信号最大限度地注入光纤线路。光源、调制器和驱动器组成了光发射机，发送机的核心是光源。其功能是将来自电端机的电信号与光源发出的光波进行调制，然后再将已经调制好的的光信号放入光纤或光缆中去传输。
光源模型的建立。光纤通信系统中常用的光源是 发光二极管( LED)和半导体激光器( LD)，其中LD的特性有伏安特性V- I 曲线、发射光功率与注入电流的关系( PI) 曲线等。考虑到一般使用外调制系统，激光器的模型应该采用相对简单的方式建模，考虑到激光器的平均功率和线宽，数学模型通常描述为：
A(t) =P（t）exp[J(t)] （1） 驱动电路模型的建立。LD驱动电路常用RC低通滤波器来代替，等效时间常数用= RC 表征。
调制器模型的建立。高性能的光纤通信系统要求对直流激光源发出的激光施行外调制。外调制器的数学模型通常描述为：
Pout= Pin (t)•d(t) = Pin (t) cos2 [(t)] （2） 其中，d(t)表示激光器的功率传输函数，(t)表示由调制信号引起的相位变化。
4.1.2 光源与系统性能关系的仿真分析
在高速光纤传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时，调制频率必须小于激光场的张驰振荡频率。张驰振荡频率由载流子寿命与光子的寿命决定。理论上，若假设光的增益与载流子的浓度成线性相关，则张驰振荡频率约为：
fres11212spphII12 式(4-2)
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图4-1 光纤通信系统仿真模型
对于腔长为300μm的激光器，载流子寿命3.56GHz。
ph约为1nm，光子寿命
ph的大小在
2ps的量级上，当注入电流大约为阈值电流两倍的时候，调制频率的最大值约为
因此，在图4-1所示的仿真模型中调制峰值电流I=76mA，偏置电流IB=76mA。仿真系统的数字参数为：序列长度为128b，每比特的抽样数为512，取信息速率分别为1Gb/s和10Gb/s，其他参数相同，运行如图4-1所示的仿真系统，得到眼图及误码率如图4-2所示。
图4-2 a)信息速率分别为1Gb/s
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图4-2 b)信息速率分别为10Gb/s
图4-2 系统性能与调制频率的关系（偏置电流IB=76mA）
图4-3 偏置电流IB=25mA低于阈值电流时的眼图
从图4-3可以得出，当调制频率大于激光场的张驰振荡频率时将导致不可接收的系统性能变坏。图4-3为信息速率为10Gb/s系统其他参数不改变，偏置电流为
IB=25mA时系统的性能。比较在图4-2中的(a)和图4-3的两个眼图中，我们不难看出，在其他参数相同的情况下，光偏置电流低于阈值电流时，系统的性能则会降低，这与相关的理论分析是一致的。
4.2 传输系统模型的建立
4.2.1 数字模型建立
光纤模块。光在光纤中传输表现出损耗、色散和非线性特性，使光脉冲在传输过程中发生了畸变，降低了系统的性能。考虑到光纤的衰减特性，得频域传输函数：
H10-aL10exp-22/2
(3)
放大器模块。光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的器件。其中掺饵光纤放大器( EDFA) 是当前光纤通信中应用最广的光放大器件。利用黑盒模型可建立EDFA 的放大特性的模型，根据实际测试的几组数据建模，不需要了解EDFA 内部参数和内部实际结构。用来描述EDFA 饱和增益及噪声系数的两组公式如下：
log10 (
g0-g) = a•log10Pin a•log10Ps (4) ggln( N- No ) = a+ b(g0- g) (5)
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式(4)中，g0和g分别表示输入信号功率为Pin时的小信号增益和饱和增益，其中Ps 和是两个待定的参数；式(2)中N0和N分别是对应于小信号增益g0和饱和增益g的噪声因子，a和b是两个待定的参数，其中g0和g的单位都是dB。式(4)和式(5)中各有两个待定参数，理论上只需要取测量数据中的任意两点就可以得到其中的参数。可取任意多点测量数据，得到一个超定方程组，求解出待定参数，然后通过一致逼近计算出不同输入信号功率时放大器的增益和噪声系数。
4.2.2 传输速率与光纤传输系统特性的关系
一般说来，传输速率越低光纤通信系统的性能就越好。但在某些情况下，例如：在速率非常低时，系统的误码率并不会降低而会上升。这是由于在限定误码率的条件下，决定光接收机灵敏度的主要因素是传输速率和光检测器、前置放大器的特性。传输间隙会使光检测器的识别码元的性能降低，继而使误码率上升，而且这会使系统的有效性降低。
以传输速率为10Kb/s、1Gb/s和10Gb/s光纤系统为例。图4-4为系统模型。其中系统包括用户自定义比特序列发生器(User Defined Bit Sequence Generator)、直接调制激光器(Directly Modulated Laser Measured)、非归零脉冲发生器(NRZ Pulse Generator)、光纤信道(Optical Fiber)、光检测器APD(Photodetector APD)、掺铒光纤放大器(EDFA)、低通滤波器(Low Psaa Gaussian Filter)。还有眼图观察仪，光脉冲观察仪误码率观察仪和误码率观察仪。
仿真系统的参数为：序列长度为128b，每比特的抽样数为64，取信息速率为1Gb/s。发射机调制速率为193.1THz，幅宽为10MHz ，消光比为10dB。比特序列发生器的比特序列为010110111011110。放大器的掺铒光纤长度为10m，波长为1550nm的损耗系数为0.1dB/m。光检测器的响应度为1A/W。
图4.4 光纤通信系统仿真模型
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当系统传输速率为1Gb/s时，它的系统参数、误码率和眼图如图4-5示：
图4-5 a)传输速率为1Gb/s时的系统参数
图4-5 b)传输速率为1Gb/s时系统Q值 图4-5 c)传输速率为1Gb/s时系统眼图
将系统传输速率Bit rate改为10Gb/s时，则等到如图4-6示的系统误码率和眼图：
图4-6 a)传输速率为10Gb/s时系统Q值 图4-6 b)传输速率为10Gb/s时系统眼图
将系统传输速率Bit rate改为1Kb/s时，则得到如图4-7示的系统误码率和眼图：
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图4-7 a)传输速率为10Kb/s时系统Q值 图4-7 b)传输速率为10Kb/s时系统眼图
根据仿真实验，从图4-5、4-6、4-7可以看出，当传输速率逐渐增大时，系统眼图所显示信号的电压变小，失真程度变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。
4.2.3 光纤信道参数与光纤传输系统特性的关系
光纤的损耗和色散随着信号在光纤中传输距离的增加而增加，在图4-4所示的光纤通信系统中，在其他参数相同的情况下，将传输速率设定为10Gb/s改变图4-8中长度参数Length为50m、50km。如图4-9所示，观察所输出的眼图及Q值。
图4-8 光纤信道参数
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图4-9 a)光纤长度为50m时的系统眼图及Q值
图4-9 b)光纤长度为50km时的系统眼图及Q值
由图4-9所示，当光纤长度增大时，眼图的信号电压随之减小，这对光纤通信系统有着很大的影响；在光纤长度增加时，眼图对定时误差的灵敏度逐渐变低，幅度畸变变大。归结到底，是由于光纤的损耗和色散特性。若光纤不存在此特性，则其长度并不能对系统性能造成任何影响。
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能的小，而且有足够好的机械特性和环境特性。随着光纤通信的发展，网络容量也在不断扩大，当前，光纤的损耗和色散是影响光纤通信向高速大容量发展的两个主要因素，因此损耗和色散成为光纤通道设计中的两个重要因素。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。
光纤损耗用损耗系数
来表示，光信号在光纤中传播时，起光功率P随着传
输距离的增加按指数形式衰减，即-1dP (4-5) PdZin，则在光纤中传输异端距离L后，光纤的输出功率为 设输入功率为PPoutPinexpL (4-6)
由此可得出衰减系数-1Pout(其中单位为1dB/km) (4-7) lnLPin在光纤长度一定的情况下，图4-4 所示的光纤通信系统中，设定光纤速率为10Gb/s、长度为50km，将如图4-8的光纤信道参数中的Attenuation改变，光纤损耗系数对系统性能的影响如图4-10示。
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图4-10 a)光纤损耗系数为0.2dB/km
图4-10 b)光纤损耗系数为0.8dB/km
图4-10 c)光纤损耗系数为2dB/km
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图4-10 改变光纤损耗系数系统性能眼图及Q值
由上图示随损耗系数的增加，系统眼图信号电压变小，失真程度变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。由此可知在光纤类型一定，波长一定的情况下，系统性能随参数的增加而变差。但光纤损耗系数是对于选定的光纤来说是固定的，它只是光纤的一个具体参数，耗损只存在于选择光纤类型和传输波长。目前在三个损耗相对较低的窗口，即0.85m、1.31m、1.55m，1.31m处光纤损耗在0.3~0.4dB/km范围内，1.55m处光纤损耗已低于0.2dB/km。
当系统参数同上不变时，当当光纤损耗为0.2dB/km时，改变如图4-11所示的色散系数Dispersion的值，观察光纤色散系数对系统性能的影响，如图4-12示。
图4-11 光纤参数的色散系数
图4-12 a)光纤色散系数为16.75
16
图4-12 b)光纤色散系数为50
图4-12 c)光纤色散系数为100
图4-12 改变光纤色散系数系统性能眼图及Q值
由图4-12示随着色散系数的增加，系统眼图信号电压则会变小，失真程度会变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。与光纤损耗相似，在光纤类型一定，波长一定的情况下，光纤色散系数也是固定的，这是光纤的一个具体参数。它和损耗系数一样都会影响光纤通信的系统性能，对其参数的选择实际是对光纤类型的选择。即选择同时满足这两方面的光纤类型。
4.2.4 光放大器对系统性能的影响
在光纤通信系统中，信号的传输是有一定距离限制的，这是因为光纤存在色散和损耗，而光放大器可以缓解这种弊端。
放大器最主要的参数之一是信号增益G，其定义为：
GPs.out (4-13) Ps.in17
等式中Ps,in和Ps,out放大的光信号输入功率和输出功率。
在光子能量为hv时，辐射强度与穿过发射激光腔的呈指数规律变化，可以得到激活介质中的单程增益为：
Gexpgm-LexpgzL (4-14) 等式中，是激光腔中的光限制因子，gm是材料增益系数，是光路中材料的有效吸收系数，L是放大器长度，g（z）是单位长度上的总增益。由上式可以看出，放大器的增益随着其长度的增加而增加。然而，放大器的内部增益会受到增益饱和的限制。
图4.5示系统中信号在发射机、传输信道和放大器之后的脉冲波形如图4-13示。
图4-13 a) 发射机脉冲波形 图4-13 b) 传输信道的脉冲波形
图4-13 c) 放大器的脉冲波形
从图4-13(b)可以看出信号经过传输信道后，与图(a)相比信号能量衰减了，从图(c)可以得出，放大器的确放大了信号能量，但同时也放大了噪声能量。导致了在光接收机中除了光检测器的热噪声之外，还有三种不同的噪声成分。这是因为光电流中除了信号场和自发辐射场的平方之外，还包括信号和光噪声场之间的许多差拍信
18
号。这些信号会影响光接收机的信噪比，所以要在光检测器之前放置一个光滤波器。
4.3 接收系统模型的建立
4.3.1 数字模型建立
光接收机的作用是把经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转换为电信号， 并处理放大，
恢复为原发射的数字序列。若要对接收机各组成部分进行分析、优化， 则每一部分须分别建模。
光检测器模块。光纤通信中最常用的光电检测器是光电二极管和雪崩二极管(PIN和APD)。APD比PIN有较高的灵敏度，但其倍增噪声较大，需要高偏置电压。对于APD模型，电流i(t)应写成：
ni(t)egll1t (4-15)
式(4-15)中，g l 为在时间t内产生的n个一次电子-空穴对倍增后所产生的二次电子空穴对数( 包括一次电子空穴对在内)，也是一个随机变量。APD的模型按式(1) 产生的随机数序列来模拟。
放大器模块。放大器包括前置放大器和主放大器两部分。前置放大器对接收机的性能起决定性的作用。主放大器主要用来提供高增益， 将前放的输出放大到适合于判决电路所需的电平。求出放大器的脉冲
传递函数，可得到输入、输出序列之间的关系，建立其模型。
均衡器模块。它的作用是补偿对经光纤传输、光电转换和放大后产生的失真的电信号，使输出的信号的波形适合于判决，以消除码间干扰。通常输出波形被均衡成升余弦频谱。对于均衡器优化设计，可按式( 6) 最后均衡成升余弦频谱，来导出均衡器传输函数：
HHcos() (4-16)
Hp()HfHa式中，H()是均衡网络的传递函数、Hcos ()为升余弦频谱函数，Hp ()、Hf ()、Ha ()分别是发送脉冲、光纤、放大器的频谱。
判决电路模块。判决电路由判决器和时钟恢复电路组成，其作用是将均衡输出的脉冲波形恢复为标准的数字脉冲信号。时钟恢复电路是把信号中的定时信号提取出来，使判决电路进行定时判决，判决由均衡器发来信号，最佳的判决时间应是升余弦的正负峰值，若输入信号大于判决门限的电平，则判为1!码，低于判决的电平，则判为0!码。在系统仿真中，判决电路视为电压比较器，满足如下关系：
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V（nT11,min0.max）(VoutVout) n1,3,5... (4-17) 221,min0,max其中，Vout为1 码对应的最小输出电平，Vout为0码对应的最大输出电平。
4.3.2 光电检测器与系统性能关系的仿真分析
光检测器的工作特性可以用工作参数来表示，这些参数最主要有响应度和量子效率、响应时间、暗电流等。
响应度和量子效率都是描述光电转换能力的物理量。响应度R0定义为
R0IpP0A/W (4-18)
其中IP为光电检测器的输出电流， P0光电检测器的平均输入功率。 量子效率定义为光生电子-空穴对数 (4-19)
入射光子数响应度和量子效率虽然都是描述光电转换能力，但分析角度不同。PIN和APD的响应度与波长有关，Si-PIN和Si-APD的波长响应范围为600~1000nm，对检测0.85m的光非常有效。Ge-PIN和Ge-APD范围为1000~1650nm，可以接收1310nm和1550nm的光信号。
响应时间表征光检测器对光信号变化响应速度的快慢。它受三个因素的影响：渡越时间d，扩散时间i和光电检测电路的上升时间RC。总的上升时间为：
22RCdi212 (4-20)
对于设计较好的光电检测器，Si-PIN上升时间可达500ps以下，Ge-PIN上升时间可达100ps以下。
暗电流：指在PIN规定的反向电压或者APD的90%击穿电压时，在无入射光的情况下期间内部的反向电压。由于它可以引起光接收机的噪声增大，所以越小越好。
在不同的系统中，PIN和APD有着不同的应用。为了提高光电检测器的响应速度和光电转换效率，设计出了PIN光电二极管，为使光电检测器有较大的输出电流，利用半导体的雪崩倍增效应制成了APD雪崩二极管。在图4-14示的系统中，设定传输速率为10Gb/s其他参数一定的情况下，比较了PIN和APD的性能。
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图4-14 光纤通信系统仿真模型
在上述系统中，光源激光器的脉冲波形如图4-15示。
图4-15 光源激光器的脉冲波形
把APD换为PIN，它们对系统性能的影响如图4.16所示。
图4-16 a) 信号经APD后波形 图4-16 b) 信号经PIN后波形
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图4-16 c) 光检测器为APD的系统眼图及Q值
图4-16 d) 光检测器为PIN的系统眼图及Q值
从图示的效果来看，APD所接收到的功率最高是400mW以上，而PIN所接收到的功率最高只有140mW以上。在系统眼图中，APD眼图最高功率是200mW以上，而PIN眼图最高功率只有80mW以上所以，在上述系统模型中，APD的性能要比PIN好。这与理论结论相一致。
4.4 波分复用系统仿真分析
光通信链路的优势是：许多不同的波长都可以在1300~1600nm的光谱带宽内沿一根光纤同时发送。把多个波长复合到一根光纤上的技术，成为波分复用或WDM。光波具有很高的频率，利用光载波作为信息载体进行通信，具有巨大的可用带宽。但实际光波系统中由于光纤色散和电路速率的限制，其通信速率限制在10Gb/s或更小，而波分复用技术充分利用光纤的频带资源，提高光波通信的系统容量。
波分复用器分为发射端的合波器和收端的分波器。合波器的功能是将满足G.692规范的多个单通路光信号合成为一路合波信号，然后耦合进同一根光纤传输。分波器的作用是在接收端上将一根光纤传输的合波信号再还原成单路波长光信号，然后分别耦合进不同的光纤中。在Optisystem光仿真软件中，也可以对波分复用进行仿
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真，如图4-17所示。
该仿真系统的参数为：序列长度为128b，每比特的抽样数为64，取信息速率为1Gb/s。发射机调制速率为193.1THz，幅宽为10MHz，消光比为10dB。比特序列发生器的比特序列为010110111011110。放大器的掺铒光纤长度为10m，波长为1550nm的损耗系数为0.1dB/m。光检测器PIN的响应度都为1A/W。
图4.17 光纤通信系统中的波分复用技术的应用
发射机的光脉冲信号经过复用器复用后把两路发射信号合为一路，在一根光纤中传出，然后经过解复用器把信号再分为两路信号。系统中的光脉冲信号如图4-18示：
图4-18 a) 发射机的光脉冲波形 图4-18 b) 复用器的光脉冲波形
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图4-18 c) 光电检测器的光脉冲波形 图4-18 d) 系统眼图
在如图4.18所示的光脉冲信号波形，复用器能够把信号复用进一根光纤信道中，并且保证信号的在解复用以后有很好的光脉冲输出波形和良好的系统性能。
24
5 光纤通信系统仿真实验
通过上述试验的验证验证了该仿真软件适合对本课题进行仿真分析。下面，将对传输速率为10Gb/s，传输距离为40Km的光纤通信系统进行仿真分析。
5.1 10Gb/s光纤通信系统模型的建立
仿真系统模型由以下几部分构成：伪随机比特序列发生器(Pseudo-Random Bit Sequence Generator)、非归零脉冲发生器(NRZ Pulse Generator)、直接调制激光器(Directly Modulated Laser Measured)、光纤信道(Optical Fiber)、光检测器PIN(Photodetector PIN)、低通滤波器(Low Psaa Gaussian Filter)。单模光纤通信系统的仿真模型如图5-1示，设定传输距离为40km，传输速率为10Gb/s如图4-1所示。
图5-1 通信系统的仿真模型
图5-2 系统参数
仿真系统的参数为：序列长度为128b，每比特的抽样数为64，取信息速率为10Gb/s。发射机调制速率为193.1THz ，消光比为10dB，幅宽为10MHz。放大器的掺铒光纤长度为20m，波长为1550nm的损耗系数为0.1dB/m。光检测器PIN的响应度都为1A/W。
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5.2 仿真结果分析
图5-3 a) 发射机光脉冲波形
图5-3 c) 光检测器频谱分析
图5-3 b) 光纤信道光脉冲波形
图5-3 d) 系统性能眼图
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图5-3 e) 系统超扰比Q 图5-3 f) 系统误码率
从上图中可以看出，在图(5-3)所示的仿真模型的系统性能中，由于提高光纤通信系统的传输速率，光纤信道光脉冲波形衰减变为很大，光电检测器的频谱信号与信道噪声分界不明显，系统很难把信号区分出来，系统性能眼图的定时灵敏度逐渐变低，幅度畸变变大，定时误差灵敏度变差，超扰比Q和误码率。
仿真系统模型的性能的优劣可以由Q超扰比、误码率以及系统眼图来判断。 光纤信道的光脉冲波形与图5.1的仿真系统的光纤信道光脉冲波形图5-3(b)示相比较而言，它的信号已经由放大器放大，而与此同时被放大器放大的噪声则由光滤波器来弥补。光电检测器的频谱信号与信道噪声分界与图5-3(c)相比已经比较明显，系统可以用滤波器把信号区分出来。而系统性能眼图较图5-3(d)也有明显的改善，信号电压增大，最小和最大信号电压比值变大，即系统的抗噪声能力增强；\"眼睛\"变大即抽样间隔变大，减小码间串扰的影响；眼图斜边斜率的变化使得系统对定时误差的敏感度增强。
衡量系统传输质量优劣的非常重要的指标之一是光纤通信系统的误码率，它反映了在传输过程中信息受到损害的程度。BER是在一个较长的时间内传输码流中出现误码的概率。\"0\"码和\"1\"码的误码率一般是不相等的，但对于\"0\"码和\"1\"码等概率的码流而言，一般认为Pe,01=Pe,10时，可以使误码率达到最小。
图5-7 误码率与Q的关系图
Q称为超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在对\"0\"码进行取样判决时，判决门限值超过放大器平均噪声电流的倍数。因此，只要知道Q值，就可以从图5-7超扰比与误码率之间的关系得出系统误码率。
如图5-6(g)和(h)所示，Q和误码率与初始系统模型相比都有很大的改进，超扰比Q的平均值在10以上。所以，根据图5.7所示误码率与Q的关系图和56 (h)系统误码率已经远小于传输所要求的10-9。
上述设计对传输速率在10Gb/s，传输距离为40km的光纤通信系统进行了仿真设计，并行了参数分析，通过对系统模型的各种信号波形的分析，得到系统性能较
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优的一组系统参数，使系统误码率在10-9以下。
5.3 光纤通信技术的发展现状及趋势
5.3.1 光纤通信技术的现状
光纤通信技术自从问世以来，就以其损耗低、体积小、容量大、抗干扰等特点迅速得到了发展，并随着科学技术及时代的进步，已经作为现代化的重要通信支柱，逐渐成为当今社会最重要的通信渠道，同时，这也标志着全球新一代信息技术革命的到来。
1.光纤接入技术得到充分发展
随着通信业务量的快速增加，原有的通信技术已经无法满足对通信能力的需要，人们需要技术性更强、速度更快的通信技术来为自己服务。因此，光纤接入网技术便应用而生其主要是由宽带的主干传输网络以及用户接入网这两部分构成的，作为现代化通信技术背景下的一个信息传输技术崭新的尝试，光纤接入技术从根本上满足了广大民众对信息传输速度的要求，从而实现了通信网络的信息高速化传输。就目前情况来看，光纤到户是光纤宽带接入的最终方式，它提供全光接入，可以充分利用光纤的宽带特性，充分满足宽带接人的需求。
2.光传输与交换技术的融合面临技术难题
就目前而言，虽然光传输在光纤通信技术中得到了很大的发展，交换技术也有所提高，但是，面对网络核心架构发生了彻底改变的现状，如何使光传输与交换技术有效的融合在一起，就成了摆在我们面前的亟待解决的一个问题。
3.还没有形成完善的市场产业链
就目前光纤通信的市场需求来看，其产业链的形成与发展还需要一定的时间，FTTH除了提供高带宽外，更重要的是运营商能提供什么具体服务内容让用户需求更高的带宽，使得在既有宽带接入技术无法满足之下，推动用户走向光纤到户。然而，目前的现状是，好多用户上网使用的服务大多为浏览新闻、电子邮箱等等，而像高带宽服务如视频会议、VOD、多媒体娱乐使用之比例少子又少，因此，要实现光纤通信产业链的不断完善尚需时日。
4.与光纤通信技术发展相对应的政策比较落后
目前，光纤通信技术虽然发展到了一定阶段，但是由于国家在政策上还没有一个完善的体系出台，各地的光纤技术推广都是各自为战，缺少优惠政策的鼓励，以及政策法规的约束，光纤通信技术的发展必然受到制约。
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6 结论
本文中在光纤通信系统分析的基础上，利用Optisystem通信仿真软件，建立了高速大容量光纤通信系统的仿真模型，验证了光纤通信系统的各个器件的某些参数与高速光纤通信系统特性的关系。
在该仿真设计中，我们首先对光纤通信系统性能与其部分参数之间的关系进行验证，得到如下结论：在参数相同的情况下，当光偏置电流低于阈值电流时，系统的性能会降低。在一般情况下，系统的传输速率越低，光纤通信系统的性能就越好；但在当速率非常低时，系统的误码率并不会降低反而上升，但系统的有效性会降低。光纤的长度、色散和损耗都对系统性能有一定的影响，光纤信道长度增加会使系统信号变弱。色散和损耗都是光纤的固有特性，在长度一定时，它们的参数是一定的，但系数的大小决定了信号传输长度和传输质量。在光纤传输信道中加入光放大器，可以使信号能量增加，但也会使其信道噪声随之增加。光检测器是光纤通信系统接收端的重要器件，为了提高光电检测器的响应速度和光电转换效率，我们使用PIN光电二极管；为使光电检测器有较大的输出电流，使用有雪崩倍增效应的APD雪崩二极管。这两者各有各的优点，应用于不同的领域。在对波分复用器进行了仿真，复用器的功能是将多个单通路光信号合成为一路合波信号，然后耦合进同一根光纤传输。解复用器的作用是在接收端将一根光纤传输的合波信号再还原成单路波长光信号，然后分别耦合进不同的光纤信道中。
其次在对光纤通信系统分析的理论基础上，在Optisystem光仿真软件中传输速率为10Gb/s，传输距离为40Km的单模光纤进行仿真，设计了光纤通信系统的仿真模型。通过前面对系统各器件的部分参数与系统性能影响的验证，对系统的各项参数进行调试，最终得出高速光纤通信系统特性，及一组比较优化的系统参数，使误码率达到10-9以下。
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致 谢
至此在大学毕业之前，谨向我的指导老师致以最诚挚的谢意。通过三个多月的努力，本次毕业设计已经接近尾声，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，如果没有老师的指导和同学的帮助和支持，想完成这个设计是很困难的。
在这里我首先要感谢我的论文指导老师——何志红老师。何老师平时工作繁多，但是从这篇论文开题到资料查找以及修改定稿这整个过程，一有问题他都总是对我进行了很多指导和帮助。更重要的是在这过程中，他始终践行着\"授人以鱼，不如授之以渔\"的原则，在此，我要向何老师表示最真挚的谢意。
另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的管理人员也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位表示感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有你们的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
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参考文献
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电子科技大学中山学院毕业设计（论文）任务书
29010103058 专业班级 通信09C班 光纤通信系统的仿真分析 何志红 职称 副教授 所在单位 电子信息学电话 137907029院 13 课题类型 □工程设计、产品开发；□理论性研究、调研报告、案例分析；□软件开发；□应用（实验）；√其他 课题来源 □科研；□社会生产实践；□实验；√其他 毕业设计（论文）时间 2012 年 10月20 日至 2013 年 4月 30日 阶段工作进度安排： 2012年10月20日——2012年12月26日 选择课题，进行资料查阅 2012年12月26日——2013年03月26日 进行课题的具体设计及形成论文初稿 2013年03月26日——2013年04月26日 最后修改论文并打印，准备答辩 设计（论文）的主要内容和要求： 一．全面深入理解什么是光纤通信系统。 二．深入理解光纤通信系统的设计与实现原理。 三．利用仿真软件（如MATLAB或OPNET等）对光纤通信系统进行仿真分析。 五．在毕业设计过程按照正常计划进度进行，按指导老师要求定期汇报毕业设计的进度。 六．保留设计图表、文档、软件、硬件等原始资料与实物。 七．积极认真完成毕业设计，按要求在预定日期前以标准格式文档向指导老师提交毕业论文。 推荐参考文献： [1] 赵梓森.光纤通信工程[M].北京:人民邮电出版社,1998 [2] 李玉全，朱勇，王平江.光通信原理与技术.科学出版社 [3] 沿凤平，裴丽，宁提纲.光纤通信系统.科学出版社 [4] Agrawal G P. Nonliner fiber oprics [M].Boston: Academic Press Inc,1989.212-218 [5] 贾维国,杨性愉.非线性双折射色散光纤中极化调制不稳定性分析[J].光子学报,2002(6):943-946. [6] 杨淑雯.全光光纤通信网.科学出版社.2004年1月 [7] 顾生华.光纤通信技术.北京邮电大学出版社.2005年1月 [8] 廖延彪 中国光纤传感技术发展的概况[期刊论文] -激光与红外1996(4) [9] Brambani L A， Friebele E J．Radiation effects in polarization—maintaining fibe rs．SP正 。1988．992：43—49 [10] Skumik B J，Greenwell R A．Radiation behavior of pure sifica core optical fibers[C].SPIE1998 9924～35 [11] 陈根祥．光波技术基础[M]京：中国铁道出版社， 2O00．4-8 [12] Alexander L Tomashuk,Vladimir A Bogatyrjov,Evgueny M Oianov, et a1． Hermetically coated H2-containing 32
学生姓名 题目名称 指导教师 陈百慧 学号 radiation—resistant optical fibersfC1．SP正，20o2，4547： 69～73 [13] Tomashuk A 1，Golant K M，Dianov E M，et a1． Radiation—induced absorption and iuminescence in specially hardened large-core silica optical fibers[J]．Il三EE Transactions on Nuclear Science，2O00，47(3)：693 698 [14] 赵梓森.光纤通信的回顾与展望，《光通信研究》2003. [15] 纪越峰.光纤通信技术的发展战略与实施策略，铁道通信信号，2003.
指导教师签名： 年 月 日 毕业设计（论文）专家组意见： □同意下达任务书 □不同意下达任务书 负责人签名： 年 月 日 注：阶段工作包括查阅文献、调研、撰写开题报告、实验或设计、撰写毕业设计（论文）或设计说明书、定稿及答辩等。
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电子科技大学中山学院毕业设计（论文）成绩评定表
评语： 指导教师： 年 月 日 评语： 评阅教师： 年 月 日 评语： 设计（撰写）过程 成绩 论文评阅 成绩 论文答辩 成绩 答辩组长： 年 月 日 34
总分 审核人： 年 月 日 35
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