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0.75?m到2.5?m，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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