OptiSystem仿真實例

1、OptiSystem 仿真軟件實例OptiSystem 仿真實例目 錄1 光發(fā)送機（Optical Transmitters）設計1.1 光發(fā)送機簡介1.2 光發(fā)送機設計模型案例：鈮酸鋰（LiNbO3）型Mach-Zehnder調制器的啁啾（Chirp）分析2 光接收機（Optical Receivers）設計2.1 光接收機簡介2.2 光接收機設計模型案例：PIN光電二極管的噪聲分析3 光纖（Optical Fiber）系統設計3.1 光纖簡介3.2 光纖設計模型案例：自相位調制（SPM）導致脈沖展寬分析4 光放大器（Optical Amplifiers）設計4.1 光放大器簡介4.2 光放

2、大器設計模型案例：EDFA的增益優(yōu)化5 光波分復用系統（WDM Systems）設計5.1 光波分復用系統簡介5.2 光波分復用系統使用OptiSystem設計模型案例：陣列波導光柵波分復用器（AWG ）的設計分析6 光波系統（Lightwave Systems）設計6.1 光波系統簡介6.2 光波系統使用OptiSystem設計模型案例：40G單模光纖的單信道傳輸系統設計7 色散補償（Dispersion Compensation）設計8.1 色散簡介8.2 色散補償模型設計案例：使用理想色散補償元件的色散補償分析8 孤子和孤子系統（Soliton Systems）9.1 孤子和孤

3、子系統簡介9.2 孤子系統模型設計案例：9 結語1 光發(fā)送機（Optical Transmitters）設計1.1 光發(fā)送機簡介一個基本的光通訊系統主要由三個部分構成，如下圖1.1所示：圖1.1 光通訊系統的基本構成1）光發(fā)送機 2） 傳輸信道 3）光接收機 作為一個完整的光通訊系統，光發(fā)送機是它的一個重要組成部分，它的作用是將電信號轉變?yōu)楣庑盘?，并有效地把光信號送入傳輸光纖。光發(fā)送機的核心是光源及其驅動電路。現在廣泛應用的有兩種半導體光源：發(fā)光二級管（LED）和激光二級管（LD）。其中LED輸出的是非相干光，頻譜寬，入纖功率小，調制速率低；而LD是相干光輸出，頻譜窄，入纖功率大、調制速率高。

4、前者適宜于短距離低速系統，后者適宜于長距離高速系統。一般光發(fā)送機由以下三個部分組成：1) 光源（Optical Source）：一般為LED和LD。2) 脈沖驅動電路（Electrical Pulse Generator）：提供數字量或模擬量的電信號。3) 光調制器（Optical Modulator）：將電信號（數字或模擬量）“加載”到光波上。以光源和調制器的關系來看，可劃分為光源的內調制和光源的外調制。采用外調制器，讓調制信息加到光源的直流輸出上，可獲得更好的調制特性、更好的調制速率。目前常采用的外調制方法為晶體的電光、聲光及磁光效應。 圖1.2為一個基本的外調制激光發(fā)射機結構：圖2 外調

5、制激光發(fā)射機在該結構中，光源為頻率193.1Thz的激光二極管，同時我們使用一個Pseudo-Random Bit Sequence Generator模擬所需的數字信號序列，經過一個NRZ脈沖發(fā)生器（None-Return-to-Zero Generator轉換為所需要的電脈沖信號，該信號通過一個Mach-Zehnder調制器，通過電光效應加載到光波上，成為最后入纖所需的載有“信息”的光信號。 1.2 光發(fā)送機模型設計案例：鈮酸鋰（LiNbO3）型Mach-Zehnder調制器中的啁啾（Chirp）分析1.2.1 設計目的通過本設計實例，我們對鈮酸鋰Mach-Zehnder調制器中的外加電壓

6、和調制器輸出信號的啁啾量的關系進行了模擬和分析，從而決定具體應用中MZ調制器的外置偏壓的分布和大小。 1.2.2 原理簡介對于處于直接強度調制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載流子濃度的變化是隨注入電流的變化而變化。這樣使有源區(qū)的折射率指數發(fā)生變化，從而導致激光器諧振腔的光通路長度相應變化，結果致使振蕩波長隨時間偏移，導致所謂的啁啾現象。啁啾是高速光通訊系統中一個十分重要的物理量，因為它對整個系統的傳輸距離和傳輸質量都有關鍵的影響。將脈沖傳輸時中心波長發(fā)生偏移的現象叫做“啁啾”。例如在光纖通信中由于激光二極管本身不穩(wěn)定而使傳輸單個脈沖時中心波長瞬時偏移的現象，也叫“啁啾”。1.2.3 模型的設計布局圖

7、圖1.3 雙驅動型LiNbO3 Mach-Zehnder調制激光發(fā)送機設計圖 外調制器由于激光光源處于窄帶穩(wěn)頻模式，我們可以降低或者消除系統的啁啾量。一個典型的外調制器是由鈮酸鋰（LiNO3）晶體構成。本設計實例中，我們通過對該晶體外加電壓的分析調整而最終減少該光發(fā)送機中的啁啾量，其模型的設計布局圖如圖1.3所示：1.2.4 模擬分析在圖1.3中，驅動電路1的電壓改變量V1和驅動電路2的電壓改變量V2是相同的。圖1.4為MZ調制器的參數設定窗口。其中MZ調制器以正交模式工作，外置偏壓位于調制器光學響應曲線的中點，使偏壓強度為其峰值的一半。而消光系數設為200dB，以避免任何由于不對稱Y型波導而

8、導致的啁啾聲。對于雙驅動調制器而言，兩路的布局是完全一樣的3，所以這里可使用一個Fork將信號復制增益（本例設有三次參數掃描過程中，V2大小分別為V1的-1，0，-3倍）后到MZ調制器的另一個輸入口。 圖1.4 LiNbO3 Mach-Zehnder調制器的參數設置啁啾（Chirp）量可根據兩路的驅動偏壓值得到，如公式1.1，其中V1，V2分別為兩個驅動電路的驅動電壓，為啁啾系數：圖1.5為一系列信號脈沖輸入時，在2，3口的電壓V1= V2 = 2.0V時波形。根據公式1.1可知在這種情況下，啁啾系數為0，而實際模擬出來的結果可見圖1.6。圖1.5 輸入口2的電壓為2.0V，輸入口3的電壓為-

9、2.0V時的電壓波形圖1.6 V1=-V2=2.0V時，輸出的光信號波形及其啁啾量（Chirp）此外，為了觀察啁啾量隨電壓的改變情況，當設定外加偏壓為V1= -3V2=3.0V時，根據公式1可得到為0.5，輸入口2，3和輸出口的信號波形可參見圖1.7，1.8：圖1.8 當V1=-3V2=3.0V時，輸出的光信號強度及其啁啾量大小圖1.7 當V1= -3V2=3.0V時，輸入口2，3的電信號波形 以上兩次不同V1，V2外置偏壓的情況下，OptiSystem提供了實際情況的模擬仿真，并可得到一系列結果： 1 ) 當V1=-V2=2.0V時，如圖1.6所示，其中的亮紅線為光發(fā)射器的啁啾量，可得到其大

10、小約為100Hz；相對于光源的頻率，這個啁啾量在實際情況中可基本視為零。 2 ) 當V1=-3V2=3.0V時，如圖1.8所示，啁啾量的大小約為3GHz，這個大小的啁啾量在實際情況中對輸出光信號的靈敏度以及最終所能傳輸的距離都會有十分嚴重的影響，需要設計者避免和消除。 從本設計案例中，我們可以利用OptiSystem提供的元件和分析功能設計并得到關于LiNbO3 Mach-Zehnder調制器中的啁啾量大小隨兩路輸入電壓的變化關系，從而可在實際設計時針對一些參數進行設定和分析，以得到最佳的效果；更多關于Mach-Zehnder調制器的啁啾的分析可參見文獻1-3。2光接收機（Optical Re

11、ceivers）設計2.1 光接收機簡介圖2.1 光接收機的一般結構在光纖通訊系統中，光接收機的任務是以最小的附加噪聲及失真，恢復出由光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息，因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通訊系統的性能。一般一個基本的光接收機有以下三個部分組成，可見圖2.1：1) 光檢測器通常，接收到光脈沖所載的信號代表著0或者的數位，利用光檢測器，其轉變?yōu)殡娦盘?。目前廣泛使用的光檢測器是半導體光電二極管，主要有PIN管和雪崩光電二極管，后者又稱APD管。2) 放大器包括前置放大器和主放大器，前者與光電檢測器緊相連，故稱前置放大器。在一般的光纖通訊系統中，經光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的

12、，為了保證通信質量，顯然，必須將這種微弱的電信號通過放大器進行放大。在OptiSystem提供的Photodiode元件中已內置了前置放大器。3) 均衡器、濾波器需要均衡器、濾波器等其他電路裝置對信號進行進一步的處理，消除放大器及其他部件（如光纖）等引起的波形失真，并使噪聲及碼間干擾減到最小。接收機的噪聲和接受機的帶寬是成正比的，當使用帶寬小于碼率的的低通濾波器時，可以降低系統的噪聲。4) 解調器為了使信碼流能夠并有利于在光纖系統中傳輸，光發(fā)射機輸出的信號是經過編碼處理的，為了使光接收機輸出的信號能在PCM系統中傳輸，則需要將這些經編碼處理的信號進行復原。在該結構中，在已經內建了判決器和時鐘恢

13、復電路的誤碼率分析儀（BER Analyzer）中可以得到最終復原的信號，并可對最終的輸出信號的誤碼率等各項參數進行檢測、分析。2.2 光接收機模型設計案例：PIN光電二極管的噪聲分析2.2.1 設計目的影響光接收機性能的主要因素就是接收機內的各種噪聲源。接收機中的放大器本身電阻會引入熱噪聲（Thermal Noise），而放大器的晶體管會引入散粒噪聲（Shot Noise），而且多級放大器中會將前級的噪聲同樣放大，計算分析這些噪聲對我們分析、優(yōu)化光接收機以及整個光通訊系統都是有十分重要的作用。2.2.2 原理簡介 噪聲是一種隨機性的起伏量，它表現為無規(guī)則的電磁場形式，是電信號中一種不需要的成

14、分，干擾實際系統中信號的傳輸和處理，影響和限制了系統的性能。在光接收機中，可能存在多種噪聲源，它們的引入部位如圖2.2所示。光檢測器前放增益光電效應hf 偏置電阻量子（散粒）噪聲暗電流噪聲倍增噪聲 熱噪聲 放大器噪聲背景噪聲漏電流噪聲 圖2.2 光接收機中的噪聲源及其分布2.2.3 模型的設計布局圖 圖2.3為PIN光電二極管噪聲分析的OptiSystem設計布局圖：圖2.3 光電二極管的噪聲分析的設計布局圖圖2.4 光電二極管的Shot Noise（上圖）圖2.5 光電二極管的Thermal Noise（下圖）如圖2.3所示，從外調制激光發(fā)送機輸出的調制光信號，經衰減器后，由Fork復制為兩

15、路相同的信號分別送入不同噪聲設置的光電二極管。上端的PIN管不考慮熱噪聲，而具有Shot Noise；而下端的PIN管的熱噪聲為1.85e-25W/Hz，沒有Shot Noise，然后分別送入濾波器和最終的誤碼率分析儀中，其中兩路中的低通濾波器的截止頻率和碼率都是一樣的。在圖2.4中，用戶可以看到上端PIN管中Shot Noise是依賴于信號強度大小的。而在圖2.5中，下端的PIN管不計入Shot Noise，而只考慮熱噪聲；可以發(fā)現該噪聲的大小也是依賴于信號強度的。從本例中，我們可以觀察到熱噪聲和散粒噪聲對最終傳輸的信號質量的影響，并可以根據數據模擬有個定量的分析和計算。此外，還可以對噪聲參

16、數的調試，觀測不同噪聲對整個系統性能的影響程度的大小。并且，我們可以得出，在這樣一個小信號系統中，光檢測器的偏置電阻及放大器電路的熱噪聲是最主要的噪聲源。3 光纖（Optical Fiber）系統設計3.1 光纖簡介包層涂覆層光纖通信與電信的主要差異之一，即是利用光纖來傳輸光信號。光纖有不同的結構形式。目前，通信用的光纖大多數是利用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心玻璃體，外層玻璃的折射率比內層稍低。折射率高的中心部分叫纖芯，其折射率為n1；折射率低的外圍部分稱為包層，折射率為n2（<n1），如圖3.1：圖3.1 光纖結構纖芯在本章中，并不針對光纖具體的折射率分布等設計參數進行詳細介紹和

17、討論，因為OptiWave提供了專門針對光纖設計和分析的專門軟件：OptiFiber，而OptiSystem可以將在OptiFiber中設計的光纖直接輸入調用，十分方便。 在本章中，我們主要討論的是光纖的損耗，色散以及非線性等傳輸過程中的效應對光通訊系統的性能的分析以及影響。 3.1.1 光纖的損耗特性光纖的傳輸損耗是光纖通信系統中一個至關重要的問題，低損耗是實現遠距離光通訊的前提，光纖損耗的原因十分復雜，歸結起來主要包括：吸收損耗和散射損耗，以及輻射損耗。（1） 吸收損耗：吸收損耗包括紫外吸收、紅外吸收和雜質吸收等，它是材料本身所固有的，因此是一種本征吸收損耗。（2） 散射損耗：散射與光纖材

18、料及光波導中的結構缺陷、非線性效應有關。一般包括：瑞利散射損耗、波導散射損耗和非線性損耗。 （3） 輻射損耗：光纖使用過程中，彎曲往往不可避免，在彎曲到一定的曲率半徑時，就會產生輻射損耗。3.1.2 光纖的色散特性及帶寬 光信號在光纖中傳輸時不但幅度會因損耗而減小，波形亦會發(fā)生愈來愈大的失真，脈沖展寬，從而限制了光纖的最高信息傳輸速率。這種失真是由于信號中的各種分量在光纖中的群速度不同（因而時延不同）引起的。這些分量包括發(fā)送信號調制和光源譜寬中的頻率分量及光纖中的不同模式分量。時延失真是由于光纖色散而產生的，一般包括以下幾種：（1） 模間色散：多模光纖中由于各個導模之間群速度不同造成模間色散。

19、在發(fā)送機多個導模同時激勵時，各個導模具有不同的群速，到達接收端的時刻不同。（2） 波導色散：這是某個導模在不同波長（光源有一定的譜寬）下的群速度不同引起的色散，它與光纖結構的波導效應有關，又稱為結構色散。（3） 材料色散：這是由于光纖材料的折射率隨光頻率呈非線性變化，而光源有一定譜寬，于是不同的波長引起不同的群速度。（4） 偏振模色散：普通單模光纖實際上傳輸兩個相互正交的模式，實際在單模光纖存在各種少量隨機的不確定性，不對稱性，造成了兩個偏振模的群時延不同，導致偏振模色散。3.2 光纖模型設計案例：自相位效應（SPM）-Induced Spectral Broadening3.2.1 設計目的

20、對自相位調制（Self-Phase Modulation：SPM）在脈沖傳播上的模型進行模擬和驗證。主要包括兩個方面：（1） 脈沖啁啾（Pulse Chirping）（2） 脈沖光譜展寬（Pulse Spectral Broadening）3.2.2 原理簡介 自相位調制（SPM）效應可由式3.1進行描述：其中E(Z,t)是電場波包，參數由式3.2給出： 在方程3.2中，0是光載波頻率，n2是非線性折射率系數，Aeff是有效作用面面積1。可根據方程3.1直接進行求解得到：從該式可知，經過自相位調制后，脈沖的波形（即：|E(z,t)|2=|E(z=0,t)|2）不受影響。而相位變化項NL=|E(

21、z=0,t)|2表明經過自相位調制后，脈沖的瞬時頻率相對原先載波的頻率0已有所改變。頻率改變量(t)由式3.3給出：該頻率的改變和時間的關系導致了啁啾聲的產生。3.2.3 模型的設計布局圖為了驗證SPM效應，我們可以設計以下布局圖3.2：圖3.2 自相位調制設計布局圖其中參數設定如圖3.3： 圖3.3 全局參數設定（上圖）；圖3.4 光纖參數設定（下圖） 在非線性光纖的參數設定中，我們只針對自相位調制效應進行檢測分析，所以我們可以禁掉其他非線性效應，如圖3.4所示。當脈沖的峰值功率為10mW，光纖長度設為10km時，得到的結果如圖3.5所示： 圖3.5 經過10.73km的光纖前（上圖）后（下

22、圖）的脈沖波形和啁啾 從圖3.5中可看到脈沖的波形保持不變，但由于自相位調制效應，產生了啁啾聲。脈沖前端紅移，而后端藍移。如果存在反常色散，則可能發(fā)生由于SPM的啁啾而導致脈沖波形會變窄。這說明SPM效應和GVD的作用正好相反。為了觀察SPM導致的光譜展寬，我們需要引入：max= P0z。其中P0是峰值功率。圖3.6中為未啁啾高斯型輸入脈沖在不同的最大相移值時（03.5）的光譜圖。自相位調制和啁啾以方程3.1聯系在一起。根據圖3.5，在兩個不同t值時的啁啾相同，說明在兩個不同的點上瞬時頻率為相同的一個。這兩個點代表兩個相同頻率的波，能夠相長或者相消的互相作用，導致了脈沖光譜的振蕩結構。 圖3.

23、6 未啁啾高斯脈沖的不同相移時的光譜 由于SPM導致脈沖展寬依賴于脈沖波形和初始啁啾，圖3.7為最大相移max=4.5時，輸出端的高斯脈沖的光譜和第三級高斯脈沖的光譜。 圖3.7最大相移max=4.5時輸出端光譜和第三級高斯脈沖光譜參考文獻：1 G.P.Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academics Press (2001) 4 光放大器 （Optical Amplifiers）設計4.1 光放大器簡介光放大器，尤其是摻鉺光纖放大器（EDFA）的研制成功使光纖通訊技術產生了革命性的變化：用相對簡單廉價的光放大器代替長距離光纖通信系統中傳統使用的復雜昂貴的光

24、電光混合式中繼器，從而可實現比特率及調制格式的透明傳輸，尤其是和WDM技術的珠聯璧合，奠定了向未來的全光通信發(fā)展的基礎。4.1.1 光放大器分類主要有三類：（1） 半導體光放大器（SOA，Semiconductor Optical Amplifer）（2） 摻稀土元素（鉺Er、鐠Pr、銣Nd）的光纖放大器；主要是是EDFA，還有PDFA等（3） 非線性光纖放大器，主要是光纖喇曼放大器（FRA ，Fiber Raman Amplifier）針對目前以EDFA的發(fā)展最為迅速，應用也最為廣泛，在本章中，主要以EDFA為主要介紹和設計對象。但這里需要提到的是，OptiSystem也提供了大量

25、SOA, PDFA, FRA等等光放大器的元件庫，為設計者提供了十分便利的分析工具和功能。4.1.2 摻鉺光纖放大器的結構摻鉺光纖放大器的英文縮寫為：EDFA，其基本結構如圖4.1所示。輸出光信號輸入光信號光濾波器光隔離器光隔離器光耦合器摻鉺光纖泵浦光源圖4.1 EDFA結構示意圖 EDFA主要是由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器以及濾波器等組成。 （1）耦合器（Coupler）將輸入光信號和泵浦光源輸出的光波混合起來的無源光器件，一般采用波分復用器（WDM）。 （2）隔離器防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性，保證光信號只能正向傳輸的無源器件。 （3）摻鉺光纖是一段長度大約為101

26、00m的石英光纖，將稀土元素鉺離子Er3+注入到纖芯中，濃度一般為25mg/kg。 （4）泵浦光源為半導體激光器，輸出光功率約為10100mW。 （5）光濾波器的作用是濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對系統的影響，提高系統的信噪比。 此外，根據泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可包括三種結構方式：同向泵浦結構、反向泵浦結構和雙向泵浦結構。 EDFA主要優(yōu)點包括增益高，帶寬大、輸出功率高、泵浦效率高、插入損耗低和對偏振不敏感等。 4.2 光放大器模型設計案例：EDFA增益的優(yōu)化4.2.1 設計目的 摻鉺光纖放大器的主要性能指標是功率增益、輸出飽和功率和噪聲系數。EDFA的帶寬通常在30nm以上，十分

27、適用于多信道信號的同時放大。但EDFA用于波分復用（WDM）的主要問題就是增益譜不平坦。我們希望各信道有同樣的增益，但EDFA增益譜的雙峰結構顯然是不利的。尤其是級聯EDFA鏈時，各信道的增益差會愈來愈大，噪聲累積會愈來愈嚴重，光信噪比大大下降，甚至系統無法工作。所以在本設計案例中，針對16信道的波分復用輸入光信號，我們對EDF的長度和泵浦光源的功率參數值進行優(yōu)化，以達到所預期的16個信道的增益平坦譜。4.2.2 原理簡介 EDFA的增益介質是纖芯中摻雜的稀土元素鉺離子（Er3+）的單模石英光纖。在泵浦源作用下，在摻鉺光纖中出現了粒子數反轉分布，產生了受激輻射，從而使光信號得到放大，由于EDF

28、A具有細長的纖形結構，使得有源區(qū)達到能量密度很高，光和物質的作用區(qū)很長，這樣降低對泵浦功率的要求。 鉺離子有三個工作能級：E1，E2和E3，其中E1能級最低為基態(tài)；E2能級為亞穩(wěn)態(tài)，E3能級最高，稱為激發(fā)態(tài)。Er3+在未受任何光激勵的情況下，處于最低能級E1上，當用泵浦光源的激光不斷激發(fā)光纖時，處于基態(tài)的粒子獲得了能量就會向高能級躍遷。由于處于E3這個高能級的粒子態(tài)不穩(wěn)定，將迅速無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2上，在該能級上，粒子壽命相對較長，由于泵浦光源不斷激發(fā)，E2能級上的粒子數不斷增加，而E1能級上的粒子數則減少，直至實現粒子數反轉分布。當輸入光信號E（=hf）正好為E2和E1間的能級差時，則亞穩(wěn)

29、態(tài)E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)E1上，并輻射出和輸入光信號中的光子一樣的全同光子，從而增加了光子數量，形成放大。4.2.3 模型設計布局圖 如圖4.2所示： 圖4.2 EDFA增益平坦優(yōu)化設計布局圖4.2.4 模擬分析關于EDFA增益平坦的優(yōu)化可以以示意圖4.3來說明： 圖4.3 EDFA增益平坦優(yōu)化原理圖我們設定最終優(yōu)化的目標為16個信道的增益在一平坦曲線上，如優(yōu)化參數框設置圖4.4-4.7對于優(yōu)化設置的一些說明：Main：優(yōu)化方式為“Gain Flatten”增益平坦方式，所要優(yōu)化達成的目標為“Exact”，優(yōu)化循環(huán)數為60，結果公差為10，有其他參數限制條件。（圖4.4） 圖

30、4.4 EDFA增益的多參數優(yōu)化參數設置Parameters：在本項中設置了需要優(yōu)化的參數，一為泵浦光源的功率，這里選擇0-160mW，初始值為100；另一為摻鉺光纖的長度，范圍為1-40m，初始值為4m。（圖4.5） 圖4.5 MPO中要優(yōu)化的參數Result：這里要設定我們希望最后優(yōu)化完成的目標，在本例中為16個信道的增益平坦一致為23dB，如圖4.6所示。 圖4.6 MPO中的最后要達到的16信道增益平坦目標設定Constraint：這里設定了兩個限制條件，一為輸出信號的最大/最小增益比，要求小于0.5；另一為光功率計檢測到的總功率大于8.5dB 圖4.7 MPO對EDFA增益平坦優(yōu)化的

31、限制參數設定Advanced：一些其他高級設置，在本例中使用缺省值即可。選擇運行對話框中的優(yōu)化（Optimization）并運行，可看到運行優(yōu)化的過程如圖4.8所示。 圖4.7 EDFA增益的優(yōu)化進程我們可分別得到EDF的長度和泵浦光源的功率的最終優(yōu)化值：最終，我們可以通過Dual Port WDM Analyzer來分析模擬后得到的16個信道數據，如圖4.8所示：一些統計數據如圖4.9 圖4.8 WDM Analyzer數據分析 我們可以進一步用光譜儀（OSA）對經過EDFA前后的16個信道的光信號做檢測分析，從以上結果分析可以很清楚的得到經過OptiSystem的計算機輔助優(yōu)化后，信號的增

32、益在一個平坦的曲線上，這可從為經過EDFA的光譜圖（圖4.9）和經過EDFA的光譜圖（圖4.10）的比較看出；優(yōu)化的結果是十分成功的，這為我們提供了對所要設計的元件參數的改進和優(yōu)化指明了方向。圖4.9未經過EDFA的16信道光譜圖圖4.10為經過EDFA的光譜圖（綠色曲線為存在的噪聲）5 光波分復用系統（WDM Systems）設計5.1 光波分復用系統簡介光波分復用是指將兩種或多種各自攜帶有大量信息的不同波長的光載波信號，在發(fā)射端經復用器匯合，并將其耦合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端通過解復用器對各種波長的光載波信號進行分離，然后由光接收機做進一步的處理，使原信號復原，這種復用技術不僅適用

33、于單模或多模光纖通信系統，同時也適用于單向或雙向傳輸。 波分復用系統的工作波長可以從0.8m到1.7m，由此可見，它可以適用于所有低衰減、低色散窗口，這樣可以充分利用現有的光纖通信線路，提高通信能力，滿足急劇增長的業(yè)務需求。5.1.1 光波分復用系統的結構光波分復用系統一般有單向和雙向兩種結構，這里出一個單向8信道WDM點-點通信系統的示意圖5.1。N個光發(fā)送機發(fā)送N個不同波長的光信號按一定的間隔排列，在復用器（MUX）中復合在一起送入到傳輸光纖信道中。在光接收機端，這N個波長光信號由解復用器（DEMUX）分離后送到相應的可調諧的光接收機。傳輸信道中間包括了諸如EDFA、光纖等各種元件。 圖5

34、.1 點-點的8信道WDM系統 5.1.2 WDM光通信結構組成如圖5.1所示，一般在WDM系統中的關鍵組件包括：（1） 濾波器：在WDM系統中進行信道選擇，只讓特定波長的光通過，并組織其他光波長通過?？烧{諧光濾波器能從眾多的波長中選出某個波長讓其通過。在WDM系統的光接收機中，為了選擇所需的波長，一般都需依賴于其前端的可調諧濾波器。要求其有寬的譜寬以傳輸需要的全部信號譜成分，且?guī)捯詼p小信道間隔。（2） 復用器/解復用器（MUX/DEMUX）：將多個光波長信號耦合到一路信道中，或使混合的信號分離成單個波長供光接收機處理。一般，復用/解復用器都可以進行互易，其結構基本是相同的。實際上即是一

35、種波長路由器，使某個波長從指定的輸入端口到一個指定的輸出端口。5.2 波分復用系統（WDM）模型設計案例：陣列波導光柵波分復用器（AWG）的設計分析5.2.1 設計目的 使用OptiSystem模擬仿真AWG波分復用系統，檢測其波長選擇性能。5.2.2 原理簡介 陣列波導光柵（AWG：Arrayed Waveguide Grating）波分復用器由輸入輸出波導、兩個N´N平面波導星形耦合器及AWG構成，集成制造在Si或InP襯底上，該復用器的核心是AWG，它是一系列規(guī)則排列的波導，相鄰波導間有一恒定的光程差L，對波長為的信號，每個波導中產生一個相對相移2L/，因此AWG相當于一個相位

36、光柵，所以可以進行波長選擇。 N´N平面波導星形耦合器將所有輸入波導中的光輻射到中間的自由空間區(qū)域，然后再將它們耦合到所有的輸出波導中。自由空間區(qū)域的形狀用天線理論和傅立葉光學原理設計。 在AWG波分復用器中，輸入光信號先輻射進第一個平面波導區(qū)，然后激勵陣列波導，傳輸通過陣列波導后，光束在第二個平面波導區(qū)的焦點上產生相長性干涉，焦點位置決定于信號波長，結果在特定的端口輸出。當波長不同時，焦點位置不同，輸出的端口也不同。5.2.3 模型設計布局圖 圖5.1 AWG WDM系統設計布局圖上圖5.1為陣列波導光柵波分復用器。其設計主要調用了由OptiBPM提供的WDM_Phasar設計的A

37、WG元件。 運行編譯后，我們可以使用OSA直接觀察從AWG解復用出來的各個信道信號。如圖5.2所示，為信道1的光譜圖。 圖5.2 AWG信道1的譜圖而AWG的各信道透射譜可得到，如圖5.3所示，從中我們可以了解到AWG波分復用器的性能。 圖5.3 AWG透射譜6 光波系統（Lightwave Systems）設計6.1 光波系統簡介 OptiSystem給用戶最重要的功能便是對光通訊系統的模擬，仿真和優(yōu)化。它把各種分立的有源、無源的元器件有機的組合起來，組成了不同類型、不同用途的光纖通訊系統與網絡。 對一個光纖通信系統的基本要求是：（1） 傳輸距離（2） 要求的傳輸帶寬及碼率（3） 系統的保真

38、性（誤碼率BER、信噪比及失真等）（4） 可靠性和經濟性 用戶可以使用OptiSystem方便的設計光通訊系統的各種方案和模型。以解決實際應用中的各種具體問題。6.2 模型設計案例：40G單模光纖的單信道傳輸系統設計6.2.1 設計目的 在40G高速光纖通信系統中，最重要，也是最主要的問題就是系統中產生的線性色散問題，所以我們希望通過OptiSystem模型的建立，對真實情況下色散的問題進行模擬和解決，以期在實際應用中選擇并達到最佳通信質量和性能。 6.2.2 設計原理 典型情況下，單模光纖在1.55m時的2=-20ps2/km傳輸導致的色散系數D為16ps/(nm.km) 。當系統的碼率B

39、= 40Gb/s時，TB=25ps，相應色散長度LD約為2.8km。 在對40Gb/s碼率單模光纖中的歸零型（RZ）和非歸零型（NRZ）的傳輸過程中需考慮到：群速度色散、Kerr非線性效應導致的自相位調制，線性損耗、ASE噪聲的周期性放大。具體的計算分析可見下節(jié)。6.2.3 模型設計布局圖圖6.1和6.2是分別針對RZ和NRZ型調制的布局設計圖： 圖6.1 RZ型調制的40Gb/s光波系統 圖6.2 NRZ型調制的40Gb/s光波系統一些全局參數為： 所以Number of Samples = Sequence Length*Sample per Bit = 16384Time Window

40、= Sequence Length * Bit Slot = 3.2nsSample interval = Time Window/ Number of Samples = 0.195psSample rate = 1/ the sampling interval = 5.12THz其中兩個Layout中的Pseudo-random Bit Sequence generators的設定是相同的。而對于RZ generator有以下屬性：Rectangle Shape : GaussianDuty Cycle = 0.5 BitRise Time = 0.15 BitFall Time = 0.

41、25 Bit使用外調制連續(xù)波長激光器（1550nm，線寬0.1MHz）作為光源。對于單模光纖，可得到：色散系數D：色散斜率：非線性系數：線性損耗：=0.2dB/km光纖長度：LSMF= 50km經過單模光纖的損耗后，使用一個EDFA補償這個線性損耗。對于色散補償光纖，具有以下屬性：色散系數：色散斜率：非線性系數：線性損耗：=0.5dB/km光纖長度：LDCF= 10km經過DCF光纖的損耗后，使用一個EDFA補償這個線性損耗。Bessel光濾波器的波長為1550nm，帶寬為4* Bit Rate低通Bessel電濾波器的截止頻率為0.75* Bit Rate這里使用OptiSystem提供的理

42、想EDFA作為增益補償器（也考慮到了ASE噪聲），經過EDFA后，單模光纖的增益為10dB，噪聲為6dB。（DCF中相應的數值為5dB和6dB）。首先，我們對RZ型和NRZ型加以比較。在500km中SMF（10Loops*50km）經每一次的增益補償，最大Q影響因子和輸入功率的曲線如圖6.3所示；而誤碼率分析儀眼圖則表征出最佳點的輸入功率約為4mW 圖6.3 RZ型的40Gb/s系統仿真結果當傳輸距離大于500km時，最大Q影響因子會小于6，即這是會有較好Q性能的最大傳輸距離。圖6.4中為NRZ型的高色散光纖的40G系統，傳輸距離為250km（5loops*50km），根據BER分析儀的眼圖，

43、在輸入功率約為1.25mW處，最大影響因子Q具有最佳值。 圖6.4 NRZ型的40Gb/s系統模擬結果當傳輸距離大于250km時，最大影響因子Q會小于6，即這是會有較好Q性能的最大傳輸距離。從以上兩套系統的影響因子曲線的比較可以看出，我們可以清楚的看到RZ型有較大輸入功率。表明RZ調制的Duty Cycle = 0.5要優(yōu)于傳統的NRZ調制格式。其次，我們會對40Gb/s單模光纖傳輸系統RZ調制中的累積放大噪聲和自相位調制的影響做一定分析。有以下兩種情況：l 自相位調制假設為0l 不考慮噪聲因素圖6.5為具體的分析結果： 圖6.5 40Gb/s系統，傳輸距離為500kg時的Max Q VS I

44、nput Power曲線由上圖可見，在低輸入功率系統中，影響系統性能的主要因素為累積噪聲放大效應；而在高輸入功率階段，傳輸距離則由于自相位調制而大幅度減小。 從以上分析可得到在不同輸入功率時，系統性能，例如傳輸距離的大小有不同權重的因素所導致，這為我們在具體應用中提供了良好的分析方向和優(yōu)化工具。7 色散補償（Dispersion Compensation）設計7.1 色散簡介光信號在光纖傳輸中不但幅度會因損耗而減小，波形亦會發(fā)生愈來愈大的失真，脈沖展寬，從而限制了光纖的最高信息傳輸速率。這種失真是由于信號中的各種分量在光纖中的群速度不同（因而時延不同）引起的。這些分量包括發(fā)送信號調制和光源譜寬

45、中的頻率分量及光纖中的不同模式分量。時延失真是由于光纖色散而產生的，光纖色散包括以下四種：（1） 模間色散：多模光纖中由于各個導模之間群速度不同造成模間色散。在發(fā)送端多個 導模同時激勵時，各個導模具有不同的群速，到達接收端的時刻不同。（2） 波導色散：某個導模在不同波長（光源有一定的譜寬）下的群速度不同引起的色散，它與光纖結構的波導效應有關，因此又稱結構色散。（3） 材料色散：這是由于光纖材料的折射率隨光頻率呈非線性變化，而光源有一定譜寬，于是不同的波長引起不同的群速度。（4） 偏振模色散：普通單模光纖實際上傳輸兩個相互正交的模式，若光纖中結構完全軸對稱，則這兩個正交偏振模有完全相同的群時延，

46、不產生色散。實際單模光纖存在少量的不對稱性，造成兩個偏振模的群時延不同，導致所謂的偏振模色散。在這四項色散中，波導色散和材料色散正比于光源的譜寬，故總稱波長色散，它們的相對大小，與光源本身譜寬及調制邊帶寬度有關。對單模光纖，沒有模間色散，波導色散與材料色散是主要的，它們的相對大小又與工作波長有關。對于多模光纖，模間色散與材料色散是主要的，波導色散可略去不計。 7.2 色散分析模型設計實例：使用理想色散補償元件的色散補償分析7.2.1 原理簡介光載波以相速vp = /傳播，其中=2n/為傳播常數，為光載波頻率。波包則以群速度vg傳播，其公式為光脈沖沿光纖單位長度長傳播的延時稱為群時延，它可表示為

47、其中c為光速，k0 = 2 / ?？梢?，群時延與波長有關。某一特定模式內的每個光譜成分在通過一定距離時所需的時間不同而產生時延差。在本設計案例中，我們會了解到色散補償功能是如何影響到整個系統的性能的。由于色散效應而導致的脈沖展寬，致使毗鄰的信號間重疊干擾。脈沖的展寬是距離和色散系數D的函數。色散系數D的單位是ps/nm/km，也是波長的函數。一般標準單模光纖在1.55m波長范圍內，D的大小通常為17ps/nm/km。7.2.2 色散補償模型設計布局圖如圖7.1所示，我們利用OptiSystem設計這樣的布局對其色散補償進行仿真和分析。對初始時的脈沖波形，以及經過10km非線性色散光纖或的脈沖波

48、形，以及最后經過FBG色散補償器后的脈沖波形進行檢測和分析，從而設計和改善系統中的色散補償性能。 圖7.1 理想色散補償元件的色散補償布局圖而該布局中的關鍵元件：FBG色散補償器的屬性設定可參見下圖7.2： 圖7.2 FBG色散補償器的屬性設定圖各元件的參數設定好后，可以運行模擬，然后我們可得到以下一系列結果。在40Gb/s碼率和0.5 Time Bit Slot的系統中，由Optical Gaussian Pulse Generator產生的初始脈沖寬度約為35ps。（見圖7.3） 產生的光信號入纖傳輸，經過了10km的單模光纖后其脈沖寬度由于色散展寬約為160ps。（見圖7.4）其脈寬將近

49、增寬了4倍于初始的寬度。為了對這個色散導致的脈沖失真進行復原和補償，這里使用了一個FBG色散補償元件來對脈沖波形進行復原。其中色散補償值可以調節(jié)，這里設為-160ps/nm。經過模擬后，我們可在Optical Time Domain Visualizer中觀察經補償元件后的脈沖波形（圖7.5）可以看到經過補償后的脈沖寬度復原到初始狀態(tài)。 圖7.3 入纖前光脈沖的波形圖 圖7.4 經過10km后的脈沖波形圖 圖7.5 經過色散補償器的光脈沖波形 可見，模擬出的結果和我們經計算預期的結果相當一致，這也為我們對提供的色散補償元件的性能做了很好的性能測試和模擬。8 孤子和孤子系統（Soliton Systems）8.1 孤子和孤子系統簡介 長久以來，光纖的損耗和色散是制約光通訊系統中繼距離的主要因素，特別是對碼率在1Gb/s以上的傳輸系統，由于光纖固有色散的影響，使得所接收的光信號中存在脈沖展寬現象，嚴重的限制了系統的傳輸距離。而光孤子技術的產生就是為了解決這個難題。8.1.1 光孤子 光孤子是一種可長距離、無畸變傳輸的光脈沖，即