光纤通信技术仿真实验

光纤通信技术仿真实验 光纤通信技术仿真实验 1 光发送机(Optical Transmitters)设计 1.1 光发送机简介 1.2 光发送机设计模型案例:铌酸锂(LiNbO)型Mach-Zehnder调制器的啁啾(Chirp)3 分析 2 光接收机(Optical Receivers)设计 2.1 光接收机简介 2.2 光接收机设计模型案例:PIN光电二极管的噪声分析 3 光纤(Optical Fiber)系统设计 3.1 光纤简介 3.2 光纤设计模型案例:自相位调制(SPM)导致脉冲展宽分析 4 光放大器(Optical Amplifiers)设计 4.1 光放大器简介 4.2 光放大器设计模型案例:EDFA的增益优化 5 光波分复用系统(WDM Systems)设计 5.1 光波分复用系统简介 5.2 光波分复用系统使用OptiSystem设计模型案例:阵列波导光栅波分复用器(AWG ) 的设计分析 6 光波系统(Lightwave Systems)设计 6.1 光波系统简介 40G单模光纤的单信道传输系统设计 6.2 光波系统使用OptiSystem设计模型案例: 7 色散补偿(Dispersion Compensation)设计 8.1 色散简介 8.2 色散补偿模型设计案例:使用理想色散补偿元件的色散补偿分析 8 孤子和孤子系统(Soliton Systems) 9.1 孤子和孤子系统简介 9.2 孤子系统模型设计案例: 1 光发送机(Optical Transmitters)设计 1.1 光发送机简介 一个基本的光通讯系统主要由三个部分构成，如下图1.1所示: 图1.1 光通讯系统的基本构成 1)光发送机 2) 传输信道 3)光接收机 作为一个完整的光通讯系统，光发送机是它的一个重要组成部分，它的作用是将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。光发送机的核心是光源及其驱动电路。现在广泛应用的有两种半导体光源:发光二级管(LED)和激光二级管(LD)。其中LED输出的是非相干光，频谱宽，入纤功率小，调制速率低;而LD是相干光输出，频谱窄，入纤功率大、调制速率高。前者适宜于短距离低速系统，后者适宜于长距离高速系统。 一般光发送机由以下三个部分组成: 1) 光源(Optical Source):一般为LED和LD。 2) 脉冲驱动电路(Electrical Pulse Generator):提供数字量或模拟量的电信号。 3) 光调制器(Optical Modulator):将电信号(数字或模拟量)“加载”到光波上。以 光源和调制器的关系来看，可划分为光源的内调制和光源的外调制。采用外调制器， 让调制信息加到光源的直流 输出上，可获得更好的调制特 性、更好的调制速率。目前常 采用的外调制方法为晶体的 电光、声光及磁光效应。 图1.2为一个基本的外调制激光 发射机结构:在该结构中，光源为频 率193.1Thz的激光二极管，同时我们 使用一个Pseudo-Random Bit Sequence Generator模拟所需的数字信 号序列，经过一个NRZ脉冲发生器 (None-Return-to-Zero Generator转换图2 外调制激光发射机 为所需要的电脉冲信号，该信号通过 一个Mach-Zehnder调制器，通过电光效应加载到光波上，成为最后入纤所需的载有“信息”的光信号。 1.2 光发送机模型设计案例:铌酸锂(LiNbO)型Mach-Zehnder调制器中的3 啁啾(Chirp)分析 1.2.1 设计目的 通过本设计实例，我们对铌酸锂Mach-Zehnder调制器中的外加电压和调制器输出信号的啁啾量的关系进行了模拟和分析，从而决定具体应用中MZ调制器的外置偏压的分布和大小。 1.2.2 原理简介 对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子浓度的变化是随注入电流的变化而变化。这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，导致所谓的啁啾现象。啁啾是高速光通讯系统中一个十分重要的物理量，因为它对整个系统的传输距离和传输质量都有关键的影响。 1.2.3 模型的设计布局图 外调制器由于激光光源处于窄带稳频模式，我们可以降低或者消除系统的啁啾量。一个典型的外调制器是由铌酸锂(LiNO)晶体构成。本设计实例中，我们通过对该晶体外加电3 压的分析调整而最终减少该光发送机中的啁啾量，其模型的设计布局图如图1.3所示: Mach-Zehnder调制激光发送机设计图 图1.3 双驱动型LiNbO3 1.2.4 模拟分析 在图1.3中，驱动电路1的电压改变量ΔV和驱动电路2的电压改变量ΔV是相同的。图121.4为MZ调制器的参数设定窗口。其中MZ调制器以正交模式工作，外置偏压位于调制器 光学响应曲线的中点，使偏压强度为其峰值的一半。而消光系数设为200dB，以避免任何由 [3]，于不对称Y型波导而导致的啁啾声。对于双驱动调制器而言，两路的布局是完全一样的所以这里可使用一个Fork将信号复制增益(本例设有三次参数扫描过程中，V大小分别为2V的-1，0，-3倍)后到MZ调制器的另一个输入口。 1 Mach-Zehnder调制器的参数设置 图1.4 LiNbO3 啁啾(Chirp)量可根据两路的驱动偏压值得到，如MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714254867399_11.1，其中V，V分别为两个驱动12电路的驱动电压，α为啁啾系数: ，VV12, , (1) ,VV12 图1.5为一系列信号脉冲输入时，在2，3口的电压V= –V= 2.0V时波形。根据公式1.1可12 知在这种情况下，啁啾系数α为0，而实际模拟出来的结果可见图1.6。 图1.5 输入口2的电压为2.0V，输入口3的电压为-2.0V时的电压波形 =-V=2.0V时，输出的光信号波形及其啁啾量(Chirp) 图1.6 V12 此外，为了观察啁啾量随电压的改变情况，当设定外加偏压为V= -3V=3.0V时，根据公式12 1可得到α为0.5，输入口2，3和输出口的信号波形可参见图1.7，1.8: = -3V=3.0V时，输入口2，3的电信号波形 图1.7 当V12 以上两次不同V，V外置偏压的情况下，OptiSystem提供了实际情况的模拟仿真，并12可得到一系列结果: 1 ) 当V=-V=2.0V时，如图1.6所示，其中的亮红线为光发射器的啁啾量，可得到其12 大小约为100Hz;相对于光源的频率，这个啁啾量在实际情况中可基本视为零。 2 ) 当V=-3V=3.0V时，如图1.8所示，啁啾量的大小约为3GHz，这个大小的啁啾量12 在实际情况中对输出光信号的灵敏度以及最终所能传输的距离都会有十分严重的影响，需要 设计者避免和消除。 从本设计案例中，我们可以利用OptiSystem提供的元件和分析功能设计并得到关于 LiNbO Mach-Zehnder调制器中的啁啾量大小随两路输入电压的变化关系，从而可在实际设3 计时针对一些参数进行设定和分析，以得到最佳的效果;更多关于Mach-Zehnder调制器的 [1-3]啁啾的分析可参见文献。 参考文献: [1] Cartledge, J.C.; Rolland, C.;Lemerle, S.;Solheim, A., “ Theoretical performance of 10Gbps lightwave systems using a III-V semiconductor Mach-Zehnder modulator. IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 6 Issue: 2 , Feb .1994, Pages:282-284. [2] Cartledge, J.C.; “Performance of 10Gbps lightwave systems based on lithium niobate Mach-Zehnder modulators with asymmetric Y-branch waveguides”. IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 7 Issue: 9, Sept. 1995, Pages: 1090-1092. [3] AT&T Microelectronics. “The Relationship between Chirp and Voltage for the AT&T Mach-Zehnder Lithium Niobate Modulators”. Technical Note, October 1995. 2 光接收机(Optical Receivers)设计 2.1 光接收机简介 在光纤通讯系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出由光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通讯系统的性能。一般一个基本的光接收机有以下三个部分组成，可见图2.1: 图2.1 光接收机的一般结构 1) 光检测器 通常，接收到光脉冲所载的信号代表着0或者,的数位，利用光检测器，其转变为电信号。目前广泛使用的光检测器是半导体光电二极管，主要有PIN管和雪崩光电二极管，后者又称APD管。 2) 放大器 包括前置放大器和主放大器，前者与光电检测器紧相连，故称前置放大器。在一般的光纤通讯系统中，经光电检测器输出的光电流是十分微弱的，为了保证通信质量，显然，必须将这种微弱的电信号通过放大器进行放大。在OptiSystem提供的Photodiode元件中已内置了前置放大器。 3) 均衡器、滤波器 需要均衡器、滤波器等其他电路装置对信号进行进一步的处理，消除放大器及其他部件(如光纤)等引起的波形失真，并使噪声及码间干扰减到最小。接收机的噪声和接受机的带宽是成正比的，当使用带宽小于码率的的低通滤波器时，可以降低系统的噪声。 4) 解调器 为了使信码流能够并有利于在光纤系统中传输，光发射机输出的信号是经过编码处理的，为了使光接收机输出的信号能在PCM系统中传输，则需要将这些经编码处理的信号进行复原。 在该结构中，在已经内建了判决器和时钟恢复电路的误码率分析仪(BER Analyzer)中可以得到最终复原的信号，并可对最终的输出信号的误码率等各项参数进行检测、分析。 2.2 光接收机模型设计案例:PIN光电二极管的噪声分析 2.2.1 设计目的 影响光接收机性能的主要因素就是接收机内的各种噪声源。接收机中的放大器本身电阻会引入热噪声(Thermal Noise)，而放大器的晶体管会引入散粒噪声(Shot Noise)，而且多级放大器中会将前级的噪声同样放大，计算分析这些噪声对我们分析、优化光接收机以及整个光通讯系统都是有十分重要的作用。 2.2.2 原理简介 噪声是一种随机性的起伏量，它表现为无规则的电磁场形式，是电信号中一种不需要的成分，干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。在光接收机中，可能存在多种噪声源，它们的引入部位如图2.2所示。 光检测器 hf 增益 前放 光电效应 偏置电阻 ?量子(散粒)噪声?暗电流噪声?倍增噪声 ?热噪声 ?放大器噪声 ?背景噪声?漏电流噪声 图2.2 光接收机中的噪声源及其分布 2.2.3 模型的设计布局图 图2.3为PIN光电二极管噪声分析的OptiSystem设计布局图: 图2.3 光电二极管的噪声分析 的设计布局图 图2.4 光电二极管的Shot Noise(上图) 图2.5 光电二极管的Thermal Noise(下图) 如图2.3所示，从外调制激光发送机输出的调制光信号，经衰减器后，由Fork复制为两路相同的信号分别送入不同噪声设置的光电二极管。上端的PIN管不考虑热噪声，而具有Shot Noise;而下端的PIN管的热噪声为1.85e-25W/Hz，没有Shot Noise，然后分别送入滤波器和最终的误码率分析仪中，其中两路中的低通滤波器的截止频率和码率都是一样的。在图2.4中，用户可以看到上端PIN管中Shot Noise是依赖于信号强度大小的。而在图2.5中，下端的PIN管不计入Shot Noise，而只考虑热噪声;可以发现该噪声的大小也是依赖于信号强度的。从本例中，我们可以观察到热噪声和散粒噪声对最终传输的信号质量的影响，并可以根据数据模拟有个定量的分析和计算。此外，还可以对噪声参数的调试，观测不同噪声对整个系统性能的影响程度的大小。并且，我们可以得出，在这样一个小信号系统中，光检测器的偏置电阻及放大器电路的热噪声是最主要的噪声源。 3 光纤(Optical Fiber)系统设计 3.1 光纤简介 光纤通信与电信的主要差异之一，即是利用光纤来传输光信号。光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤大多数是利用石英材 料做成的横截面很小的双层同心玻璃体， 外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高包层 涂覆层 的中心部分叫纤芯，其折射率为n;折射1 率低的外围部分称为包层，折射率为n2 ( 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和模型。以解决实际应用中的各种具体问题。 6.2 模型设计案例:40G单模光纤的单信道传输系统设计 6.2.1 设计目的 在40G高速光纤通信系统中，最重要，也是最主要的问题就是系统中产生的线性色散问题，所以我们希望通过OptiSystem模型的建立，对真实情况下色散的问题进行模拟和解决，以期在实际应用中选择并达到最佳通信质量和性能。 6.2.2 设计原理 2 典型情况下，单模光纤在1.55μm时的β=-20ps/km传输导致的色散系数D为2 16ps/(nm.km) 。当系统的码率B = 40Gb/s时，T=25ps，相应色散长度L约为2.8km。 BD 在对40Gb/s码率单模光纤中的归零型(RZ)和非归零型(NRZ)的传输过程中需考虑到:群速度色散、Kerr非线性效应导致的自相位调制，线性损耗、ASE噪声的周期性放大。具体的计算分析可见下节。 6.2.3 模型设计布局图 图6.1和6.2是分别针对RZ和NRZ型调制的布局设计图: 图6.1 RZ型调制的40Gb/s光波系统 图6.2 NRZ型调制的40Gb/s光波系统 一些全局参数为: 所以 Number of Samples = Sequence Length*Sample per Bit = 16384 Time Window = Sequence Length * Bit Slot = 3.2ns Sample interval = Time Window/ Number of Samples = 0.195ps Sample rate = 1/ the sampling interval = 5.12THz 其中两个Layout中的Pseudo-random Bit Sequence generators的设定是相同的。 而对于RZ generator有以下属性: Rectangle Shape : Gaussian Duty Cycle = 0.5 Bit Rise Time = 0.15 Bit Fall Time = 0.25 Bit 使用外调制连续波长激光器(1550nm，线宽0.1MHz)作为光源。 对于单模光纤，可得到: 色散系数D: ps，，D,17 ,,nm,km，， 色散斜率: ,Dps，，0.08, 2,,,,nm,km，， 非线性系数: 1，，,,1.31 ,,km,W，， 线性损耗: α=0.2dB/km 光纤长度: L= 50km SMF 经过单模光纤的损耗后，使用一个EDFA补偿这个线性损耗。 对于色散补偿光纤，具有以下属性: 色散系数: ps，，D,,80 ,,nm,km，， 色散斜率: ,Dps，，0.08, 2,,,,nm,km，， 非线性系数: 1，，,,5.24 ,,km,W，， 线性损耗: α=0.5dB/km 光纤长度: L= 10km DCF 经过DCF光纤的损耗后，使用一个EDFA补偿这个线性损耗。 Bessel光滤波器的波长为1550nm，带宽为4* Bit Rate 低通Bessel电滤波器的截止频率为0.75* Bit Rate 这里使用OptiSystem提供的理想EDFA作为增益补偿器(也考虑到了ASE噪声)，经过EDFA 后，单模光纤的增益为10dB，噪声为6dB。(DCF中相应的数值为5dB和6dB)。 首先，我们对RZ型和NRZ型加以比较。 在500km中SMF(10Loops*50km)经每一次的增益补偿，最大Q影响因子和输入功率的曲 线如图6.3所示;而误码率分析仪眼图则表征出最佳点的输入功率约为4mW 图6.3 RZ型的40Gb/s系统仿真结果 当传输距离大于500km时，最大Q影响因子会小于6，即这是会有较好Q性能的最大传输距离。 图6.4中为NRZ型的高色散光纤的40G系统，传输距离为250km(5loops*50km)，根据BER分析仪的眼图，在输入功率约为1.25mW处，最大影响因子Q具有最佳值。 图6.4 NRZ型的40Gb/s系统模拟结果 当传输距离大于250km时，最大影响因子Q会小于6，即这是会有较好Q性能的最大传输距离。 从以上两套系统的影响因子曲线的比较可以看出，我们可以清楚的看到RZ型有较大输入功率。表明RZ调制的Duty Cycle = 0.5要优于传统的NRZ调制格式。 其次，我们会对40Gb/s单模光纤传输系统RZ调制中的累积放大噪声和自相位调制的影响做一定分析。有以下两种情况: , 自相位调制假设为0 , 不考虑噪声因素 图6.5为具体的分析结果: 图6.5 40Gb/s系统，传输距离为500kg时的Max Q VS Input Power曲线 由上图可见，在低输入功率系统中，影响系统性能的主要因素为累积噪声放大效应;而在高输入功率阶段，传输距离则由于自相位调制而大幅度减小。 从以上分析可得到在不同输入功率时，系统性能，例如传输距离的大小有不同权重的因素所导致，这为我们在具体应用中提供了良好的分析方向和优化工具。 7 色散补偿(Dispersion Compensation)设计 7.1 色散简介 光信号在光纤传输中不但幅度会因损耗而减小，波形亦会发生愈来愈大的失真，脉冲展宽，从而限制了光纤的最高信息传输速率。这种失真是由于信号中的各种分量在光纤中的群速度不同(因而时延不同)引起的。这些分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量及光纤中的不同模式分量。时延失真是由于光纤色散而产生的，光纤色散包括以下四种: (1) 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。在发送端多个 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。 (2) 波导色散: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，因此又称结构色散。 (3) 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。 (4) 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，若光纤中结构完全轴对称，则这两个正交偏振模有完全相同的群时延，不产生色散。实际单模光纤存在少量的不对称性，造成两个偏振模的群时延不同，导致所谓的偏振模色散。 在这四项色散中，波导色散和材料色散正比于光源的谱宽，故总称波长色散，它们的相对大小，与光源本身谱宽及调制边带宽度有关。对单模光纤，没有模间色散，波导色散与材料色散是主要的，它们的相对大小又与工作波长有关。对于多模光纤，模间色散与材料色散是主要的，波导色散可略去不计。 7.2 色散分析模型设计实例:使用理想色散补偿元件的色散补偿分析 7.2.1 原理简介 光载波以相速v = ω/β传播，其中β=2πn/λ为传播常数，ω为光载波频率。波包则以群p 速度v传播，其公式为 g ,d,v (7.1) gd, 光脉冲沿光纤单位长度长传播的延时称为群时延τ，它可表示为 2,,,dd11,, (),,,, (7.2)vcdk,cd,2g0 其中c为光速，k = 2π / λ。可见，群时延与波长有关。某一特定模式内的每个光谱成0 分在通过一定距离时所需的时间不同而产生时延差。 在本设计案例中，我们会了解到色散补偿功能是如何影响到整个系统的性能的。由于色散效应而导致的脉冲展宽，致使毗邻的信号间重叠干扰。脉冲的展宽是距离和色散系数D的函数。色散系数D的单位是ps/nm/km，也是波长的函数。一般标准单模光纤在1.55μm波长范围内，D的大小通常为17ps/nm/km。 7.2.2 色散补偿模型设计布局图 如图7.1所示，我们利用OptiSystem设计这样的布局对其色散补偿进行仿真和分析。对初始时的脉冲波形，以及经过10km非线性色散光纤或的脉冲波形，以及最后经过FBG色散补偿器后的脉冲波形进行检测和分析，从而设计和改善系统中的色散补偿性能。 图7.1 理想色散补偿元件的色散补偿布局图 而该布局中的关键元件:FBG色散补偿器的属性设定可参见下图7.2: 图7.2 FBG色散补偿器的属性设定图 各元件的参数设定好后，可以运行模拟，然后我们可得到以下一系列结果。 在40Gb/s码率和0.5 Time Bit Slot的系统中，由Optical Gaussian Pulse Generator产生的初始脉冲宽度约为35ps。(见图7.3) 产生的光信号入纤传输，经过了10km的单模光纤后其脉冲宽度由于色散展宽约为160ps。(见图7.4)其脉宽将近增宽了4倍于初始的宽度。为了对这个色散导致的脉冲失真进行复原和补偿，这里使用了一个FBG色散补偿元件来对脉冲波形进行复原。其中色散补偿值可以调节，这里设为-160ps/nm。经过模拟后，我们可在Optical Time Domain Visualizer 中观察经补偿元件后的脉冲波形(图7.5)可以看到经过补偿后的脉冲宽度复原到初始状态。 图7.3 入纤前光脉冲的波形图 图7.4 经过10km后的脉冲波形图 图7.5 经过色散补偿器的光脉冲波形 可见，模拟出的结果和我们经计算预期的结果相当一致，这也为我们对提供的色散补偿元件 的性能做了很好的性能测试和模拟。 8 孤子和孤子系统(Soliton Systems) 8.1 孤子和孤子系统简介 长久以来，光纤的损耗和色散是制约光通讯系统中继距离的主要因素，特别是对码率在1Gb/s以上的传输系统，由于光纤固有色散的影响，使得所接收的光信号中存在脉冲展宽现象，严重的限制了系统的传输距离。而光孤子技术的产生就是为了解决这个难题。 8.1.1 光孤子 光孤子是一种可长距离、无畸变传输的光脉冲，即使两波相互碰撞，也能保持彼此相对对立、互不影响。由于其形成的机理并不是这里需要介绍的重点，我们并不做详细介绍。而吸引光通讯工作者的原因在于，即使存在光纤色散的情况下，光孤子也能保持其宽度不变。当然，当存在光损耗时，由于光孤子峰值功率的减少，从而削弱了抵消群速度色散所引起的非线性影响。为了克服光纤损耗的影响，可以使用放大器对光孤子周期性放大，以变恢复其最初的宽度和峰值功率。 8.2 孤子模型设计案例:光孤子的相互作用 8.2.1 设计目的 通过本实例的设计分析，我们对粒子形式的光孤子的相互作用模型的模拟分析来了解光孤子的一些特性。 8.2.2 原理简介 由于非线性中的自相位调制(SPM)和色散效应间的平衡作用，基态光孤子的传输没有显著变化，其传输与其说波包，不如说更象粒子的传输。两光孤子相互作用后，并不受到影响，此外，同相孤子相互吸引，反相孤子相互排斥。当两个典型的同相孤子，间隔时间为T，相互作用后其间隔时间随传输周期性变化，并可由下式给出: TTsinhcosh,T2T00L,L collDTT，sinhTT00 其中，L是色散长度，T为脉冲宽度，在40Gb/s系统中，Sech Pulse的脉宽为0.5Bit，则D0 T=7.0902ps 0 则色散长度为: 22T7.09020 L,,,2.5135kmD,||202 当我们选择75ps的间隔时间后，可以得到碰撞长度L约为782km。 coll 8.2.3 模型设计布局图 为了验证原理简介中的结论，可通过图8.1的光孤子相互作用的模型布局图进行模拟分析。 图8.1 两个反相光孤子之间的相互作用的设计布局图 而图8.2为该设计的全局参数: 图8.2 反相光孤子相互作用的参数设定 为了获取所需的精确度，这里我们使用循环的分步傅立叶方法(Split-Step Fourier Method)，其参数设定如图8.3: 图8.3 循环式分布傅立叶方法的参数设定 对去全同的同相孤子而言，其布局图就是将图8.1中的移相器(Phase Shift)去掉即可。 在图8.4中为运算模拟后得到的结果。初始间隔时间为75ps、碰撞距离为782km的孤子对，两孤子相互吸引，然后在半个碰撞距离处碰撞叠加。作用后两孤子在相距一个碰撞距离的位置处完全复原至初始参数(其间隔时间为75ps)。 图8.4 同相孤子对的相互作用图 当我们分析对象是两个反相孤子对时，得到以下结果(见图8.5): 图8.5 反相孤子对的相互作用图