OptiSystem仿真实例

OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 OptiSystem 仿真实例仿真实例 目目 录录 1光发送机 光发送机 Optical Transmitters 设计 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 LiNbO3 型 Mach Zehnder 调制器的啁啾 Chirp 分析 2光接收机 光接收机 Optical Receivers 设计 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 光纤 Optical Fiber 系统设计 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 光放大器 Optical Amplifiers 设计 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 光波分复用系统 WDM Systems 设计 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 光波系统 Lightwave Systems 设计 设计 6 1 光波系统简介 6 2 光波系统使用 OptiSystem 设计模型案例 40G 单模光纤的单信道传输系统设计 7色散补偿 色散补偿 Dispersion Compensation 设计 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 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 9结语结语 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 1 光发送机 光发送机 Optical Transmitters 设计 设计 1 1 光发送机简介光发送机简介 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 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 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 光发送机模型设计案例 铌酸锂 铌酸锂 LiNbO3 型 型 Mach Zehnder 调制器中调制器中 的啁啾 的啁啾 Chirp 分析 分析 1 2 1 设计目的设计目的 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 LiNO3 晶体构成 本设计实例中 我们通过对该晶体外加 电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 图 2 外调制激光发射机 图 1 3 双驱动型 LiNbO3 Mach Zehnder 调制激光发送机设计 图 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 1 2 4 模拟分析模拟分析 在图 1 3 中 驱动电路 1 的电压改变量 V1和驱动电路 2 的电压改变量 V2是相同的 图 1 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 3 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 V2大小分 别为 V1的 1 0 3 倍 后到 MZ 调制器的另一个输入口 啁啾 Chirp 量可根据两路的驱动偏压值得到 如公式 1 1 其中 V1 V2分别为两个驱动 电路的驱动电压 为啁啾系数 1 V V 21 21 V V 图 1 5 为一系列信号脉冲输入时 在 2 3 口的电压 V1 V2 2 0V 时波形 根据公式 1 1 可知在这种情况下 啁啾系数 为 0 而实际模拟出来的结果可见图 1 6 图 1 4 LiNbO3 Mach Zehnder 调制器的参数设置 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 V1 3V2 3 0V 时 根据公 式 1 可得到 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 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 图 1 6 V1 V2 2 0V 时 输出的光信号波形及其啁啾量 Chirp OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 以上两次不同 V1 V2外置偏压的情况下 OptiSystem 提供了实际情况的模拟仿真 并 图 1 7 当 V1 3V2 3 0V 时 输入口 2 3 的电信号波形 图 1 8 当 V1 3V2 3 0V 时 输出的光信号强度及其啁啾量大小 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 可得到一系列结果 1 当 V1 V2 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 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 V1 3V2 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 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 LiNbO3 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 的啁啾的分析可参见文献 1 3 参考文献 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 2 光接收机 光接收机 Optical Receivers 设计 设计 2 1 光接收机简介光接收机简介 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 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 图 2 1 光接收机的一般结构 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 光接收机模型设计案例 PIN 光电二极管的噪声分析光电二极管的噪声分析 2 2 1 设计目的设计目的 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 hf 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 光电效应 增益 前放 光检测器 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 图 2 3 光电二极管的噪声分析 的设计布局图 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 3 光纤 光纤 Optical Fiber 系统设计 系统设计 3 1光纤简介光纤简介 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 率高的中心部分叫纤芯 其折射率为 n1 折射率低的外围部分称为包层 折射率为 n2 n1 如图 3 1 在本章中 并不针对光纤具体的折射 率分布等设计参数进行详细介绍和讨论 因为 OptiWave 提供了专门针对光纤设计 和分析的专门软件 OptiFiber 而 OptiSystem 可以将在 OptiFiber 中设计的光纤直接输入调用 十分方便 在本章中 我们主要讨论的是光纤的损耗 色散以及非线性等传输过程中的效应对光 通讯系统的性能的分析以及影响 涂覆层 包层 纤芯 图 3 1 光纤结构 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 3 1 1光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个至关重要的问题 低损耗是实现远距离光通讯 的前提 光纤损耗的原因十分复杂 归结起来主要包括 吸收损耗和散射损耗 以及辐射 损耗 1 吸收损耗 吸收损耗包括紫外吸收 红外吸收和杂质吸收等 它是材料本身所固有 的 因此是一种本征吸收损耗 2 散射损耗 散射与光纤材料及光波导中的结构缺陷 非线性效应有关 一般包括 瑞利散射损耗 波导散射损耗和非线性损耗 3 辐射损耗 光纤使用过程中 弯曲往往不可避免 在弯曲到一定的曲率半径时 就 会产生辐射损耗 3 1 2光纤的色散特性及带宽光纤的色散特性及带宽 光信号在光纤中传输时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 一般包括以下几种 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 在发送机多个 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 这是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 又称为结构色散 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 实际在单模光纤存在 各种少量随机的不确定性 不对称性 造成了两个偏振模的群时延不同 导致偏振 模色散 3 2光纤模型设计案例 自相位效应 光纤模型设计案例 自相位效应 SPM Induced Spectral Broadening 3 2 1设计目的设计目的 对自相位调制 Self Phase Modulation SPM 在脉冲传播上的模型进行模拟和验证 主要包括两个方面 1 脉冲啁啾 Pulse Chirping 2 脉冲光谱展宽 Pulse Spectral Broadening 3 2 2原理简介原理简介 自相位调制 SPM 效应可由式 3 1 进行描述 3 1 2 EEi z E 其中 E Z t 是电场波包 参数 由式 3 2 给出 3 2 02 eff cA n OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 在方程 3 2 中 0是光载波频率 n2是非线性折射率系数 Aeff是有效作用面面积 1 可根据方程 3 1 直接进行求解得到 0 exp 0 2 ztzEitzEtzE 从该式可知 经过自相位调制后 脉冲的波形 即 E z t 2 E z 0 t 2 不受影响 而相位变化项 NL E z 0 t 2表明经过自相位调制后 脉冲的瞬时频率相对原先载波的频 率 0已有所改变 频率改变量 t 由式 3 3 给出 3 3 t t NL 该频率的改变和时间的关系导致了啁啾声的产生 3 2 3模型的设计布局图模型的设计布局图 为了验证 SPM 效应 我们可以设计以下布局图 3 2 其中参数设定如图 3 3 图 3 2 自相位调制设计布局图 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 图 3 3 全局参数设定 上图 图 3 4 光纤参数设定 下图 在非线性光纤的参数设定中 我们只针对自相位调制效应进行检测分析 所以我们可 以禁掉其他非线性效应 如图 3 4 所示 当脉冲的峰值功率为 10mW 光纤长度设为 10km 时 得到的结果如图 3 5 所示 图 3 5 经过 10 73km 的光纤前 上图 后 下图 的脉冲波形和啁啾 从图 3 5 中可看到脉冲的波形保持不变 但由于自相位调制效应 产生了啁啾声 脉冲 前端红移 而后端蓝移 如果存在反常色散 则可能发生由于 SPM 的啁啾而导致脉冲波形 会变窄 这说明 SPM 效应和 GVD 的作用正好相反 为了观察 SPM 导致的光谱展宽 我们需要引入 max P0z 其中 P0是峰值功率 图 3 6 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 中为未啁啾高斯型输入脉冲在不同的最大相移值时 0 3 5 的光谱图 自相位调制和啁 啾以方程 3 1 联系在一起 根据图 3 5 在两个不同 t 值时的啁啾相同 说明在两个不同的 点上瞬时频率为相同的一个 这两个点代表两个相同频率的波 能够相长或者相消的互相 作用 导致了脉冲光谱的振荡结构 图 3 6 未啁啾高斯脉冲的不同相移时的光谱 由于 SPM 导致脉冲展宽依赖于脉冲波形和初始啁啾 图 3 7 为最大相移 max 4 5 时 输 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 出端的高斯脉冲的光谱和第三级高斯脉冲的光谱 图 3 7 最大相移 max 4 5 时输出端光谱和第三级高斯脉冲光谱 参考文献 参考文献 1 G P Agrawal Nonlinear Fiber Optics Academics Press 2001 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 4 光放大器光放大器 Optical Amplifiers 设计 设计 4 1 光放大器简介光放大器简介 光放大器 尤其是掺铒光纤放大器 EDFA 的研制成功使光纤通讯技术产生了革命 性的变化 用相对简单廉价的光放大器代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的 光 电 光混合式中继器 从而可实现比特率及调制格式的透明传输 尤其是和 WDM 技 术的珠联璧合 奠定了向未来的全光通信发展的基础 4 1 1 光放大器分类光放大器分类 主要有三类 1 半导体光放大器 SOA Semiconductor Optical Amplifer 2 掺稀土元素 铒 Er 镨 Pr 铷 Nd 的光纤放大器 主要是是 EDFA 还有 PDFA 等 3 非线性光纤放大器 主要是光纤喇曼放大器 FRA Fiber Raman Amplifier 针对目前以 EDFA 的发展最为迅速 应用也最为广泛 在本章中 主要以 EDFA 为主 要介绍和设计对象 但这里需要提到的是 OptiSystem 也提供了大量 SOA PDFA FRA 等 等光放大器的元件库 为设计者提供了十分便利的分析工具和功能 4 1 2 掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 掺铒光纤放大器的英文缩写为 EDFA 其基本结构如图 4 1 所示 EDFA 主要是由掺铒光纤 EDF 泵浦光源 耦合器 隔离器以及滤波器等组成 1 耦合器 Coupler 将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件 一般采用波分复用器 WDM 2 隔离器防止反射光影响光放大器的工作稳定性 保证光信号只能正向传输的无源 器件 光耦 合器 光隔 离器 光隔 离器 光滤 波器 泵浦 光源 掺铒光纤 输入光信号 输出光信号 图 4 1 EDFA 结构示意图 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 3 掺铒光纤是一段长度大约为 10 100m 的石英光纤 将稀土元素铒离子 Er3 注入 到纤芯中 浓度一般为 25mg kg 4 泵浦光源为半导体激光器 输出光功率约为 10 100mW 5 光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声 降低噪声对系统的影响 提高系统的信 噪比 此外 根据泵浦光源的泵浦方式不同 EDFA 又可包括三种结构方式 同向泵浦结构 反向泵浦结构和双向泵浦结构 EDFA 主要优点包括增益高 带宽大 输出功率高 泵浦效率高 插入损耗低和对偏 振不敏感等 4 2 光放大器模型设计案例 光放大器模型设计案例 EDFA 增益的优化增益的优化 4 2 1 设计目的设计目的 掺铒光纤放大器的主要性能指标是功率增益 输出饱和功率和噪声系数 EDFA 的带 宽通常在 30nm 以上 十分适用于多信道信号的同时放大 但 EDFA 用于波分复用 WDM 的主要问题就是增益谱不平坦 我们希望各信道有同样的增益 但 EDFA 增益 谱的双峰结构显然是不利的 尤其是级联 EDFA 链时 各信道的增益差会愈来愈大 噪声 累积会愈来愈严重 光信噪比大大下降 甚至系统无法工作 所以在本设计案例中 针对 16 信道的波分复用输入光信号 我们对 EDF 的长度和泵浦光源的功率参数值进行优化 以达到所预期的 16 个信道的增益平坦谱 4 2 2 原理简介原理简介 EDFA 的增益介质是纤芯中掺杂的稀土元素铒离子 Er3 的单模石英光纤 在泵浦源 作用下 在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布 产生了受激辐射 从而使光信号得到放大 由于 EDFA 具有细长的纤形结构 使得有源区达到能量密度很高 光和物质的作用区很长 这样降低对泵浦功率的要求 铒离子有三个工作能级 E1 E2和 E3 其中 E1能级最低为基态 E2能级为亚稳态 E3能级最高 称为激发态 Er3 在未受任何光激励的情况下 处于最低能级 E1上 当用泵 浦光源的激光不断激发光纤时 处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁 由于处于 E3这个高能级的粒子态不稳定 将迅速无辐射跃迁到亚稳态 E2上 在该能级上 粒子寿命 相对较长 由于泵浦光源不断激发 E2能级上的粒子数不断增加 而 E1能级上的粒子数则 减少 直至实现粒子数反转分布 当输入光信号 E hf 正好为 E2和 E1间的能级差时 则亚稳态 E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态 E1上 并辐射出和输入光信号中的 光子一样的全同光子 从而增加了光子数量 形成放大 4 2 3 模型设计布局图模型设计布局图 如图 4 2 所示 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 图 4 2 EDFA 增益平坦优化设计布局图 4 2 4 模拟分析模拟分析 关于 EDFA 增益平坦的优化可以以示意图 4 3 来说明 图 4 3 EDFA 增益平坦优化原理图 我们设定最终优化的目标为 16 个信道的增益在一平坦曲线上 如优化参数框设置图 4 4 4 7 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 对于优化设置的一些说明 Main 优化方式为 Gain Flatten 增益平坦方式 所要优化达成的目标为 Exact 优化 循环数为 60 结果公差为 10 有其他参数限制条件 图 4 4 图 4 4 EDFA 增益的多参数优化参数设置 Parameters 在本项中设置了需要优化的参数 一为泵浦光源的功率 这里选择 0 160mW 初始值为 100 另一为掺铒光纤的长度 范围为 1 40m 初始值为 4m 图 4 5 图 4 5 MPO 中要优化的参数 Result 这里要设定我们希望最后优化完成的目标 在本例中为 16 个信道的增益平坦一致 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 为 23dB 如图 4 6 所示 图 4 6 MPO 中的最后要达到的 16 信道增益平坦目标设定 Constraint 这里设定了两个限制条件 一为输出信号的最大 最小增益比 要求小于 0 5 另一为光功率计检测到的总功率大于 8 5dB 图 4 7 MPO 对 EDFA 增益平坦优化的限制参数设定 Advanced 一些其他高级设置 在本例中使用缺省值即可 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 选择运行对话框中的优化 Optimization 并运行 可看到运行优化的过程如图 4 8 所示 图 4 7 EDFA 增益的优化进程 我们可分别得到 EDF 的长度和泵浦光源的功率的最终优化值 最终 我们可以通过 Dual Port WDM Analyzer 来分析模拟后得到的 16 个信道数据 如图 4 8 所示 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 一些统计数据如图 4 9 图 4 8 WDM Analyzer 数据分析 我们可以进一步用光谱仪 OSA 对经过 EDFA 前后的 16 个信道的光信号做检测分析 从以上结果分析可以很清楚的得到经过 OptiSystem 的计算机辅助优化后 信号的增益在一 个平坦的曲线上 这可从为经过 EDFA 的光谱图 图 4 9 和经过 EDFA 的光谱图 图 4 10 的比较看出 优化的结果是十分成功的 这为我们提供了对所要设计的元件参数的 改进和优化指明了方向 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 图 4 9 未经过 EDFA 的 16 信道光谱图 图 4 10 为经过 EDFA 的光谱图 绿色曲线为存在的噪声 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 5 光波分复用系统 光波分复用系统 WDM Systems 设计 设计 5 1 光波分复用系统简介光波分复用系统简介 光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号 在发射 端经复用器汇合 并将其耦合到同一根光纤中进行传输 在接收端通过解复用器对各种波 长的光载波信号进行分离 然后由光接收机做进一步的处理 使原信号复原 这种复用技 术不仅适用于单模或多模光纤通信系统 同时也适用于单向或双向传输 波分复用系统的工作波长可以从 0 8 m 到 1 7 m 由此可见 它可以适用于所有低衰 减 低色散窗口 这样可以充分利用现有的光纤通信线路 提高通信能力 满足急剧增长 的业务需求 5 1 1 光波分复用系统的结构光波分复用系统的结构 光波分复用系统一般有单向和双向两种结构 这里出一个单向 8 信道 WDM 点 点通信 系统的示意图 5 1 N 个光发送机发送 N 个不同波长的光信号按一定的间隔排列 在复用 器 MUX 中复合在一起送入到传输光纤信道中 在光接收机端 这 N 个波长光信号由 解复用器 DEMUX 分离后送到相应的可调谐的光接收机 传输信道中间包括了诸如 EDFA 光纤等各种元件 图 5 1 点 点的 8 信道 WDM 系统 5 1 2WDM 光通信结构组成光通信结构组成 如图 5 1 所示 一般在 WDM 系统中的关键组件包括 1 滤波器 在 WDM 系统中进行信道选择 只让特定波长的光通过 并组织其他光波 长通过 可调谐光滤波器能从众多的波长中选出某个波长让其通过 在 WDM 系统 的光接收机中 为了选择所需的波长 一般都需依赖于其前端的可调谐滤波器 要 求其有宽的谱宽以传输需要的全部信号谱成分 且带宽要窄以减小信道间隔 2 复用器 解复用器 MUX DEMUX 将多个光波长信号耦合到一路信道中 或使 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 混合的信号分离成单个波长供光接收机处理 一般 复用 解复用器都可以进行互 易 其结构基本是相同的 实际上即是一种波长路由器 使某个波长从指定的输入 端口到一个指定的输出端口 5 2 波分复用系统 波分复用系统 WDM 模型设计案例 阵列波导光栅波分复用器 模型设计案例 阵列波导光栅波分复用器 AWG 的设计分析 的设计分析 5 2 1 设计目的设计目的 使用 OptiSystem 模拟仿真 AWG 波分复用系统 检测其波长选择性能 5 2 2原理简介原理简介 阵列波导光栅 AWG Arrayed Waveguide Grating 波分复用器由输入输出波导 两 个 N N 平面波导星形耦合器及 AWG 构成 集成制造在 Si 或 InP 衬底上 该复用器的核 心是 AWG 它是一系列规则排列的波导 相邻波导间有一恒定的光程差 L 对波长为 的信号 每个波导中产生一个相对相移 2 L 因此 AWG 相当于一个相位光栅 所以可 以进行波长选择 N N 平面波导星形耦合器将所有输入波导中的光辐射到中间的自由空间区域 然后再 将它们耦合到所有的输出波导中 自由空间区域的形状用天线理论和傅立叶光学原理设计 在 AWG 波分复用器中 输入光信号先辐射进第一个平面波导区 然后激励阵列波导 传输通过阵列波导后 光束在第二个平面波导区的焦点上产生相长性干涉 焦点位置决定 于信号波长 结果在特定的端口输出 当波长不同时 焦点位置不同 输出的端口也不 同 5 2 3模型设计布局图模型设计布局图 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 图 5 1 AWG WDM 系统设计布局图 上图 5 1 为阵列波导光栅波分复用器 其设计主要调用了由 OptiBPM 提供的 WDM Phasar 设计的 AWG 元件 运行编译后 我们可以使用 OSA 直接观察从 AWG 解复用出来的各个信道信号 如 图 5 2 所示 为信道 1 的光谱图 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 图 5 2 AWG 信道 1 的谱图 而 AWG 的各信道透射谱可得到 如图 5 3 所示 从中我们可以了解到 AWG 波分复用器的 性能 图 5 3 AWG 透射谱 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 6 光波系统 光波系统 Lightwave Systems 设计 设计 6 1 光波系统简介光波系统简介 OptiSystem 给用户最重要的功能便是对光通讯系统的模拟 仿真和优化 它把各种分 立的有源 无源的元器件有机的组合起来 组成了不同类型 不同用途的光纤通讯系统与 网络 对一个光纤通信系统的基本要求是 1 传输距离 2 要求的传输带宽及码率 3 系统的保真性 误码率 BER 信噪比及失真等 4 可靠性和经济性 用户可以使用 OptiSystem 方便的设计光通讯系统的各种方案和模型 以解决实际应用 中的各种具体问题 6 2 模型设计案例 模型设计案例 40G 单模光纤的单信道传输系统设计单模光纤的单信道传输系统设计 6 2 1 设计目的设计目的 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设计原理设计原理 典型情况下 单模光纤在 1 55 m 时的 2 20ps2 km 传输导致的色散系数 D 为 16ps nm km 当系统的码率 B 40Gb s 时 TB 25ps 相应色散长度 LD约为 2 8km 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 kmnm ps D17 色散斜率 kmnm psD 2 08 0 非线性系数 Wkm 1 31 1 线性损耗 0 2dB km 光纤长度 LSMF 50km 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 kmnm ps D80 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 色散斜率 kmnm psD 2 08 0 非线性系数 Wkm 1 24 5 线性损耗 0 5dB km 光纤长度 LDCF 10km 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 7 色散补偿 色散补偿 Dispersion Compensation 设计 设计 7 1 色散简介色散简介 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原理简介原理简介 光载波以相速 vp 传播 其中 2 n 为传播常数 为光载波频率 波包则以 群速度 vg传播 其公式为 7 1 vg d d 光脉冲沿光纤单位长度长传播的延时称为群时延 它可表示为 7 2 2 11 2 0 d d cdk d cvg 其中 c 为光速 k0 2 可见 群时延与波长有关 某一特定模式内的每个光谱成 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 55 m 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色散补偿模型设计布局图 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 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 OptiSystem 仿真软件实例仿真软件实例 件的性能做了很好的性能测试和模拟 8 孤子和孤子系统 孤子和孤子系统 Soliton Systems 8 1 孤子和孤子系统简介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