光纤通信实验指导书3

光纤通信实验指导书南昌工程学院通信工程专业2014年12月实验一光发射机的仿真验证与设计实验目的1．熟悉Optisystem实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光纤通信系统。2．利用Optisystem的优化功能仿真计算光纤通信系统的各项性能参数，并进行分析。3.分析LED和LD的谱宽及P/I特性。实验原理OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它的广泛应用包括：物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；CATV或者TDM∕WDM网络设计；SONET∕SDH的环形设计；传输器、信道、放大器和接收器的设计；色散图设计；不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估；放大的系统BER和连接预算计算。Optisystem环境是一种为利用元件库组建光纤通信系统，利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳的光纤通信系统。Optisystem通过3部分来实现光纤通信系统仿真，即：器件库、光学方案图编辑器、图形演示。1、器件库(1)发射器发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、编码器和比特序列发生器等。半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要的发射器部件。使用OptiSystem，用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些参数。当使用外调制的CW激光器时，对于啁啾和衰减来说，MQW马赫－曾德尔调制器和电吸收调制器的模型是基于测量的，并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵敏度的最小退化。对于随即数字发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同的调制模式和算法之间进行选择(2)光纤光纤是主要的传输通道。对于任意的WDM信号，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。在很大的条件范围内，这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素。(3)接收器用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。如果噪声用概率密度函数（PSD）来描述，PIN或者APD将采用基于高斯近似的准分析模型来计算噪声的作用。如果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFD来描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率相关的参数。在这个库中，用户可以考虑不同滤波器形式来设计接收器。(4)网络器件复用器∕解复用器，上路∕下路，阵列波导光栅，静态和动态开关，循环∕环形元件，交叉连接，·波长转换。(5)无源器件·滤波器，调制器，耦合器，分波器，合波器，环形器，隔离器，偏振器件，光纤光栅。(6)光放大器EDFA和拉曼放大器已经成为光纤网络所需的器件，从WDM网络转发器到CATV接线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem能使用户选择不同的模型，例如自定义增益和噪声系数的理想放大器，或者是基于测量或者速率方程静态或者动态的解的黑匣子模型。通过利用半导体激光器的多功能特性，可以完成放大和波长转换。(6)观察仪客户可以在任何器件使用观察仪来打开端口数据监视器，并且存取结果。数据监视器可以保存处理过的信号信息，而没有必要预先确定观察仪的类型。因此，一个OSA或WDM分析仪可以加在相同的监视器上，一旦一个计算完成，就不需要再次运算。库中可以利用的观察仪包括：·光∕射频频谱分析仪，示波器∕光时域分析仪，眼图分析仪，误码率分析仪，WDM分析仪，功率计。2、光学方案图编辑器这个界面可以让用户快速而有效的创建和修改自己的设计。每个OptiSystem方案文件可以包含足够多的设计版本。这些设计版本可以相互独立的被计算和修改，但是来自于不同版本的计算结果可以合并起来进行比较。3、图形演示OSA频谱、示波器和眼图，探针和可视化工具列出信号功率、增益、噪声系数和OSNR，图形生成工具可以对任何参数扫描的任意结果进行比较，直观的图形管理器使用户可以画出设计中使用的几乎所用的参数的曲线，·生成的图形组尺寸可变、视角可变换，并将这些视图转变成可以保存和重新使用的结果方案图，将复合图合并成3D图。实验内容LED的谱分布光源的谱分布情况决定了色散受限光传输系统的性能。LED谱分布是由自发辐射谱决定的，它是典型的高斯形状。在1300-1500nm区域，LED谱宽范围在50-180nm。要求学生分析1300nm波长的LED谱宽，项目如图1所示。具体谱分布及谱宽如图2，3所示,请学生验证结果并说明原因。半导体激光器的L（P）/I曲线L/I曲线是半导体激光器发射属性的特征，电流大小意味着激光器需要达到一定的功率值。这里要求在默认阈值电流Ith=33.45mA情况下，画出一个L（P）/I曲线。项目描述如下图所示。垂直腔面激光器有效性验证实验报告：按要求完成上述实验内容通过改变激光器的温率，观察光功率和频谱变化情况并说明原因实验一光接收机的噪声特性分析实验目的1．分析PIN接收机的散色噪声和热噪声特性分析。2.分析APD接收机的散色噪声和热噪声特性分析。实验原理OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它的广泛应用包括：物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；CATV或者TDM∕WDM网络设计；SONET∕SDH的环形设计；传输器、信道、放大器和接收器的设计；色散图设计；不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估；放大的系统BER和连接预算计算。Optisystem环境是一种为利用元件库组建光纤通信系统，利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳的光纤通信系统。Optisystem通过3部分来实现光纤通信系统仿真，即：器件库、光学方案图编辑器、图形演示。1、器件库(1)发射器发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、编码器和比特序列发生器等。半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要的发射器部件。使用OptiSystem，用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些参数。当使用外调制的CW激光器时，对于啁啾和衰减来说，MQW马赫－曾德尔调制器和电吸收调制器的模型是基于测量的，并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵敏度的最小退化。对于随即数字发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同的调制模式和算法之间进行选择(2)光纤光纤是主要的传输通道。对于任意的WDM信号，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。在很大的条件范围内，这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素。(3)接收器用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。如果噪声用概率密度函数（PSD）来描述，PIN或者APD将采用基于高斯近似的准分析模型来计算噪声的作用。如果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFD来描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率相关的参数。在这个库中，用户可以考虑不同滤波器形式来设计接收器。(4)网络器件复用器∕解复用器，上路∕下路，阵列波导光栅，静态和动态开关，循环∕环形元件，交叉连接，·波长转换。(5)无源器件·滤波器，调制器，耦合器，分波器，合波器，环形器，隔离器，偏振器件，光纤光栅。(6)光放大器EDFA和拉曼放大器已经成为光纤网络所需的器件，从WDM网络转发器到CATV接线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem能使用户选择不同的模型，例如自定义增益和噪声系数的理想放大器，或者是基于测量或者速率方程静态或者动态的解的黑匣子模型。通过利用半导体激光器的多功能特性，可以完成放大和波长转换。(6)观察仪客户可以在任何器件使用观察仪来打开端口数据监视器，并且存取结果。数据监视器可以保存处理过的信号信息，而没有必要预先确定观察仪的类型。因此，一个OSA或WDM分析仪可以加在相同的监视器上，一旦一个计算完成，就不需要再次运算。库中可以利用的观察仪包括：·光∕射频频谱分析仪，示波器∕光时域分析仪，眼图分析仪，误码率分析仪，WDM分析仪，功率计。2、光学方案图编辑器这个界面可以让用户快速而有效的创建和修改自己的设计。每个OptiSystem方案文件可以包含足够多的设计版本。这些设计版本可以相互独立的被计算和修改，但是来自于不同版本的计算结果可以合并起来进行比较。3、图形演示OSA频谱、示波器和眼图，探针和可视化工具列出信号功率、增益、噪声系数和OSNR，图形生成工具可以对任何参数扫描的任意结果进行比较，直观的图形管理器使用户可以画出设计中使用的几乎所用的参数的曲线，·生成的图形组尺寸可变、视角可变换，并将这些视图转变成可以保存和重新使用的结果方案图，将复合图合并成3D图。实验内容PIN接收机的噪声性能分析在光电接收机中有两种基本的噪声机制，散粒噪声和的热噪声。在PIN光电接收机中散粒噪声和热噪声造成信号退化，低通滤波器的截止频率和比特速率相同。上面系统是没有热噪声的光电检测器，输出端产生的噪声主要是散粒噪声。在图2中，这散粒噪声与信号幅度是相互独立的。在项目中下面系统是含散粒噪声的光电检测器，输出产生的噪声仅是热噪声。在图3中，这热噪声是与信息幅度是相关的。APD接收机的噪声性能分析对于相同的入射光功率，雪崩光电接收器通常提供一个高信噪比。如果我们增加乘子，在这情况下，热噪声将退化系统性能，因此，就需要找到优化APD增益。如果运行相同的仿真并且变化乘子的值，将会看到Q因子的变化，如图4所示。实验报告：按要求完成上述实验内容

。分析和总结PIN和APD光电检测器的噪声特性。实验三、OptiSystem用于EDFA设计实验目的1．熟悉Optisystem实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光纤通信系统。2．利用Optisystem的优化功能仿真计算光纤通信系统的各项性能参数，并进行分析。3.分析EDFA的优化方法。实验原理OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它的广泛应用包括：物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；CATV或者TDM∕WDM网络设计；SONET∕SDH的环形设计；传输器、信道、放大器和接收器的设计；色散图设计；不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估；放大的系统BER和连接预算计算。Optisystem环境是一种为利用元件库组建光纤通信系统，利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳的光纤通信系统。Optisystem通过3部分来实现光纤通信系统仿真，即：器件库、光学方案图编辑器、图形演示。1、器件库(1)发射器发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、编码器和比特序列发生器等。半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要的发射器部件。使用OptiSystem，用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些参数。当使用外调制的CW激光器时，对于啁啾和衰减来说，MQW马赫－曾德尔调制器和电吸收调制器的模型是基于测量的，并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵敏度的最小退化。对于随即数字发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同的调制模式和算法之间进行选择(2)光纤光纤是主要的传输通道。对于任意的WDM信号，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。在很大的条件范围内，这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素。(3)接收器用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。如果噪声用概率密度函数（PSD）来描述，PIN或者APD将采用基于高斯近似的准分析模型来计算噪声的作用。如果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFD来描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率相关的参数。在这个库中，用户可以考虑不同滤波器形式来设计接收器。(4)网络器件复用器∕解复用器，上路∕下路，阵列波导光栅，静态和动态开关，循环∕环形元件，交叉连接，·波长转换。(5)无源器件·滤波器，调制器，耦合器，分波器，合波器，环形器，隔离器，偏振器件，光纤光栅。(6)光放大器EDFA和拉曼放大器已经成为光纤网络所需的器件，从WDM网络转发器到CATV接线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem能使用户选择不同的模型，例如自定义增益和噪声系数的理想放大器，或者是基于测量或者速率方程静态或者动态的解的黑匣子模型。通过利用半导体激光器的多功能特性，可以完成放大和波长转换。(6)观察仪客户可以在任何器件使用观察仪来打开端口数据监视器，并且存取结果。数据监视器可以保存处理过的信号信息，而没有必要预先确定观察仪的类型。因此，一个OSA或WDM分析仪可以加在相同的监视器上，一旦一个计算完成，就不需要再次运算。库中可以利用的观察仪包括：·光∕射频频谱分析仪，示波器∕光时域分析仪，眼图分析仪，误码率分析仪，WDM分析仪，功率计。2、光学方案图编辑器这个界面可以让用户快速而有效的创建和修改自己的设计。每个OptiSystem方案文件可以包含足够多的设计版本。这些设计版本可以相互独立的被计算和修改，但是来自于不同版本的计算结果可以合并起来进行比较。3、图形演示OSA频谱、示波器和眼图，探针和可视化工具列出信号功率、增益、噪声系数和OSNR，图形生成工具可以对任何参数扫描的任意结果进行比较，直观的图形管理器使用户可以画出设计中使用的几乎所用的参数的曲线，·生成的图形组尺寸可变、视角可变换，并将这些视图转变成可以保存和重新使用的结果方案图，将复合图合并成3D图。实验内容根据下图，运用OptiSystem练习设计EDFA通信系统，并得出EDFA产生的增益，如采用双泵浦，其增益又如何，在此基础上练习使用该软件的优化功能，如何实现系统优化。实验报告：按要求完成上述实验内容

。通过改变光纤长度和泵浦功率分析EDFA优化效果。实验四、通信系统综合设计实验目的熟悉光纤通信系统的主要组成部分掌握通信系统综合设计的主要内容实验原理NRZ、RZ调制格式，直接调制或者外调制，APD管或者PIN管，lowpassrectangularfilter或者lowpassgaussfilter。选择的理由如下：选择NRZ调制格式，因为经NRZ调制的光信号具有紧凑的频谱特性，调制和调解结构简单，在10G和一部分40G系统中得到广泛应用，一直被作为中短距离光纤通信系统中的主要调制格式，通过色散管理和终端可调色散补偿技术，NRZ调制格式在终端传输距离普通光纤获得良好的光传输性能。选择直接调制，因为直接强度调制是用信号直接调制激光器的驱动电流，使其输出功率随信号变化.这种方式设备相对简单，研究较早，现已成熟并商品化.外调制则常用于要求较高的通信系统。选择APD管，因为由书上的P264页的图8.3可知，PIN管接收灵敏度适用于低数据速率光纤通信，当系统通信数据速率为10G时，PIN灵敏度管不适于应用，我们优选ADP管。选择lowpassgaussfilter（低通高斯响应滤波器），因为lowpassrectangularfilter（低通矩形响应滤波器）是理想的低通滤波器的模型，在幅频特性曲线上呈现矩形。在现实中，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。而lowpassgaussfilter（低通高斯响应滤波器）采用时域法测量有效带宽，具有直观、简便的优点，而采用时域法能够显著缩短有效带宽测量时间。实验内容本次实验中，由NRZ调制格式、直接调制、APD管和lowpassgaussfilter构成的光纤通信系统。1）.根据实验要求，连接实验电路。同时为了实时地观察系统的运行状态，必须在系统外围增加监测及显示装置，将系统运行结果显示出来，便于观察和分析。因此，