optisystem仿真在光纤通信实验教学中的应用_王秋光

1、ISSN1672 4305 CN12 1352 /N实验室科学 LABO ATOYSCIENCE第 18 卷 第 1 期 2015 年 2 月 Vol. 18No. 1Feb. 2015OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用 王秋光 ， 张亚林 ， 胡彩云 ， 赵莹琦 （广州大学松田学院电气与汽车工程系 ， 广东 广州511370） 摘 要： 介绍了光纤通信实验教学中的光纤色散实验、激光器调制频率特性实验、掺铒光纤放大器实验、光实验与 WDM 系统实验 5 个 OptiSystem仿真实验 ， 给出了每个实验项目的仿真模型及模型中的参数设 置， 简要分析了仿真实验结果 。OptiS

2、ystem仿真实验可以反复观察练习，节省较高的实验费用 ， 有利于学生对 光纤通信课程教学中抽象的理论知识的理解，在光纤通信实验教学中取得了较好效果。关键词： OptiSystem；光纤通信 ； 仿真；实验教学 中图分类号 ：TN92911；TP3919 文献标识码 ：A doi：103969/j issn 1672 4305201501008Applicationof OptiSystemsimulation in experiment teaching of optical fiber communicationWANG Qiu guang ，ZHANGYa lin ，HU Cai yun

3、，ZHAO Ying qi（Department of Electrical Automotive Engineering，GuangzhouUniversity Sontian College ，Guang- zhou 511370，China） Abstract ： Introduces five OptiSystem simulation experiments，such as the fiber dispersion experi- ment，modulation frequency characteristics of the laser，erbium doped fiber amp

4、lifier ，optical receiver experiment and WDM experiment，simulation model and model parameterssettings of each experimen- tal item and a brief analysis of the simulation results are given OptiSystem simulation can be repeated- ly observed in practice，save high experimental cost，and conducive to the st

5、udents on the course of optical fiber communications to understand abstract theoretical knowledge，have achieved good results in the experimental teaching of optical fiber communication Key words ： OptiSystem；optical fiber communications；simulation；experimental teaching光纤通信是一门理论性和实践性都很强的电子 信息类专业课程 ，涉

6、及光学 、电磁场及通信等多方面理论基础知识和光纤光缆、光器件、光纤通信系统设计及网络等实践应用问题。光纤通信实验一方面可以帮助学生直观形象地理解抽象繁冗的理论 教学内容 ，另一方面可以提高学生的实际工作技能， 为从事实践技术工作奠定必要的基础。光纤通信实 验的内容通常有 ：光纤接续 ；OTD 测量光纤参数 ； LD（LED）光谱特性测量 ；光纤接收发送系统实验 等1 2 。从帮助学生理解理论教学内容的角度看， 可使用该工具对从LAN 、SAN、MAN 到超长距离等众多光网络的广谱物理层中的几乎所有光学链路进 行规划 、测试仿真 。它可以提供从元件到系统级别的传输层光通信系统设计和规划，并且能够

7、直观地呈现分析和方案 ，可以最大程度地降低时间要求和光学系统 、链路及元件的设计相关成本5 。 1 OptiSystem 仿真实验 为配合光纤通信课程教学内容的学习，我们选取了光纤的色散 6、激光器的调制频率特性 、掺铒 5 采用 OptiSystem仿真技术更具优势 3 4 。OptiSystem是一款创新的 、发展迅速的强大软件设计工具，用户 光纤放大器 、光及 WDM 系 统 System仿真实验 。 1.1 光纤的色散实验 等 5 个 Opti-基金项目 ：广州大学松田学院院级特色专业建设项目。光纤介质的非线性使接收的光脉冲包络的形状 会发生变化 ，引起传输波形的展宽 ，本实验用以考察

8、 王秋光 ，等：OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用 27光纤的群速度色散 （GVD）对高斯脉冲传播的影响。仿真模型如图 1 所示 。在仿真模型中 ：Bit rate = 40 Gb /s ，OpticalFiber 参 数：length = 2812km ， efer- ence wavelength = 1550nm，Beta 2 = 20 （ps）2 /km 。 图 3激光器的调制频率特性仿真模型 根据仿真模型设定的参数可以得到弛豫频率 图 1光纤色散仿真模型 仿真结果 ，输出脉冲宽度 T （z）随传播方向 z 按fre s 13GH。图 4 给出了系统性能与调制频率的关

9、系，调制频率为 13GH 时如图 4 （a）所示 ，调制频率为 5GH 时如图 4（b）所示 ，从眼图看出当调制频率高公式 （1）增加 ，输出峰值功率按公式 （2）变化 。 于弛豫频率后，系统性能严重变坏 。 T（z） =1 + （z2） T（1 ） 0槡 LD（2 ）光纤的群速度色散（GVD）对高斯脉冲传播的 仿真结果如图 2 所示 。可以看出输出脉冲比输入脉 冲展宽了 ，而峰值下降了 。 （a） （b） 图 4调制频率对系统性能的影响 1.3掺铒光纤放大器 （EDFA）实验 EDFA 在各种光纤通信系统中得到广泛应用， 如副载波 CATV 系统 、WDM 或 OFDM 系统 、相干光通信及

10、孤子通信系统等。本实验用于分析 EDFA 的8 频率特性和噪声性能。仿真模型如图 5 所示。在图 2GVD 对高斯脉冲传播的影响 1.2 激光器的调制频率特性实验 在高速光纤传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时 ，调制频率必须小于激光场的弛豫频率，而弛豫频率随半导体激光器的偏置电流的增大 而增高 。通过这一实验可以观察当偏置电流变化从而改变弛豫频率时 ，高速光纤传输系统的性能变化 情况7 。仿真模 型 如 图 3 所 示。 在仿 真 模型 中： I th = 3345mA ，sp = 1ns，ph = 3ps，I0 = I B = 40mA ，Se- quence length 128

11、bits ，Samples per bit 512。 仿真结果 ，在直接光强度调制下弛豫频率与有源区内的电子寿命和谐振腔内的光子寿命的关系如 公式 （3）。 仿真模型中掺铒光纤参数：Length 7m，Core radius2. 2 m，Er metastable lifetime 10ms，Er doping radius322 m，Er ion density 1e + 025m ，Numerical aperture024。 图 5EDFA 实验仿真模型 fres =11（I 0 1） （3 ） 仿真结果如图 6 所示 ，（a）是 CW 激光器的频 率与 EDFA 增益的关系曲线 ，（b

12、）是信号输入功率 2槡spphI th28与 EDFA 增益曲线 ，（c）是功率噪声曲线 。 1.4 光实验 光主要的性能指标是灵敏度和动态范 围，本实验的目的是了解光灵敏度与误码率 的关系及灵敏度与最小输入功率的关系9 。仿真模型如图 7 所示 。 （a） （b） （c）图 6EDFA 实验仿真结果 图 7光实验仿真模型 实际光灵敏度的计算非常复杂，可粗略表示为公式 （4）。 之前光纤线路之后的光谱图，图中较低的部分为噪声部分 。 P min =Q 槡n A （4 ） 仿真结果如图 8 所示 ，（a）是衰减与 Q 因子的关系曲线 ，（b）是衰减与误码率曲线 。 （a）（b） 图 8光实验仿真

13、结果 图 9WDM 系统实验仿真模型 1.5 WDM 系统实验 波分复用是光纤通信系统扩大传输容量， 提 高 传输速率的主要途径之一。 仿真模型如图 9 所示 ， 利用 Mach Zehnder 调制器进行外调制，16 路复用，光发射器参数 ：Bit rate 40Gb/s。线路由 50km 单 模光纤与 10km 色散补偿光纤构成循环单元 ，采用掺铒光纤放大器 。解复用器参数 ：Bandwidth 8e + 010H Z ，Depth 100dB，Filter type Bessel，Filter order 6。图 10 为 WDM 系统实验仿真结果 ，给出了解复用器 2 结语 根据光纤通

14、信课程的理论教学内容选出了上述 5 个仿真实验作为实验教学项目 ，实践表明 ，Opti- System仿真实验直观明了 ，可以反复观察练习 ，提高了学生的学习兴趣 ，有利于学生对抽象的光纤通信 理论教学内容的理解 ，同时可以节省较高的实验费用，在光纤通信实验教学中取得了较好效果 。 王秋光 ，等：OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用 29（a） （b） （c）图 10WDM 系统实验仿真结果 参考文献 （ eference）s： 1 张宝富 ，谭笑 ，蒋慧娟 光纤通信系统原理与实验教程M北京 ：电子工业 ，2004：104 123 2 张淑娥 ，李永倩 ，杨再旺 “ 光纤通信原理

15、 ”精品课程实验建设探究 J实验技术与管理 ，2010 ，27（5）：165 169 3 周雪芳 ，王天枢 仿真软件在 光纤通信 实验教学中的应用研究J实验科学与技术 ，2011 ，9 （5 ）：53 56 4 杨絮 ，朱一峰 ，陈桂芬 光纤通信系统仿真技术在实验教学中 的应用 J中国科教创新导刊 ，2009（34 ）：48 5 Optiwave Corporation OptiSystem7 0：OptiSystemUsers efer- ence 2008 6 胡章芳 ，席兵 光纤通信系统的计算机仿真 J电脑开发与应 用 ，2005，18（9）：11 12 7 刘增基 ，周洋溢 ，胡辽林

16、，等光纤通信 M西安 ：西安电子科技大学 ，2008 ：53 56 8 许志军 ，韦军 ，冉彦中 基于 DWDM 技术的仿真系统实验设计 J实验技术与管理 ，2010，27（8 ）：88 90 9 毕卫红 ，张力方 ，祝亚男 基于 Optisystem的波分复用性能的仿真研究 J光通信技术 ，2009（1）：10 11 收稿日期 ：2014 02 18 修改日期 ：2014 04 29作者简介 ：王秋光 （1949 ），男，黑龙江哈尔滨人 ，学士 ，教授，主要研究方向为信息网络。 欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍 （上接第 25 页）

17、 3结语 （1） 通过单因素实验和Box Behnken 实验设计建立了提取核桃饼粕原花色素的优化回归数学模 型，该模型在本实验条件范围内能准确预测核桃饼粕原花色素提取率 。 （2） 通过方差分析可知 ，各因素对核桃饼粕原花色素提取率的影响由大到小依次为：提取时间 、酸度和乙醇体积分数 。 （3） 通过优化提取原花色素的最佳工艺参数为 乙醇 体积 分数 80% 、提 取 时间 83min 、酸 度 004 mmol /L 。在此条件下实际测得的提取率为 1816 mg/g ，与预测值相比 ，其相对误差仅为 055% 。 表明采用响应面法优化得到的提取条件参数准确 、可靠，具有一定的实用价值 。

18、 参考文献 （ eference）s： 3 万本屹 ，董海洲 ，李宏 ，等 核桃油的特性及营养价值的研究 J西部粮油科技 ，2001 （5）：18 20 4 张敏，姜元荣 核桃及核桃油的综合开发利用J农业机械 ，2010（4）：69 72 5 孙凤莉 ，李茜 ，墨锋涛 ，等 核桃饼饲用营养成分分析J饲料 研究 ，2010（10 ）：37 38 6 郭兴峰 ，陈计峦 ，林燕 ，等 热榨和冷榨核桃饼粕中蛋白质提取及其性质研究 J农业工程学报 ，2012 ，28 （18）：287 291 7 Cofrades S，Serrano A，Ayo J，et al Characteristics of meat bat- ters with added native and preheated defatted walnut J Food Chemistry 2008 ，107 （4）：1506 1514 8 高荣海 ，于冬梅 ，刘枫 核桃蛋白质提取工艺的研究J农业科技与装备 ，2011 （10）：56 59 9 Kannan ，Arumugam ，Anantharaman P In vitro antioxi- dant of ethanol extract from Enhalus acoroides royleJ Asian Pac J Trop Med ，2010 ，3 （11）：