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) 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，如公式1.1，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 (