OptiSystem仿真实例

和模型。以解决实际应用中的各种具体问题。模型设计案例：40G单模光纤的单信道传输系统设计设计目的在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设计原理典型情况下，单模光纤在μm时的β2=-20ps2/km传输导致的色散系数D为16ps/。当系统的码率B=40Gb/s时，TB=25ps，相应色散长度LD约为。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。模型设计布局图图和是分别针对RZ和NRZ型调制的布局设计图：图RZ型调制的40Gb/s光波系统图NRZ型调制的40Gb/s光波系统一些全局参数为：所以NumberofSamples=SequenceLength*SampleperBit=16384TimeWindow=SequenceLength*BitSlot=Sampleinterval=TimeWindow/NumberofSamples=Samplerate=1/thesamplinginterval=其中两个Layout中的Pseudo-randomBitSequencegenerators的设定是相同的。而对于RZgenerator有以下属性：RectangleShape:GaussianDutyCycle=BitRiseTime=BitFallTime=Bit使用外调制连续波长激光器（1550nm，线宽）作为光源。对于单模光纤，可得到：色散系数D：Dps17nm?km色散斜率：Dps0.08nm2?km非线性系数：11.31km?W线性损耗：α=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：D80psnm?km色散斜率：Dps0.08nm2?km非线性系数：5.241km?W线性损耗：α=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*BitRate低通Bessel电滤波器的截止频率为*BitRate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，在输入功率约为处，最大影响因子Q具有最佳值。图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率。表明RZ调制的DutyCycle=要优于传统的NRZ调制格式。Q性能的最大传输RZ型有较大输入功其次，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不考虑噪声因素图为具体的分析结果：图40Gb/s系统，传输距离为500kg时的MaxQVSInputPower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；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。而在高7色散补偿（DispersionCompensation）设计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原理简介光载波以相速vp=ω/β传播，其中β=2πn/λ为传播常数，ω为光载波频率。波包则以群速度vg传播，其公式为d(7.1)vgd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11d2d()cdk0(7.2)vg2cd其中c为光速，k0=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μm波长范围内，D的大小通常为17ps/nm/km。色散补偿模型设计布局图如图所示，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：图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TimeBitSlot的系统中，由OpticalGaussianPulseGenerator产生的初始脉冲宽度约为35ps。（见图）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）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OpticalTimeDomainVisualizer中观察经补偿元件后的脉冲波形（图）可以看到经过补偿后的脉冲宽度复原到初始状态。图入纤前光脉冲的波形图图经过10km后的脉冲波形图图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（SolitonSystems）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。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。孤子模型设计案例：光孤子的相互作用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。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：T，sinhTcoshTLcollLDT02T0TsinhTT0T0其中，LD是色散长度，T0为脉冲宽度，在40Gb/s系统中，SechPulse的脉宽为，则T0=则色散长度为：LDT027.09022||2.5135km220当我们选择75ps的间隔时间后，可以得到碰撞长度Lcoll约为782km。模型设计布局图为了验证原理简介中的结论，可通过图的光孤子相互作用的模型布局图进行模拟分析。图两个反相光孤子之间的相互作用的设计布局图而图为该设计的全局参数：图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-StepFourierMethod），其参数设定如图：图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，其布局图就是将图中的移相器（PhaseShift）去掉即可。在图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）：图反相孤子对的相互作用图9结语对于一个光通讯领域的设计工程师而言，面对的是来自各方面的挑战。一方面就光通讯的发展趋势而言，目标是实现越来越大的信息容量和长距离传输，而各种革命性的光通讯元器件的发明以及广泛应用，则更是大大加速了光通讯系统性能高速发展；另一方面，随着光通讯系统的性能的飞速发展，光通讯系统本身的复杂度大幅度增加，各种复杂和广泛的元器件发明和应用，各方面参数对整个系统性能的影响也越来越大，这也使得在这个领域越来越迫切通过高级的计算机辅助应用程序来协助解决各种人力无法完成的难题和设计项目，以及对真实环境中的各种因素进行模拟分析和优化，以最后加速达成所要设计的光通讯系统的目标和要求。OptiSystem以及OptiWave其他一系列光通讯仿真软件的应用为设计者和工程师以及元器件商、系统供应商们提供了十分优秀的计算机辅助设计工具。它为使用者提供了一种迅速而低成本的设计工具，从而大大缩短新项目设计和开发时间。它的优良的参数扫描以及优化功能为用户分析、优化所设计的系统性能提供了十分方便和有效的工具。它的全局规划和分析功能、大范围数据采集功能等等都可最终协助用户极大程度的减少开发耗时和投入风险。此外，OptiSystem极为友善的图形用户界面（GUI）也使得用户可以在短时间内掌握软件的使用以进一步深入的开发研究。本文中的各种设计案例尚不足以函盖光通讯领域庞大而复杂的各个应用层面，这里只是为用户学习、掌握和充分开发OptiSystem的强大功能而提供的一份参考。用户通过对这些应用案例的参考、学习，可以有目的性的、迅速掌握OptiSystem在其相关领域的具体功能，并设计完成所需的各种光通讯系统项目。