OptiSystem仿真案例20120522

1、OptiSystem 仿真軟件模型案例 目 錄1 光發(fā)送機(jī)（Optical Transmitters）設(shè)計(jì)1.1 光發(fā)送機(jī)簡(jiǎn)介1.2 光發(fā)送機(jī)設(shè)計(jì)模型案例：鈮酸鋰（LiNbO3）型Mach-Zehnder調(diào)制器的啁啾（Chirp）分析2 光接收機(jī)（Optical Receivers）設(shè)計(jì)2.1 光接收機(jī)簡(jiǎn)介2.2 光接收機(jī)設(shè)計(jì)模型案例：PIN光電二極管的噪聲分析3 光纖（Optical Fiber）系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 光纖簡(jiǎn)介3.2 光纖設(shè)計(jì)模型案例：自相位調(diào)制（SPM）導(dǎo)致脈沖展寬分析4 光放大器（Optical Amplifiers）設(shè)計(jì)4.1 光放大器簡(jiǎn)介4.2 光放大器設(shè)計(jì)模型案例：EDF

2、A的增益優(yōu)化5 光波分復(fù)用系統(tǒng)（WDM Systems）設(shè)計(jì)5.1 光波分復(fù)用系統(tǒng)簡(jiǎn)介5.2 光波分復(fù)用系統(tǒng)使用OptiSystem設(shè)計(jì)模型案例：陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器（AWG）的設(shè)計(jì)分析6 光波系統(tǒng)（Lightwave Systems）設(shè)計(jì)6.1 光波系統(tǒng)簡(jiǎn)介6.2 光波系統(tǒng)使用OptiSystem設(shè)計(jì)模型案例：40G單模光纖的單信道傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 色散補(bǔ)償（Dispersion Compensation）設(shè)計(jì)8.1 色散簡(jiǎn)介8.2 色散補(bǔ)償模型設(shè)計(jì)案例：使用理想色散補(bǔ)償元件的色散補(bǔ)償分析8 孤子和孤子系統(tǒng)（Soliton Systems）9.1 孤子和孤子系統(tǒng)簡(jiǎn)介9.2 孤子系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)案

3、例：9 結(jié)語(yǔ)1 光發(fā)送機(jī)（Optical Transmitters）設(shè)計(jì)1.1 光發(fā)送機(jī)簡(jiǎn)介一個(gè)基本的光通訊系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，如下圖1.1所示：圖1.1 光通訊系統(tǒng)的基本構(gòu)成1）光發(fā)送機(jī) 2） 傳輸信道 3）光接收機(jī) 作為一個(gè)完整的光通訊系統(tǒng)，光發(fā)送機(jī)是它的一個(gè)重要組成部分，它的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，并有效地把光信號(hào)送入傳輸光纖。光發(fā)送機(jī)的核心是光源及其驅(qū)動(dòng)電路。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的有兩種半導(dǎo)體光源：發(fā)光二級(jí)管（LED）和激光二級(jí)管（LD）。其中LED輸出的是非相干光，頻譜寬，入纖功率小，調(diào)制速率低；而LD是相干光輸出，頻譜窄，入纖功率大、調(diào)制速率高。前者適宜于短距離低速系統(tǒng)，后者適宜于

4、長(zhǎng)距離高速系統(tǒng)。一般光發(fā)送機(jī)由以下三個(gè)部分組成：1) 光源（Optical Source）：一般為L(zhǎng)ED和LD。2) 脈沖驅(qū)動(dòng)電路（Electrical Pulse Generator）：提供數(shù)字量或模擬量的電信號(hào)。3) 光調(diào)制器（Optical Modulator）：將電信號(hào)（數(shù)字或模擬量）“加載”到光波上。以光源和調(diào)制器的關(guān)系來(lái)看，可劃分為光源的內(nèi)調(diào)制和光源的外調(diào)制。采用外調(diào)制器，讓調(diào)制信息加到光源的直流輸出上，可獲得更好的調(diào)制特性、更好的調(diào)制速率。目前常采用的外調(diào)制方法為晶體的電光、聲光及磁光效應(yīng)。 圖1.2為一個(gè)基本的外調(diào)制激光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)：圖2 外調(diào)制激光發(fā)射機(jī)在該結(jié)構(gòu)中，光源為頻率1

5、93.1Thz的激光二極管，同時(shí)我們使用一個(gè)Pseudo-Random Bit Sequence Generator模擬所需的數(shù)字信號(hào)序列，經(jīng)過(guò)一個(gè)NRZ脈沖發(fā)生器（None-Return-to-Zero Generator轉(zhuǎn)換為所需要的電脈沖信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)一個(gè)Mach-Zehnder調(diào)制器，通過(guò)電光效應(yīng)加載到光波上，成為最后入纖所需的載有“信息”的光信號(hào)。 1.2 光接收機(jī)簡(jiǎn)介圖2.1 光接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)在光纖通訊系統(tǒng)中，光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出由光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通訊系統(tǒng)的性能。一般一個(gè)基本的光接收機(jī)有以下三個(gè)部

6、分組成，可見(jiàn)圖2.1：1) 光檢測(cè)器通常，接收到光脈沖所載的信號(hào)代表著0或者的數(shù)位，利用光檢測(cè)器，其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。目前廣泛使用的光檢測(cè)器是半導(dǎo)體光電二極管，主要有PIN管和雪崩光電二極管，后者又稱(chēng)APD管。2) 放大器包括前置放大器和主放大器，前者與光電檢測(cè)器緊相連，故稱(chēng)前置放大器。在一般的光纖通訊系統(tǒng)中，經(jīng)光電檢測(cè)器輸出的光電流是十分微弱的，為了保證通信質(zhì)量，顯然，必須將這種微弱的電信號(hào)通過(guò)放大器進(jìn)行放大。在OptiSystem提供的Photodiode元件中已內(nèi)置了前置放大器。3) 均衡器、濾波器需要均衡器、濾波器等其他電路裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，消除放大器及其他部件（如光纖）等引起的

7、波形失真，并使噪聲及碼間干擾減到最小。接收機(jī)的噪聲和接受機(jī)的帶寬是成正比的，當(dāng)使用帶寬小于碼率的的低通濾波器時(shí)，可以降低系統(tǒng)的噪聲。4) 解調(diào)器為了使信碼流能夠并有利于在光纖系統(tǒng)中傳輸，光發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)是經(jīng)過(guò)編碼處理的，為了使光接收機(jī)輸出的信號(hào)能在PCM系統(tǒng)中傳輸，則需要將這些經(jīng)編碼處理的信號(hào)進(jìn)行復(fù)原。在該結(jié)構(gòu)中，在已經(jīng)內(nèi)建了判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路的誤碼率分析儀（BER Analyzer）中可以得到最終復(fù)原的信號(hào)，并可對(duì)最終的輸出信號(hào)的誤碼率等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、分析。（一） 光接收機(jī)模型設(shè)計(jì)案例：PIN光電二極管的噪聲分析（1）設(shè)計(jì)目的影響光接收機(jī)性能的主要因素就是接收機(jī)內(nèi)的各種噪聲源。接收機(jī)

8、中的放大器本身電阻會(huì)引入熱噪聲（Thermal Noise），而放大器的晶體管會(huì)引入散粒噪聲（Shot Noise），而且多級(jí)放大器中會(huì)將前級(jí)的噪聲同樣放大，計(jì)算分析這些噪聲對(duì)我們分析、優(yōu)化光接收機(jī)以及整個(gè)光通訊系統(tǒng)都是有十分重要的作用。 （2）原理簡(jiǎn)介 噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，它表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則的電磁場(chǎng)形式，是電信號(hào)中一種不需要的成分，干擾實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。在光接收機(jī)中，可能存在多種噪聲源，它們的引入部位如圖2.2所示。光檢測(cè)器前放增益光電效應(yīng)hf 偏置電阻量子（散粒）噪聲暗電流噪聲倍增噪聲 熱噪聲 放大器噪聲背景噪聲漏電流噪聲 圖2.2 光接收機(jī)中的噪聲源及

9、其分布（3）模型的設(shè)計(jì)布局圖 圖2.3為PIN光電二極管噪聲分析的OptiSystem設(shè)計(jì)布局圖：圖2.3 光電二極管的噪聲分析的設(shè)計(jì)布局圖圖2.4 光電二極管的Shot Noise（上圖）圖2.5 光電二極管的Thermal Noise（下圖）如圖2.3所示，從外調(diào)制激光發(fā)送機(jī)輸出的調(diào)制光信號(hào)，經(jīng)衰減器后，由Fork復(fù)制為兩路相同的信號(hào)分別送入不同噪聲設(shè)置的光電二極管。上端的PIN管不考慮熱噪聲，而具有Shot Noise；而下端的PIN管的熱噪聲為1.85e-25W/Hz，沒(méi)有Shot Noise，然后分別送入濾波器和最終的誤碼率分析儀中，其中兩路中的低通濾波器的截止頻率和碼率都是一樣的。

10、在圖2.4中，用戶可以看到上端PIN管中Shot Noise是依賴于信號(hào)強(qiáng)度大小的。而在圖2.5中，下端的PIN管不計(jì)入Shot Noise，而只考慮熱噪聲；可以發(fā)現(xiàn)該噪聲的大小也是依賴于信號(hào)強(qiáng)度的。從本例中，我們可以觀察到熱噪聲和散粒噪聲對(duì)最終傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量的影響，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)模擬有個(gè)定量的分析和計(jì)算。此外，還可以對(duì)噪聲參數(shù)的調(diào)試，觀測(cè)不同噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響程度的大小。并且，我們可以得出，在這樣一個(gè)小信號(hào)系統(tǒng)中，光檢測(cè)器的偏置電阻及放大器電路的熱噪聲是最主要的噪聲源。1.3 光纖（Optical Fiber）系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.3.1光纖簡(jiǎn)介包層涂覆層光纖通信與電信的主要差異之一，即是利用光

11、纖來(lái)傳輸光信號(hào)。光纖有不同的結(jié)構(gòu)形式。目前，通信用的光纖大多數(shù)是利用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心玻璃體，外層玻璃的折射率比內(nèi)層稍低。折射率高的中心部分叫纖芯，其折射率為n1；折射率低的外圍部分稱(chēng)為包層，折射率為n2（n1），如圖3.1：圖3.1 光纖結(jié)構(gòu)纖芯在本章中，并不針對(duì)光纖具體的折射率分布等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹和討論，因?yàn)镺ptiWave提供了專(zhuān)門(mén)針對(duì)光纖設(shè)計(jì)和分析的專(zhuān)門(mén)軟件：OptiFiber，而OptiSystem可以將在OptiFiber中設(shè)計(jì)的光纖直接輸入調(diào)用，十分方便。 在本章中，我們主要討論的是光纖的損耗，色散以及非線性等傳輸過(guò)程中的效應(yīng)對(duì)光通訊系統(tǒng)的性能的分析以及影響

12、。 1.3.2 光纖的損耗特性光纖的傳輸損耗是光纖通信系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，低損耗是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光通訊的前提，光纖損耗的原因十分復(fù)雜，歸結(jié)起來(lái)主要包括：吸收損耗和散射損耗，以及輻射損耗。（1） 吸收損耗：吸收損耗包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收等，它是材料本身所固有的，因此是一種本征吸收損耗。（2） 散射損耗：散射與光纖材料及光波導(dǎo)中的結(jié)構(gòu)缺陷、非線性效應(yīng)有關(guān)。一般包括：瑞利散射損耗、波導(dǎo)散射損耗和非線性損耗。 （3） 輻射損耗：光纖使用過(guò)程中，彎曲往往不可避免，在彎曲到一定的曲率半徑時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。1.3.3光纖的色散特性及帶寬 光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)不但幅度會(huì)因損耗而減小，波形亦會(huì)發(fā)

13、生愈來(lái)愈大的失真，脈沖展寬，從而限制了光纖的最高信息傳輸速率。這種失真是由于信號(hào)中的各種分量在光纖中的群速度不同（因而時(shí)延不同）引起的。這些分量包括發(fā)送信號(hào)調(diào)制和光源譜寬中的頻率分量及光纖中的不同模式分量。時(shí)延失真是由于光纖色散而產(chǎn)生的，一般包括以下幾種：（1） 模間色散：多模光纖中由于各個(gè)導(dǎo)模之間群速度不同造成模間色散。在發(fā)送機(jī)多個(gè)導(dǎo)模同時(shí)激勵(lì)時(shí)，各個(gè)導(dǎo)模具有不同的群速，到達(dá)接收端的時(shí)刻不同。（2） 波導(dǎo)色散：這是某個(gè)導(dǎo)模在不同波長(zhǎng)（光源有一定的譜寬）下的群速度不同引起的色散，它與光纖結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)，又稱(chēng)為結(jié)構(gòu)色散。（3） 材料色散：這是由于光纖材料的折射率隨光頻率呈非線性變化，而光源有

14、一定譜寬，于是不同的波長(zhǎng)引起不同的群速度。（4） 偏振模色散：普通單模光纖實(shí)際上傳輸兩個(gè)相互正交的模式，實(shí)際在單模光纖存在各種少量隨機(jī)的不確定性，不對(duì)稱(chēng)性，造成了兩個(gè)偏振模的群時(shí)延不同，導(dǎo)致偏振模色散。3.1 光纖模型設(shè)計(jì)案例：自相位效應(yīng)（SPM）-Induced Spectral Broadening3.1.1 設(shè)計(jì)目的對(duì)自相位調(diào)制（Self-Phase Modulation：SPM）在脈沖傳播上的模型進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。主要包括兩個(gè)方面：（1） 脈沖啁啾（Pulse Chirping）（2） 脈沖光譜展寬（Pulse Spectral Broadening）3.1.2 原理簡(jiǎn)介 自相位調(diào)制（S

15、PM）效應(yīng)可由式3.1進(jìn)行描述：其中E(Z,t)是電場(chǎng)波包，參數(shù)由式3.2給出： 在方程3.2中，0是光載波頻率，n2是非線性折射率系數(shù)，Aeff是有效作用面面積1?？筛鶕?jù)方程3.1直接進(jìn)行求解得到：從該式可知，經(jīng)過(guò)自相位調(diào)制后，脈沖的波形（即：|E(z,t)|2=|E(z=0,t)|2）不受影響。而相位變化項(xiàng)NL=|E(z=0,t)|2表明經(jīng)過(guò)自相位調(diào)制后，脈沖的瞬時(shí)頻率相對(duì)原先載波的頻率0已有所改變。頻率改變量(t)由式3.3給出：該頻率的改變和時(shí)間的關(guān)系導(dǎo)致了啁啾聲的產(chǎn)生。3.1.3 模型的設(shè)計(jì)布局圖為了驗(yàn)證SPM效應(yīng)，我們可以設(shè)計(jì)以下布局圖3.2：圖3.2 自相位調(diào)制設(shè)計(jì)布局圖其中參數(shù)

16、設(shè)定如圖3.3： 圖3.3 全局參數(shù)設(shè)定（上圖）；圖3.4 光纖參數(shù)設(shè)定（下圖） 在非線性光纖的參數(shù)設(shè)定中，我們只針對(duì)自相位調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)分析，所以我們可以禁掉其他非線性效應(yīng)，如圖3.4所示。當(dāng)脈沖的峰值功率為10mW，光纖長(zhǎng)度設(shè)為10km時(shí)，得到的結(jié)果如圖3.5所示： 圖3.5 經(jīng)過(guò)10.73km的光纖前（上圖）后（下圖）的脈沖波形和啁啾 從圖3.5中可看到脈沖的波形保持不變，但由于自相位調(diào)制效應(yīng)，產(chǎn)生了啁啾聲。脈沖前端紅移，而后端藍(lán)移。如果存在反常色散，則可能發(fā)生由于SPM的啁啾而導(dǎo)致脈沖波形會(huì)變窄。這說(shuō)明SPM效應(yīng)和GVD的作用正好相反。為了觀察SPM導(dǎo)致的光譜展寬，我們需要引入：ma

17、x= P0z。其中P0是峰值功率。圖3.6中為未啁啾高斯型輸入脈沖在不同的最大相移值時(shí)（03.5）的光譜圖。自相位調(diào)制和啁啾以方程3.1聯(lián)系在一起。根據(jù)圖3.5，在兩個(gè)不同t值時(shí)的啁啾相同，說(shuō)明在兩個(gè)不同的點(diǎn)上瞬時(shí)頻率為相同的一個(gè)。這兩個(gè)點(diǎn)代表兩個(gè)相同頻率的波，能夠相長(zhǎng)或者相消的互相作用，導(dǎo)致了脈沖光譜的振蕩結(jié)構(gòu)。 圖3.6 未啁啾高斯脈沖的不同相移時(shí)的光譜 由于SPM導(dǎo)致脈沖展寬依賴于脈沖波形和初始啁啾，圖3.7為最大相移max=4.5時(shí)，輸出端的高斯脈沖的光譜和第三級(jí)高斯脈沖的光譜。 圖3.7最大相移max=4.5時(shí)輸出端光譜和第三級(jí)高斯脈沖光譜1.4 光放大器 （Optical Ampl

18、ifiers）設(shè)計(jì)141 光放大器簡(jiǎn)介光放大器，尤其是摻鉺光纖放大器（EDFA）的研制成功使光纖通訊技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化：用相對(duì)簡(jiǎn)單廉價(jià)的光放大器代替長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)使用的復(fù)雜昂貴的光電光混合式中繼器，從而可實(shí)現(xiàn)比特率及調(diào)制格式的透明傳輸，尤其是和WDM技術(shù)的珠聯(lián)璧合，奠定了向未來(lái)的全光通信發(fā)展的基礎(chǔ)。1.4.2 光放大器分類(lèi)主要有三類(lèi)：（1） 半導(dǎo)體光放大器（SOA，Semiconductor Optical Amplifer）（2） 摻稀土元素（鉺Er、鐠Pr、銣Nd）的光纖放大器；主要是是EDFA，還有PDFA等（3） 非線性光纖放大器，主要是光纖喇曼放大器（FRA，F(xiàn)iber

19、 Raman Amplifier）針對(duì)目前以EDFA的發(fā)展最為迅速，應(yīng)用也最為廣泛，在本章中，主要以EDFA為主要介紹和設(shè)計(jì)對(duì)象。但這里需要提到的是，OptiSystem也提供了大量SOA, PDFA, FRA等等光放大器的元件庫(kù)，為設(shè)計(jì)者提供了十分便利的分析工具和功能。1.4.3 摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器的英文縮寫(xiě)為：EDFA，其基本結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。輸出光信號(hào)輸入光信號(hào)光濾波器光隔離器光隔離器光耦合器摻鉺光纖泵浦光源圖4.1 EDFA結(jié)構(gòu)示意圖 EDFA主要是由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器以及濾波器等組成。 （1）耦合器（Coupler）將輸入光信號(hào)和泵浦光源輸

20、出的光波混合起來(lái)的無(wú)源光器件，一般采用波分復(fù)用器（WDM）。 （2）隔離器防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性，保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)臒o(wú)源器件。 （3）摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度大約為10100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子Er3+注入到纖芯中，濃度一般為25mg/kg。 （4）泵浦光源為半導(dǎo)體激光器，輸出光功率約為10100mW。 （5）光濾波器的作用是濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。 此外，根據(jù)泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可包括三種結(jié)構(gòu)方式：同向泵浦結(jié)構(gòu)、反向泵浦結(jié)構(gòu)和雙向泵浦結(jié)構(gòu)。 EDFA主要優(yōu)點(diǎn)包括增益高，帶寬大、輸出功率高、泵浦效率高、插入損耗低和對(duì)偏振不

21、敏感等。 （一） 光放大器模型設(shè)計(jì)案例：EDFA增益的優(yōu)化（1） 設(shè)計(jì)目的 摻鉺光纖放大器的主要性能指標(biāo)是功率增益、輸出飽和功率和噪聲系數(shù)。EDFA的帶寬通常在30nm以上，十分適用于多信道信號(hào)的同時(shí)放大。但EDFA用于波分復(fù)用（WDM）的主要問(wèn)題就是增益譜不平坦。我們希望各信道有同樣的增益，但EDFA增益譜的雙峰結(jié)構(gòu)顯然是不利的。尤其是級(jí)聯(lián)EDFA鏈時(shí)，各信道的增益差會(huì)愈來(lái)愈大，噪聲累積會(huì)愈來(lái)愈嚴(yán)重，光信噪比大大下降，甚至系統(tǒng)無(wú)法工作。所以在本設(shè)計(jì)案例中，針對(duì)16信道的波分復(fù)用輸入光信號(hào)，我們對(duì)EDF的長(zhǎng)度和泵浦光源的功率參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到所預(yù)期的16個(gè)信道的增益平坦譜。（2） 原理簡(jiǎn)介

22、 EDFA的增益介質(zhì)是纖芯中摻雜的稀土元素鉺離子（Er3+）的單模石英光纖。在泵浦源作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大，由于EDFA具有細(xì)長(zhǎng)的纖形結(jié)構(gòu)，使得有源區(qū)達(dá)到能量密度很高，光和物質(zhì)的作用區(qū)很長(zhǎng)，這樣降低對(duì)泵浦功率的要求。 鉺離子有三個(gè)工作能級(jí)：E1，E2和E3，其中E1能級(jí)最低為基態(tài)；E2能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，E3能級(jí)最高，稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。Er3+在未受任何光激勵(lì)的情況下，處于最低能級(jí)E1上，當(dāng)用泵浦光源的激光不斷激發(fā)光纖時(shí)，處于基態(tài)的粒子獲得了能量就會(huì)向高能級(jí)躍遷。由于處于E3這個(gè)高能級(jí)的粒子態(tài)不穩(wěn)定，將迅速無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2上，在該能級(jí)上，粒子壽

23、命相對(duì)較長(zhǎng)，由于泵浦光源不斷激發(fā)，E2能級(jí)上的粒子數(shù)不斷增加，而E1能級(jí)上的粒子數(shù)則減少，直至實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)輸入光信號(hào)E（=hf）正好為E2和E1間的能級(jí)差時(shí)，則亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)E1上，并輻射出和輸入光信號(hào)中的光子一樣的全同光子，從而增加了光子數(shù)量，形成放大。（2） 模型設(shè)計(jì)布局圖 如圖4.2所示： 圖4.2 EDFA增益平坦優(yōu)化設(shè)計(jì)布局圖（4） 模擬分析關(guān)于EDFA增益平坦的優(yōu)化可以以示意圖4.3來(lái)說(shuō)明： 圖4.3 EDFA增益平坦優(yōu)化原理圖我們?cè)O(shè)定最終優(yōu)化的目標(biāo)為16個(gè)信道的增益在一平坦曲線上，如優(yōu)化參數(shù)框設(shè)置圖4.4-4.7對(duì)于優(yōu)化設(shè)置的一些說(shuō)明：M

24、ain：優(yōu)化方式為“Gain Flatten”增益平坦方式，所要優(yōu)化達(dá)成的目標(biāo)為“Exact”，優(yōu)化循環(huán)數(shù)為60，結(jié)果公差為10，有其他參數(shù)限制條件。（圖4.4） 圖4.4 EDFA增益的多參數(shù)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置Parameters：在本項(xiàng)中設(shè)置了需要優(yōu)化的參數(shù)，一為泵浦光源的功率，這里選擇0-160mW，初始值為100；另一為摻鉺光纖的長(zhǎng)度，范圍為1-40m，初始值為4m。（圖4.5） 圖4.5 MPO中要優(yōu)化的參數(shù)Result：這里要設(shè)定我們希望最后優(yōu)化完成的目標(biāo)，在本例中為16個(gè)信道的增益平坦一致為23dB，如圖4.6所示。 圖4.6 MPO中的最后要達(dá)到的16信道增益平坦目標(biāo)設(shè)定Constr

25、aint：這里設(shè)定了兩個(gè)限制條件，一為輸出信號(hào)的最大/最小增益比，要求小于0.5；另一為光功率計(jì)檢測(cè)到的總功率大于8.5dB 圖4.7 MPO對(duì)EDFA增益平坦優(yōu)化的限制參數(shù)設(shè)定Advanced：一些其他高級(jí)設(shè)置，在本例中使用缺省值即可。選擇運(yùn)行對(duì)話框中的優(yōu)化（Optimization）并運(yùn)行，可看到運(yùn)行優(yōu)化的過(guò)程如圖4.8所示。 圖4.7 EDFA增益的優(yōu)化進(jìn)程我們可分別得到EDF的長(zhǎng)度和泵浦光源的功率的最終優(yōu)化值：最終，我們可以通過(guò)Dual Port WDM Analyzer來(lái)分析模擬后得到的16個(gè)信道數(shù)據(jù)，如圖4.8所示：一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖4.9 圖4.8 WDM Analyzer數(shù)據(jù)分析

26、 我們可以進(jìn)一步用光譜儀（OSA）對(duì)經(jīng)過(guò)EDFA前后的16個(gè)信道的光信號(hào)做檢測(cè)分析，從以上結(jié)果分析可以很清楚的得到經(jīng)過(guò)OptiSystem的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化后，信號(hào)的增益在一個(gè)平坦的曲線上，這可從為經(jīng)過(guò)EDFA的光譜圖（圖4.9）和經(jīng)過(guò)EDFA的光譜圖（圖4.10）的比較看出；優(yōu)化的結(jié)果是十分成功的，這為我們提供了對(duì)所要設(shè)計(jì)的元件參數(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化指明了方向。圖4.9未經(jīng)過(guò)EDFA的16信道光譜圖圖4.10為經(jīng)過(guò)EDFA的光譜圖（綠色曲線為存在的噪聲）1.5 光波分復(fù)用系統(tǒng)（WDM Systems）設(shè)計(jì)1.5.1 光波分復(fù)用系統(tǒng)簡(jiǎn)介光波分復(fù)用是指將兩種或多種各自攜帶有大量信息的不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)

27、，在發(fā)射端經(jīng)復(fù)用器匯合，并將其耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端通過(guò)解復(fù)用器對(duì)各種波長(zhǎng)的光載波信號(hào)進(jìn)行分離，然后由光接收機(jī)做進(jìn)一步的處理，使原信號(hào)復(fù)原，這種復(fù)用技術(shù)不僅適用于單?；蚨嗄９饫w通信系統(tǒng)，同時(shí)也適用于單向或雙向傳輸。 波分復(fù)用系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)可以從0.8m到1.7m，由此可見(jiàn)，它可以適用于所有低衰減、低色散窗口，這樣可以充分利用現(xiàn)有的光纖通信線路，提高通信能力，滿足急劇增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。1.5.1.1 光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光波分復(fù)用系統(tǒng)一般有單向和雙向兩種結(jié)構(gòu)，這里出一個(gè)單向8信道WDM點(diǎn)-點(diǎn)通信系統(tǒng)的示意圖5.1。N個(gè)光發(fā)送機(jī)發(fā)送N個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)按一定的間隔排列，在復(fù)用器（MUX

28、）中復(fù)合在一起送入到傳輸光纖信道中。在光接收機(jī)端，這N個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)由解復(fù)用器（DEMUX）分離后送到相應(yīng)的可調(diào)諧的光接收機(jī)。傳輸信道中間包括了諸如EDFA、光纖等各種元件。 圖5.1 點(diǎn)-點(diǎn)的8信道WDM系統(tǒng) 1.5.1.2 WDM光通信結(jié)構(gòu)組成如圖5.1所示，一般在WDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件包括：（1） 濾波器：在WDM系統(tǒng)中進(jìn)行信道選擇，只讓特定波長(zhǎng)的光通過(guò)，并組織其他光波長(zhǎng)通過(guò)?？烧{(diào)諧光濾波器能從眾多的波長(zhǎng)中選出某個(gè)波長(zhǎng)讓其通過(guò)。在WDM系統(tǒng)的光接收機(jī)中，為了選擇所需的波長(zhǎng)，一般都需依賴于其前端的可調(diào)諧濾波器。要求其有寬的譜寬以傳輸需要的全部信號(hào)譜成分，且?guī)捯詼p小信道間隔。（2） 復(fù)用

29、器/解復(fù)用器（MUX/DEMUX）：將多個(gè)光波長(zhǎng)信號(hào)耦合到一路信道中，或使混合的信號(hào)分離成單個(gè)波長(zhǎng)供光接收機(jī)處理。一般，復(fù)用/解復(fù)用器都可以進(jìn)行互易，其結(jié)構(gòu)基本是相同的。實(shí)際上即是一種波長(zhǎng)路由器，使某個(gè)波長(zhǎng)從指定的輸入端口到一個(gè)指定的輸出端口。1.5.2 波分復(fù)用系統(tǒng)（WDM）模型設(shè)計(jì)案例：陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器（AWG）的設(shè)計(jì)分析1.5.2.1 設(shè)計(jì)目的 使用OptiSystem模擬仿真AWG波分復(fù)用系統(tǒng)，檢測(cè)其波長(zhǎng)選擇性能。1.5.2.2原理簡(jiǎn)介 陣列波導(dǎo)光柵（AWG：Arrayed Waveguide Grating）波分復(fù)用器由輸入輸出波導(dǎo)、兩個(gè)NN平面波導(dǎo)星形耦合器及AWG構(gòu)成，集成

30、制造在Si或InP襯底上，該復(fù)用器的核心是AWG，它是一系列規(guī)則排列的波導(dǎo)，相鄰波導(dǎo)間有一恒定的光程差L，對(duì)波長(zhǎng)為的信號(hào)，每個(gè)波導(dǎo)中產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)相移2L/，因此AWG相當(dāng)于一個(gè)相位光柵，所以可以進(jìn)行波長(zhǎng)選擇。 NN平面波導(dǎo)星形耦合器將所有輸入波導(dǎo)中的光輻射到中間的自由空間區(qū)域，然后再將它們耦合到所有的輸出波導(dǎo)中。自由空間區(qū)域的形狀用天線理論和傅立葉光學(xué)原理設(shè)計(jì)。 在AWG波分復(fù)用器中，輸入光信號(hào)先輻射進(jìn)第一個(gè)平面波導(dǎo)區(qū)，然后激勵(lì)陣列波導(dǎo)，傳輸通過(guò)陣列波導(dǎo)后，光束在第二個(gè)平面波導(dǎo)區(qū)的焦點(diǎn)上產(chǎn)生相長(zhǎng)性干涉，焦點(diǎn)位置決定于信號(hào)波長(zhǎng)，結(jié)果在特定的端口輸出。當(dāng)波長(zhǎng)不同時(shí)，焦點(diǎn)位置不同，輸出的端口也不同。

31、模型設(shè)計(jì)布局圖 圖5.1 AWG WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局圖上圖5.1為陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器。其設(shè)計(jì)主要調(diào)用了由OptiBPM提供的WDM_Phasar設(shè)計(jì)的AWG元件。 運(yùn)行編譯后，我們可以使用OSA直接觀察從AWG解復(fù)用出來(lái)的各個(gè)信道信號(hào)。如圖5.2所示，為信道1的光譜圖。 圖5.2 AWG信道1的譜圖而AWG的各信道透射譜可得到，如圖5.3所示，從中我們可以了解到AWG波分復(fù)用器的性能。 圖5.3 AWG透射譜1.6 光波系統(tǒng)（Lightwave Systems）設(shè)計(jì)1.6.1 光波系統(tǒng)簡(jiǎn)介 OptiSystem給用戶最重要的功能便是對(duì)光通訊系統(tǒng)的模擬，仿真和優(yōu)化。它把各種分立的有源、無(wú)源的

32、元器件有機(jī)的組合起來(lái)，組成了不同類(lèi)型、不同用途的光纖通訊系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)。 對(duì)一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的基本要求是：（1） 傳輸距離（2） 要求的傳輸帶寬及碼率（3） 系統(tǒng)的保真性（誤碼率BER、信噪比及失真等）（4） 可靠性和經(jīng)濟(jì)性 用戶可以使用OptiSystem方便的設(shè)計(jì)光通訊系統(tǒng)的各種方案和模型。以解決實(shí)際應(yīng)用中的各種具體問(wèn)題。1.6.2 模型設(shè)計(jì)案例：40G單模光纖的單信道傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.6.2.1 設(shè)計(jì)目的 在40G高速光纖通信系統(tǒng)中，最重要，也是最主要的問(wèn)題就是系統(tǒng)中產(chǎn)生的線性色散問(wèn)題，所以我們希望通過(guò)OptiSystem模型的建立，對(duì)真實(shí)情況下色散的問(wèn)題進(jìn)行模擬和解決，以期在實(shí)際應(yīng)用中選擇并

33、達(dá)到最佳通信質(zhì)量和性能。 1.6.2.2設(shè)計(jì)原理 典型情況下，單模光纖在1.55m時(shí)的2=-20ps2/km傳輸導(dǎo)致的色散系數(shù)D為16ps/(nm.km) 。當(dāng)系統(tǒng)的碼率B = 40Gb/s時(shí)，TB=25ps，相應(yīng)色散長(zhǎng)度LD約為2.8km。 在對(duì)40Gb/s碼率單模光纖中的歸零型（RZ）和非歸零型（NRZ）的傳輸過(guò)程中需考慮到：群速度色散、Kerr非線性效應(yīng)導(dǎo)致的自相位調(diào)制，線性損耗、ASE噪聲的周期性放大。具體的計(jì)算分析可見(jiàn)下節(jié)。1.6.2.3 模型設(shè)計(jì)布局圖圖6.1和6.2是分別針對(duì)RZ和NRZ型調(diào)制的布局設(shè)計(jì)圖： 圖6.1 RZ型調(diào)制的40Gb/s光波系統(tǒng) 圖6.2 NRZ型調(diào)制的40

34、Gb/s光波系統(tǒng)一些全局參數(shù)為： 所以Number of Samples = Sequence Length*Sample per Bit = 16384Time Window = Sequence Length * Bit Slot = 3.2nsSample interval = Time Window/ Number of Samples = 0.195psSample rate = 1/ the sampling interval = 5.12THz其中兩個(gè)Layout中的Pseudo-random Bit Sequence generators的設(shè)定是相同的。而對(duì)于RZ genera

35、tor有以下屬性：Rectangle Shape : GaussianDuty Cycle = 0.5 BitRise Time = 0.15 BitFall Time = 0.25 Bit使用外調(diào)制連續(xù)波長(zhǎng)激光器（1550nm，線寬0.1MHz）作為光源。對(duì)于單模光纖，可得到：色散系數(shù)D：色散斜率：非線性系數(shù)：線性損耗：=0.2dB/km光纖長(zhǎng)度：LSMF= 50km經(jīng)過(guò)單模光纖的損耗后，使用一個(gè)EDFA補(bǔ)償這個(gè)線性損耗。對(duì)于色散補(bǔ)償光纖，具有以下屬性：色散系數(shù)：色散斜率：非線性系數(shù)：線性損耗：=0.5dB/km光纖長(zhǎng)度：LDCF= 10km經(jīng)過(guò)DCF光纖的損耗后，使用一個(gè)EDFA補(bǔ)償這個(gè)線

36、性損耗。Bessel光濾波器的波長(zhǎng)為1550nm，帶寬為4* Bit Rate低通Bessel電濾波器的截止頻率為0.75* Bit Rate這里使用OptiSystem提供的理想EDFA作為增益補(bǔ)償器（也考慮到了ASE噪聲），經(jīng)過(guò)EDFA后，單模光纖的增益為10dB，噪聲為6dB。（DCF中相應(yīng)的數(shù)值為5dB和6dB）。首先，我們對(duì)RZ型和NRZ型加以比較。在500km中SMF（10Loops*50km）經(jīng)每一次的增益補(bǔ)償，最大Q影響因子和輸入功率的曲線如圖6.3所示；而誤碼率分析儀眼圖則表征出最佳點(diǎn)的輸入功率約為4mW 圖6.3 RZ型的40Gb/s系統(tǒng)仿真結(jié)果當(dāng)傳輸距離大于500km時(shí)，

37、最大Q影響因子會(huì)小于6，即這是會(huì)有較好Q性能的最大傳輸距離。圖6.4中為NRZ型的高色散光纖的40G系統(tǒng)，傳輸距離為250km（5loops*50km），根據(jù)BER分析儀的眼圖，在輸入功率約為1.25mW處，最大影響因子Q具有最佳值。 圖6.4 NRZ型的40Gb/s系統(tǒng)模擬結(jié)果當(dāng)傳輸距離大于250km時(shí)，最大影響因子Q會(huì)小于6，即這是會(huì)有較好Q性能的最大傳輸距離。從以上兩套系統(tǒng)的影響因子曲線的比較可以看出，我們可以清楚的看到RZ型有較大輸入功率。表明RZ調(diào)制的Duty Cycle = 0.5要優(yōu)于傳統(tǒng)的NRZ調(diào)制格式。其次，我們會(huì)對(duì)40Gb/s單模光纖傳輸系統(tǒng)RZ調(diào)制中的累積放大噪聲和自相位

38、調(diào)制的影響做一定分析。有以下兩種情況：l 自相位調(diào)制假設(shè)為0l 不考慮噪聲因素圖6.5為具體的分析結(jié)果： 圖6.5 40Gb/s系統(tǒng)，傳輸距離為500kg時(shí)的Max Q VS Input Power曲線由上圖可見(jiàn)，在低輸入功率系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)性能的主要因素為累積噪聲放大效應(yīng)；而在高輸入功率階段，傳輸距離則由于自相位調(diào)制而大幅度減小。 從以上分析可得到在不同輸入功率時(shí)，系統(tǒng)性能，例如傳輸距離的大小有不同權(quán)重的因素所導(dǎo)致，這為我們?cè)诰唧w應(yīng)用中提供了良好的分析方向和優(yōu)化工具。1.7 色散補(bǔ)償（Dispersion Compensation）設(shè)計(jì)1.7.1 色散簡(jiǎn)介光信號(hào)在光纖傳輸中不但幅度會(huì)因損耗而

39、減小，波形亦會(huì)發(fā)生愈來(lái)愈大的失真，脈沖展寬，從而限制了光纖的最高信息傳輸速率。這種失真是由于信號(hào)中的各種分量在光纖中的群速度不同（因而時(shí)延不同）引起的。這些分量包括發(fā)送信號(hào)調(diào)制和光源譜寬中的頻率分量及光纖中的不同模式分量。時(shí)延失真是由于光纖色散而產(chǎn)生的，光纖色散包括以下四種：（1） 模間色散：多模光纖中由于各個(gè)導(dǎo)模之間群速度不同造成模間色散。在發(fā)送端多個(gè) 導(dǎo)模同時(shí)激勵(lì)時(shí)，各個(gè)導(dǎo)模具有不同的群速，到達(dá)接收端的時(shí)刻不同。（2） 波導(dǎo)色散：某個(gè)導(dǎo)模在不同波長(zhǎng)（光源有一定的譜寬）下的群速度不同引起的色散，它與光纖結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)，因此又稱(chēng)結(jié)構(gòu)色散。（3） 材料色散：這是由于光纖材料的折射率隨光頻率呈

40、非線性變化，而光源有一定譜寬，于是不同的波長(zhǎng)引起不同的群速度。（4） 偏振模色散：普通單模光纖實(shí)際上傳輸兩個(gè)相互正交的模式，若光纖中結(jié)構(gòu)完全軸對(duì)稱(chēng)，則這兩個(gè)正交偏振模有完全相同的群時(shí)延，不產(chǎn)生色散。實(shí)際單模光纖存在少量的不對(duì)稱(chēng)性，造成兩個(gè)偏振模的群時(shí)延不同，導(dǎo)致所謂的偏振模色散。在這四項(xiàng)色散中，波導(dǎo)色散和材料色散正比于光源的譜寬，故總稱(chēng)波長(zhǎng)色散，它們的相對(duì)大小，與光源本身譜寬及調(diào)制邊帶寬度有關(guān)。對(duì)單模光纖，沒(méi)有模間色散，波導(dǎo)色散與材料色散是主要的，它們的相對(duì)大小又與工作波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)于多模光纖，模間色散與材料色散是主要的，波導(dǎo)色散可略去不計(jì)。 1.7.2色散分析模型設(shè)計(jì)實(shí)例：使用理想色散補(bǔ)償元件

41、的色散補(bǔ)償分析1.7.2.1原理簡(jiǎn)介光載波以相速vp = /傳播，其中=2n/為傳播常數(shù)，為光載波頻率。波包則以群速度vg傳播，其公式為光脈沖沿光纖單位長(zhǎng)度長(zhǎng)傳播的延時(shí)稱(chēng)為群時(shí)延，它可表示為其中c為光速，k0 = 2 / 。可見(jiàn)，群時(shí)延與波長(zhǎng)有關(guān)。某一特定模式內(nèi)的每個(gè)光譜成分在通過(guò)一定距離時(shí)所需的時(shí)間不同而產(chǎn)生時(shí)延差。在本設(shè)計(jì)案例中，我們會(huì)了解到色散補(bǔ)償功能是如何影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能的。由于色散效應(yīng)而導(dǎo)致的脈沖展寬，致使毗鄰的信號(hào)間重疊干擾。脈沖的展寬是距離和色散系數(shù)D的函數(shù)。色散系數(shù)D的單位是ps/nm/km，也是波長(zhǎng)的函數(shù)。一般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1.55m波長(zhǎng)范圍內(nèi)，D的大小通常為17ps/n

42、m/km。1.7.2.2 色散補(bǔ)償模型設(shè)計(jì)布局圖如圖7.1所示，我們利用OptiSystem設(shè)計(jì)這樣的布局對(duì)其色散補(bǔ)償進(jìn)行仿真和分析。對(duì)初始時(shí)的脈沖波形，以及經(jīng)過(guò)10km非線性色散光纖或的脈沖波形，以及最后經(jīng)過(guò)FBG色散補(bǔ)償器后的脈沖波形進(jìn)行檢測(cè)和分析，從而設(shè)計(jì)和改善系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償性能。 圖7.1 理想色散補(bǔ)償元件的色散補(bǔ)償布局圖而該布局中的關(guān)鍵元件：FBG色散補(bǔ)償器的屬性設(shè)定可參見(jiàn)下圖7.2： 圖7.2 FBG色散補(bǔ)償器的屬性設(shè)定圖各元件的參數(shù)設(shè)定好后，可以運(yùn)行模擬，然后我們可得到以下一系列結(jié)果。在40Gb/s碼率和0.5 Time Bit Slot的系統(tǒng)中，由Optical Gaussi

43、an Pulse Generator產(chǎn)生的初始脈沖寬度約為35ps。（見(jiàn)圖7.3） 產(chǎn)生的光信號(hào)入纖傳輸，經(jīng)過(guò)了10km的單模光纖后其脈沖寬度由于色散展寬約為160ps。（見(jiàn)圖7.4）其脈寬將近增寬了4倍于初始的寬度。為了對(duì)這個(gè)色散導(dǎo)致的脈沖失真進(jìn)行復(fù)原和補(bǔ)償，這里使用了一個(gè)FBG色散補(bǔ)償元件來(lái)對(duì)脈沖波形進(jìn)行復(fù)原。其中色散補(bǔ)償值可以調(diào)節(jié)，這里設(shè)為-160ps/nm。經(jīng)過(guò)模擬后，我們可在Optical Time Domain Visualizer中觀察經(jīng)補(bǔ)償元件后的脈沖波形（圖7.5）可以看到經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的脈沖寬度復(fù)原到初始狀態(tài)。 圖7.3 入纖前光脈沖的波形圖 圖7.4 經(jīng)過(guò)10km后的脈沖波形

44、圖 圖7.5 經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償器的光脈沖波形 可見(jiàn)，模擬出的結(jié)果和我們經(jīng)計(jì)算預(yù)期的結(jié)果相當(dāng)一致，這也為我們對(duì)提供的色散補(bǔ)償元件的性能做了很好的性能測(cè)試和模擬。1.8 孤子和孤子系統(tǒng)（Soliton Systems）1.8.1 孤子和孤子系統(tǒng)簡(jiǎn)介 長(zhǎng)久以來(lái)，光纖的損耗和色散是制約光通訊系統(tǒng)中繼距離的主要因素，特別是對(duì)碼率在1Gb/s以上的傳輸系統(tǒng)，由于光纖固有色散的影響，使得所接收的光信號(hào)中存在脈沖展寬現(xiàn)象，嚴(yán)重的限制了系統(tǒng)的傳輸距離。而光孤子技術(shù)的產(chǎn)生就是為了解決這個(gè)難題。1.8.1.1 光孤子 光孤子是一種可長(zhǎng)距離、無(wú)畸變傳輸?shù)墓饷}沖，即使兩波相互碰撞，也能保持彼此相對(duì)對(duì)立、互不影響。由于其形成的機(jī)理并不是這里需要介紹的重點(diǎn)，我們并不做詳細(xì)介紹。而吸引光通訊工作者的原因在于，即使存在光纖色散的情況下，光孤子也能保持其寬度不變。當(dāng)然，當(dāng)存在光損耗時(shí)，由于光孤子峰值功率的減少，從而削弱了抵消群速度色散所引起的非線性影響。為了克服光纖損耗的影響，可以使用放大器對(duì)光孤子周期性放大，以變恢復(fù)其最初的