OptiSystem仿真在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王秋光 張亞林 胡彩云

摘 要： 介紹了光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的5個(gè)OptiSystem仿真實(shí)驗(yàn)，給出了每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真模型及模型中的參數(shù)設(shè)置，簡要分析了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，OptiSystem仿真實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對光纖通信課程教學(xué)中抽象的理論知識的理解。

關(guān)鍵詞： OptiSystem； 光纖通信； 仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號： TN 929.11，TP 391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）01-0069-04

0 引 言

光纖通信是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的電子信息類專業(yè)課程，涉及光學(xué)、電磁場及通信等多方面理論基礎(chǔ)知識和光纖光纜、光器件光端機(jī)、光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)等實(shí)踐應(yīng)用問題。光纖通信實(shí)驗(yàn)一方面可以幫助學(xué)生直觀形象地理解抽象繁冗的理論教學(xué)內(nèi)容，另一方面用以提高學(xué)生的實(shí)際工作技能，為從事實(shí)踐技術(shù)工作奠定必要基礎(chǔ)。光纖通信實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容通常有：光纖接續(xù)、OTDR測量光纖參數(shù)、LD（LED）光譜特性測量、光纖接收發(fā)送系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等[1-2]。從幫助學(xué)生理解理論教學(xué)內(nèi)容的角度看，采用OptiSystem仿真技術(shù)更具優(yōu)勢[3-4]。OptiSystem是一款創(chuàng)新的、發(fā)展迅速的強(qiáng)大軟件設(shè)計(jì)工具，用戶可使用該工具對從 LAN、SAN、MAN 到超長距離等眾多光網(wǎng)絡(luò)的廣譜物理層中的幾乎所有光學(xué)鏈路進(jìn)行規(guī)劃、測試仿真。它可以提供從元件到系統(tǒng)級別的傳輸層光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃，并且能夠直觀地呈現(xiàn)分析和方案，可以最大程度地降低時(shí)間要求和光學(xué)系統(tǒng)、鏈路和元件的設(shè)計(jì)相關(guān)成本[5]。

1 OptiSystem仿真實(shí)驗(yàn)

為配合光纖通信課程教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，本研究選取了光纖的色散[6]、激光器的調(diào)制頻率特性、摻鉺光纖放大器、光接收機(jī)及WDM系統(tǒng)[7]等5個(gè)OptiSystem仿真實(shí)驗(yàn)。

1.1 光纖的色散實(shí)驗(yàn)

光纖介質(zhì)的非線性使接收的光脈沖包絡(luò)的形狀會發(fā)生變化，引起傳輸波形的展寬。本研究用以考察光纖的群速度色散（GVD）對高斯脈沖傳播的影響，仿真模型如圖1所示。在仿真模型中：Bit rate=40 Gb/s；Optical Fiber參數(shù)：length=2.812km，Reference wavelength=1550nm，Beta2=-20（ps）2/km。

仿真結(jié)果：輸出脈沖寬度T（z）隨傳播方向z按公式（1）增加，輸出峰值功率按公式（2）變化。

光纖的群速度色散（GVD）對高斯脈沖傳播的仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，輸出脈沖比輸入脈沖展寬了，而峰值下降了。

1.2 激光器的調(diào)制頻率特性實(shí)驗(yàn)

在高速光纖傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)，調(diào)制頻率必須小于激光場的弛豫頻率，而弛豫頻率隨半導(dǎo)體激光器的偏置電流的增大而增高。通過這一實(shí)驗(yàn)可以觀察當(dāng)偏置電流變化從而改變弛豫頻率時(shí)，高速光纖傳輸系統(tǒng)的性能變化情況[8]，仿真模型如圖3所示。圖3中，Ith=33.45mA，τsp=1ns，τph=3ps，I0=IB=40mA，Sequence length 128 bits，Samples per bit 512。

仿真結(jié)果：在直接光強(qiáng)度調(diào)制下弛豫頻率與有源區(qū)內(nèi)的電子壽命和諧振腔內(nèi)的光子壽命的關(guān)系為

根據(jù)仿真模型設(shè)定的參數(shù)可以得到弛豫頻率fres≈1.3GHz。圖4給出了系統(tǒng)性能與調(diào)制頻率的關(guān)系。當(dāng)調(diào)制頻率為1.3GHz時(shí)如圖4（a）所示；當(dāng)調(diào)制頻率為5GHz時(shí)如圖4（b）所示。由圖4可看出，當(dāng)調(diào)制頻率高于弛豫頻率后，系統(tǒng)性能嚴(yán)重變壞。

1.3 摻鉺光纖放大器（EDFA）實(shí)驗(yàn)

EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如副載波CATV系統(tǒng)、WDM或OFDM系統(tǒng)、相干光通信及孤子通信系統(tǒng)等。本研究用于分析EDFA的頻率特性和噪聲性能[9]，仿真模型如圖5所示。在仿真模型中摻鉺光纖參數(shù)：Length 7m，Core radius 2.2m，Er metastable lifetime 10ms，Er doping radius 2.2m，Er ion density 1e+025m3，Numerical aperture 0.24。

仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中，（a）為CW激光器的頻率與EDFA增益的關(guān)系曲線，（b）為信號輸入功率與EDFA增益曲線，（c）為功率噪聲曲線。

1.4 光接收機(jī)實(shí)驗(yàn)

光接收機(jī)主要的性能指標(biāo)是靈敏度和動態(tài)范圍。本研究的目的是了解光接收機(jī)靈敏度與誤碼率的關(guān)系及靈敏度與最小輸入功率的關(guān)系[10]，仿真模型如圖7所示。

實(shí)際光接收機(jī)靈敏度的計(jì)算比較復(fù)雜，可粗略表示為

仿真結(jié)果如圖8所示。圖8中，（a）是衰減與Q因子的關(guān)系曲線，（b）是衰減與誤碼率曲線。

1.5 WDM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

波分復(fù)用是光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)大傳輸容量，提高傳輸速率的主要途徑之一，仿真模型如圖9所示。圖9中，利用Mach-Zehnder調(diào)制器進(jìn)行外調(diào)制，16路復(fù)用，光發(fā)射器參數(shù)：Bit rate 40Gb/s。線路由50km單模光纖與10km色散補(bǔ)償光纖構(gòu)成循環(huán)單元，采用摻餌光纖放大器。解復(fù)用器參數(shù)：Bandwidth 8e+010Hz，Depth 100dB，F(xiàn)ilter type Bessel，F(xiàn)ilter order 6。圖10為WDM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，圖中給出了解復(fù)用器之前光纖線路之后的光譜圖，圖中較低的部分為噪聲部分。

2 結(jié)束語

本文根據(jù)光纖通信課程的理論教學(xué)內(nèi)容選出了上述5個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。實(shí)踐表明，OptiSystem仿真實(shí)驗(yàn)直觀明了，可以反復(fù)觀察練習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生對抽象的光纖通信理論教學(xué)內(nèi)容的理解，同時(shí)可以節(jié)省較高的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了較好效果。

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（責(zé)任編輯：徐興華）