OptiSystem仿真实例.docx

1、OptiSystem仿真实例OptiSystem 仿真软件实例OptiSystem 仿真实例1光发送机（ Optical T ransmitters ）设计1.1 光发送机简介1.2 光发送机设计模型案例： 铌酸锂（ LiNbO 3）型 Mach-Zehnder 调制器的啁啾（ Chirp）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 Amp

2、lifiers ）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6.2 光波系统使用 OptiSystem 设计模型案例： 40G 单模光纤的单信道传输系统设计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

3、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：9结语OptiSystem 仿真软件实例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

4、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

5、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。OptiSystem 仿真软件实例图 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

6、。1.2光发送机模型设计案例：铌酸锂（3）型 Mach-Zehnder 调制器中的啁啾（ Chirp）分析LiNbO图 2 外调制激光发射机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

7、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 3）晶体构成。本设计实例中，我们通过对该晶体外加电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：图 1.3 双驱动型 LiNbO 3 Mach-Zehnder 调制激光发送机设计图OptiSystem 仿真软件实例1.2.4 模拟分析在图 1.3 中，驱动电路 1 的电压改变量 V1 和驱动电路 2 的电压改变量 V2 是相同的。图1.4

8、 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 3 ，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， V2 大小分别为V1 的-1 ， 0， -3 倍）后到 MZ 调制器的另一个输入口。图 1.4 LiNbO 3 Mach-Zehnder 调制器的参数设置啁啾（ Chirp）量可根据两路的驱动偏压值得到，如公式电路的驱动电压， 为啁啾系数：1.1，其中V1，

9、V2 分别为两个驱动V 1V 2(1)V 1V 2图 1.5 为一系列信号脉冲输入时， 在 2，3 口的电压 V1= V2 = 2.0V时波形。 根据公式1.1 可知在这种情况下，啁啾系数为 0，而实际模拟出来的结果可见图1.6。OptiSystem 仿真软件实例OptiSystem 仿真软件实例图 1.5 输入口 2 的电压为 2.0V，输入口 3 的电压为 -2.0V 时的电压波形图 1.6 V1=-V 2=2.0V 时，输出的光信号波形及其啁啾量（ Chirp ）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V1= -3V 2=3.0V 时，根据公式1 可得到 为 0.5 ，输入

10、口 2， 3 和输出口的信号波形可参见图1.7， 1.8：OptiSystem 仿真软件实例OptiSystem 仿真软件实例图 1.7 当 V1= -3V 2 =3.0V 时，输入口 2， 3 的电信号波形以上两次不同 V 1， V2 外置偏压的情况下， OptiSystem 提供了实际情况的模拟仿真，并OptiSystem 仿真软件实例可得到一系列结果：1) 当 V1=-V 2 =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 1=-3V 2=3.0V 时，如图1.8 所示

11、，啁啾量的大小约为3GHz，这个大小的啁啾量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 3 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 调制器的啁啾的分析可参见文献1-3 。参考文献：1Cartledge, J.C.; Rolland, C.;Lemerle, S.;Solheim, A., “Theoretical pe

12、rformance of 10Gbpslightwave systems using a III-V semiconductor Mach-Zehnder modulator. IEEE PhotonicsTechnology Letters, V olume: 6 Issue: 2 , Feb .1994, Pages:282-284.2Cartledge, J.C.; “ Performance of 10Gbps light wave systems based on lithium niobateMach-Zehnder modulators with asymmetric Y -br

13、anch waveguides ” . IEEE Photonics TechnologyLetters, Volume: 7 Issue: 9, Sept. 1995, Pages: 1090-1092.3 AT&T Microelectronics. “ The Relationship between Chirp and Voltage for the AT&TMach- Zehnder Lithium Niobate Modulators ” . Technical Note, October 1995.OptiSystem 仿真软件实例2 光接收机（ Optical Receiver

14、s ）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

15、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。OptiSystem 仿真软件实例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，

16、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

17、.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光电效应增益前放偏置电阻量子（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：OptiSystem 仿真软件实例图 2.3 光电二极管的噪声分析的设计布局图OptiSystem 仿真软件实

18、例图 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

19、 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。n1；折射OptiSystem 仿真软件实例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，目前，通信用的光纤大多数是利用石英材料做成的横截面

20、很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫纤芯，其折射率为率低的外围部分称为包层，折射率为（n 1），如图 3.1：即是利用光纤来传输光信号。 光纤有不同的结构形式。涂覆层 包层n2在本章中，并不针对光纤具体的折射率分布等设计参数进行详细介绍和讨论，图 3.1 光纤结构纤芯因为 OptiWave 提供了专门针对光纤设计和 分 析 的 专 门 软 件 ： OptiFiber ， 而OptiSystem 可以将在 OptiFiber 中设计的光纤直接输入调用，十分方便。在本章中， 我们主要讨论的是光纤的损耗，色散以及非线性等传输过程中的效应对光通讯系统的性能的分析以及影

21、响。OptiSystem 仿真软件实例3.1.1 光纤的损耗特性光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个至关重要的问题， 低损耗是实现远距离光通讯的前提，光纤损耗的原因十分复杂， 归结起来主要包括： 吸收损耗和散射损耗， 以及辐射损耗。（1） 吸收损耗： 吸收损耗包括紫外吸收、 红外吸收和杂质吸收等， 它是材料本身所固有的，因此是一种本征吸收损耗。（2） 散射损耗：散射与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。一般包括：瑞利散射损耗、波导散射损耗和非线性损耗。（3） 辐射损耗：光纤使用过程中，弯曲往往不可避免，在弯曲到一定的曲率半径时，就会产生辐射损耗。3.1.2 光纤的色散特性及带宽光信号在

22、光纤中传输时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，一般包括以下几种：（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。在发送机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：这是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，又称为结构色散。（3）材料色散

23、： 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，实际在单模光纤存在各种少量随机的不确定性，不对称性，造成了两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。3.2光纤模型设计案例：自相位效应（SPM） -Induced Spectral Broadening3.2.1设计目的对自相位调制（ Self-Phase Modulation ： SPM）在脉冲传播上的模型进行模拟和验证。主要包括两个方面：（1） 脉冲啁啾（ Pulse Chirping ）（ 2） 脉冲光谱展宽（ Pulse Spe

24、ctral Broadening）3.2.2原理简介自相位调制（ SPM）效应可由式3.1 进行描述：E2(3.1)i|E| Ez其中 E(Z,t) 是电场波包，参数由式 3.2 给出：n20(3.2)cAeff在方程 3.2 中， 0 是光载波频率， n2 是非线性折射率系数， Aeff 是有效作用面面积 1 。OptiSystem 仿真软件实例可根据方程 3.1直接进行求解得到：E ( z, t ) E ( z0 , t ) exp( i | E ( z 0 , t ) |2z)从该式可知，经过自相位调制后，脉冲的波形（即：|E(z,t)| 2=|E(z=0,t)| 2）不受影响。而相位变

25、化项 2 表明经过自相位调制后，脉冲的瞬时频率相对原先载波的频率NL =|E(z=0,t)|0已有所改变。频率改变量(t) 由式 3.3给出：( t )NL(3.3)t该频率的改变和时间的关系导致了啁啾声的产生。3.2.3 模型的设计布局图为了验证 SPM 效应，我们可以设计以下布局图3.2：图 3.2 自相位调制设计布局图其中参数设定如图 3.3：OptiSystem 仿真软件实例OptiSystem 仿真软件实例图 3.3 全局参数设定（上图） ；图 3.4 光纤参数设定（下图）在非线性光纤的参数设定中， 我们只针对自相位调制效应进行检测分析，所以我们可以禁掉其他非线性效应，如图 3.4

26、所示。当脉冲的峰值功率为 10mW ，光纤长度设为 10km 时，得到的结果如图 3.5 所示：图 3.5 经过 10.73km 的光纤前（上图）后（下图）的脉冲波形和啁啾从图 3.5 中可看到脉冲的波形保持不变，但由于自相位调制效应，产生了啁啾声。脉冲前端红移，而后端蓝移。如果存在反常色散，则可能发生由于 SPM 的啁啾而导致脉冲波形会变窄。这说明 SPM 效应和 GVD 的作用正好相反。为了观察 SPM 导致的光谱展宽， 我们需要引入： 是峰值功率。 图 3.6max= P0 z。其中 P0OptiSystem 仿真软件实例中为未啁啾高斯型输入脉冲在不同的最大相移值时（ 03.5）的光谱图

27、。自相位调制和啁啾以方程 3.1 联系在一起。 根据图 3.5，在两个不同 t 值时的啁啾相同， 说明在两个不同的点上瞬时频率为相同的一个。这两个点代表两个相同频率的波，能够相长或者相消的互相作用，导致了脉冲光谱的振荡结构。图 3.6 未啁啾高斯脉冲的不同相移时的光谱由于 SPM 导致脉冲展宽依赖于脉冲波形和初始啁啾，图 3.7 为最大相移 时，输出max=4.5OptiSystem 仿真软件实例端的高斯脉冲的光谱和第三级高斯脉冲的光谱。图 3.7 最大相移 max=4.5时输出端光谱和第三级高斯脉冲光谱参考文献：1G.P.Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Ac

28、ademics Press (2001)OptiSystem 仿真软件实例4 光放大器 （ Optical Amplifiers ）设计4.1 光放大器简介光放大器，尤其是掺铒光纤放大器（ EDFA ）的研制成功使光纤通讯技术产生了革命性的变化：用相对简单廉价的光放大器代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光电光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，尤其是和 WDM 技术的珠联璧合，奠定了向未来的全光通信发展的基础。4.1.1 光放大器分类主要有三类：（1） 半导体光放大器（ SOA， Semiconductor Optical Amplifer ）（2） 掺稀土元素（铒

29、Er、镨 Pr、铷 Nd ）的光纤放大器；主要是是 EDFA，还有 PDFA 等（3） 非线性光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器（ FRA ， Fiber Raman Amplifier ）针对目前以 EDFA 的发展最为迅速，应用也最为广泛，在本章中，主要以 EDFA 为主要介绍和设计对象。 但这里需要提到的是， OptiSystem 也提供了大量 SOA, PDFA, FRA 等等光放大器的元件库，为设计者提供了十分便利的分析工具和功能。4.1.2 掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的英文缩写为： EDFA ，其基本结构如图 4.1 所示。输入光信号光隔光隔输出光信号光耦光滤合器离器离器波器