无源光通信器件课程设计报告书.docx

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无源光通信器件课程设计报告书

《无源光通信器件》

课程期末设计

题目——不同外调制器对光纤通信

传输系统的影响分析

姓名

所在学院

专业班级

学号

指导教师

2012年1月

Lightsim仿真设计报告

一、设计名称

不同外调制器对光纤通信传输系统的影响分析

二、设计目的

通过多种不同外调制器去调制CW激光器，分析在各种外调制器的作用下其对光纤通信传输系统的性能影响。

三、设计原理

CWLaser（continuous-wavelaser）为提供连续光束输出的激光器，需要添加外调制器才能使其适用于信号传输。

本Lightsim（又名PC-simfo）软件中可用的调制器有MZ马赫曾德干涉仪调制器，Electro-AbsortiveOM，DirectionalCouplerOM，YfedCouplerOM等光调制器。

我们利用Lightsim中提供的上述4种调制器去调制CW激光器，通过设定在相同的参数环境状态下，分别传输等周期的高频脉冲序列信号和简单的比特序列数字信号，对其的传输性能结果进行分析，从而对分析在各种调制器下对光纤通信传输系统的性能影响，从理论上对这几种外调制器的性能及适用围条件作简要分析。

四、软件设计容及分析

1.Lightsim仿真系统的各模块构成基本组成如下所示

传输等周期的高频脉冲序列信号时分别有脉冲方波、幅度调制器、CWLaser、单模线性光纤、EDFA放大器、光电接收管。

设定该模拟仿真环境的初始参数为

脉冲方波输出比特率2.5e08bit/s，波形幅度为0.035V，脉冲形式为非归零码，

AM幅度调制器为带载波信号，幅度1V，频率为60MHz，

光纤衰减率为0.55dB/km，长度为15km，对应传输波长为1550nm，零色散波长为1310nm，延时为15ps/nmkm，耦合损耗为5dB，

EDFA放大器的对应增益波长为1550nm，增益为30dB。

系统的持续运行时间设定为2.5e-07s，同时选择重载随机数生成器和总是计算所有模块选项以及在信号中添加噪声。

传输简单的比特序列数字信号时，分别有比特序列信号源、方波脉冲、、CWLaser、单模线性光纤、光电接收管。

比特序列信号源的设定如下：

脉冲波形生成器的设定如下：

由于传输的信号序列简单，故时间上设为2.5e-09s，以降低复杂性。

2.利用MZ外调制器

接下来分别对各模块运行后得到的波形进行分析，传输等周期的高频脉冲序列信号时，在上面设定的参数情况中得到的各运行结果图如下。

幅度调制器输出的波形和激光器的输出波形分别如下：

经过MZ外调制器后的得到的波形和经过光纤传输后的波形：

经过EDFA放大器后的波形和最后接收器输出的波形如下：

从以上结果可以发现，利用MZ干涉仪调制器的输出波形存在较大的失真，使得最后信号在接收器的波形基本上无法看出原始信号的状态，所以这种情况下的通信性能效果非常差。

传输简单的比特序列数字信号时，被传输的比特信号和经过MZ外调制器后的得到的波形：

可见MZ外调制器并不能有效地按照调制信号对传输的光信号进行整形，在此时基本不能再还原到原始的信号。

经过光纤传输后的波形：

由于经光纤传输后的波形一般与光调制器的输出波形有着高度的相似性，故在以后不再列出经光纤传输后的波形。

最后接收器输出的波形：

此时接收器接收到信号很差。

3.利用Electro-Absortive外调制器

接下来利用Electro-AbsortiveOM替换MZ干涉仪调制器，此时的系统模块构成图如下，

在保持原来各个参数不变的情况下，再次运行仿真系统，进而可以得到各个波形的示意图如下，由于模块间的波形具有一定的重复性，故只给出AM调制信号波形，调制器输出波形和光电接收管接收生成波形，以方便我们进行分析比较。

幅度调制器输出的波形和经过Electro-Absortive外调制器输出的波形：

最后接收器输出的波形：

利用Electro-AbsortiveOM外调制器时，其调制结果输出极好，与原始信号波形达到非常高的一致性，只是受到了少许调制信号中的噪声干扰，且其受信号干扰的程度与调制信号有着相同的趋势，可见其适用于模拟信号的调制。

在光电接收管方面，开始时由于接收管的不稳定性，电平出现少许的漂移，但在2e-07s后，信号已达到稳定的接收。

传输简单的比特序列数字信号时，基本组成如下。

被传输的比特信号和经过Electro-Absortive外调制器输出的波形：

经过Electro-Absortive外调制器输出的信号与原调制信号高度相符。

最后接收器输出的波形：

可见，此时Electro-Absortive外调制器的调制效果很好。

4.利用DirectionalCoupler外调制器

接下来利用DirectionalCouplerOM替换Electro-AbsortiveOM制器，此时的系统模块构成图如下，

在保持原来各个参数不变的情况下，再次运行仿真系统，进而可以得到各个波形的示意图如下，由于模块间的波形具有一定的重复性，故只给出AM调制信号波形，调制器输出波形和光电接收管接收生成波形，以方便我们进行分析比较。

幅度调制器输出的波形和经过DirectionalCoupler外调制器输出的波形：

最后接收器输出的波形：

利用DirectionalCoupler外调制器时，波形的形状与原始信号基本一致，可以发现调制输出信号的频率比原始调制信号的频率要高，且应该为原始信号频率的两倍，这样在光电接收管方面都能够检测到两倍频率的信号，这样的信号通过利用合理的电路处理技术可以得到更好的效果。

传输简单的比特序列数字信号时，组成如下。

被传输的比特信号和经过DirectionalCoupler外调制器输出的波形：

经过DirectionalCoupler外调制器的信号与原被传输信号刚好反相。

最后接收器输出的波形：

最后得到的结果都有着反相的效果，需要外加一反相器再得到原来的信号，但其调制效果还是非常好。

5.利用YfedCoupler外调制器

接下来利用YfedCouplerOM替换DirectionalCouplerOM调制器，此时的系统模块构成图如下，

在保持原来各个参数不变的情况下，再次运行仿真系统，进而可以得到各个波形的示意图如下，由于模块间的波形具有一定的重复性，故只给出AM调制信号波形，调制器输出波形和光电接收管接收生成波形，以方便我们进行分析比较。

幅度调制器输出的波形和经过YfedCoupler外调制器输出的波形：

最后接收器输出的波形：

利用YfedCoupler外调制器时，可以看出输出信号的周期性基本一致，但其波形存在一定的误差，可能会造成其中一半的信号不能被正常检测出来，增大了检测电路的难度。

传输简单的比特序列数字信号时，基本组成如下。

被传输的比特信号和经过YfedCoupler外调制器输出的波形：

其调制效果与DirectionalCoupler的效果一致，有着反相的调制特性。

最后接收器输出的波形：

最后得到的结果其信号出现少许的波动，即受到干扰噪声的影响大。

6.比较一下各个外调制器的光电接收器结果统计数据

6.1MZ外调制器Receivedopticalpower：

（通过连接SignalStatistics模块获取）

Pmed（signal）=8.0108dBm

P（ASE）=-INFdBm

Photogeneratednoisepowers:

P（shot-signal）=-89.8385dBm

P（shot-ASE）=-INFdBm

P（signal-ASE）=-INFdBm

P（ASE-ASE）=-INFdBm

Ptotal（noise）=-89.8385dBm

Irms（signal）=9.6757dBm（9.28mA）

Irms（noise）=-29.9193dBm（0.001019mA）

SNR=79.1898dB

Outputphotodiodesignal:

P（thermal）=-43.7707dBm

Vrms（signal）=68.1043dBm（6.463e+06mV）

Vrms（noise）=-INFdBm（0mV）

SNR=+INFdB

fc=1.592e+06Hz

6.2Electro-Absortive外调制器Receivedopticalpower:

Pmed（signal）=4.7733dBm

P（ASE）=-INFdBm

Photogeneratednoisepowers:

P（shot-signal）=-93.0760dBm

P（shot-ASE）=-INFdBm

P（signal-ASE）=-INFdBm

P（ASE-ASE）=-INFdBm

Ptotal（noise）=-93.0760dBm

Irms（signal）=6.4667dBm（4.433mA）

Irms（noise）=-31.5380dBm（0.0007018mA）

SNR=76.0094dB

Outputphotodiodesignal:

P（thermal）=-43.7707dBm

Vrms（signal）=64.7757dBm（3.003e+06mV）

Vrms（noise）=-INFdBm（0mV）

SNR=+INFdB

fc=1.592e+06Hz

6.3DirectionalCoupler外调制器Receivedopticalpower:

Pmed（signal）=5.0742dBm

P（ASE）=-INFdBm

Photogeneratednoisepowers:

P（shot-signal）=-92.7752dBm

P（shot-ASE）=-INFdBm

P（signal-ASE）=-INFdBm

P（ASE-ASE）=-INFdBm

Ptotal（noise）=-92.7752dBm

Irms（signal）=6.9615dBm（4.968mA）

Irms（noise）=-31.3876dBm（0.0007265mA）

SNR=76.6982dB

Outputphotodiodesignal:

P（thermal）=-43.7707dBm

Vrms（signal）=65.0752dBm（3.218e+06mV）

Vrms（noise）=-INFdBm（0mV）

SNR=+INFdB

fc=1.592e+06Hz

6.4YfedCoupler外调制器Receivedopticalpower:

Pmed（signal）=6.8042dBm

P（ASE）=-INFdBm

Photogeneratednoisepowers:

P（shot-signal）=-91.0452dBm

P（shot-ASE）=-INFdBm

P（signal-ASE）=-INFdBm

P（ASE-ASE）=-INFdBm

Ptotal（noise）=-91.0452dBm

Irms（signal）=7.0427dBm（5.061mA）

Irms（noise）=-30.5226dBm（0.0008866mA）

SNR=75.1306dB

Outputphotodiodesignal:

P（thermal）=-43.7707dBm

Vrms（signal）=66.8048dBm（4.792e+06mV）

Vrms（noise）=-INFdBm（0mV）

SNR=+INFdB

fc=1.592e+06Hz

7.小结

通过比较得到，最后的信号接收平均功率从大到少依次为MZ8.0108dBm、YfedCoupler6.8042dBm、DirectionalCoupler5.0742dBm、Electro-Absortive4.7733dBm。

信噪比由高至低依次为：

MZ79.1898dB、DirectionalCoupler76.6982dB、Electro-Absortive76.0094dB、YfedCoupler75.1306dB。

五、设计分析总结

本仿真设计通过对4种不同外调制器（Mach-ZenderOM、Electro-AbsortiveOM，DirectionalCouplerOM，YfedCouplerOM），通过设定在相同的参数环境状态下，对其的传输性能结果进行分析。

在传输等周期的高频脉冲序列信号时，可以看出Mach-Zender调制器的效果最差，Electro-Absortive和DirectionalCoupler的调制性能较优异，YfedCoupler调制器虽然可用但不太好。

DirectionalCoupler的调制效果在功率和信噪比的分析中均得到较好的结果。

传输简单的比特序列数字信号时，Mach-Zender调制器基本不能实现，Electro-Absortive的调制性能较好，DirectionalCoupler和YfedCoupler有着反相调制的特性，但YfedCoupler调制的信号受到噪声干扰较DirectionalCoupler严重。