完整word光纤通信optisystem实验.docx
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完整word光纤通信optisystem实验
光纤通信Zemax、optisystem实验
程佑梁
实验一Zemax仿真设计
实验目的
1．熟悉Zemax实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光学系统。
2．利用Zeamx的优化功能设计光学系统并使其系统的各项性能参数达到最优.
实验原理
启用Zemax，如何键入wavelength，lensdata，产生rayfan，OPD，spotdiagrams，定义thicknesssolve以及variables,执行简单光学设计最佳化,即分为以下两个部分。
1、lensdataeditor
首先叫出ZEMAX的lensdataeditor（LDE），什么是LDE呢?
它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片,镜片的radius,thickness,大小，位置……等。
然后选取你要的光,在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。
现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。
在第二、三列键入0。
587及0.656，然后在primarywavelength上点在0。
486的位置，primarywavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似（paraxialoptics,即first—orderoptics）下的几个主要参数，如focallength，magnification,pupilsizes等。
再来我们要决定透镜的孔径有多大。
既然指定要F/4的透镜,所谓的F/＃是什么呢？
F/＃就是光由无限远入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直径的比值.所以现在我们需要的aperture就是100/4=25（mm）。
于是从systemmenu上选generaldata，在apervalue上键入25，而aperturetype被default为EntrancePupildiameter。
也就是说，entrancepupil的大小就是aperture的大小.
回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ,STO及IMA。
OBJ就是发光物，即光源，STO即aperturestop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标,可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。
而IMA就是imagineplane,即成像平面。
回到我们的singlet，我们需要4个面（surface），于是在STO栏上，选取insertcifter,就在STO后面再插入一个镜片，编号为2,通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。
再来如何输入镜片的材质为BK7。
在STO列中的glass栏上,直接打上BK7即可。
又孔径的大小为25mm，则第一面镜合理的thickness为4，也是直接键入。
再来决定第1及第2面镜的曲率半径,在此分别选为100及—100，凡是圆心在镜面之右边为正值,反之为负值.而再令第2面镜的thickness为100。
现在你的输入数据已大致完毕。
你怎么检验你的设计是否达到要求呢？
选analysis中的fans，其中的RayAberration，将会把transverse的rayaberration对pupilcoordinate作图。
其中rayaberration是以chiefray为参考点计算的.纵轴为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZplane.同理X方向的aberration称为XZplane或sagittal.
Zemax主要的目的,就是帮我们矫正defocus,用solves就可以解决这些问题。
solves是一些函数，它的输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi—diameters,conics，以及相关的parameters等.parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式。
如curvature的型式有chiefrayangle,pickup，Marginalraynormal，chiefraynormal，Aplanatic，Elementpower，concentricwithsurface等。
而描述chiefrayanglesolves的parameter即为angle，而补足pickupsolves的parameters为surface,scalefactor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象。
2、数据优化
在surface2栏中的thickness项上点两下,把solvetype从fixed变成MarginalRayheight，然后OK。
这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0,即paraxialfocus。
再次updaterayfan，你可发现defocus已经不见了。
但这是最佳化设计吗？
再次调整surface1的radius项从fixed变成variable，依次把surface2的radius，及放弃原先的surface2中thickness的MarginalRayheight也变成variable。
再来我们定义一个Meritfunction，什么是Meritfunction呢？
Meritfunction就是把你理想的光学要求规格定为一个标准（如此例中focallength为100mm），然后Zemax会连续调整你输入solves中的各种variable,把计算得的值与你订的标准相减就是Meritfunction值，所以Meritfunction值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定,理想的Meritfunction值为0.
现在谈谈如何设Meritfunction,Zemax已经default一个内建的meritfunction，它的功能是把RMSwavefronterror减至最低,所以先在editors中选Meritfunction，进入其中的Tools，再按DefaultMeritFunction键，再按ok,即我们选用defaultMeritfunction,这还不够，我们还要规定给meritfunction一个focallength为100的限制，因为若不给此限制则Zemax会发现focallength为
时，wavefrontaberration的效果会最好,当然就违反我们的设计要求。
所以在Meritfunctioneditor第1列中往后插入一列，即显示出第2列,代表surface2,在此列中的type项上键入EFFL（effectivefocallength）,同列中的target项键入100，weight项中定为1。
跳出Meritfunctioneditor，在Tools中选optimization项，按Automatic键，完毕后跳出来,此时你已完成设计最佳化。
重新检验rayfan,这时maximumaberration已降至200microns。
其它检验opticalperformance还可以用SpotDiagrams及OPD等。
从Analysis中选spotdiagram中的standard，则该spot大约为400microns上下左右交错，与Airydiffractiondisk比较而言，后者大约为6microns交错。
而OPD为opticalpathdifference（跟chiefray作比较）,亦从Analysis中挑选,从Fans中的OpticalPath，发现其中的aberration大约为20waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axialcolor。
Zemax另外提供一个决定firstorderchromaticabberation的工具,即thechromaticfocalshiftplot，这是把各种光波的backfocallength跟在paraxial上用primarywavelength计算出firstorder的focallength之间的差异对输出光波的wavelength作图，图中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。
从Analysis中Miscellaneous项的ChromaticFocalShift即可叫出。
实验内容
1、显微物镜系统设计
在图1显示一个10X显微物镜。
其包含二组远距的胶合双重透镜（Lister型式）.NA：
0.25；EFL=0。
591。
表1提供了这个设计的数据。
第一镜面到像距为0。
999.第一镜面到物距为6.076。
最后一面供作保护面之用。
畸变=0。
26﹪。
图110倍显微物镜系统
表110倍显微物镜参数
要求：
（1）运用zemax软件仿真实现该系统,并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。
（2）改变某一LensData,观察像质评价和分析，然后设置该LensData为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。
（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。
（4）改变系统波长,观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。
望远镜头系统设计
在图2是一个望远镜头具有20°视场以及EFL=5。
这个镜组的资料给定在表2。
图2望远镜头系统
表2望远镜头系统参数
要求：
（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析,给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。
（2）改变某一LensData，观察像质评价和分析，然后设置该LensData为变量并进行优化,再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质.
（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜,选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统.
（4）改变系统波长,观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况.
实验二WDM的Optisystem仿真设计
实验目的
1．熟悉Optisystem实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光纤通信系统。
2．利用Optisystem的优化功能仿真计算光纤通信系统的各项性能参数，并进行分析。
实验原理
OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。
一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器,OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。
它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展,而成为一系列广泛使用的工具.
OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。
它的广泛应用包括：
物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；CATV或者TDM∕WDM网络设计;SONET∕SDH的环形设计；传输器、信道、放大器和接收器的设计；色散图设计；不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估；放大的系统BER和连接预算计算.
Optisystem环境是一种为利用元件库组建光纤通信系统，利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳的光纤通信系统。
Optisystem通过3部分来实现光纤通信系统仿真，即：
器件库、光学方案图编辑器、图形演示。
1、器件库
（1）发射器
发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、编码器和比特序列发生器等。
半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要的发射器部件。
使用OptiSystem，用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些参数。
当使用外调制的CW激光器时，对于啁啾和衰减来说，MQW马赫－曾德尔调制器和电吸收调制器的模型是基于测量的,并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵敏度的最小退化。
对于随即数字发生器,编码器和比特序列产生器允许用户在不同的调制模式和算法之间进行选择
（2）光纤
光纤是主要的传输通道。
对于任意的WDM信号，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果.在很大的条件范围内，这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素.
（3）接收器
用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。
如果噪声用概率密度函数（PSD）来描述，PIN或者APD将采用基于高斯近似的准分析模型来计算噪声的作用。
如果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFD来描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。
电滤波器件的内部库包括实际的、频率相关的参数。
在这个库中，用户可以考虑不同滤波器形式来设计接收器.
（4）网络器件
复用器∕解复用器,上路∕下路,阵列波导光栅，静态和动态开关，循环∕环形元件，交叉连接，·波长转换。
（5）无源器件
·滤波器，调制器，耦合器，分波器,合波器，环形器，隔离器，偏振器件，光纤光栅。
（6）光放大器
EDFA和拉曼放大器已经成为光纤网络所需的器件，从WDM网络转发器到CATV接线放大器，都有着广泛的应用.OptiSystem能使用户选择不同的模型，例如自定义增益和噪声系数的理想放大器,或者是基于测量或者速率方程静态或者动态的解的黑匣子模型.通过利用半导体激光器的多功能特性，可以完成放大和波长转换。
（6）观察仪
客户可以在任何器件使用观察仪来打开端口数据监视器，并且存取结果。
数据监视器可以保存处理过的信号信息，而没有必要预先确定观察仪的类型。
因此，一个OSA或WDM分析仪可以加在相同的监视器上,一旦一个计算完成，就不需要再次运算.
库中可以利用的观察仪包括：
·光∕射频频谱分析仪，示波器∕光时域分析仪,眼图分析仪,误码率分析仪，WDM分析仪，功率计。
2、光学方案图编辑器
这个界面可以让用户快速而有效的创建和修改自己的设计。
每个OptiSystem方案文件可以包含足够多的设计版本.这些设计版本可以相互独立的被计算和修改,但是来自于不同版本的计算结果可以合并起来进行比较。
3、图形演示
OSA频谱、示波器和眼图，探针和可视化工具列出信号功率、增益、噪声系数和OSNR,图形生成工具可以对任何参数扫描的任意结果进行比较，直观的图形管理器使用户可以画出设计中使用的几乎所用的参数的曲线,·生成的图形组尺寸可变、视角可变换，并将这些视图转变成可以保存和重新使用的结果方案图，将复合图合并成3D图。
实验内容
OptiSystem用于WDM设计
根据下图，运用OptiSystem练习设计WDM通信系统,并得出WDM分析结果,在此基础上练习使用该软件的优化功能,如何实现系统优化。
WDM分析结果
实验三、OptiSystem用于EDFA设计
根据下图，运用OptiSystem练习设计EDFA通信系统,并得出EDFA产生的增益，如采用双泵浦，其增益又如何，在此基础上练习使用该软件的优化功能，如何实现系统优化。
实验四、通信系统综合设计
1.选择一个你认为合适的方案
供选方案：
NRZ、RZ调制格式，直接调制或者外调制,APD管或者PIN管,lowpassrectangularfilter或者lowpassgaussfilter。
请选择你认为实际中可实现的通信性能最好的一组方案。
并给出相应的理由。
答：
选择NRZ调制格式，直接调制，APD管,lowpassgaussfilter。
选择这个方案的理由是：
为了使得整个系统得到最好的信噪比，并且保证系统误码率在可接受的范围内。
具体理由分析如下:
选择NRZ调制格式,因为经NRZ调制的光信号具有紧凑的频谱特性，调制和调解结构简单,在10G和一部分40G系统中得到广泛应用，一直被作为中短距离光纤通信系统中的主要调制格式，通过色散管理和终端可调色散补偿技术，NRZ调制格式在终端传输距离普通光纤获得良好的光传输性能。
选择直接调制，因为直接强度调制是用信号直接调制激光器的驱动电流，使其输出功率随信号变化。
这种方式设备相对简单，研究较早，现已成熟并商品化.外调制则常用于要求较高的通信系统。
选择APD管，因为由书上的P264页的图8。
3可知，PIN管接收灵敏度适用于低数据速率光纤通信,当系统通信数据速率为10G时，PIN灵敏度管不适于应用，我们优选ADP管.
选择lowpassgaussfilter（低通高斯响应滤波器），因为lowpassrectangularfilter（低通矩形响应滤波器）是理想的低通滤波器的模型，在幅频特性曲线上呈现矩形。
在现实中，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。
而lowpassgaussfilter（低通高斯响应滤波器）采用时域法测量有效带宽，具有直观、简便的优点，而采用时域法能够显著缩短有效带宽测量时间。
实验过程：
本次实验中,由NRZ调制格式、直接调制、APD管和lowpassgaussfilter构成的光纤通信系统。
1）。
根据实验要求，连接实验电路。
同时为了实时地观察系统的运行状态，必须在系统外围增加监测及显示装置,将系统运行结果显示出来,便于观察和分析.因此，在系统中加入了EyeDiagramAnalyzer、BERAnalyzer、OpticalTimeDomainVisualizer、OpticalPowerMeter、OpticalSpectrumAnalyzer、OscilloscopeVisualizer。
通过这些监测及显示器件，可以较为直观地观察到入纤光功率、调制前后的光信号频谱与时域波形、解调后的信号波形、信号眼图及误码率等系统的运行状态和运行结果。
整个光纤通信系统的架构如下图示:
完整的光纤通信系统
2）设置相关参数。
整体参数：
UserDefinedBitSequenceGenerator“1001011010010110”,系统10G,入纤功率10dBm。
APD管与PIN管的响应度设定为1A/W。
整体参数设置：
系统传输速率10G.，如下图
发送序列设置:
1001011010010110，如下图
入纤功率设置：
10dBm，如下图
APD管的响应度设置：
1A/W，如下图
光纤长度设置:
50Km，如下图
在OptiSystem软件中进行仿真，运行的结果如下：
（1）实际入纤光功率为5.471E—3W,7.381dBm,如下图
图1
（2）调制前信号时域波形，如下图
图2
（3）调制后光信号时域波形,如下图
图3
（4）调制后光信号频谱，如下图
图4
（5）信号眼图,如下图
图5
（6）误码率，如下图
图6
2。
观察入纤光功率，并对比调制前后的光信号频谱与时域波形,以及做相应的分析
答:
由图1可知实际入纤光功率；根据图2、3、，通过对比调制前后的光信号时域波形;根据图4知调制后光信号频谱，调制后的光信号具有紧凑的频谱特性。
3。
解调后的信号信号波形,信号眼图,及误码率等分析
答：
调解后的信号信号波形为像眼图的波形（如图5），
眼图分析,如下图:
眼图的张开宽度决定了接收信号的抽样间隔，在此间隔内抽样能抵挡码间串扰不发生误码;接收波形的最佳抽样时间在眼睛张开的最大处。
由于数据信号的失真,眼睛张开的高度会降低，眼睛张开的顶端与信号电平的最大值之间的垂直距离表示了最大失真，眼睛越小，鉴别信号1和0就越难.在抽样时间上，眼睛张开的高度表示噪声容限或抗噪声能力.眼图斜边的斜率决定系统对定时误差的敏感程度，当斜率较小时，定时误差的可能性增加.在光纤系统中由于接收机噪声和光纤的脉冲畸变，会产生时间抖动。
如果取样时间正好在信号与判断门限值相交的时刻的中点，判断门限值电平失真量T1，定时抖动=T1/Tb×100％,Tb为1bit的时间间隔。
误码率分析：
实验误码率分析如图6;定时抖动越大，说明码间干扰所引起的误码率越大。
上升、下降时间越长,说明色散严重，脉冲展宽明显,也更容易导致出现码间干扰。
4.测量你所选用系统的距离带宽积（BL）,并解释滤波器作用
答:
距离带宽积（BL）：
实验中光通信系统的距离为50Km,带宽为10G,因此距离带宽积=距离*带宽=50Km＊10G=500Km.G.
系统接收端的lowpassgaussfilter（高斯低通滤波器）的作用是：
滤除带外噪声，进一步提高信噪比，改善光通信系统的性能.低通高斯响应滤波器采用时域法测量有效带宽，具有直观、简便的优点,而采用时域法能够显著缩短有效带宽测量时间.
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