OptiSystem仿真实例.docx
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OptiSystem仿真实例
OptiSystem仿真软件实例
OptiSystem仿真实例
1光发送机（OpticalTransmitters）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（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器的啁啾（Chirp）
分析
2光接收机（OpticalReceivers）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（OpticalFiber）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（OpticalAmplifiers）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（WDMSystems）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（LightwaveSystems）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（DispersionCompensation）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
8孤子和孤子系统（SolitonSystems）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
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1光发送机（OpticalTransmitters）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（OpticalSource）：
一般为LED和LD。
2）脉冲驱动电路（ElectricalPulseGenerator）：
提供数字量或模拟量的电信号。
3）光调制器（OpticalModulator）：
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。
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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-RandomBitSequenceGenerator模拟所需的数字信号序
列，经过一个NRZ脉冲发生器（None-Return-to-ZeroGenerator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。
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（LiNO3）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LiNbO3Mach-Zehnder调制激光发送机设计图
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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1.4LiNbO3Mach-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，α为啁啾系数：
1.1，其中
V1，V2分别为两个驱动
V1
V2
（1）
V1
V2
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
α为0，而实际模拟出来的结果可见图
1.6。
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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1.6V1=-V2=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=-3V2=3.0V时，根据公式
1可得到α为0.5，输入口2，3和输出口的信号波形可参见图
1.7，1.8：
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图1.7当V1=-3V2=3.0V时，输入口2，3的电信号波形
以上两次不同V1，V2外置偏压的情况下，OptiSystem提供了实际情况的模拟仿真，并
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可得到一系列结果：
1）当V1=-V2=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V1=-3V2=3.0V时，如图
1.8所示，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
LiNbO3Mach-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：
[1]
Cartledge,J.C.;Rolland,C.;Lemerle,S.;Solheim,A.,“Theoreticalperformanceof10Gbps
lightwavesystemsusingaIII-VsemiconductorMach-Zehndermodulator.IEEEPhotonics
TechnologyLetters,Volume:
6Issue:
2,Feb.1994,Pages:
282-284.
[2]
Cartledge,J.C.;“Performanceof10Gbpslightwavesystemsbasedonlithiumniobate
Mach-ZehndermodulatorswithasymmetricY-branchwaveguides”.IEEEPhotonicsTechnology
Letters,Volume:
7Issue:
9,Sept.1995,Pages:
1090-1092.
[3]AT&TMicroelectronics.“TheRelationshipbetweenChirpandVoltagefortheAT&T
Mach-ZehnderLithiumNiobateModulators”.TechnicalNote,October1995.
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2光接收机（OpticalReceivers）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１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。
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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，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（BERAnalyzer）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（ThermalNoise），而放大器的晶体管会引入散粒噪声（ShotNoise），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。
2.2.2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：
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图2.3光电二极管的噪声分析的设计布局图
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图2.4光电二极管的ShotNoise（上图）图2.5光电二极管的ThermalNoise（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ShotNoise；而下端的PIN管的热噪声为1.85e-25W/Hz，没有ShotNoise，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ShotNoise是依赖于信号强度大小的。
而在图2.5
中，下端的PIN管不计入ShotNoise，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
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3光纤（OpticalFiber）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
（
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响。
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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：
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）-InducedSpectralBroadening
3.2.1
设计目的
对自相位调制（Self-PhaseModulation：
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（PulseChirping）
（2）脉冲光谱展宽（PulseSpectralBroadening）
3.2.2
原理简介
自相位调制（SPM）效应可由式
3.1进行描述：
E
2
（3.1）
i
|E|E
z
其中E（Z,t）是电场波包，参数
γ由式3.2给出：
n2
0
（3.2）
cAeff
在方程3.2中，ω0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]。
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可根据方程3.1
直接进行求解得到：
E（z,t）E（z
0,t）exp（i|E（z0,t）|
2
z）
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
相位变化项Φ
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ω
NL=|E（z=0,t）|
0
已有所改变。
频率改变量
δω（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
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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：
φ是峰值功率。
图3.6
max=γP0z。
其中P0
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中为未啁啾高斯型输入脉冲在不同的最大相移值时（0~3.5π）的光谱图。
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φ
π时，输出
max=4.5
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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φmax=4.5π时输出端光谱和第三级高斯脉冲光谱
参考文献：
[1]G.P.Agrawal,NonlinearFiberOptics,AcademicsPress（2001）
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4光放大器（OpticalAmplifiers）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，SemiconductorOpticalAmplifer）
（2）掺稀土元素（铒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，FiberRamanAmplifier）
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
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