1、Lightsim仿真設計說明書 無源光通信器件課程設計 題目 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 姓 名 _ 所在學院 _ 專業班級 _ 學 號 _ 指導教師 _ 2011年12月影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第1頁共19頁 Lightsim 仿真設計說明書 、設計名稱 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 二、設計思路和目的 通過利用 Lightsim 軟件對簡單的光纖通信傳輸系統進行仿真，在保持整體傳輸系統模 塊及其參數不變的情況下， 通過替換不同的激光器及其參數， 同一激光器的多種調制方式輸 出，來分析總結光源的特性對傳輸系統的影響。 然后簡單地通過調整改變不同類型的調制信 號、光纖類型、光放大

2、器相對于光纖的位置， 利用仿真得到的數據總結光傳輸系統中各部分 因素對其傳輸質量的影響。 三、 設計原理 Lightsim 軟件可供利用的激光器主要有 Single-mode DFB , Multimode FP , CW Laser 三種。DFB( Distributed Feedback Laser) ,即分布式反饋激光器，其內置了布拉格光柵 (Bragg Grating )，屬于側面發射的半導體激光器。其采用模擬殘留邊帶調幅( AM-VSB 信 號(射頻信號)直接調制激光二極管，使得光輸出強度隨著射頻信號強度的變化而變化。 Multimode FP(Fabry-perot) Laser

3、,為內置了法布里-珀羅諧振腔的激光器，產生多縱 模輸出。DFB laser 與FP Laser 的區別是 DFB Laser 是在 FP Laser 的基礎上采用光柵濾 光器器件使得其只有一個縱模輸出，兩者均屬于內調制激光器。 CW Laser (continuous wave laser) 為連續產生相干光束的激光器，提供連續光束輸出 的激光器，其需要使用外調制器后用于光纖信號傳輸。 本軟件可供利用的光調制器 (OM)有 Mach-Zender , Electro-Absortive , Directional Coupler , Y fed Coupler 四種。 可供利用的光放大器有 S

4、OA (Semiconductor Optical Amplifier) 為半導體光放大器， EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier) 摻鉗光纖放大器。 SOA過給器件加偏置電 流時，使半導體增益物質產生粒子數反轉，使電子從價帶躍遷到導帶，產生自發輻射，當外 光場入射時會發生受激輻射產生信號增益。 EDFA 使用摻餌光纖中摻雜離子在受到泵浦光激 勵后躍遷到亞穩定的高激發態，在信號光誘導下，產生受激輻射，形成對信號光的相干放大。 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第2頁共19頁 四、 系統描述影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第3頁共19頁 基本構成包括激

5、光器(CW Laser)、光調制器(Mach-Zender OM)、比特序列信號源(bit Sequence)、NRZ/RZ 方波脈沖源(Rectangular Source) 、模擬信號源(Analog Source)、乘 法運算器(Multiplication) 、驅動器(Driver)、光衰減 器(optical attenuator) 、光纖 (single-mode)、光放大器(EDFA)、光延時器(Time delay)、光接收器(Photodiode)等。其 中光衰減器和光延時器用于表征各連接器間的插入損耗等，并非光纖通信傳輸系統所必須。 其中，采用振幅鍵控(ASKQ 調制的技術

6、，其信號調制部分結構如下所示: 仿真的光纖信號傳輸系統的基本模塊組成如下圖所示: 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第4頁共19頁 要調制的信號序列波形圖和調制用的載波波形圖分別如下: 則調制后的信號和經過驅動器的輸出波形分別為: 經過多次仿真后，現設定一趨于實際的模擬仿真環境，其初始參數設定如下。 系統信號持續運行時間(Signal time duration) 設定為 5e-09s ,同時勾選重載隨機數 生成器和總是計算所有模塊選項以及在信號中添加噪聲 o Frequency resolution: 2e+08 Hz Simulation bandwidth: 5J2e+10 Hz 匠 Al

7、ways compute all blocks 匠 Reinitialize random number generate 0028 _&3為_ XJ.00&9967- 11 -000019591 -0OOOS91614- 0 I川.H川. 125eM 2.5e.Q9 3 75e 機區 Time (&) 將經過驅動器的輸出波形直接作用于光調制器, 可實現對光信號的調制。 Signal time duration: 0014- 0021- 0 037897 - M 號.Lmo 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第5頁共19頁 向 Add noise to signal影響光

8、纖通信傳輸系統的因素分析 第6頁共19頁 Attenuation factor, alfa： S| dB 光纖(single-mode) 衰減率為 0.5dB/km，長度為 15km,對應傳輸波長為 1550nm,零色 散波長為 1310nm,延時為17ps/nmkm,耦合損耗為 5dB。比特序列信號源(bit Sequence)的傳輸比特序列設定如下，為 1011010110: Bit sequence, ak: 1011010110 廣 BER measurement Number of bits, nAM: | L External file name： Packet size： bit

9、s NRZ/RZ 方波脈沖源(Rectangular Source) 的輸出比特率 2.5e+09 bit/s ,波形幅度為 0.028V，脈沖碼型為非歸零碼 (NRZ)。 2.5e+09 Bit rate, BT: Pulse amplitude, A: |0.028 r Pulse coding format: |NRZ一三 Occupancy factor, beta： 0*5 Output C* Voltage -Curre nt 模擬信號源(Analog Source)的輸出比特率 1e+10Hz,相當于輸入信號頻率的 2 倍，幅 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第7頁共19頁 光放

10、大器(EDFA)的對應增益波長為 1550nm ,增益為 30dB。 Small signal gainfGO： Output saturation power, Psout Noise factor, nsp： Optical bandwidth, BO: Number of modes, kc； Optical wavelength, Ibda： 光延時器(Time delay) 延時設定為 1e-09s。 Time Delay 1e-09 四、具體仿真步驟及結果分析 1.激光器(CW Laser)采用不同調制器的特性分析 (1)采用 Mach-Zender OM ,建立仿真系統如下圖所示

11、 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第8頁共19頁 卜面我們分別對各部分得到的波形進行分析，在上面情況中得到的各運行結果圖如下 激光器(CW Laser)的輸出波形: 可見 CW Laser 的本身輸出一 驅動器(Driver)輸出的波形: _ _M M a aM Mv vLLLL0 0UU38256- MO 00381SS- CI 038017- 0037097- 0 037777 光調制器(Mach-Zender OM) 后得到的波形: 定值的功率信號，需外加調制才可用于光纖信號傳輸。 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第9頁共19頁 此時Mach-Zender OM雖然還能看到一定的周期性，

12、但已明顯地存在失真的現象，其信 號幅度并不能保持一致。 由于軟件的一定局限性，經過光衰減器 (optical attenuator) 、光纖(single-mode)、 光放大器(EDFA)、光延時器(Time delay)的信號波形與光調制器(Mach-Zender OM輸出波 形有著極大的相似性，在此故不再列出。 光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號： 雖然光電接收管的輸出信號中仍能檢測出明顯的尖峰， 但此時的信號基本上無法獲取原 來的調制信號信息。 2 85176- 1.30He-CB- 9 5饋何- 5 03596-3G 0813 杰 1 一 | | I. IHl 1

13、g 詞 與信號調制器的波形相比，該調制結果有著很好的一致性, 其周期基本上相同，信號幅 度的平均略有少許偏差。 光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號: 驅動器 (Driver) 輸出的波形和光調制器(Electro-Absortive OM ) 后得到的波形: (2)采用 Electro-Absortive OM ,建立仿真系統如下圖所示 II I 2.5e.d9 Time is) ij 2U - 0 020056 rMJ!吉讓號-.S司 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第13頁共19頁 Y fed Coupler OM 的抗干擾性較好。影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第14頁

14、共19頁 2. 采用不同激光器的特性分析 (1)采用 CW Laser 對 CWLaser 的輸出分析已在步驟 1 中實現，在此不再列出，下面給出 CWLaser 中存在 的嗯啾(Chirp)波形和 CW Laser 中的功率頻譜圖(Power Spectrum): (上右圖中的橫坐標并不全是 1550,只是其值趨向于 驅動器(Driver)輸出的波形和 DFB Laser 的輸出光信號波形: 屬于內調制的 DFBLaser 的輸出波形與原調制信號的周期基本符合， 其受到隨機噪聲的 1550,其尾數被省略，下同) - -1J1J口3=?3=? 1 576+07- -24247*06- n 05

15、昧叫 4部況明 (2)采用 DFB Laser ,建立仿真系統如下圖所示 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第15頁共19頁 影響也不大。 同理，經過光衰減器 (optical attenuator) 、光纖(single-mode)、光放大器(EDFA)、影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第16頁共19頁 光延時器(Time delay)的信號波形與光調制器(Mach-Zender OM 豹輸出波形有著極大的相似 性，在此故不再列出，下同。 光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號： 最后接收到的信號除了少許幅度偏移外，其后基本能保持正常的接收。 DFB Laser 中存在的 chi

16、rp 波形和起功率頻譜圖 需要利用 Multi-mode Fiber 來傳輸。0.000890311 0.00088572- 0.00088112- 0.00067653- 0.00087194 0 1.25e-09 2.5e-09 Tiirn (s) 3.75e-09 5e-09 (Power Spectrum): 1 7305e-M84- 0 6.93$1e-3i 1M9 A1 1550 33 7國2網HIA 檔S舶加浦6- -8明2輪Hi* 2.5e.d9 3.TS&0& 姑 Tira間 1.6516Es2Q 1.101130 55055&-21 1550 qi

17、15012 155U 22 Wm陌 HQIII (nm| (3)采用 Multimode FP Laser ,建立仿真系統如下圖所示 Multimode FP Laser 與 DFBLaser、CWLaser 不同的是其輸出為多模激光， 波長為 1310nm, 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第17頁共19頁 驅動器(Driver) 輸出的波形和 Multimode FP Laser 的輸出光信號波形: 光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號: Tims s) 在相同的傳輸環境下， Multimode FP Laser 的輸出信號經過傳輸后，已不能正常地被 接收提取。 Multi

18、mode FP Laser 中的功率頻譜圖(Power Spectrum) 從三種不同 Laser 的功率頻譜圖，可以發現 DFBLaser 的頻譜特性最好，而 Multimode FP Laser 的頻譜特性最差。同時， CW Laser 的 Chirp 波動范圍較 DFP Laser 要少些。 Multimode FP Laser 并不適合用于光纖通信系39115B-12 3.725&-12- 3 6397&-12 - 3 55386-12 - 在三種激光器的特性比較中，可以發現 5 5972e-17-i IDpa-Q.LU ati15318 0 0345674- 0CC4

19、5029- 激光調制輸出信號與調制信號基本符合，但 Photodiode 顯然不能有效地還原該信號, TiftW (h | 2-452.1- 21.7- 如21 5W 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第21頁共19頁 采用模擬信號(Analog Source )直接調制 Electro-Absortive OM , Analog Source 的 參數設定如下: Analog Source 的波形為: 光纖的參數統一設定為傳輸波長 1550nm 衰減率=0.5dB/km、長度=10km,在單模光纖 Voltage Offset Vuff: 1： 2：Amplitude A： Frequency

20、, f： V 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第22頁共19頁 可以看出，單模光纖傳輸高頻信號雖然有少許失真， 但還能保持其周期完整性。而多模 光纖由于其模間色散較大， 這就限制了傳輸數字信號的頻率， 對于較高頻率信號， 其傳輸性 能受到較大的影響。和多模光纖的情況下，經光纖傳輸后和接收管接收到的波形分別為: 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第23頁共19頁 5. 通過改變光放大器相對于光纖的位置 在設定為相同的參數（單模光纖衰減率=0.6dB/km、長度=10km 光放大器增益為 32dB） 下，分別置換光纖與光放大器的位置，得到探測功率情況如下圖所示： 可見這兩種不同的情況下，光放大器設置

21、在光纖 后得到的功率損耗比前置時減少 8.0671dBm-5.1133dBm=2.9538dBm , 對于整個系統的性能提升明顯。 五、設計總結 本設計通過利用 Lightsim軟件對簡單的光纖通信傳輸系統進行仿真，通過利用控制變 量法的原理，在保持整體傳輸系統模塊及其參數不變的情況下，對各個獨立因素進行分析。 在對 CW Laser 的四種不同外調制方式，可以分析得出利用可以看出 Mach-Zender OM 的效果最差，不能用于振幅鍵控（ ASK 的傳輸。Directional Coupler OM 調制器雖然可用 12: OpLPoi 10: Qpt.Powi 9: Opt.Power

22、fk Opt.Power. 影響光纖通信傳輸系統的因素分析 第24頁共19頁 但經傳輸后的效果不太好， Directional Coupler OM 和 Y fed Coupler OM 都有著反相調制 的特性。Electro-Absortive OM 和 Y fed Coupler OM 的調制性都比較好， Y fed Coupler OM 的抗干擾性較好。 在三種激光器的特性比較中，發現 Multimode FP Laser 并不適合用于光纖通信系統傳 輸，采用 CW Laser 時，利用 Electro-Absortive OM 和 Y fed Coupler OM 基本能較好的調 制輸出，而采用 DFBLaser調制時，其利用本身內調制的特點，可減少元器件，其傳輸性能 良好，但其單色性要比 CW Laser 要差些。 在分析調制信號源的影響時， Digital Sourc