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OptiSystem 仿真软件实例

OptiSystem 仿真实例

目 录

1 光发送机（Optical Transmitters）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（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 Amplifiers）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

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

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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。

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转换图2 外调制激光发射机 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

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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（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器中的

啁啾（Chirp）分析

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。 将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾”。 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LiNbO3 Mach-Zehnder调制激光发送机设计图

1.2.4 模拟分析

在图1.3中，驱动电路1的电压改变量ΔV1和驱动电路2的电压改变量ΔV2是相同的。图

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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1.4 LiNbO3 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1.1，其中V1，V2分别为两个驱动电路的驱动电压，α为啁啾系数：

? ? 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

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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。

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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，即是利用光纤来传输光信号。光纤有不同的结构形式。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。折射率高包层 涂覆层 的中心部分叫纤芯，其折射率为n1；折射率低的外围部分称为包层，折射率为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。

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

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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 Broadening

3.2.1 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 Spectral 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：

?E?i?|E|2E (3.1) ?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]。 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(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。而相位变化项ΦNL=|E(z=0,t)|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ω0已有所改变。频率改变量δω(t)由式3.3给出：

??(t)???NL?t (3.3)

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：

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图3.2 自相位调制设计布局图

其中参数设定如图3.3：

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此外，根据泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可包括三种结构方式：同向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构。

EDFA主要优点包括增益高，带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低和对偏振不敏感等。

4.2 光放大器模型设计案例：EDFA增益的优化

4.2.1 设计目的

掺铒光纤放大器的主要性能指标是功率增益、输出饱和功率和噪声系数。EDFA的带宽通常在30nm以上，十分适用于多信道信号的同时放大。但EDFA用于波分复用（WDM）的主要问题就是增益谱不平坦。我们希望各信道有同样的增益，但EDFA增益谱的双峰结构显然是不利的。尤其是级联EDFA链时，各信道的增益差会愈来愈大，噪声累积会愈来愈严重，光信噪比大大下降，甚至系统无法工作。所以在本设计案例中，针对16信道的波分复用输入光信号，我们对EDF的长度和泵浦光源的功率参数值进行优化，以达到所预期的16个信道的增益平坦谱。

4.2.2 原理简介

EDFA的增益介质是纤芯中掺杂的稀土元素铒离子（Er3+）的单模石英光纤。在泵浦源作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大，由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源区达到能量密度很高，光和物质的作用区很长，这样降低对泵浦功率的要求。

铒离子有三个工作能级：E1，E2和E3，其中E1能级最低为基态；E2能级为亚稳态，E3能级最高，称为激发态。Er3+在未受任何光激励的情况下，处于最低能级E1上，当用泵浦光源的激光不断激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。由于处于E3这个高能级的粒子态不稳定，将迅速无辐射跃迁到亚稳态E2上，在该能级上，粒子寿命相对较长，由于泵浦光源不断激发，E2能级上的粒子数不断增加，而E1能级上的粒子数则减少，直至实现粒子数反转分布。当输入光信号E（=hf）正好为E2和E1间的能级差时，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子，从而增加了光子数量，形成放大。

4.2.3 模型设计布局图 如图4.2所示：

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图4.2 EDFA增益平坦优化设计布局图

4.2.4 模拟分析

关于EDFA增益平坦的优化可以以示意图4.3来说明：

图4.3 EDFA增益平坦优化原理图

我们设定最终优化的目标为16个信道的增益在一平坦曲线上，如优化参数框设置图4.4-4.7 对于优化设置的一些说明：

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Main：优化方式为“Gain Flatten”增益平坦方式，所要优化达成的目标为“Exact”，优化循环数为60，结果公差为10，有其他参数限制条件。（图4.4）

图4.4 EDFA增益的多参数优化参数设置

Parameters：在本项中设置了需要优化的参数，一为泵浦光源的功率，这里选择0-160mW，初始值为100；另一为掺铒光纤的长度，范围为1-40m，初始值为4m。（图4.5）

图4.5 MPO中要优化的参数

Result：这里要设定我们希望最后优化完成的目标，在本例中为16个信道的增益平坦一致为23dB，如图4.6所示。

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图4.6 MPO中的最后要达到的16信道增益平坦目标设定

Constraint：这里设定了两个限制条件，一为输出信号的最大/最小增益比，要求小于0.5；另一为光功率计检测到的总功率大于8.5dB ]

图4.7 MPO对EDFA增益平坦优化的限制参数设定

Advanced：一些其他高级设置，在本例中使用缺省值即可。

选择运行对话框中的优化（Optimization）并运行，可看到运行优化的过程如图4.8所示。

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图4.7 EDFA增益的优化进程

我们可分别得到EDF的长度和泵浦光源的功率的最终优化值：

最终，我们可以通过Dual Port WDM Analyzer来分析模拟后得到的16个信道数据，如图4.8所示：

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一些统计数据如图4.9

图4.8 WDM Analyzer数据分析

我们可以进一步用光谱仪（OSA）对经过EDFA前后的16个信道的光信号做检测分析， 从以上结果分析可以很清楚的得到经过OptiSystem的计算机辅助优化后，信号的增益在一个平坦的曲线上，这可从为经过EDFA的光谱图（图4.9）和经过EDFA的光谱图（图4.10）的比较看出；优化的结果是十分成功的，这为我们提供了对所要设计的元件参数的改进和优化指明了方向。

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图4.9未经过EDFA的16信道光谱图

图4.10为经过EDFA的光谱图（绿色曲线为存在的噪声）

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5 光波分复用系统（WDM Systems）设计

5.1 光波分复用系统简介

光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原信号复原，这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统，同时也适用于单向或双向传输。 波分复用系统的工作波长可以从0.8μm到1.7μm，由此可见，它可以适用于所有低衰减、低色散窗口，这样可以充分利用现有的光纤通信线路，提高通信能力，满足急剧增长的业务需求。

5.1.1 光波分复用系统的结构

光波分复用系统一般有单向和双向两种结构，这里出一个单向8信道WDM点-点通信系统的示意图5.1。N个光发送机发送N个不同波长的光信号按一定的间隔排列，在复用器（MUX）中复合在一起送入到传输光纤信道中。在光接收机端，这N个波长光信号由解复用器（DEMUX）分离后送到相应的可调谐的光接收机。传输信道中间包括了诸如EDFA、光纤等各种元件。

图5.1 点-点的8信道WDM系统

5.1.2 WDM光通信结构组成

如图5.1所示，一般在WDM系统中的关键组件包括：

（1） 滤波器：在WDM系统中进行信道选择，只让特定波长的光通过，并组织其他光波

长通过。可调谐光滤波器能从众多的波长中选出某个波长让其通过。在WDM系统的光接收机中，为了选择所需的波长，一般都需依赖于其前端的可调谐滤波器。要求其有宽的谱宽以传输需要的全部信号谱成分，且带宽要窄以减小信道间隔。

（2） 复用器/解复用器（MUX/DEMUX）：将多个光波长信号耦合到一路信道中，或使混

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合的信号分离成单个波长供光接收机处理。一般，复用/解复用器都可以进行互易，其结构基本是相同的。实际上即是一种波长路由器，使某个波长从指定的输入端口到一个指定的输出端口。

5.2 波分复用系统（WDM）模型设计案例：阵列波导光栅波分复用器（AWG）的设计分析

5.2.1 设计目的

使用OptiSystem模拟仿真AWG波分复用系统，检测其波长选择性能。

5.2.2 原理简介

阵列波导光栅（AWG：Arrayed Waveguide Grating）波分复用器由输入输出波导、两个N?N平面波导星形耦合器及AWG构成，集成制造在Si或InP衬底上，该复用器的核心是AWG，它是一系列规则排列的波导，相邻波导间有一恒定的光程差ΔL，对波长为λ的信号，每个波导中产生一个相对相移2πΔL/λ，因此AWG相当于一个相位光栅，所以可以进行波长选择。

N?N平面波导星形耦合器将所有输入波导中的光辐射到中间的自由空间区域，然后再将它们耦合到所有的输出波导中。自由空间区域的形状用天线理论和傅立叶光学原理设计。 在AWG波分复用器中，输入光信号先辐射进第一个平面波导区，然后激励阵列波导，传输通过阵列波导后，光束在第二个平面波导区的焦点上产生相长性干涉，焦点位置决定于信号波长λ，结果在特定的端口输出。当波长不同时，焦点位置不同，输出的端口也不同。

5.2.3 模型设计布局图

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图5.1 AWG WDM系统设计布局图

上图5.1为阵列波导光栅波分复用器。其设计主要调用了由OptiBPM提供的WDM_Phasar设计的AWG元件。

运行编译后，我们可以使用OSA直接观察从AWG解复用出来的各个信道信号。如图5.2所示，为信道1的光谱图。

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图5.2 AWG信道1的谱图

而AWG的各信道透射谱可得到，如图5.3所示，从中我们可以了解到AWG波分复用器的性能。

图5.3 AWG透射谱

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6 光波系统（Lightwave Systems）设计

6.1 光波系统简介

OptiSystem给用户最重要的功能便是对光通讯系统的模拟，仿真和优化。它把各种分立的有源、无源的元器件有机的组合起来，组成了不同类型、不同用途的光纤通讯系统与网络。 对一个光纤通信系统的基本要求是：

（1） 传输距离

（2） 要求的传输带宽及码率

（3） 系统的保真性（误码率BER、信噪比及失真等） （4） 可靠性和经济性

用户可以使用OptiSystem方便的设计光通讯系统的各种方案和模型。以解决实际应用中的各种具体问题。

6.2 模型设计案例：40G单模光纤的单信道传输系统设计 6.2.1 设计目的

在40G高速光纤通信系统中，最重要，也是最主要的问题就是系统中产生的线性色散问题，所以我们希望通过OptiSystem模型的建立，对真实情况下色散的问题进行模拟和解决，以期在实际应用中选择并达到最佳通信质量和性能。 6.2.2 设计原理

典型情况下，单模光纤在1.55μm时的β2=-20ps2/km传输导致的色散系数D为16ps/(nm.km) 。当系统的码率B = 40Gb/s时，TB=25ps，相应色散长度LD约为2.8km。 在对40Gb/s码率单模光纤中的归零型（RZ）和非归零型（NRZ）的传输过程中需考虑到：群速度色散、Kerr非线性效应导致的自相位调制，线性损耗、ASE噪声的周期性放大。具体的计算分析可见下节。 6.2.3 模型设计布局图

图6.1和6.2是分别针对RZ和NRZ型调制的布局设计图：

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图6.1 RZ型调制的40Gb/s光波系统

图6.2 NRZ型调制的40Gb/s光波系统

一些全局参数为：

所以

Number of Samples = Sequence Length*Sample per Bit = 16384 Time Window = Sequence Length * Bit Slot = 3.2ns

Sample interval = Time Window/ Number of Samples = 0.195ps Sample rate = 1/ the sampling interval = 5.12THz

其中两个Layout中的Pseudo-random Bit Sequence generators的设定是相同的。 而对于RZ generator有以下属性： Rectangle Shape : Gaussian

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Duty Cycle = 0.5 Bit Rise Time = 0.15 Bit Fall Time = 0.25 Bit

使用外调制连续波长激光器（1550nm，线宽0.1MHz）作为光源。 对于单模光纤，可得到： 色散系数D：

?ps? D?17??nm?km??色散斜率：

?D?ps? ?0.08?2???nm?km??非线性系数：

??1.31??1? ??km?W?线性损耗：

α=0.2dB/km 光纤长度： LSMF= 50km

经过单模光纤的损耗后，使用一个EDFA补偿这个线性损耗。 对于色散补偿光纤，具有以下属性： 色散系数：

?ps? D??80??nm?km??色散斜率：

?D?ps? ?0.08?2????nm?km?非线性系数：

??5.24??1? ?km?W??线性损耗：

α=0.5dB/km 光纤长度： LDCF= 10km

经过DCF光纤的损耗后，使用一个EDFA补偿这个线性损耗。

Bessel光滤波器的波长为1550nm，带宽为4* Bit Rate

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低通Bessel电滤波器的截止频率为0.75* Bit Rate

这里使用OptiSystem提供的理想EDFA作为增益补偿器（也考虑到了ASE噪声），经过EDFA后，单模光纤的增益为10dB，噪声为6dB。（DCF中相应的数值为5dB和6dB）。

首先，我们对RZ型和NRZ型加以比较。

在500km中SMF（10Loops*50km）经每一次的增益补偿，最大Q影响因子和输入功率的曲线如图6.3所示；而误码率分析仪眼图则表征出最佳点的输入功率约为4mW

图6.3 RZ型的40Gb/s系统仿真结果

当传输距离大于500km时，最大Q影响因子会小于6，即这是会有较好Q性能的最大传输距离。

图6.4中为NRZ型的高色散光纤的40G系统，传输距离为250km（5loops*50km），根据BER分析仪的眼图，在输入功率约为1.25mW处，最大影响因子Q具有最佳值。

图6.4 NRZ型的40Gb/s系统模拟结果

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当传输距离大于250km时，最大影响因子Q会小于6，即这是会有较好Q性能的最大传输距离。

从以上两套系统的影响因子曲线的比较可以看出，我们可以清楚的看到RZ型有较大输入功率。表明RZ调制的Duty Cycle = 0.5要优于传统的NRZ调制格式。

其次，我们会对40Gb/s单模光纤传输系统RZ调制中的累积放大噪声和自相位调制的影响做一定分析。有以下两种情况：

? 自相位调制假设为0 ? 不考虑噪声因素

图6.5为具体的分析结果：

图6.5 40Gb/s系统，传输距离为500kg时的Max Q VS Input Power曲线

由上图可见，在低输入功率系统中，影响系统性能的主要因素为累积噪声放大效应；而在高输入功率阶段，传输距离则由于自相位调制而大幅度减小。

从以上分析可得到在不同输入功率时，系统性能，例如传输距离的大小有不同权重的因素所导致，这为我们在具体应用中提供了良好的分析方向和优化工具。

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7 色散补偿（Dispersion Compensation）设计

7.1 色散简介

光信号在光纤传输中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，光纤色散包括以下四种： （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。在发送端多个 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：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，因此又称结构色散。 （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，若光纤中结构完全轴对称，则这两个正交偏振模有完全相同的群时延，不产生色散。实际单模光纤存在少量的不对称性，造成两个偏振模的群时延不同，导致所谓的偏振模色散。

在这四项色散中，波导色散和材料色散正比于光源的谱宽，故总称波长色散，它们的相对大小，与光源本身谱宽及调制边带宽度有关。对单模光纤，没有模间色散，波导色散与材料色散是主要的，它们的相对大小又与工作波长有关。对于多模光纤，模间色散与材料色散是主要的，波导色散可略去不计。

7.2 色散分析模型设计实例：使用理想色散补偿元件的色散补偿分析

7.2.1 原理简介

光载波以相速vp = ω/β传播，其中β=2πn/λ为传播常数，ω为光载波频率。波包则以群速度vg传播，其公式为

vg ?d? (7.1) d?光脉冲沿光纤单位长度长传播的延时称为群时延τ，它可表示为

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11d??2d??(?)???? (7.2)

vgcdk02?cd?其中c为光速，k0 = 2π / λ。可见，群时延与波长有关。某一特定模式内的每个光谱成

分在通过一定距离时所需的时间不同而产生时延差。

在本设计案例中，我们会了解到色散补偿功能是如何影响到整个系统的性能的。由于色散效应而导致的脉冲展宽，致使毗邻的信号间重叠干扰。脉冲的展宽是距离和色散系数D的函数。色散系数D的单位是ps/nm/km，也是波长的函数。一般标准单模光纤在1.55μm波长范围内，D的大小通常为17ps/nm/km。

7.2.2 色散补偿模型设计布局图 如图7.1所示，我们利用OptiSystem设计这样的布局对其色散补偿进行仿真和分析。对初始时的脉冲波形，以及经过10km非线性色散光纤或的脉冲波形，以及最后经过FBG色散补偿器后的脉冲波形进行检测和分析，从而设计和改善系统中的色散补偿性能。

图7.1 理想色散补偿元件的色散补偿布局图

而该布局中的关键元件：FBG色散补偿器的属性设定可参见下图7.2：

OptiSystem 仿真软件实例

图7.2 FBG色散补偿器的属性设定图

各元件的参数设定好后，可以运行模拟，然后我们可得到以下一系列结果。 在40Gb/s码率和0.5 Time Bit Slot的系统中，由Optical Gaussian Pulse Generator产生的初始脉冲宽度约为35ps。（见图7.3）

产生的光信号入纤传输，经过了10km的单模光纤后其脉冲宽度由于色散展宽约为160ps。（见图7.4）其脉宽将近增宽了4倍于初始的宽度。为了对这个色散导致的脉冲失真进行复原和补偿，这里使用了一个FBG色散补偿元件来对脉冲波形进行复原。其中色散补偿值可以调节，这里设为-160ps/nm。经过模拟后，我们可在Optical Time Domain Visualizer中观察经补偿元件后的脉冲波形（图7.5）可以看到经过补偿后的脉冲宽度复原到初始状态。

图7.3 入纤前光脉冲的波形图

OptiSystem 仿真软件实例

图7.4 经过10km后的脉冲波形图

图7.5 经过色散补偿器的光脉冲波形 可见，模拟出的结果和我们经计算预期的结果相当一致，这也为我们对提供的色散补偿元件

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