OptiSystem仿真模型案例

OptiSystem 仿真软件模型案例

目 录

1 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 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 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 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 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 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 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

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

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。

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。

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1.6 V1=-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：

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LiNbO3 Mach-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., “ Theoretical performance of 10Gbps lightwave systems using a III-V semiconductor Mach-Zehnder modulator. IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 6 Issue: 2 , Feb .1994, Pages:282-284.

[2] Cartledge, J.C.; “Performance of 10Gbps lightwave systems based on lithium niobate Mach-Zehnder modulators with asymmetric Y-branch waveguides”. IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 7 Issue: 9, Sept. 1995, Pages: 1090-1092.

[3] AT&T Microelectronics. “The Relationship between Chirp and Voltage for the AT&T Mach-Zehnder Lithium Niobate Modulators”. Technical Note, October 1995.

2 光接收机（Optical Receivers）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。

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（BER Analyzer）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（Thermal Noise），而放大器的晶体管会引入散粒噪声（Shot Noise），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。

●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：

图2.3 光电二极管的噪声分析

的设计布局图

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。

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（<n1），如图3.1：

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，

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

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：

图3.2 自相位调制设计布局图

其中参数设定如图3.3：

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：φmax= γP0z。其中P0是峰值功率。图3.6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φmax=4.5π时，输出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, Nonlinear Fiber Optics, Academics Press (2001)

4 光放大器 （Optical Amplifiers）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，Semiconductor Optical Amplifer）

（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 ，Fiber Raman Amplifier）

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。

（1）耦合器（Coupler）将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）。

（2）隔离器防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的无源器件。

（3）掺铒光纤是一段长度大约为10~100m的石英光纤，将稀土元素铒离子Er3+注入到纤芯中，浓度一般为25mg/kg。

（4）泵浦光源为半导体激光器，输出光功率约为10~100mW。

（5）光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。

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：

图4.2 EDFA增益平坦优化设计布局图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qri1.html