OptiSystem仿真模型案例 - 图文

OptiSystem 仿真软件模型案例

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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

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。 光检测器 hf 增益 前放 光电效应 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：

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

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。

输入光信号 输出光信号 光隔 光隔 光滤 光耦

离器 离器 波器 合器

泵浦 光源 图4.1 EDFA结构示意图

EDFA主要是由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器以及滤波器等组成。 （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。

掺铒光纤

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

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：

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。

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。

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：

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。

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）

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

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

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。

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

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：

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 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：

?Dps?? ?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：

?Dps?? ?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 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

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。

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

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：

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

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的性能做了很好的性能测试和模拟。

8 孤子和孤子系统（Soliton Systems）

8.1 孤子和孤子系统简介

长久以来，光纤的损耗和色散是制约光通讯系统中继距离的主要因素，特别是对码率在1Gb/s以上的传输系统，由于光纤固有色散的影响，使得所接收的光信号中存在脉冲展宽现象，严重的限制了系统的传输距离。而光孤子技术的产生就是为了解决这个难题。

8.1.1 光孤子

光孤子是一种可长距离、无畸变传输的光脉冲，即使两波相互碰撞，也能保持彼此相对对立、互不影响。由于其形成的机理并不是这里需要介绍的重点，我们并不做详细介绍。而吸引光通讯工作者的原因在于，即使存在光纤色散的情况下，光孤子也能保持其宽度不变。当然，当存在光损耗时，由于光孤子峰值功率的减少，从而削弱了抵消群速度色散所引起的非线性影响。为了克服光纤损耗的影响，可以使用放大器对光孤子周期性放大，以变恢复其最初的宽度和峰值功率。

8.2 孤子模型设计案例：光孤子的相互作用

8.2.1 设计目的

通过本实例的设计分析，我们对粒子形式的光孤子的相互作用模型的模拟分析来了解光孤子的一些特性。

8.2.2 原理简介

由于非线性中的自相位调制（SPM）和色散效应间的平衡作用，基态光孤子的传输没有显著变化，其传输与其说波包，不如说更象粒子的传输。两光孤子相互作用后，并不受到影响，此外，同相孤子相互吸引，反相孤子相互排斥。当两个典型的同相孤子，间隔时间为T，相互作用后其间隔时间随传输周期性变化，并可由下式给出：

?sinhLcoll?LDTTcoshT02T0

TT?sinhT0T0其中，LD是色散长度，T0为脉冲宽度，在40Gb/s系统中，Sech Pulse的脉宽为0.5Bit，则

T0=7.0902ps 则色散长度为：

7.09022LD???2.5135km

|?2|20当我们选择75ps的间隔时间后，可以得到碰撞长度Lcoll约为782km。

8.2.3 模型设计布局图

为了验证原理简介中的结论，可通过图8.1的光孤子相互作用的模型布局图进行模拟分析。

T02

图8.1 两个反相光孤子之间的相互作用的设计布局图

而图8.2为该设计的全局参数：

图8.2 反相光孤子相互作用的参数设定

为了获取所需的精确度，这里我们使用循环的分步傅立叶方法（Split-Step Fourier Method），其参数设定如图8.3：

图8.3 循环式分布傅立叶方法的参数设定

对去全同的同相孤子而言，其布局图就是将图8.1中的移相器（Phase Shift）去掉即可。 在图8.4中为运算模拟后得到的结果。初始间隔时间为75ps、碰撞距离为782km的孤子对，两孤子相互吸引，然后在半个碰撞距离处碰撞叠加。作用后两孤子在相距一个碰撞距离的位置处完全复原至初始参数（其间隔时间为75ps）。

图8.4 同相孤子对的相互作用图

当我们分析对象是两个反相孤子对时，得到以下结果（见图8.5）：

图8.5 反相孤子对的相互作用图

9 结语

对于一个光通讯领域的设计工程师而言，面对的是来自各方面的挑战。一方面就光通讯的发展趋势而言，目标是实现越来越大的信息容量和长距离传输，而各种革命性的光通讯元器件的发明以及广泛应用，则更是大大加速了光通讯系统性能高速发展；另一方面，随着光通讯系统的性能的飞速发展，光通讯系统本身的复杂度大幅度增加，各种复杂和广泛的元器件发明和应用，各方面参数对整个系统性能的影响也越来越大，这也使得在这个领域越来越迫切通过高级的计算机辅助应用程序来协助解决各种人力无法完成的难题和设计项目，以及对真实环境中的各种因素进行模拟分析和优化，以最后加速达成所要设计的光通讯系统的目标和要求。

OptiSystem以及OptiWave其他一系列光通讯仿真软件的应用为设计者和工程师以及元器件商、系统供应商们提供了十分优秀的计算机辅助设计工具。它为使用者提供了一种迅速而低成本的设计工具，从而大大缩短新项目设计和开发时间。它的优良的参数扫描以及优化功能为用户分析、优化所设计的系统性能提供了十分方便和有效的工具。它的全局规划和分析功能、大范围数据采集功能等等都可最终协助用户极大程度的减少开发耗时和投入风险。此外，OptiSystem极为友善的图形用户界面（GUI）也使得用户可以在短时间内掌握软件的使用以进一步深入的开发研究。

本文中的各种设计案例尚不足以函盖光通讯领域庞大而复杂的各个应用层面，这里只是为用户学习、掌握和充分开发OptiSystem的强大功能而提供的一份参考。用户通过对这些应用案例的参考、学习，可以有目的性的、迅速掌握OptiSystem在其相关领域的具体功能，并设计完成所需的各种光通讯系统项目。

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