用OptiSystem设计八路内调制波分复用系统.docx
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用OptiSystem设计八路内调制波分复用系统
软件设计报告
课程名称：
光通信系统设计
实验名称：
八路内调制波分复用系统
实验日期：
2011年4月13日--2011年4月17日
1、光电综合设计概述
1.1性质、目的与任务
光电综合设计是电子科学与技术专业集中实践性教学环节中的专业课程设计。
通过本课程的学习与实践，不仅使学生能够基本掌握运用OptiSystem软件平台进行光纤通信系统的设计和仿真分析的方法，更重要的是使学生能够将在相关先修课程中所学的知识串接起来，初步形成在系统层面上分析问题和解决问题的能力，为毕业设计（论文）打下良好的基础。
1.2设计内容、学时分配及基本要求
光电综合设计的课内总学时为32学时（2周）。
教学活动已分散自学和集中上机相结合的方式进行。
参加光电综合设计的同学首先利用分散自学时间复习相关课程内容，认真阅读设计指导书，针对课题的设计要求提出设计方案；然后利用集中上机时间对设计方案进行建模、仿真，根据仿真结果，进行设计修改和设计优化，形成最终设计方案。
在上述工作的基础上，写出设计报告。
光电综合设计光通信系统设计的内容和基本要求见下表1.1.
表1.1光通信系统设计内容和基本要求
序号
课题名称
课题内容及要求
课题类型
备注
1
OptiSystem的基本操作
熟悉OptiSystem界面，掌握基本操作。
综合
2
基本光纤通信系统设计
设计一个简单光纤通信系统，并利用OptiSystem仿真验证。
设计
3
WDM系统设计
设计一个四波分WDM光纤传输系统，并利用OptiSystem仿真验证。
设计
4
长距离光纤传输系统设计
设计一个4x2.5Gbit/s长距离光纤传输系统，并利用OptiSystem仿真验证。
设计
5
OADM设计
设计一个具有四波长通道双向OADM并进行仿真验证。
设计
6
EDFA设计
采取不同结构和泵浦波长设计一个EDFA，并利用OptiSystem仿真验证和设计有缘。
设计
1.3课程考核
本课程设计以完成课题设计与仿真分析结果以及课程设计报告作为主要考核依据。
学生必须在规定时间内完成指定课题的设计和仿真验证分析，并由指导教师考核验收。
学生必须完成光电综合设计报告。
报告包括：
（1）课题任务及技术指标；
（2）课题分析及设计思路；
（3）系统设计；
（4）仿真结果及结果分析，设计优化；
（5）小结；
二、预备知识
1970年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB的石英光纤，证明光纤作为通信的传输每只是大有希望的。
同年，半导体激光器实现了室温下的连续工作，为光纤通信提供了理想的官员。
从此，便开始了光纤通信快速发展的时代。
在80年代，光纤通信得到极大地发展，波分复用技术，相干光纤通信系统，光纤放大器等技术已经受到人们的重视，并得到快速发展。
目前最引人瞩目的WDM全光通信，它是在传送网中加上光曾，在光上进行交叉连接和分叉复用，从而减轻电交换节点的压力，大大提高整个网络的传输容量和机电的吞吐容量，成为网络升级的首选方案，这也是当前光纤通信的研究热点。
光纤通信之所以得到如此迅速的发展，与光纤通信的优越性是分不开的，它的主要优点有：
1.传输损耗低；
2.尺寸小，重量请，有利于敷设和运输；
3.抗电磁干扰性能好，适合应用于有强电干扰和电磁辐射的环境中；
4.光纤之间的串话小（又称“串音”。
通信线路上信号杂散耦合到其他通信线路造成干扰的现象）；
5.制造光纤的主要原料是二氧化硅，是地球上蕴涵最丰富的物质，取之不尽，用纸不竭；
2.1简单光纤通信系统
一个基本的光纤通信系统是由发送机，传输介质（光纤），接收机三部分构成的。
如下图2.1：
其中发送端包括光源、脉冲发射器、解调器等；
传输部分包括传输光纤、光纤放大器、色散补偿光纤等；
接收端包括PIN/APD光、放大器、低通滤波器、解调器等。
对于一个光纤通信系统，需要对系统的制式，速率，光纤选型加以完善，全面的考虑。
比如新建的长度干线和大城市的市话通信一般都应选择SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系，根据ITU-T的建议定义，是不同速度的数位信号的传输提供相应等级的信息结构，包括复用方法和映射方法，以及相关的同步方法组成的一个技术体制设备），长途干线已经采用STM-16，多路波分复用的2.5Gbit/s系统，甚至是10Gbit/s系统。
至于光纤，G652光纤目前已经大量敷设，是在1.3微米波段性能最佳的单模光纤。
该光纤设计简单，工艺成熟，成本低廉，是实用性较好的光纤之一。
2.2掺铒光纤放大器EDFA
2.2.1EDFA的结构和工作原理
图2.2给出了双向EDFA的原理性光图，其主体是泵浦源和掺铒光纤（EDF）。
泵浦源用来提供能量；EDF作为有源介质，提供反转粒子；波分复用器（WDM）的作用是将泵浦光合信号光混合，然后送入EDF中，对它的要求是能将信号有效地混合而损耗最小；光隔离器（ISO）的作用是防止反射光对EDFA的影响，保证系统稳定工作；滤波器的作用是滤除EDFA的噪声，提高系统的信噪比（SNR）,在练级宽带EDFA中，它还起到增益平坦的作用。
EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统。
实际上基态能级、亚稳态能级和泵浦能级受托克斯分裂（StockSplitting）和热效应的影星啊，形成了一个近似联系的能带。
由于亚稳态能及和几台能级具有一定的宽度，因此EDFA的放大效应具有一定的波长范围。
在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于几台的Er3+例子抽运到激发态，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。
由于Er3+离子在亚稳态能级上的寿命较长，因此很容易在亚稳态和基态间实现粒子数反转。
当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。
Er3+离子处于亚稳态时，出了发生受激辐射和受激吸收意外，还要产生自发辐射（ASE），它造成EDFA的噪声。
在EDFA的光路结构设计中，常见的泵浦方式有同向泵浦（注1）、反向泵浦和双向泵浦三种。
这些泵浦方式各有其特点：
同向泵浦由于在输入端有较高的粒子数反转而具有比较低的噪声。
而由于背景损耗小，输出端具有高的离子数反转，因此反向泵浦具有较高的泵浦效率和增益。
当EDF长度较短是，三种泵浦方式的小信号增益基本相同，NF（注2）也相差不大，原因下雨三种泵浦方式都已经使整个光纤的Er3+离子发生完全反转；当EDF长度增加时，双向泵浦方式的增益最高，反向泵浦方式的增益次之，同向泵浦方式的增益最低。
噪声系数（NF）则表现不同，其中同向泵浦方式的NF最小，反向泵浦方式的NF最大，双向泵浦方式的NF介于两者之间。
泵浦光功率、泵浦方式与增益、噪声的关系：
在给定的EDF长度范围内，EDFA的增益岁泵浦功率的增加而增大，其NF岁泵浦功率增加而减小。
但是，当泵浦功率增加到一定值后，增益区域饱和，NF也趋于定值。
图2.3是实验得到的泵浦功率与小信号增益、NF的关系。
这是因为，当泵浦功率增加到一定程度时，EDF中基态能级的Er3+离子已经基本上被激励到上能级，继续增加泵浦功率对粒子数反转贡献不大，所以增益趋于饱和。
2.2.2EDFA在光纤通信系统中的应用
在光纤通信系统中，EDFA有三种基本的应用方式，分别是用作光发射机输出的功率放大器、用作光接收机前段的前置放大器和用作远距离传输的线路放大器。
功率放大器（后置放大器）方式是把EDFA置于光发射机之后，用以提升输出信号的功率，可用来保证点对多点的光功率分配，并可降低高速系统中半导体激光器直接调制的“啁啾”影响。
功率放大器对放大性能的要求是输出功率大。
前置放大器方式是将EDFA置于光接收机PIN管光检测器的前面，用以改善输入光信号的信噪比，提高光接收机的接受灵敏度。
前置放大器对放大性能的要求是噪声性能要求高。
线路放大器应用方式是将EDFA在线插在传输线路的一个或多个位置，用来周期性地补偿光信号衰减。
这种衰减或来自光纤的吸收损耗，或来自网络分配引起的分光损耗。
这种方式下，放大器可以以级联（注3）方式存在。
线路放大器对放大性能的要求输出功率和噪声性能两者兼顾。
由于光放大器对信号的调制方式和传输速率等方面的透明性，EDFA在模拟，数字光纤通信系统以及光孤子系统中现实了广阔的应用前景。
尤其是在长距离数字通信系统中，波分复用技术与EDFA结合将大大提高系统容量和传输距离，WDM+EDFA已经成为当前光纤通信系统最重要的发展方向之一。
在级联EDFA的系统中，ASE（注4）噪声将不断积累。
由于级联方式的不同，系统的噪声性能略有不同。
根据每级增益安排的不同，EDFA可以有三种不同的级联方式。
第一种级联方式是所谓的“自愈”方式即对没几增益不做专门的控制，在这种方式下，开始几级EDFA增益较大，随着信号光功率的增加和ASE噪声积累，EDFA增益饱和，最后没几EDFA输出功率趋于恒定，此时信号光功率不断下降，而ASE噪声功率不断增加。
第二种方式是保证EDFA输出功率恒定，光功率的变化趋势与第一种级联方式的后半部分相同，第三种级联方式是宝石每点击的增益恰好抵消级间损耗。
这种情况下，每级EDFA输出的信号光功率恒定，但是，由于ASE噪声积累，总功率将不断上升。
在含有EDFA的系统中，由于EDFA能踢狗足够的增益，使信号的传输距离大大延长，随着信号速率的不断提高，光纤色散和非线性效应对系统性能的影响变得突出起来。
各种补偿方案也相继提出，具体的色散补偿技术，健在后面讨论。
2.3波分复用技术（WDM，WavelengthDivisionMutiplexing）
2.3.1波分复用技术的基本原理
光多路WDM系统的组成如图2.4所示，N个光发射机分别发射N个不同波长，经过光波分复用器（合波器）合到一起，耦合进单根光线中传输。
到接收端，经过具有光波长选择的解复用器（分波器），将不同波长的光信号分开，送到N个光接收机接收。
图2.4为WDM系统结构图。
WDM系统的关键器件是复用和解复用器，这两个器件的引入，开来了一定的损耗和由波长选择功能不完善而引起的复用信道间的串扰，在实际应用中，需要将此情况考虑在内。
WDM系统的主要优点有：
1、充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量、降低成本；
2、对各个信道传输的信号速率、格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容；
3、节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容性；
4、可提供波长选路，使建立透明的、具有高度生存性的WDM全光通信网成为可能。
随着1550nm窗口的EDFA的商用话，WDM系统主要只在1550nm窗口传送多路光载波信号，其波长间隔一般效率1.6nm，并能够在一个窗口内共享EDFA，人们把这样的WDM系统称为密集波分复用（DWDM,:
DenseWavelengthDivisionMultiplexing）系统。
2.3.2波分复用技术在光纤通信系统中的应用
与由分插复用器（注5）和中继器（注6）构建的传统SDH（注7）长途干线网相比，DWDM系统由于采用具有多波长放大能力的接铒光纤放大器技术，从而降低了长途干线网的中继成本，获得了广泛应用。
在长途干线传输网中，DWDM负责解决业务的长距离传送，SDH负责解决业务的调度、上下和保护。
随着技术的进步和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。
适用于城域网领域的WDM系统称为城域网WDM系统。
低成本是城域网WDM系统最重要的特点，按每波长计其成本必须明显低于长途网用的WDM系统。
由于城域网的范围传输距离通常不超过100km，因而不必使用长途网必须用的外调制器和光放大器。
由于没有光放大器，也就不需要任何形式的通路均衡，从而减少了分波器和合波器的复杂性，也不会遭受与光放大器有关的非线性损伤。
光放大段的设计仅仅是光损耗的设计，十分简单明了。
最后，由于没有光放大器，波长数的增加和扩展也不再受光放大器频带的限制，容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件，特别是无源器件的成本大幅度下降，从而降低了整个系统的成本。
虽然WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点而表现出强大的生命力，从而迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。
从发展的角度看，今后全光技术的发展可能表现在一下几个方面：
（1）光分插复用器（OADM）；
（2）光交叉连接设备（注8）；（3）可变波长激光器；（4）全光再生器。
全光网络是未来信息传送网的发展方向，它可以直接对光信号进行处理，不仅大大简化了网络结构，降低了成本，而且极大地提高了网络的稳定性与可靠性，因此，二十一世纪的信息传输将会是全新的光网络时代。
2.3.3光分插复用器OADM及其使用
光分插复用器（OADM）是在光域上实现之路信号的分插和复用的设备，目前最为成熟的是基于WDM技术的OADM，其分插复用的支路信号是以波长为单位，称为光通道。
OADM是光网络的关键节点设备之一。
OADM的实现方案有多种，其中较为流行的是“分波器+空间交换单元+合波器”方案。
图2.5是这种方案的具体实现（实用的OADM节点设备还需加入光放大单元、线路保护倒换单元、功率均衡单元等）。
这种方案的优点是结构简单，分插控制方便，器件成熟。
合/分波器都可以用普通的薄膜滤波器型或阵列波导光栅（AWG）型，空间交换单元一般采用光开关和光开关阵列，机械2X2光开关的插损（注9）、隔离度（注10）性能相当优越，但开关速度较慢，为毫秒量级；固态光开关速度快，在微秒甚至纳秒量级，但插损、隔离度等重要指标目前还达不到机械光开关的水平。
这种结构的分插复用单元的串扰主要来自合/分波器，但如果在之前加入滤波器，则会大大减少系统的串扰。
OADM设备在长途干线和城域网中均有用武之地。
在干线应用中，OADM是有上、下业务的中间节点的首选设备。
OADM在城域网中更是应用广泛，可以充分发挥其组网灵活、易于网络升级和扩充，OADM节点构成的光传送网是城域网理想的多业务传输平台。
2.4光纤通信中的色散补偿
2.4.1概述
近年来，光纤通信正以日新月异的速度发展，高速率，WDM系统及EDFA已经商用，实验室中的WDM光纤通信速率已经达到了1000Gbit/s。
在采用级连EDFA
的高速率和WDM系统中由于EDFA的出现，基本上解决了光纤损耗的问题，光纤的色散成为系统的重要限制因素。
2.4.2光纤中的色散
色散简而言之就是不同频率的光在传输媒质中具有不同的群速度。
光纤产生色散主要有三大成因：
模间色散，材料色散和结构色散。
模间色散是由各传导模式的传播常数不一样引起的，是多模光纤中产生光纤色散的最大成因。
材料色散也成为折射率色散，光纤中光的传播速率与纤芯折射率有关，纤芯的折射率又随波长变化。
另外，光纤中的光源发出的光都不是单一的波长，都具有一定的谱宽，在这个宽度范围内折射率不同导致不同波长的光信号的群速度参差不齐而产生群时延，形成材料色散。
结构色散也称波导色散，由于光纤各个模式的群速度随波长而变化形成在信号范围内的群时延差而产生的结构色散。
结构取决与波导结构，波长，折射率，相对折射率差等。
2.4.3色散补偿技术
对于新敷设的高速和WDM光纤线路，可以采用非零色散位移光纤。
这种光纤在1.55微米处有非零，但很小的色散，既可以是正色散，也可以是负色散，若采用色散管理技术，可以在很长的距离上消除色散的积累，同时，对WDM系统的四波混频效率较低，有利于抑制非线性效应的影响。
具体的色散补偿方法有以下几种：
（1）采用负色散光纤
利用负色散光纤来补偿在常规光纤中传播所产生的正色散。
负色散光纤也称为色散补偿光纤，其基本原理是通过对光纤的芯径及折射率分布的设计，利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于1.55微米，即在1.55微米波长处产生较大的负色散，这样当常规光纤和色散补偿光纤级联使用时，两者将会互相抵消。
若用DS和DC分别表示常规光纤和色散补偿光纤在λ1处的色散系数，LS和LC分别表示常规光纤和色散补偿光纤的传输距离，则当满足
DSLS+DCLC=0
时，群时延色散被补偿。
当满足
D'sLs（λ-λ1）+D'cLc（λ-λ1）=0
时，二阶色散被补偿。
式中D's和D'c是Ds和Dc的微商。
通常采用品质因数来衡量补偿性能的优越程度，它等于色散和损耗的比值。
目前品质因数较好的光纤可达300ps/nm.db。
这种方法特点是简单易行，且有足够大的带宽，缺点是成本较高。
（2）预啁啾技术
预啁啾技术是色散补偿方案中比较简单易行的一种。
通常的光信号含有不同的频率成分，在正色散光纤中传输时，所含的高频部分传播速率较快，将逐渐集中到脉冲的前沿，低频部分传播速率较慢，将逐渐集中与脉冲的后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲也越来越宽。
预啁啾的思想是通过在光源上加上一个附加的正弦调制，使得脉冲前沿的频率降低，后沿的频率升高，这样就在一定程度上补偿了传输过程中由于色散造成的脉冲展宽。
（3）色散支持传输法
这是一种新的传输方式，它也利用激光器的调频特性，采用频移键控的调制方式，先对激光器进行频率调制，当注入电流按二进制NRZ码变化时，电流的变化引起光功率光频率的变化。
不同频率的信号在光纤中的传播速率不同，在接收端信号产生重叠，控制频率调制深度使Δt=1/B，Δt是延迟的时间，B是传输的速率，于是，调频信号变成了调幅信号，在接收端采用积分器或低通滤波器和一个判决电路，即可恢复出原始信号。
（4）频谱反转法
频谱反转法也称相位共扼法，它利用光纤中的非线性效应实现频谱反转之后进行二次传输，从而和第一段光纤的色散相抵消，利用此法不仅可以抵消色散，还可以补偿造成的脉冲形状失真的其他因素，如自相位调制等。
此法的优点是可以实现大容量长距离的色散补偿，且损耗较小；缺点是设备比较复杂，且对激光器频率的单一性要求比较高。
（5）啁啾光栅滤波器
此法的基本构想是在光学波导上刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成是一个本地的布拉格光栅的通带和阻带滤波器，经过光纤传输以后的入射光脉冲中的长波长分量位于脉冲的后沿，使其在光栅的起始端就被反射，而短波长分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射，于是就补偿了色散效应。
这种方案的优点是器件体积小，补偿效率高，能够很方便地对现有的已经敷设的光纤线路进行扩容和升级，其缺点是补偿带宽较窄。
以上介绍了几种色散补偿技术方案，在实际的系统中，常用色散补偿光纤和啁啾光纤光栅来抵消常规光纤在1.55微米处造成的正色散，实现高速率WDM系统的长距离传输。
3、课题要求及技术指标
任务：
设计一个八路内调制WDM光纤传输系统，并利用OptiSystem仿真测试。
要求：
1．八波长复用，前四路波长设置以200GHz为间隔，频率分别为193.1THz、193.3THz、193.5THz、193.7THz；后四路波长设置以200GHz为间隔，频率分别为193.1THz、193.3THz、193.5THz、193.7THz；每个波长传输速率为2.5Gbit/s（NRZ）。
系统应包括多波长光源、波分复用器和解复用器、常规光纤（100km）、光接收机等，提供系统设计图。
2．对所设计的WDM系统进行仿真分析。
3．探讨波分复用器和解复用器的插入损耗、对邻近通道的串扰。
4、课题分析及设计思路
4.1课题分析：
本题要求设计一个八路内调制WDM光纤传输系统。
可以先用比特发生器（UserDefinedBitSequenceGenerator）和非归零码产生器（NRZPulseGenerator）产生电信号。
电信号进过直接激光调制器（DirectlyModulatedLaserMeasured）调制产生光信号。
复用器将八路光信号复合为一路光信号后，经光纤传输。
解复用器接收光信号，并将该路光信号分解为多路光信号。
各路光信号经过PIN管光电检测器（PhotdetectorPIN）,得到电信号。
之后经过低通滤波器（LowPassBesselFilter）滤除带外噪声，还原出该路电信号。
4.2注意要点：
（1）复用器，解复用器的信道频率值要按照课题要求设定，不能为默认；
（2）复用器解复用器的带宽要设置合理；
（3）课题要求讨论的的是复用器与解复用器的插损及串扰，故测量数据时应去除80km长的光纤。
（4）PIN光电检测器的中心频率值要按照课题要求设定，不能为默认；
5、系统设计（建模）
5.1系统总图如下图
5.2系统说明
（1）比特发生器的比特率为2.5Gbit/s；
（2）直接激光调制器的功率为10dBm，消光比（注11）为10dB;
（3）波分复用器，解复用带宽均为15GHz；
（4）PIN光电检测器暗电流均为10nw，响应度均为1A/W；
六、仿真结果及分析（以下仿真结果均为去除80km光纤，将复用器与解复用器直接连接的仿真结果）
6.1光谱仪图片及数据
6.1.1复用器之前的各路光谱仪图片及数据
（1）中心频率为193.1THz的图片
中心频率为193.1THz的数据
频率（THz）
光功率（dBm）
192.8
-51.122074453
192.9
-47.996247249
193.0
-36.764374456
193.1
4.8426811299
193.2
-36.628145817
193.3
-47.122182589
193.4
-50.981428201
（2）中心频率为193.3THz的图片
中心频率为193.3THz的光谱仪数据
频率（THz）
光功率（dBm）
193.0
-50.0699662378067
193.1
-46.3885721246777
193.2
-35.6043619577241
193.3
5.98024285514279
193.4
-35.4287778293732
193.5
-46.4779140255602
193.6
-50.0674322232931
（3）中心频率为193.5THz的光谱仪图片
中心频率为193.5THz的光谱仪数据
频率（THz）
光功率（dBm）
193.2
-51.183********41
193.3
-47.6044299894507
193.4
-36.639070944187
193.5
4.86061962288224
193.6
-36.6997018460598
193.7
-47.3516260528185
193.8
-50.8445087797239
（4）中心频率为193.7THz的光谱仪图片
中心频率为193.7THz的光谱仪数据
频率（THz）
光功率（dBm）
193.4
-50.374205235587
193.5
-46.4060215642977
193.6
-35.5007555911979
193.7
6.01377723729244
193.8
-35.5704008666999
193.
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