OptiSystem仿真在光纖通信實驗教學中的應用

王秋光 張亞林 胡彩云

摘 要： 介紹了光纖通信實驗教學中的5個OptiSystem仿真實驗，給出了每個實驗項目的仿真模型及模型中的參數設置，簡要分析了仿真實驗結果。結果表明，OptiSystem仿真實驗有利于學生對光纖通信課程教學中抽象的理論知識的理解。

關鍵詞： OptiSystem； 光纖通信； 仿真； 實驗教學

中圖分類號： TN 929.11，TP 391.9 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）01-0069-04

0 引 言

光纖通信是一門理論性和實踐性都很強的電子信息類專業課程，涉及光學、電磁場及通信等多方面理論基礎知識和光纖光纜、光器件光端機、光纖通信系統設計及網絡等實踐應用問題。光纖通信實驗一方面可以幫助學生直觀形象地理解抽象繁冗的理論教學內容，另一方面用以提高學生的實際工作技能，為從事實踐技術工作奠定必要基礎。光纖通信實驗的內容通常有：光纖接續、OTDR測量光纖參數、LD（LED）光譜特性測量、光纖接收發送系統實驗等[1-2]。從幫助學生理解理論教學內容的角度看，采用OptiSystem仿真技術更具優勢[3-4]。OptiSystem是一款創新的、發展迅速的強大軟件設計工具，用戶可使用該工具對從 LAN、SAN、MAN 到超長距離等眾多光網絡的廣譜物理層中的幾乎所有光學鏈路進行規劃、測試仿真。它可以提供從元件到系統級別的傳輸層光通信系統設計和規劃，并且能夠直觀地呈現分析和方案，可以最大程度地降低時間要求和光學系統、鏈路和元件的設計相關成本[5]。

1 OptiSystem仿真實驗

為配合光纖通信課程教學內容的學習，本研究選取了光纖的色散[6]、激光器的調制頻率特性、摻鉺光纖放大器、光接收機及WDM系統[7]等5個OptiSystem仿真實驗。

1.1 光纖的色散實驗

光纖介質的非線性使接收的光脈沖包絡的形狀會發生變化，引起傳輸波形的展寬。本研究用以考察光纖的群速度色散（GVD）對高斯脈沖傳播的影響，仿真模型如圖1所示。在仿真模型中：Bit rate=40 Gb/s；Optical Fiber參數：length=2.812km，Reference wavelength=1550nm，Beta2=-20（ps）2/km。

仿真結果：輸出脈沖寬度T（z）隨傳播方向z按公式（1）增加，輸出峰值功率按公式（2）變化。

光纖的群速度色散（GVD）對高斯脈沖傳播的仿真結果如圖2所示。由圖2可以看出，輸出脈沖比輸入脈沖展寬了，而峰值下降了。

1.2 激光器的調制頻率特性實驗

在高速光纖傳輸系統中，當對半導體激光器進行直接調制時，調制頻率必須小于激光場的弛豫頻率，而弛豫頻率隨半導體激光器的偏置電流的增大而增高。通過這一實驗可以觀察當偏置電流變化從而改變弛豫頻率時，高速光纖傳輸系統的性能變化情況[8]，仿真模型如圖3所示。圖3中，Ith=33.45mA，τsp=1ns，τph=3ps，I0=IB=40mA，Sequence length 128 bits，Samples per bit 512。

仿真結果：在直接光強度調制下弛豫頻率與有源區內的電子壽命和諧振腔內的光子壽命的關系為

根據仿真模型設定的參數可以得到弛豫頻率fres≈1.3GHz。圖4給出了系統性能與調制頻率的關系。當調制頻率為1.3GHz時如圖4（a）所示；當調制頻率為5GHz時如圖4（b）所示。由圖4可看出，當調制頻率高于弛豫頻率后，系統性能嚴重變壞。

1.3 摻鉺光纖放大器（EDFA）實驗

EDFA在各種光纖通信系統中得到廣泛應用，如副載波CATV系統、WDM或OFDM系統、相干光通信及孤子通信系統等。本研究用于分析EDFA的頻率特性和噪聲性能[9]，仿真模型如圖5所示。在仿真模型中摻鉺光纖參數：Length 7m，Core radius 2.2m，Er metastable lifetime 10ms，Er doping radius 2.2m，Er ion density 1e+025m3，Numerical aperture 0.24。

仿真結果如圖6所示。圖6中，（a）為CW激光器的頻率與EDFA增益的關系曲線，（b）為信號輸入功率與EDFA增益曲線，（c）為功率噪聲曲線。

1.4 光接收機實驗

光接收機主要的性能指標是靈敏度和動態范圍。本研究的目的是了解光接收機靈敏度與誤碼率的關系及靈敏度與最小輸入功率的關系[10]，仿真模型如圖7所示。

實際光接收機靈敏度的計算比較復雜，可粗略表示為

仿真結果如圖8所示。圖8中，（a）是衰減與Q因子的關系曲線，（b）是衰減與誤碼率曲線。

1.5 WDM系統實驗

波分復用是光纖通信系統擴大傳輸容量，提高傳輸速率的主要途徑之一，仿真模型如圖9所示。圖9中，利用Mach-Zehnder調制器進行外調制，16路復用，光發射器參數：Bit rate 40Gb/s。線路由50km單模光纖與10km色散補償光纖構成循環單元，采用摻餌光纖放大器。解復用器參數：Bandwidth 8e+010Hz，Depth 100dB，Filter type Bessel，Filter order 6。圖10為WDM系統實驗仿真結果，圖中給出了解復用器之前光纖線路之后的光譜圖，圖中較低的部分為噪聲部分。

2 結束語

本文根據光纖通信課程的理論教學內容選出了上述5個仿真實驗作為實驗教學項目。實踐表明，OptiSystem仿真實驗直觀明了，可以反復觀察練習，提高了學生的學習興趣，有利于學生對抽象的光纖通信理論教學內容的理解，同時可以節省較高的實驗費用，在實驗教學中取得了較好效果。

參考文獻：

[1] 張寶富，譚笑，蔣慧娟. 光纖通信系統原理與實驗教程[M]. 北京：電子工業出版社，2004.

[2] 張淑娥，李永倩，楊再旺. “光纖通信原理”精品課程實驗建設探究[J]. 實驗技術與管理，2010，27（5）：165-169.

[3] 周雪芳，王天樞. 仿真軟件在《光纖通信》實驗教學中的應用研究[J]. 實驗科學與技術，2011，9（5）：53-56.

[4] 楊絮，朱一峰，陳桂芬. 光纖通信系統仿真技術在實驗教學中的應用[J]. 中國科教創新導刊，2009（34）：48.

[5] Optiwave Corporation.OptiSystem 7.0：OptiSystem Users Reference. 2008.

[6] 胡章芳，席兵. 光纖通信系統的計算機仿真[J]. 電腦開發與應用，2005，18（9）：11-12.

（責任編輯：徐興華）