System实验指导书(2011版南邮)

光子学仿真实验指导书（利用OptiSystem设计光通信系统）范红编著南京邮电大学光电工程学院2009年11月光子学仿真（OptiSystem）实验指导书2目录1．概述11.1性质、目的与任务11.2实验内容、学时分配及基本要求11.3实验考核12．预备知识32.1简单光纤通信系统32.2掺铒光纤放大器EDFA42.2.1EDFA的结构和工作原理42.2.2EDFA在光纤通信系统中的应用52.3波分复用技术62.3.1波分复用技术的基本原理62.3.2波分复用技术在光纤通信系统中的应用72.3.3光波分复用器OADM及其应用72.4光纤通信中的色散补偿82.4.1概述82.4.2光纤中的色散82.4.3色散补偿技术93．OptiSystem快速入门103.1OptiSystem简介103.2OptiSystem的简单操作103.2.1OptiSystem用户图形界面103.2.2OptiSystem菜单和按钮143.2.3OptiSystem基本操作213.2.4子系统243.2.5参数扫描284．实验课题31附录：实验报告样式38光子学仿真（OptiSystem）实验指导书11．概述1.1性质、目的与任务本实验是光学和光学工程专业硕士研究生相关实验课程的一个组成部分。通过本实验，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，有助于形成在系统层面上分析问题和解决问题的能力，为研究生开展相关研究工作打下良好的基础。1.2实验内容、学时分配及基本要求实验的课内总学时分为4学时和8学时两类。教学活动采取分散学习和集中上机相结合的方式进行。实验的内容和基本要求见表1.1。表1.1利用OptiSystem设计光通信系统实验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1WDM系统设计设计一个四波分WDM光纤传输系统，并仿真验证。设计4/8学时均做2可重构OADM设计设计一个具有四波长通道可重构单向OADM，并仿真验证。设计仅8学时做1.3实验考核本实验以完成课题设计与仿真分析的结果以及实验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实验，并由指导教师考核验收。学生必须完成实验报告。报告包括课题任务要求及技术指标、课题分析及设计思路、设计方案、仿真结果与分析、小结等。光子学仿真（OptiSystem）实验指导书22．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媒质是大有希望的。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光源。从此，便开始了光纤通信迅速发展的时代。在80年代，光纤通信得到极大的发展，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。目前最引人注目的是WDM全光通信，它是在传送网中加上光层，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节点的吞吐容量，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，重量轻，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，用之不竭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。图2.1基本光纤通信系统结构图其中发送端包括光源、脉冲发射器、调制器等；传输部分包括传输光纤、光纤发大器、色散补偿光纤等；接收端包括PIN/APD管、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。比如新建的长途干线和大城市的市话通信一般都应选择SDH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10Gbit/s系统。至于光纤，G.652光纤是目前已经大量敷设，是在1.3微米波段性能最佳的发送机光纤接收机光子学仿真（OptiSystem）实验指导书3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EDFA2.2.1EDFA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）的作用是将泵浦光和信号光混合，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），在两级宽带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（如图2.3所示）。实际上基态能级、亚稳态能级和泵浦能级受斯托克斯分裂（StockSplitting）和热效应的影响，形成了一个近似联系的能带。由于亚稳态能级和基态能级具有一定的宽度，因此EDFA的放大效应具有一定波长范围。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态，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寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。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，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射（ASE），它造成EDFA的噪声。图2.2为EDFA双向泵浦结构示意图。图2.2双向泵浦结构在EDFA的光路结构设计中，常见的泵浦方式有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦3种。这些泵浦方式各有其特点：前向泵浦由于在输入端有高的粒子数反转而具有比较低的噪声；而由于背景损耗小，输出端具有高的粒子数反转，因此反向泵浦具有较高的泵浦效率和增益。当EDF长度较短时，3种泵浦方式的小信号增益基本相同，NF也相差不大，原因在于3种泵浦方式都已使整个光纤的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，光子学仿真（OptiSystem）实验指导书4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介于二者之间。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的增益随泵浦功率的增加而增大，其NF随泵浦功率增加而减小，但是，当泵浦功率增加到一定值后，增益趋于饱和，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。图2.3泵浦功率与小信号增益，噪声系数之间的关系2.3.2EDFA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、用作光接收机前端的前置放大器和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直接置于光接收机PIN管光检测器的前面，用以改善输入光信号的信噪比，提高光接收机的接收灵敏度。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，放大器可以以级联的方式存在。线路放大器对放大性能的要求则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显示了广阔的应用前景。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噪声将不断积累。由于级联方式不同，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光子学仿真（OptiSystem）实验指导书5方式。第一种级联方式是所谓的“自愈”方式即对每级增益不做专门的控制，在这种方式下，开始几级EDFA的增益较大，随着信号光功率的增加和ASE噪声的积累，EDFA增益饱和，最后每级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，第三种级联方式是保持每级EDFA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能提供足够的增益，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，将在后面讨论。2.3波分复用技术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，耦合进单根光纤中传输。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。图2.4WDM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，带来了一定的损耗和由波长选择功能不完善而引起的服用信道间的串扰，在实际应用中，需要将此情况考虑在内WDM系统的主要优点：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.对各信道传输的信号的速率，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，便于对已经建成的系统扩容；4.可提供波长选路，使建立透明的，具有高度生存性的WDM全光纤通信网成为可能。光子学仿真（OptiSystem）实验指导书6随着1550nm窗口的EDFA的商用化，WDM系统主要只在1550nm窗口传送多路光载波信号，其波长间隔一般小于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）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（ADM）和中继器构建的传统SDH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饵光纤放大器技术，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系统有其得天独厚的优势，由于城域网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