应用OptiSystem的仿真实例

OptiSystem仿真软件实例1光发送机（OpticalTransmitters）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：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（OpticalSource）：一般为LED和LD。2)脉冲驱动电路（ElectricalPulseGenerator）：提供数字量或模拟量的电信号。3)光调制器（OpticalModulator）：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）光接收机图2外调制激光发射机OptiSystem仿真软件实例使用一个Pseudo-RandomBitSequenceGenerator模拟所需的数字信号序列，经过一个NRZ脉冲发生器（None-Return-to-ZeroGenerator转换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LiNbO3Mach-Zehnder调制激光发送机设计图OptiSystem仿真软件实例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。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：(1)VV2121VV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1.4LiNbO3Mach-Zehnder调制器的参数设置OptiSystem仿真软件实例OptiSystem仿真软件实例此外，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1.5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1.6V1=-V2=2.0V时，输出的光信号波形及其啁啾量（Chirp）OptiSystem仿真软件实例OptiSystem仿真软件实例以上两次不同V1，V2外置偏压的情况下，OptiSystem提供了实际情况的模拟仿真，并图1.7当V1=-3V2=3.0V时，输入口2，3的电信号波形OptiSystem仿真软件实例可得到一系列结果：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LiNbO3Mach-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.,“Theoreticalperformanceof10GbpslightwavesystemsusingaIII-VsemiconductorMach-Zehndermodulator.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Volume:6Issue:2,Feb.1994,Pages:282-284.[2]Cartledge,J.C.;“Performanceof10GbpslightwavesystemsbasedonlithiumniobateMach-ZehndermodulatorswithasymmetricY-branchwaveguides”.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Volume:7Issue:9,Sept.1995,Pages:1090-1092.[3]AT&TMicroelectronics.“TheRelationshipbetweenChirpandVoltagefortheAT&TMach-ZehnderLithiumNiobateModulators”.TechnicalNote,October1995.OptiSystem仿真软件实例2光接收机（OpticalReceivers）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2.1：1)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。图2.1光接收机的一般结构OptiSystem仿真软件实例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（BERAnalyzer）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（ThermalNoise），而放大器的晶体管会引入散粒噪声（ShotNoise），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。hf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：光电效应增益前放光检测器OptiSystem仿真软件实例图2.3光电二极管的噪声分析的设计布局图OptiSystem仿真软件实例如图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ShotNoise；而下端的PIN管的热噪声为1.85e-25W/Hz，没有ShotNoise，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ShotNoise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ShotNoise，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。图2.4光电二极管的ShotNoise（上图）图2.5光电二极管的ThermalNoise（下图）OptiSystem仿真软件实例3光纤（OpticalFiber）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。涂覆层包层纤芯图3.1光纤结构OptiSystem仿真软件实例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