光纤通信实验报告

光纤通信实验报告班级：14050Z01姓名：李傲学号：1405024239模拟软件配置实验1实验一光发射机的设计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，分为光源的内调制（图1.1）和光源的外调制（图1.2）。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的结构中，光源为频率193.1Thz的激光二极管，同时我们使用一个Pseudo-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。图1.1内调制光发射机图1.2外调制光发射机对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。内容：铌酸锂（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器中的啁啾（Chirp）分析1设计目的对铌酸锂Mach-Zehnder调制器中的外加电压和调制器输出信号啁啾量的关系进行模拟和分析，从而决定具体应用中MZ调制器的外置偏压的分布和大小。2设计布局图外调制器由于激光光源处于窄带稳频模式，可以降低或者消除系统的啁啾量。典型的外调制器是由铌酸锂（LiNO3）晶体构成。本设计中，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。模拟软件配置实验2图1.3双驱动型LiNbO3Mach-Zehnder调制激光发送机设计图3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，两路布局是完全一样，所以使用一个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1.4LiNbO3Mach-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，其中V1，V2分别为两个驱动电路的模拟软件配置实验3驱动电压，α为啁啾系数：图1.5为一系列信号脉冲输入时，在1，2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1的电压为2.0V，输入口2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）为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1，2和输出口的信号波形可参见图1.7，1.8：VV2121VV模拟软件配置实验4图1.7当V1=-3V2=3.0V时，输入口2，3的电信号波形图1.8V1=-3V2=3.0V时，输出的光信号波形及其啁啾量（Chirp）以上两次不同V1，V2外置偏压情况下，OptiSystem提供了实际情况的模拟仿真，并可得到结果：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，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。本设计中，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。模拟软件配置实验5实验二光接收机（OpticalReceivers）设计一个基本的光接收机有以下几部分组成：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（APD）。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，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。4）解调器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Optisystem中，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。内容：光接收机模型设计及PIN光电二极管的噪声分析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分析、优化光接收机以及整个光通讯系统都有十分重要的作用。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，影响和限制系统的性能。在光接收机中，可能存在多种噪声源：●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3模型的设计布局图图2.1光接收机的一般结构模拟软件配置实验6图2.1为PIN光电二极管噪声分析的OptiSystem设计布局图：图2.1光电二极管的噪声分析的设计布局图图2.2光电二极管的ShotNoise（左）和ThermalNoise（右）图2.1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误码率分析仪中，两路的低通滤波器截止频率和码率一样。在图2.2左中，可以看到上端PIN管中ShotNoise是依赖于信号强度大小的。在图2.2右中，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。可以观察到热噪声和散粒噪声对传输信号质量的影响，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大小。结论：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。模拟软件配置实验7实验三EDFA放大器实验光放大器，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。主要有三类：半导体光放大器（SOA，SemiconductorOpticalAmplifer）掺稀土元素的光纤放大器；主要是EDFA，PDFA，TDFA等非线性光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器（FRA，FiberRamanAmplifier）OptiSystem也提供了大量SOA,PDFA,FRA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。3.1实验配置图图3-1放大器实验配置图3.2可配置的实验（1）观察EDFA放大器中EDF的长度对增益的影响（2）观察掺杂浓度对增益的影响（3）观察泵浦光强度对增益的影响要求：分别修改EDFA物理模型模的参数：光纤长度参量，掺杂浓度和泵浦光强度，将计算结果（数据）列表，并绘图，得出相应结论。（参考第五章光放大器中的内容）模拟软件配置实验8模拟软件配置实验9光纤长度参量、掺杂浓度、泵浦光强度与输出光功率之间的实验数据记录表Length6.0m6.0m6.0m6.0m6.0m6.0m10.0m1.0mPower200mW200mW200mw1000mw100mw500mw200mw200mwRate1e+251e+231e+221e+251e+251e+251e+251e+25Output15dbm-20dbm-18dbm18dbm13dbm17dbm14dbm-12dbm模拟软件配置实验10实验四光纤传输系统4.1实验配置图图4-1实验配置图4.2可配置的实验（1）观察传输距离对信号失真的影响（2）信号比特率对信号失真的影响（3）观察信号发射功率对信号失真的影响4.3配置实例4.3.1观察传输距离对信号失真的影响4.3.1.1参数设置（1）设置光纤参数，在结构参数页中，将光纤长度设置为25km；（2）设置发射机结构参数，中心频率设置为193.1THz。设置发射机仿真参数，将比特率设置为10Gb/s，信号功率设置为5mW；（3）将光纤长度依次改为50km、100km，再进行两次仿真。4.3.1.2实验结果模拟软件配置实验11图4-2光纤长度25km的输出眼图图4-3光纤长度50km的输出眼图模拟软件配置实验12图4-4光纤长度100km的输出眼图4.3.2观察信号比特率对信号失真的影响4.3.2.1参数设置（1）设置光纤参数，在结构参数页中，将光纤长度设置为50km；（2）设置发射机结构参数，中心频率设置为193.1THz。设置发射机仿真参数，将比特率设置为2.5Gb/s，信号功率设置为5mW；（3）将发射比特率分别改为10Gb/s、40Gb/s，其他参数不变，再进行三次仿真。4.3.2.2实验结果图4-5比特率为2.5Gb/s的输出眼图模拟软件配置实验13图4-6比特率为10Gb/s的输出眼图图4-7比特率为40Gb/s的输出眼图4.3.3观察信号发射功率对传输信号的影响4.3.3.1参数设置（1）设置光纤参数，在结构参数页中，将光纤长度设置为50km；（2）设置发射机结构模拟软件配置实验14参数，中心频率设置为193.1THz。设置发射机仿真参数，将比特率设置为10Gb/s，信号功率设置为1mW；（3）将发射功率分别改为10mW、25mW，其他参数不变，再进行三次仿真。4.3.3.2实验结果图4-8发射功率为1mw时的输出眼图图4-9发射功率为10mw时的输出眼图模拟软件配置实验15图4-10发射功率为25mw时的输出眼图4.4实验结论（1）在发射机的比特率和功率一定的情况下，光纤长度越长，眼图越模糊，失真越严重（2）在光纤长度和发射机功率一定的情况下，发射机比特率越高，眼图越模糊，失真越严重（3）在发射机比特率和光纤长度一定情况下，发射机功率越大，眼图越清晰，失真越弱实验五光波分复用系统（WDMSystems）设计（选做）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