无源光通信器件课程设计

无源光通信器件课程设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 无源光通信器件课程设计 Lightsim仿真设计说明书 ——《无源光通信器件》课程设计 题 目 影响光纤通信传输系统的因素分析 姓 名 所在学院 专业班级 学 号 指导教师 2011年12月 影响光纤通信传输系统的因素分析 Lightsim仿真设计说明书 一、设计名称 影响光纤通信传输系统的因素分析 二、设计思路和目的 通过利用Lightsim软件对简单的光纤通信传输系统进行仿真，在保持整体传输系统模块及其参数不变的情况下，通过替换不同的激光器及其参数，同一激光器的多种调制方式输出，来分析光源的特性对传输系统的影响。然后简单地通过调整改变不同类型的调制信号、光纤类型、光放大器相对于光纤的位置，利用仿真得到的数据总结光传输系统中各部分因素对其传输质量的影响。 三、设计原理 Lightsim软件可供利用的激光器主要有Single-mode DFB，Multimode FP，CW Laser三种。DFB( Distributed Feedback Laser)，即—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 分布式反馈激光器，其内置了布拉格光栅(Bragg Grating)，属于侧面发射的半导体激光器。其采用模拟残留边带调幅(AM-VSB)信号(射频信号)直接调制激光二极管，使得光输出强度随着射频信号强度的变化而变化。 Multimode FP(Fabry-perot) Laser，为内置了法布里-珀罗谐振腔的激光器，产生多纵模输出。DFB laser 与 FP Laser 的区别是DFB Laser是在FP Laser的基础上采用光栅滤光器器件使得其只有一个纵模输出，两者均属于内调制激光器。 CW Laser (continuous wave laser)为连续产生相干光束的激光器，提供连续光束输出的激光器，其需要使用外调制器后用于光纤信号传输。 本软件可供利用的光调制器(OM)有Mach-Zender， Electro-Absortive，Directional Coupler，Y fed Coupler四种。 可供利用的光放大器有SOA (Semiconductor Optical Amplifier)为半导体光放大器，EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier)掺铒光纤放大器。SOA通过给器件加偏置电流时，使半导体增益物质产生粒子数反转，使电子从价带跃迁到导带，产生自发辐射，当外光场入射时会发生受激辐射产生信号增益。EDFA使用掺饵光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。 四、系统描述 共 19 页 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 影响光纤通信传输系统的因素分析 仿真的光纤信号传输系统的基本模块组成如下图所示: 基本构成包括激光器(CW Laser)、光调制器(Mach-Zender OM)、比特序列信号源(bit Sequence)、NRZ/RZ方波脉冲源(Rectangular Source)、模拟信号源(Analog Source)、乘法运算器(Multiplication)、驱动器(Driver)、光衰减器(optical attenuator)、光纤(single-mode)、光放大器(EDFA)、光延时器(Time delay)、光接收器(Photodiode)等。其中光衰减器和光延时器用于征各连接器间的插入损耗等，并非光纤通信传输系统所必须。 其中，采用振幅键控(ASK)调制的技术，其信号调制部分结构如下所示: 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 要调制的信号序列波形图和调制用的载波波形图分别如下: 则调制后的信号和经过驱动器的输出波形分别为: 将经过驱动器的输出波形直接作用于光调制器，可实现对光信号的调制。 经过多次仿真后，现设定一趋于实际的模拟仿真环境，其初始参数设定如下。 系统信号持续运行时间(Signal time duration)设定为5e-09s，同时勾选重载随机数生成器和总是计算所有模块选项以及在信号中添加噪声。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 比特序列信号源(bit Sequence)的传输比特序列设定如下，为1011010110: NRZ/RZ方波脉冲源(Rectangular Source)的输出比特率2.5e+09 bit/s ，波形幅度为0.028V ，脉冲码型为非归零码(NRZ)。 模拟信号源(Analog Source)的输出比特率1e+10Hz，相当于输入信号频率的2倍，幅度为0.014V。 光衰减器(optical attenuator)的衰减系数为6dB。 光纤(single-mode)衰减率为0.5dB/km ，长度为15km，对应传输波长为1550nm，零色散波长为1310nm，延时为17ps/nmkm，耦合损耗为5dB。 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 光放大器(EDFA)的对应增益波长为1550nm ， 增益为30dB。 光延时器(Time delay)延时设定为1e-09s。 四、具体仿真步骤及结果分析 1. 激光器(CW Laser)采用不同调制器的特性分析 (1) 采用Mach-Zender OM，建立仿真系统如下图所示 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 下面我们分别对各部分得到的波形进行分析，在上面情况中得到—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 的各运行结果图如下 激光器(CW Laser)的输出波形: 可见CW Laser的本身输出一定值的功率信号，需外加调制才可用于光纤信号传输。 驱动器(Driver)输出的波形: 光调制器(Mach-Zender OM)后得到的波形: 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 此时Mach-Zender OM虽然还能看到一定的周期性，但已明显地存在失真的现象，其信号幅度并不能保持一致。 由于软件的一定局限性，经过光衰减器(optical attenuator)、光纤(single-mode)、光放大器(EDFA)、光延时器(Time delay)的信号波形与光调制器(Mach-Zender OM)的输出波形有着极大的相似性，在此故不再列出。 光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: 虽然光电接收管的输出信号中仍能检测出明显的尖峰，但此时的信号基本上无法获取原来的调制信号信息。 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 (2) 采用Electro-Absortive OM，建立仿真系统如下图所示 驱动器(Driver)输出的波形和光调制器(Electro-Absortive OM )后得到的波形: 与信号调制器的波形相比，该调制结果有着很好的一致性，其周期基本上相同，信号幅度的平均略有少许偏差。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: 总体看来，Electro-Absortive OM 比Mach-Zender OM 的调制效果要好得多，但同时可以看出，其受到干扰噪声的影响，使其包络有一定程度的变化，用于数字信号的传输的话基本能实现。 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 (3) 采用Directional Coupler OM，建立仿真系统如下图所示 驱动器(Driver)输出的波形和光调制器(Directional Coupler OM )后得到的波形: Directional Coupler OM调制后的信号与原来的调制信号刚好反相。 光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: 总体来看Directional Coupler OM有着反相调制信号的特性，但该信号受到噪声的影响较Electro-Absortive OM要差一些，其振幅波动较大。 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 (4) 采用Y fed Coupler OM，建立仿真系统如下图所示 驱动器(Driver)输出的波形和光调制器(Y fed Coupler OM )后得到的波形: Y fed Coupler OM调制后的信号与原来的调制信号刚好反相。 光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 接收的信号与调制后的信号波形非常接近，受到噪声影响非常微小。 可以分析得出利用可以看出Mach-Zender OM的效果最差，不能用于振幅键控(ASK)的传输。Directional Coupler OM调制器虽然可用但经传输后的效果不太好，Directional Coupler OM和Y fed Coupler OM都有着反相调制的特性。Electro-Absortive OM和Y fed Coupler OM 的调制性都比较好，Y fed Coupler OM的抗干扰性较好。 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 2.采用不同激光器的特性分析 (1)采用CW Laser 对CW Laser的输出分析已在步骤1中实现，在此不再列出，下面给出CW Laser中存在的啁啾(Chirp)波形和CW Laser中的功率频谱图(Power Spectrum): (上右图中的横坐标并不全是1550，只是其值趋向于1550，其尾数被省略，下同) (2)采用DFB Laser，建立仿真系统如下图所示 驱动器(Driver)输出的波形和DFB Laser的输出光信号波形: 属于内调制的DFB Laser的输出波形与原调制信号的周期基本符合，其受到随机噪声的影响也不大。 同理，经过光衰减器(optical attenuator)、光纤(single-mode)、光放大器(EDFA)、 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 光延时器(Time delay)的信号波形与光调制器(Mach-Zender OM) 的输出波形有着极大的相似性，在此故不再列出，下同。 光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: 最后接收到的信号除了少许幅度偏移外，其后基本能保持正常的接收。 DFB Laser 中存在的chirp波形和起功率频谱图(Power Spectrum): (3)采用Multimode FP Laser，建立仿真系统如下图所示 Multimode FP Laser与DFB Laser、CW Laser不同的是其输出为多模激光，波长为1310nm，需要利用Multi-mode Fiber来传输。 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 驱动器(Driver)输出的波形和Multimode FP Laser的输出光信号波形: 光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: 在相同的传输环境下，Multimode FP Laser的输出信号经过传输后，已不能正常地被接收提取。 Multimode FP Laser中的功率频谱图(Power Spectrum): 从三种不同Laser的功率频谱图，可以发现DFB Laser的频谱特性最好，而Multimode FP Laser的频谱特性最差。同时，CW Laser的Chirp波动范围较DFP Laser要少些。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在三种激光器的特性比较中，可以发现Multimode FP Laser并不 适合用于光纤通信系 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 统传输，采用CW Laser时，利用不同的外调制器的效果不同， Electro-Absortive OM和Y fed Coupler OM基本能较好的调制输出，而 CW Laser本身的激光输出特性有着单色性好，Chirp影响小的特点。 采用DFB Laser调制时，其利用本身内调制的特点，可减少元器 件，其传输性能良好，而其单色性要比CW Laser要差些。 3.采用不同的调制信号 (1) 分别采用NRZ和RZ信号作为调制信号(Digital Source)，建立 仿真系统如下图所示 当信号分别为NRZ和RZ信号时，光接收器(Photodiode)中的波形 和Signal Statistics 探测结果如下。 Received optical power: Pmed (signal) = -12.8621 dBm Photogenerated noise powers: P (ASE) = -INF dBm P (shot-ASE) = -INF dBm P (ASE-ASE) = -INF dBm Irms (signal) = -12.8615 dBm (0.05174 mA) P (shot-signal) = -94.7505 dBm P (signal-ASE) = -INF dBm Ptotal (noise) = -94.7505 dBm —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ Irms (noise) = -32.3753 dBm (0.0005787 mA) SNR = 39.0274 dB Output photodiode signal: P (thermal) = -27.8064 dBm Vrms (noise) = -INF dBm (0 mV) fc = 1.592e+06 Hz Vrms (signal) = 47.1401 dBm (5.176e+04 mV) SNR = +INF dB 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 当信号为RZ信号时，光接收器(Photodiode)中Signal Statistics 探 测结果与上面一致，未能从中分析得NRZ和RZ信号作为调制信号时 的差异。但就接收的波形来说，传输NRZ码时的载波频率相当于比 RZ码时的两倍，可以认为传输NRZ码时的效果更好。 (2) 分别采用调制信号为Analog模拟、pre pulse前置脉冲，建立 仿真系统如下图所示 当为Analog模拟信号时，原信号波形和调制后(Electro-Absortive OM)的激光信号波形: 光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: 利用该系统传输模拟信号基本符合要求，但仍可看出调制后的激 光信号略微有少许失真。 当为pre pulse前置脉冲信号时，原信号波形: 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (传输比特序列为10110) 调制后(Electro-Absortive OM)的激光信号波形和光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号: 激光调制输出信号与调制信号基本符合，但Photodiode显然不能有效地还原该信号，只能对其电压升降沿进行检测，并不能对实际的波形信号进行还原。 4.分别采用不同类型的光纤，建立仿真系统如下图所示 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 采用模拟信号(Analog Source)直接调制Electro-Absortive OM，Analog Source的参数设定如下: Analog Source的波形为: 光纤的参数统一设定为传输波长1550nm、衰减率=0.5dB/km、长度=10km，在单模光纤和多模光纤的情况下，经光纤传输后和接收管接收到的波形分别为: 可以看出，单模光纤传输高频信号虽然有少许失真，但还能保持其周期完整性。而多模光纤由于其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，对于较高频率信号，其传输性能受到较大的影响。 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 5.通过改变光放大器相对于光纤的位置 在设定为相同的参数(单模光纤衰减率=0.6dB/km、长度=10km、—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 光放大器增益为32dB)下，分别置换光纤与光放大器的位置，得到探测功率情况如下图所示: 可见这两种不同的情况下，光放大器设置在光纤后得到的功率损耗比前置时减少8.0671dBm-5.1133dBm=2.9538dBm ， 对于整个系统的性能提升明显。 五、设计总结 本设计通过利用Lightsim软件对简单的光纤通信传输系统进行仿真，通过利用控制变量法的原理，在保持整体传输系统模块及其参数不变的情况下，对各个独立因素进行分析。 在对CW Laser的四种不同外调制方式，可以分析得出利用可以看出Mach-Zender OM的效果最差，不能用于振幅键控(ASK)的传输。Directional Coupler OM调制器虽然可用 共 19 页 影响光纤通信传输系统的因素分析 但经传输后的效果不太好，Directional Coupler OM和Y fed Coupler OM都有着反相调制的特性。Electro-Absortive OM和Y fed Coupler OM的调制性都比较好，Y fed Coupler OM的抗干扰性较好。 在三种激光器的特性比较中，发现Multimode FP Laser并不适合用于光纤通信系统传输，采用CW Laser时，利用Electro-Absortive OM 和Y fed Coupler OM基本能较好的调制输出，而采用DFB Laser调制时，其利用本身内调制的特点，可减少元器件，其传输性能良好，但其单色性要比CW Laser要差些。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在分析调制信号源的影响时，Digital Source的RZ和NRZ码都能较好的实现传输，但其之间的不同未能反映出来，Analog Source也能基本实现传输，但pre pulse的传输就存在一定检测困难。在不同光纤的分析上，多模光纤传输性能受到的影响，而单模光纤就具有较好的性能。光放大器设置在光纤后得到的功率损耗比前置时要少。 由于软件本身的局限性和本人的基础知识不够扎实，未能总结得到更详细的传输性能分析报告，为本文不足的地方。本软件得出的结果仅为理想情况下，存在一定的随机噪声所得到的结果，但实际应用过程中，光纤信号传输系统的复杂程度要大得多，所以还需我们不断在实践的过程中总结经验，结合利用软件仿真来帮助我们更好地了解分析问题。 六、 1. 进行分析前，一定要清楚明白当前改变的参数的可比较性，进行比较分析时尽量将需要 改变的参数控制为一个，以便于分析。同时要以平静的心态去理清分析的思路，做到心里有数。 2. 使用Lightsim软件过程中，一定要及时保存当前状态，以免在错误操作后使得软件强 制关闭后从而使当前数据丢失。由于通常在点击仿真Start开始后易出现错误，最好每次进行仿真前都保存一次。 3. 在保存之前，已调出的器件一定要连接好，避免出现再次打开时出现读取失败。 摆放 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 元件或进行仿真Start前要处于UN-Link状态，以免连接符出现乱序。 4. 对各个器件，在仿真运行后，可通过右击该器件，就可查看其在仿真过程中的各种波形 输出及其它数据，因此可减少在界面上摆放的探测模块。 5. 软件本身还是存在一定的缺陷，仿真是要勾选重载随机数生成器和总是计算所有模块选 项以及在信号中添加噪声，以趋于实际并改变了参数，但结果还是不变。 共 19 页 ——————————————————————————————————————