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(shù)設(shè)置，簡要分析了仿真實驗結(jié)果。結(jié)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(guān)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(yè)課程，涉及光學、電磁場及通信等多方面理論基礎(chǔ)知識和光纖光纜、光器件光端機、光纖通信系統(tǒng)設(shè)計及網(wǎng)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(nèi)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(shù)工作奠定必要基礎(chǔ)。光纖通信實驗的內(nèi)容通常有：光纖接續(xù)、OTDR測量光纖參數(shù)、LD（LED）光譜特性測量、光纖接收發(fā)送系統(tǒng)實驗等[1-2]。從幫助學生理解理論教學內(nèi)容的角度看，采用OptiSystem仿真技術(shù)更具優(yōu)勢[3-4]。OptiSystem是一款創(chuàng)新的、發(fā)展迅速的強大軟件設(shè)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(wǎng)絡的廣譜物理層中的幾乎所有光學鏈路進行規(guī)劃、測試仿真。它可以提供從元件到系統(tǒng)級別的傳輸層光通信系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃，并且能夠直觀地呈現(xiàn)分析和方案，可以最大程度地降低時間要求和光學系統(tǒng)、鏈路和元件的設(shè)計相關(guān)成本[5]。

1 OptiSystem仿真實驗

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

1.1 光纖的色散實驗

光纖介質(zhì)的非線性使接收的光脈沖包絡的形狀會發(fā)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(shù)：length=2.812km，Reference wavelength=1550nm，Beta2=-20（ps）2/km。

仿真結(jié)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(jié)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(diào)制頻率特性實驗

在高速光纖傳輸系統(tǒng)中，當對半導體激光器進行直接調(diào)制時，調(diào)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(tǒng)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(jié)果：在直接光強度調(diào)制下弛豫頻率與有源區(qū)內(nèi)的電子壽命和諧振腔內(nèi)的光子壽命的關(guān)系為

根據(jù)仿真模型設(shè)定的參數(shù)可以得到弛豫頻率fres≈1.3GHz。圖4給出了系統(tǒng)性能與調(diào)制頻率的關(guān)系。當調(diào)制頻率為1.3GHz時如圖4（a）所示；當調(diào)制頻率為5GHz時如圖4（b）所示。由圖4可看出，當調(diào)制頻率高于弛豫頻率后，系統(tǒng)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(tǒng)中得到廣泛應用，如副載波CATV系統(tǒng)、WDM或OFDM系統(tǒng)、相干光通信及孤子通信系統(tǒng)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(shù)：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(jié)果如圖6所示。圖6中，（a）為CW激光器的頻率與EDFA增益的關(guān)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(tài)范圍。本研究的目的是了解光接收機靈敏度與誤碼率的關(guān)系及靈敏度與最小輸入功率的關(guān)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(jié)果如圖8所示。圖8中，（a）是衰減與Q因子的關(guān)系曲線，（b）是衰減與誤碼率曲線。

1.5 WDM系統(tǒng)實驗

波分復用是光纖通信系統(tǒng)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(diào)制器進行外調(diào)制，16路復用，光發(fā)射器參數(shù)：Bit rate 40Gb/s。線路由50km單模光纖與10km色散補償光纖構(gòu)成循環(huán)單元，采用摻餌光纖放大器。解復用器參數(shù)：Bandwidth 8e+010Hz，Depth 100dB，F(xiàn)ilter type Bessel，F(xiàn)ilter order 6。圖10為WDM系統(tǒng)實驗仿真結(jié)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(jié)束語

本文根據(jù)光纖通信課程的理論教學內(nèi)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(nèi)容的理解，同時可以節(jié)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(tǒng)原理與實驗教程[M]. 北京：電子工業(yè)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(shè)探究[J]. 實驗技術(shù)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(shù)，2011，9（5）：53-56.

[4] 楊絮，朱一峰，陳桂芬. 光纖通信系統(tǒng)仿真技術(shù)在實驗教學中的應用[J]. 中國科教創(chuàng)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(tǒng)的計算機仿真[J]. 電腦開發(fā)與應用，2005，18（9）：11-12.

（責任編輯：徐興華）