光通信技术实验报告.doc

光通信技术实验报告

实验一 光通讯系统WDM系统设计
实验目的
1. 熟悉Optisystem实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光纤通信系统。
2. 使用OptiSystem模拟仿真WDM系统的各项性能参数，并进行分析。

实验原理
光波分复用系统简介
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长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原信号复原，这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统，同时也适用于单向或双向传输。
波分复用系统的工作波长可以从0.8μm到1.7μm，由此可见，它可以适用于所有低衰减、低色散窗口，这样可以充分利用现有的光纤通信线路，提高通信能力，满足急剧增长的业务需求。
WDM光通信结构组成
1) 滤波器：在WDM系统中进行信道选择，只让特定波长的光通过，并组织其他光波长通过。可调谐光滤波器能从众多的波长中选出某个波长让其通过。在WDM系统的光接收机中，为了选择所需的波长，一般都需依赖于其前端的可调谐滤波器。要求其有宽的谱宽以传输需要的全部信号谱成分，且带宽要窄以减小信道间隔。
2) 复用器/解复用器（MUX/DEMUX）：将多个光波长信号耦合到一路信道中，或使混合的信号分离成单个波长供光接收机处理。一般，复用/解复用器都可以进行互易，其结构基本是相同的。实际上即是一种波长路由器，使某个波长从指定的输入端口到一个指定的输出端口。
实验软件介绍
OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。
OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它的广泛应用包括：物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；CATV或者TDM∕WDM网络设计；SONET∕SDH的环形设计；传输器、信道、放大器和接收器的设计；色散图设计；不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估；放大的系统BER和连接预算计算。
Optisystem环境是一种为利用元件库组建光纤通信系统，利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳的光纤通信系统。Optisystem通过3部分来实现光纤通信系统仿真，即：器件库、光学方案图编辑器、图形演示。
1、器件库
(1) 发射器
发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、编码器和比特序列发生器等。半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要的发射器部件。使用OptiSystem，用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些参数。当使用外调制的CW激光器时，对于啁啾和衰减来说，MQW马赫－曾德尔调制器和电吸收调制器的模型是基于测量的，并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵敏度的最小退化。对于随即数字发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同的调制模式和算法之间进行选择
(2) 光纤
光纤是主要的传输通道。对于任意的WDM信号，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。在很大的条件范围内，这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素。
(3) 接收器
用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。如果噪声用概率密度函数（PSD）来描述，PIN或者APD将采用基于高斯近似的准分析模型来计算噪声的作用。如果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFD来描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率相关的参数。在这个库中，用户可以考虑不同滤波器形式来设计接收器。
(4) 网络器件
复用器∕解复用器，上路∕下路，阵列波导光栅，静态和动态开关，循环∕环形元件，交叉连接，·波长转换。
(5) 无源器件
· 滤波器，调制器，耦合器，分波器，合波器，环形器，隔离器，偏振器件，光纤光栅。
(6) 光放大器
EDFA和拉曼放大器已经成为光纤网络所需的器件，从WDM网络转发器到CATV接线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem能使用户选择不同的模型，例如自定义增益和噪声系数的理想放大器，或者是基于测量或者速率方程静态或者动态的解的黑匣子模型。通过利用半导体激光器的多功能特性，可以完成放大和波长转换。
(7) 观察仪
客户可以在任何器件使用观察仪来打开端口数据监视器，并且存取结果。数据监视器可以保存处理过的信号信息，而没有必要预先确定观察仪的类型。因此，一个OSA或WDM分析仪可以加在相同的监视器上，一旦一个计算完成，就不需要再次运算。
库中可以利用的观察仪包括：·光∕射频频谱分析仪，示波器∕光时域分析仪，眼图分析仪，误码率分析仪，WDM分析仪，功率计。
2、光学方案图编辑器
这个界面可以让用户快速而有效的创建和修改自己的设计。每个OptiSystem方案文件可以包含足够多的设计版本。这些设计版本可以相互独立的被计算和修改，但是来自于不同版本的计算结果可以合并起来进行比较。
3、图形演示
OSA频谱、示波器和眼图，探针和可视化工具列出信号功率、增益、噪声系数和OSNR，图形生成工具可以对任何参数扫描的任意结果进行比较，直观的图形管理器使用户可以画出设计中使用的几乎所用的参数的曲线，·生成的图形组尺寸可变、视角可变换，并将这些视图转变成可以保存和重新使用的结果方案图，将复合图合并成3D图。

实验要求
建立八组外部调变激光、WDM Mux8X1(八对一的分波多任务器)、马赫轮德尔调变器，使用光频谱分析仪和WDM analyzer分波多任务分析仪获取每个信道的信号频谱和总功率。

实验步骤
1. 建立使用外部调变激光的发射器
2. 选择4个外调激光组件
3. 复制选择的组件，然后粘贴，一共建立8组发射器
4. 从组件库中选择Default > WDM Multiplexers Library > Multiplexers
5. 把WDM Mux8X1拖曳到Main layout
6. 连接Mach-Zehnder Modulator的输出端到WDM Mux8X1的输入端
7. 从组件库中选择Default > Visualizer Library > Optical
8. 把Optical spectrum analyzer拖曳到Main layout
9. 把WDM Analyzer拖曳到Main layout
10. 把Optical spectrum analyzer的输入端和WDM Analyzer输入端相连到WDM Mux的输出端
11. 执行模拟：点击calculate 按钮，点击 Run 按钮
12. 双击Optical spectrum analyzer来观看图形，该图形显示8个同间距的信道信号。
13. 双击WDM Analyzer来观看图形，该图形显示8个同间距的信道的数据结果。

实验内容
系统设计布局图

WDM分析结果

实验二 EDFA+WDM通信系统实验
实验目的
1. 了解掺铒光纤放大器的主要性能。
2. 使用OptiSystem模拟仿真EDFA+WDM系统的各项性能参数，并进行分析。

实验原理
光放大器简介
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。
光放大器分类
主要有三类：
（1）半导体光放大器（SOA，Semiconductor Optical Amplifer）
（2）掺稀土元素（铒Er、镨Pr、铷Nd）的光纤放大器；主要是是EDFA，还有PDFA等
（3）非线性光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器（FRA ，Fiber Raman Amplifier）
针对目前以EDFA的发展最为迅速，应用也最为广泛，在本章中，主要以EDFA为主要介绍和设计对象。但这里需要提到的是，OptiSystem也提供了大量SOA, PDFA, FRA等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。
掺铒光纤放大器的结构
掺铒光纤放大器的英文缩写为：EDFA，其基本结构如图所示。

输出光信号
输入光信号
光滤
波器
光隔
离器
光隔
离器
光耦
合器

掺铒光纤

泵浦
光源

EDFA结构示意图

EDFA主要是由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器以及滤波器等组成。
（1）耦合器（Coupler）将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）。
（2）隔离器防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的无源器件。
（3）掺铒光纤是一段长度大约为10~100m的石英光纤，将稀土元素铒离子Er3+注入到纤芯中，浓度一般为25mg/kg。
（4）泵浦光源为半导体激光器，输出光功率约为10~100mW。
（5）光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。
此外，根据泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可包括三种结构方式：同向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构。
EDFA主要优点包括增益高，带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低和对偏振不敏感等。

实验要求
建立八组外部调变激光、WDM Mux8X1(八对一的分波多任务器)、Mach-zehnder modulator马赫轮德尔调变器光纤、掺铒光纤放大器EDFA、控制循环LOOP control、WDM demux 1x8一对八的分波解多任务器，使用光时域观测器和分波多任务分析仪获取每个信道的信号频谱和总功率。

实验步骤
1. 从组件库中选择Default >Optical Fibers Library
2. 把Optical Fiber 拖曳到Main layout
3. 从组件库中选择Default > Amplifiers Library > Optical > EDFA
4. 把EDFA Ideal拖曳到Main layout
5. 把EDFA参数中的Optical Mode改成Power Control
6. 把Optical Fiber 输出端和EDFA Ideal输入端相连
7. 从组件库中选择Default > Tools library
8. 把Loop control拖曳到Main layout
9. 把WDM Mux8X1输出端连到Loop control输入端
10. 把EDFA Ideal输出端连到Loop control第二个输入端，并把Optical Fiber输出端连到EDFA Ideal输入端
11. 从组件库中选择Default >Optical Fibers Library
12. 把Optical Fiber 拖曳到Main layout
13. 从组件库中选择Default > WDM Multiplexers Library > Demultiplexers
14. 把WDM DeMux8X1拖曳到Main layout
15. 把Loop control输出端连到WDM DeMux8X1输入端
16. 从组件库中选择Default > Visualizer Library > Optical
17. 把Optical spectrum analyzer拖曳到Main layout
18. 把Optical time domain visualizer拖曳到Main layout
19. 把WDM Analyzer拖曳到Main layout
20. 把每个观测的输入端连到WDM DeMux8X1的第一个输出端
21. 执行模拟：点击calculate 按钮，点击 Run 按钮
22. 双击观测器来观看结果和图表

实验内容
系统设计布局图

设置扫频参数

Sweep -10~10

WDM分析结果

11