OptiSystem仿真实例0001

1、Op tiSystem仿真实例光发送机(Optical Transmitters)设计 1.1光发送机简介1.2光发送机设计模型案例：铌酸锂（LiNbO 3）型Mach-Zehnder调制器的啁啾（Chirp）分析光接收机(Optical Receivers ) 设计 2.1光接收机简介2.2光接收机设计模型案例：PIN光电二极管的噪声分析光纤（Optical Fiber）系统设计 3.1光纤简介 3.2光纤设计模型案例：自相位调制（ SPM）导致脉冲展宽分析光放大器(Optical Amplifiers )设计 4.1光放大器简介 4.2光放大器设计模型案例：EDFA的增益优化光波分复用系统

2、（WDM Systems ）设计5.1光波分复用系统简介5.2光波分复用系统使用OptiSystem设计模型案例：阵列波导光栅波分复用器 （AWG ）的设计分析光波系统(Lightwave Systems ) 设计6.1光波系统简介6.2光波系统使用OptiSystem 设计模型案例：40G单模光纤的单信道传输系统设计）设计色散补偿(Dispersion Compensation8.1色散简介8.2色散补偿模型设计案例：使用理想色散补偿元件的色散补偿分析孤子和孤子系统（Split on Systems）9.1孤子和孤子系统简介9.2孤子系统模型设计案例:结语）设计光发送机(Optical Tr

3、ansmitters1.1 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:图1.11）光发送机光通讯系统的基本构成2）传输信道3）光接收机一IhITransmitterChannelReceiver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

4、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(Optical Source ): 一般为 LED 和 LD。2）脉冲驱动电路（Electrical Pulse Generator）:提供数字量或模拟量的电信号。3）光调制器（Optical Modulator）: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

5、极管，同时我们使用一个Pseudo-Random Bit Sequenee Generator 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-Zeh nder调IJ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（LiNbO 3）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

6、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 卜分重要的物理量，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。一个価LNRZ Pdae iucEElcr加*丈ilg?p4Sv P=55 GdLiSfE FiberLkJDtf ti-dOjary =C.r

7、t bt rla HsCVb u 乂rrnqucnr- = IVJ 1 TA: FiUhJ - C dhviOca Tire D>mariIGrmiFrtnrI曰ECH田 C9fiCan -图1.3 双驱动型LiNbO 3 Mach-Zehnder调制激光发送机设计图典型的外调制器是由 铌酸锂（LiNO 3）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:1.2.4模拟分析在图1.3中，驱动电路1的电压改变量 V1和驱动电路2的电压改变量 V2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

8、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丫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。LiNb Mach-2ehnder Modulator PropertiesLabel |LilJb H ac R-Z ehitder Ho delatorCostJ I 0.00Dissl1Talnc1 Uni t sf Kbd*厂ETtiuct ion ratiorS&

9、#171;ibias volt«EIJfpnfiair5n IcKiiLEtdI face:.JJbjTJOfl/rInsertion lassB厂VofBalize elect fi calrz厂Hodnla t i on tdI ta cel厂Mbdulilioii To1 t«Ee£-f尹rSias To1tactlrBias vDltAE*22 而 rjMlSimulatianSave As.Stcuri ty. n ''Main : Modulator hansFer (unctionhii图1.4 LiNbO 3 Mach-Zehnde

10、r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 1.1，其中V1, V2分别为两个驱动电路的驱动电压，a为啁啾系数:V1 V2V V2(1)75图1.5为一系列信号脉冲输入时,在2 , 3 口的电压Vi= -2 = 2.0V时波形。根据公式1.1可知在这种情况下，啁啾系数a为0,而实际模拟出来的结果可见图1.6。Oscilloscope VisualizerObl Click On Obieds to apen properties. Move Objeds with Mouse I' Amplitude /03n1 r2 rrimeOscilloscope

11、Vializer1550>22O-nj +0cn.e) UPSEdllJH-n-_nl DI蛊口？亘需i i. gnal I ndeK : |0Auto SetOscilloscope Visualizer&Oscilloscope VisualizeMAuto SetObl Click Cn 013,5cts 10 operi properties. Move Otweets wlh Mouse I'Time们 fl lU fU (U fl lUUni ts：pSt4rl：R.2124*-01 s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

12、波形1 nTime|III I |_j 11 .IL r I2n (s)3n03nIDbl dick On 0也ecU to open properties. Move Objects with Mouse Time1 ft3n. ITime:enter： 1.E9e4e-009Ajuplitu-d*Units：VMax： 0 0012023Units：aOptical Time Domain Visualizer5ignal Index z|0Min： |-0- 00020232»a> oStir t: |4. T31ft-OLOSlop： |3. 6T 4-009OX Q

13、00.§ffl e aOp tic al Time Domain Visualizere - 口 g寸 口 otn sbsotAuto SetAji-alys i s广 Phase (* ChirpVi= -3V 2=3.OV 时，根据公|3.4ieie-oog s图1.6 Vi=-V2=2.0V时，输出的光信号波形及其啁啾量（ Chirp ）此外，为了观察啁啾量随电压的改变情况，当设定外加偏压为式1可得到a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 :5fl nfljTi1yn3n1 n2 nTime (e)y flmplitudty Timekxnp

14、li tu.d4m cooOstillcscDpe Vi手ualizerUni ti:Start ：|-Z.2l£<1a-01 m Stop: Fgztal Ln Aex ?|0Auto SetUaiT： p. 59233 a. u.Min： -0.50011 a. u.E s* 6 sc -0- E E 00Oscilloscope VisualizerDbl Click On Obiecls to open properties. Move Objects with Mouse【0Dscillpscope VisualizerOscillosco p 竝 Visualize

15、MDtol Clich On Objects to opsn properties. Move Objects wiUi Mouse ii gnal Index jOi-TimeIfni ts 呂-Ampli tildeo.2*ostart |-E.2124e-0K5Stop： |3. 41BL6-009 s恤：(177703Min： prwrrrE) upnsdulnAutdAmp(iUide/4- U.Optical Time Domain VisualizerrdOptical Time Domain Visualizerli gjial Index l|0Auto Sfit| LLH

16、ILkajIlll LU ! LBi LLH1 n2Time (甘) Pw)电r/ PowT H叫er Y jC! LH LL *03 nIEOo££3u.o. O-1 o rjDbl Cll出 On Otoieds to of)en properties. Move Objects with Mouse L Time (e)CL8-3n-Tim*J. e0Units： Is>nttrl|1.50e4*-OOfl sStart： T31t-0l0 sStop: |3. 67e-009 s-Ampli tTide心辻2：|tf,Wm： |0.001£0

17、3;3 TWin； |-a. OOOZDZs" T-匠 khtlysis厂 Phase 冶 Chirp图1.7当Vi= -3V2=3.OV时，输入口 2, 3的电信号波形以上两次不同 Vi, V2外置偏压的情况下，OptiSystem 提供了实际情况的模拟仿真,并可得到一系列结果:1 ）当V1=-V 2=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=-3V 2=3.OV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

18、传输的距离都会有十分严重的影响,要设计者避免和消除。从本设计案例中，我们可以利用Op tiSystem提供的元件和分析功能设计并得到关于Mach-Zeh nder调LiNbO 3 Mach-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；更多关于制器的啁啾的分析可参见文献1-3。参考文献:“ Theoretical performanee1 Cartledge, J.C.; Rolla nd, C.;Lemerle, S.;Solheim, A., of 10Gb ps lightwave systems using

19、a III-V semic on ductor Mach-Zeh nder modulator.IEEE P hoto nics Techn ology Letters, Volume: 6 Issue: 2 , Feb .1994, P ages:282-284.2 Cartledge, J.C.;“ Performanee of 10Gbps lightwave systems based on lithiumni obate Mach-Zeh nder modulators with asymmetric Y-bra nch waveguides” .IEEEPhoto nics Tec

20、hno logy Letters, Volume: 7 Issue: 9, Sept. 1995, P ages: 1090-1092.3AT&T Microelectro nics."The Relati onship betwee n Chir p and Voltage for theAT&T Mach-Zeh nder Lithium Niobate Modulators” .Technical Note, October 1995.光接收机（Optical Receivers）设计2.1光接收机简介恢复出由光纤传输后由光在光纤通讯系统中，光接收机的任务是以最

21、小的附加噪声及失真,图2.1光接收机的一般结构载波所携带的信息，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。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PIN管和雪崩光电二极管，后号。目前广泛使用的光检测器是半导体光电二极管，主要有 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Ph

22、otodiode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。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(BER Analyzer )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

23、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 设计目的接收机中的放大器本身电阻会引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。入热噪声(Thermal Noise)，而放大器的晶体管会引入散粒噪声( Shot Noise )，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

24、，它们的引入部位如图2.2所示。光检测器图2.3为PIN光电二极管噪声分析的OptiSystem 设计布局图: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22光接收机中的噪声源及其分布223模型的设计布局图二 fl更-FillerCuluM n晒怕F M ut HrLa»fItvk3Juln<irFreauencxi = J93 1 TH;Pc舵f 0 ifpAfran J3tcr/ten J3ti>n-3idBPh：ytNidA TTivIDjil nvjft = a Adr slr*t”心=¥ESWHiHorX 1>

25、2 1 D图2.3光电二极管的噪声分析的设计布局图D|砒zl feiuef- hbrcr V4£ualinr 1 Q:斟Odt-D Rruu-werfFharPhjtoJioCeCutoff fqjency - &l rate Hzihflrmai nH» I .Eflt-Dn w；H3如c sl-i>t rci» = hICI0cD*.心f H融BER人Th慣hald人H旳忙 人BER P離冊0o.sTime (bit psriod)，网Hndeg|口Autc SetAn sly si iThreshold: 6 29e-008a. itemitt

26、ernBFR Analyzer 1.0n 'SWin BEE; |4. 14e-056Ey He 1 sKt: |2'. &2e007!ci sion InstjO. TIST5p Show Eye D i乞歹宜T<QX Q ractorpTTSOHnHData RecoveryDbl Click: On Objecteto operi properties. Mave Objects wfth Mouse DrTime (bit periodO.S/ rrn.ll)apnl;-duJ4 USE - 匸 gLrfFaltern亀讥rn Ittern015呂35垃D

27、ata RecoveryDbl du It On Objects to operi properties. Move Objects with Mouse LrTime (bit period0.51I118II =IIg-Ln-CJ-Iitde3|oAuto Set|z SKcm Eye DiagramrknalyEiiQ Z 4C t or |5 4T058lAia1.23e-D06寸- O-c -o炉.刑Eye Hei : |1.45e0CnTljishflld: |1.54e-0O7'cision Insp"rattan*tt4rn 1|1 DOe-Onttern S

28、R OOe-011attern 3 1. OOe-OlD申I “! UiT I”喟“”屮“1| 丄 叫 中冲im00.STime (bit periodj Q 甩ctp斤何in EER. A Thre罰创 A Heighrt N BER. Pattern #图2.4图2.5光电二极管的 Shot Noise （上图）光电二极管的Thermal Noise （下图）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PIN管不考虑热噪声，而具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 有Shot Noise ;而下端的 PIN管的热噪声为 1.85e-25

29、W/Hz ，没有 Shot Noise ，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样的。在图2.4中，用户可以看到上端PIN管中Shot Noise 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Shot Noise ，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

30、是最主要的噪声源。光纤(Optical Fiber )系统设计3.1 光纤简介光纤通信与电信的主要差异之一，即涂覆层包层结构形式。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是利用光纤来传输光信号。光纤有不同的心玻璃体，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ni;折射率低的外围部分称为包层，折射率为n2 (<n 1)，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 图3.1光纤结构纤芯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OptiFi

31、ber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。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，归结起来主要包括：吸收损耗和散射损耗，以及辐射损耗。吸收损耗：吸收损耗包括紫外吸收、 红外吸收和杂质吸收等， 它是材料本身所固有的,因此是一种本征吸收损耗。(2)散射损耗：散射与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。一般包括：瑞利散射损耗、波导散射损耗和非线性损耗。辐射损耗：光纤使用过程中，弯曲往往不可避免，在弯曲

32、到一定的曲率半径时，就会产生辐射损耗。3.1.2光纤的色散特性及带宽光信号在光纤中传输时不但幅度会因损耗而减小,波形亦会发生愈来愈大的失真，脉冲展宽，从而限制了光纤的最高信息传输速率。这种失真是由于信号中的各种分量在光纤中的 群速度不同(因而时延不同)引起的。这些分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量 及光纤中的不同模式分量。时延失真是由于光纤色散而产生的，一般包括以下几种:(1) 模间色散：多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送机多个导模同时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。(2)波导色散：这是某个导模在不同波长（光源有一定的谱宽）下的群速度不同引起

33、的色散，它与光纤结构的波导效应有关，又称为结构色散。而光源有一定谱宽,材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化, 于是不同的波长引起不同的群速度。偏振模色散：普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，实际在单模光纤存在各种少量随机的不确定性，不对称性,造成了两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。3.2光纤模型设计案例：自相位效应(SPM ) -Induced Spectral Broadening3.2.1设计目的对自相位调制(Self- Phase Modulation:SPM ）在脉冲传播上的模型进行模拟和验证。主要包括两个方面:(1)脉冲啁啾(Pulse Chirping

34、 )(2) 脉冲光谱展宽(Pulse Sp ectral Broade ning )3.2.2 原理简介自相位调制（SPM）效应可由式3.1进行描述:I i |e|2e(3.1)其中E（Z,t）是电场波包，参数丫由式 3.2给出:门20cAeff(3.2)在方程3.2中，3 0是光载波频率，n2是非线性折射率系数,Aeff是有效作用面面积 。可根据方程3.1直接进行求解得到:E(z,t) E(z O,t)exp(i|E(z 0,t)|2 z)从该式可知，经过自相位调制后，脉冲的波形(即:|E(z,t)|2=|E(z=0,t)| 2)不受影响。而相位变化项NL=|E(Z=O,t)| 2表明经过自

35、相位调制后，脉冲的瞬时频率相对原先载波的频率3 0已有所改变。频率改变量Sw (t)由式3.3给出:(t)NLt(3.3)该频率的改变和时间的关系导致了啁啾声的产生。3.2.3模型的设计布局图为了验证SPM效应，我们可以设计以下布局图3.2 :A I Optical Spectrum PnalyMr_lptiuH Spedrum Aialyzer 101*T T I*;mOptical FiberL&ngthi 107311 kmUser Defined Bft uence Generator! Da Eft Dri e电別处*-ixtical Qausmi" ftjise

36、GerierztarFrequeniv = ISfiD nmPower 1 WB.AOptical Time DoniMn dsu3liier_l图3.2自相位调制设计布局图其中参数设定如图3.3 :Layout 1 P arametersL辿J jLayout 1'Simulation Jsnd11 Iall口INuke Siyridl hduiny1Talne| Vuils | Modeion viiLdoBStf f ij f rs te1Sbn»aiEef er eiLce bit xat eSit rale和“Mffts/sm Jfonna ?T>£

37、 vlndow盘门-臼了卡三JfcjTMa/Saaple rate陰牛-r 讪血'饨I1阳Ea /ScantBce lncthtsSisr»aJSAles per bit占化iJtorsaJViube r ofes吊«11eTa t ionsOKCancel&dd Faram.H»IpOptiul Fiber PropertiesLabel |Dptical FiberCostJc.coCan". Nair Dispe. fPMD Norik. Nume.GraphE Sirnul.NoiseRard.Dissl血*aLn«1

38、Vnitx1 ModerSelfpbAse Qdalfct空ong；_WbE 汀rEffective azca dta tCijjis fflji fSrEffective aTea隊於Eiffl*r厂Effective «zca t s, «aFj计日 £ tj reirs 禹 f :帀匸F E.厂n2 d*t* trp«Cam 也 Ji t厂a22. EH叭mWieiJfejwm Jrm2 ¥fi_ n.Tcl«iiEtlL盟匚=血fL'/JX la J厂Sei fst eepeninEri= _Mt?E日 _f厂FtlI

39、 1 BABa.lL ResvoiLS«rjiE JbjTwa/H厂rn-t r*p口 1 玉 e R>b*il S«a tr厂BaBan seifshi ft t i-.i /j ； . '3 Jrself-shi ft t!«丄iVp/J./'J ；厂f racl _ Ba Ban coitt ribo.$.叫i_Wpe 日/厂OrihoEoiLa. 1 fiAaiL fact匚J KEEalute二 Ci 1 plLpaJ- - 52*6丸丄Security.ZJ二IHelp图3.3全局参数设定（上图）；图3.4光纤参数设定（下图）70

40、 pJII. 100 P . 11? PyapSO |0 go pTime (dloop110p70 p! I ' ,30 p叫p岂Op tic al Time Domain VisualizerLeft Button and Drag to Select Zoom R&gior. Press Control Key aridTime (3)90卩在非线性光纤的参数设定中，我们只针对自相位调制效应进行检测分析，所以我们可以禁掉其他非线性效应，如图3.4所示。当脉冲的峰值功率为 10mW，光纤长度设为10km时，得到的结果如图3.5所示:岂 Optical Time Domain

41、 VisualizeMLeft Button and Drag to Select Zaam Region. Press Control Key sndsop图3.5经过10.73km 的光纤前（上图）后（下图）的脉冲波形和啁啾从图3.5中可看到脉冲的波形保持不变，但由于自相位调制效应，产生了啁啾声。脉冲SPM的啁啾而导致脉冲波形前端红移，而后端蓝移。如果存在反常色散，则可能发生由于 会变窄。这说明 SPM效应和GVD的作用正好相反。为了观察SPM导致的光谱展宽，我们需要引入：0max= 丫Poz。其中P0是峰值功率。图03.5 n）的光谱图。自相位调制3.6中为未啁啾高斯型输入脉冲在不同的最

42、大相移值时（ 和啁啾以方程3.1联系在一起。根据图 3.5，在两个不同t值时的啁啾相同，说明在两个不同的点上瞬时频率为相同的一个。这两个点代表两个相同频率的波，能够相长或者相消的互相作用，导致了脉冲光谱的振荡结构。X? J：图3.6未啁啾高斯脉冲的不同相移时的光谱由于SPM导致脉冲展宽依赖于脉冲波形和初始啁啾，图3.7为最大相移0 max =4.5 n时，输 出端的高斯脉冲的光谱和第三级高斯脉冲的光谱。Figur* 5 SPM brtadtnd puls* 空呼凸旳 a 申加处 =4 兀Inhblly unchlrped Giusbn pubesThird-order $upeoGduss诂n

43、 pubes参考文献:图3.7最大相移0 max=4.5 n时输出端光谱和第三级高斯脉冲光谱1G.P .Agrawal, No niin ear Fiber Op tics, Academics P ress (2001)光放大器(Op tical Am plifiers)设计4.1 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WDM 技术的的变化：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 珠联璧合，奠定了向未来的全光通信发展的基础。4.1.1光放大

44、器分类主要有三类:(1 )(2)半导体光放大器(SOA , Semiconductor Optical Amplifer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。4.1.2掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的英文缩写为

45、：EDFA，其基本结构如图4.1所示。掺铒光纤泵浦光源图4.1 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,般采用波分复用器（ WDM ）。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。掺铒光纤是一段长度大约为10100m 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10100mW。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

46、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。4.2 光放大器模型设计案例：EDFA增益的优化4.2.1设计目的掺铒光纤放大器的主要性能指标是功率增益、输出饱和功率和噪声系数。EDFA的带宽通常在30nm以上，十分适用于多信道信号的同时放大。但EDFA用于波分复用（WDM）的主要问题就是增益谱不平坦。我们希望各信道有同样的增益，但EDFA增益谱的双峰结构显然是不利的。尤其是级联EDFA链时，各信道的增益差会愈来愈大，噪声累积会愈来愈严重，光信

47、噪比大大下降，甚至系统无法工作。所以在本设计案例中，针对16信道的波分复用输入光信号，我们对 EDF的长度和泵浦光源的功率参数值进行优化，以达到所预期的16个信道的增益平坦谱。422原理简介EDFA的增益介质是纤芯中掺杂的稀土元素铒离子（Er3+ ）的单模石英光纤。在泵浦源 作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大, 由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源区达到能量密度很高，光和物质的作用区很长, 这样降低对泵浦功率的要求。E2能级为亚稳态，E3Ei上，当用泵浦铒离子有三个工作能级：Ei，E2和E3,其中Ei能级最低为基态;能级最高，称为激发态。Er3+

48、在未受任何光激励的情况下，处于最低能级光源的激光不断激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。由于处于E3E2上，在该能级上，粒子寿命相这个高能级的粒子态不稳定，将迅速无辐射跃迁到亚稳态对较长，由于泵浦光源不断激发，E2能级上的粒子数不断增加，而 E1能级上的粒子数则减少，直至实现粒子数反转分布。当输入光信号E（ =hf ）正好为E2和Ei间的能级差时，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子 一样的全同光子，从而增加了光子数量，形成放大。4.2.3模型设计布局图如图4.2所示:Dual Port WDMLnujer frequencv

49、Imit 丄 165UIpptr frequency Hrprt 300optical Pfluiw M»tar juafearTxWDU TransirirtterFreqijentV = IMS nm FnquMncv spacing OA cmPower = -23-5 dBm 0* rate = Bi. rate 6帖矗Modulstion lypt MRZIvtux地：EDFLengtti = 4 inOptical Spenmm alyier_1PumpFrefldtficv = fl帥 nmPo*ar= 100 mWOptical Spectrum Aialyzef图4.2 EDFA增益平坦优化设计布局图4.2.4模拟分析关于EDFA增益平坦的优化可以以示意图4.3来说明:图4.3 EDFA增益平坦优化原理图我们设定最终优化的目标为16个信道的增益在一