光纤通信实验报告

1、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 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（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，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

2、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-Random Bit Sequence 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-Zero Generator ）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。F 渤*Wv ，孥5。Wfl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

3、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，导致所谓的明啾现象。明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：花酸锂（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器中的嘱啾（Chirp ）分析1设计目的对花酸锂Mach-Zehnder调制器中的外加电压和调制器输出信号叫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嘱啾量。 典型的外调制器是由锯酸锂（LiNO3）晶体构

4、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先发送 机中的嘱啾量，其模型的设计布局图如图1.3所示。图1.3双驱动型LiNbO3 Mach-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AM和驱动电路2的电压改变量 A%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型波导而导致的明啾声。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

5、小分别为Vi的-1 ,0,-3倍）后到MZ调制器的另一 个输入口。L|UHb MadiZehnderModUaior匚g脸 |0 00：Malfli | ModulaCor transfer fundliDnSmuEHanR I亡EC。0i知NdiTiEWueUnilsNodeEv司小eLExtinct晒n rabaOBfytofWLSwitching bia x vaiiaqei.yrSwrtehifi RF 1抬3FrlnsertKMi 1。零:sdBrNarmalize eclrical sigulr1rModuilaljoni ；始rfOriYHirrMCKllfllfiW !VrBi

6、as oiLflgicIqyjrBia 除他 rtaqeN21产Save：做.MyLi Mb Mach -Zthndcr MqduLtB Properties图1.4 LiNbO 3 Mach-Zehnder调制器的参数设置嘱啾（Chirp ）量可根据两路的驱动偏压值得到，如公式，其中Vi, V2分别为两个驱动电路的驱动电压，a为明啾系数:V1V2a =V1 - V2图1.5为一系列信号脉冲输入时，在1,2 口的电压V1= % = 2.0V时波形。根据公式1.1 可知在这种情况下，嘱啾系数 a为0,而实际模拟出来的结果可见图1.6。黑1如小K嗝窜科图1.5 输入口 1的电压为2.0V ,输入口

7、 2的电压为-2.0V时的电压波形当 Optical Time Domai n VIsLial lzar口惘3 On 口摩也加 口摩由 wltiHquwDfigTviw v|QIp3n冲SndJ Indsi U 目F lnfti.Ccl#sH CWa皿卅访图1.6 V i=-V2=2.0V时，输出的光信号波形及其嘱啾量（Chirp ）为观察明啾量随电压的改变情况，当设定外加偏压为V尸-3V 2=3.0V时，根据公式1可得到a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 :Oscili&WW? VlMMlliitrHl, r ket1 厂 Ust Eisb0 W 中盹

8、VtausftzjprCei 2hk jia iwi proven祖 Ih sjwn ms 1kg DiyJlrt 中，I r/aaui iHfa | 口 -3F hwiCidNi广C49日1图1.7当Vi= -3V 2=3.0V时，输入口 2, 3的电信号波形西 Optical Time Domaiin VisualizerDil Clck On ObtsciB bo ofan propartBa Mom Obfacla wtFi Idub Org Time (s)01n3n.311a.i a ;. I a a . I a .心1l h2而3h.TWIW wPower PiMNer X 卜

9、Power Y /-Sgnd Indem: |Q孑Aulo Set产An驷is广 FTimc 府 ChipF Invert ColorsCoIdt Grade图1.8 V i= -3V 2=3.0V时，输出的光信号波形及其嘱啾量（Chirp ）以上两次不同Vi, 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Vi=-V2=2.0V时，如图1.6所示，其中的亮红线为光发射器的嘱啾量，其大小约为100Hz; 相对于光源的频率，这个嘱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，叫啾量的大小约为3GHz,这个大小的嘱啾

10、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LiNbO? Mach-Zehnder调制器中的明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。实验二光接收机(Optical Receivers ）设计一个基本的光接收机有以下几部分组成：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。放大器

11、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。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，并使噪声及码问干扰减到最小。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管 或彳亍复跟收机的一在Optisystem月|吉柳建了判决器和时钟恢

12、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%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(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

13、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： 嘛置电阻量子(散粒)噪声 音电流噪声音增噪声 眼噪声 喊大器噪声T景噪声叫电流噪声3模型的设计布局图图2.1为PIN光电二极管噪声分析的 OptiSystem 设计布局图:am HAaovufyCuboiff frequency, 7 Brt rate Hz4PwiDdKritTIwemCrwmt。血,HzJidd shot notM YESPRSSBr rxiH - Bt010,：ani包Puk GwwrCix * 5.(=)Laser ；Frenuencv TM.1 THzPchw 命 Optical Spect

14、rum Analyzer 光谱分析仪Dbl Click On Objects to open properties. Mov e Objects w ith MouEe Drag Optical Spectrum Analyzer 光谱分析仪DH Qick On Objects to open properties. Move Objects w ith Mols e Drag1ILength =1405024239Length = 6.0m1405024239rate =Power =le+22200mw s.(luCQp) ,KMOQ.UUCQP,BMQD.一 R F - 4 * .R 口

15、号rate =Power =le+2S100mN哨中中,叩, 山 伯“ 伊”i|“|.Uf 1.2?13 ?14?15?16?Wavelength (mJ*.El.1,1 ?1,2?1,3 71.41.5?16?Wive length (m)模拟软件配置实验当 Optical Spectrum Analyzer 光谱分析仪Dbl Qick On Objects to open propertie& Move Objects w ith Mole e DragH Optical Spectrum Analyzer 光谱分析仪_1Db Click On Objects to open proper

16、tie&. Move Objects w ith Mouse DragLength - 6*0m1405024239 - .jI* I ，+ H I 卜 * B * #Rate = 1&+25IPower = 500mWgT-11,1 ?1,2?13 ?1.491 5?16?Wavelength (m)用 s, UJDQS.BMod1,1 ?1,2?13 ?1,41 5?16?Wavelength fm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马 Optical Spectrum Analyzer 光谱分析仪Dbl Click On Objects to open pr

17、operties Mov e Objects w ith Moue DragRate = le+25Power = 230mhl01 另(ECQo).eMed(ujre.rmoq.& Optical Spectrum Analyzer 光谱分析仪IDbl Click On Objects to open properties. Move Objects w ith Mouse DragLength -1,9m1405024239Rate = le+25Power = 200mW1 ?1,1 ?1213 ?14?15?16?Wwelength (mlAI巾*1 ?11 ?12?1,3 714?1

18、5?1 E?WavelengtheLength6.0m6.0m6.0m6.0m6.0m6.0m10.0m1.0mPower200mW200mW200mw1000mw100mw500mw200mw200mwRate1e+251e+231e+221e+251e+251e+251e+251e+25Output15dbm-20dbm-18dbm18dbm13dbm17dbm14dbm-12dbm模拟软件配置实验 实验四光纤传输系统4.1实验配置图ILmOQiaiiaJ ter 二舛 Ei1nli /向卷3收看曲叶 Bit SeagMS NR2 Pu监 GeeraBr Srt nt BH SiU eED

19、 fa idea Gain = 5 seI.： LE fugUFE - z dEklKHr-.EehrwJer MQHgaLew CqkW*flW4fel95ter PI NS5E$I FitlE*Fra?quricv 1550 nm PCW& = 15 mWNumbw 口F bop* 4Frqpffav 155D nmBa闻胃(Uli = 4*fl阳快时工CutoFf fraquwwy - 0.75 2H (Hz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配置实例观察传输距离对信号失真的影响参数设

20、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 o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。实验结果5BER Analyzer005一 #LSiL 1JH*Dbl Click On Objects to open properties Move Objects w rth kb use Drg Time (bit period)0051riL IL|IdI口BER AnalyzerDbl Oick On Objsjts t0 叩目i

21、properties. Move Objects w rthTime (bit period)Mb use 口 ragm目9Time (bit period)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BER Analyzer Dbl Oick On Objectsto open properties Move Objects w ith Mouse DrgTime (bkt period)05109km 1405024239 Rate = 10Gb/s0二 4-lk11-二Length =100km的输出眼图4.3.2观察信号比特图4-4光纤长度s不,一1一一，1.，

22、一1七，0020406OSLbiJ&e Drag1 IBER AnalyzerDbl Click On Objects to 叩en propertjes Move Objects w ithTime (bit period) 005rIiRate = 2一nu- 3-Hlx=lull m 息， a BeLength25kml05024239bitrate0.5Time (bit period)1405024239 Length = 56km9Gb/s率对信号失真的影响参数设置(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.

23、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 5mVy(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。 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BER AnalyzerDbl Click On Objects to open propertje& Move Objects w rtth ktouse Drag Time (bit period)0550kni_Jj105024239 RatLength1limsg10Gb/s二工型中总一方= 盲寸图4-6比特率为10Gb/s的输出眼图0051

24、Time (bit period)BER AnalyzerDbl Click On Objects to open propertaes Move Objects w ith Mbuse DragTime (bit period)00.51o9(BaO100km 1405024239 Rate = 40Gb/s.Length =史H.ti=h=4 m吕寸 l吕mmo品0 mL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005Time (bit period)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1mWBER AnalyzerDbl Click On Objects to open propertjes Move Objects w rth Mouse Dra