光纖通信實驗報告

1、光纖通信實驗報告班級：14050Z01姓名：李傲學(xué)號：1405024239模擬軟件配置實驗 實驗一光發(fā)射機的設(shè)計一般光發(fā)送機由以下三個部分組成：1）光源（Optical Source ）: 一般為 LED和 LD。2）脈沖驅(qū)動電路（Electrical Pulse Generator ）:提供數(shù)字量或模擬量的電信號。3）光調(diào)制器（Optical Modulator ）:將電信號（數(shù)字或模擬量）加載”到光波上。以光源和調(diào)制器的關(guān)系來看，分為光源的內(nèi)調(diào)制（圖 1.1 ）和光源的外調(diào)制（圖1.2 ） 采用外調(diào)制器，讓調(diào)制信息加到光源的直流輸出上，可獲得更好的調(diào)制特性、更好的調(diào)制速率。目前常采用的外調(diào)

2、制方法為晶體的電光、聲光及磁光效應(yīng)。圖1.2的結(jié)構(gòu)中，光源為頻率193.1Thz的激光二極管，同時我們使用一個 Pseudo-Random Bit Sequence Generator模擬所需的數(shù)字信號序列，經(jīng)過一個 NRZ脈沖發(fā)生器（None-Return-to-Zero Generator ）轉(zhuǎn)換為所需要的電 脈沖信號，該信號通過一個 Mach-Zehnder調(diào)制器，通過電光效應(yīng)加載到光波上，成為最后入纖 所需的載有 信息”的光信號。F 渤*Wv ，孥5。Wfl圖1.1內(nèi)調(diào)制光發(fā)射機圖1.2外調(diào)制光發(fā)射機對于直接強度調(diào)制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載流子濃度的變化是隨注入電流的變化而變化。這樣

3、使有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化， 從而導(dǎo)致激光器諧振腔的光通路長度相應(yīng)變化， 結(jié)果致使振 蕩波長隨時間偏移，導(dǎo)致所謂的明啾現(xiàn)象。明啾是高速光通訊系統(tǒng)中一個十分重要的物理量， 因為 它對整個系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量都有關(guān)鍵的影響。內(nèi)容：花酸鋰（LiNbO3）型Mach-Zehnder調(diào)制器中的囑啾（Chirp ）分析1設(shè)計目的對花酸鋰Mach-Zehnder調(diào)制器中的外加電壓和調(diào)制器輸出信號叫啾量的關(guān)系進行模擬和分 析，從而決定具體應(yīng)用中 MZ調(diào)制器的外置偏壓的分布和大小。2設(shè)計布局圖外調(diào)制器由于激光光源處于窄帶穩(wěn)頻模式，可以降低或者消除系統(tǒng)的囑啾量。 典型的外調(diào)制器是由鋸酸鋰（LiNO3）晶體構(gòu)

4、成。本設(shè)計中，通過對該晶體外加電壓的分析調(diào)整而最終減少該先發(fā)送 機中的囑啾量，其模型的設(shè)計布局圖如圖1.3所示。圖1.3雙驅(qū)動型LiNbO3 Mach-Zehnder調(diào)制激光發(fā)送機設(shè)計圖3模擬分析在圖1.3中，驅(qū)動電路1的電壓改變量AM和驅(qū)動電路2的電壓改變量 A%是相同的。圖1.4 為MZ調(diào)制器的參數(shù)設(shè)定窗口。其中 MZ調(diào)制器以正交模式工作，外置偏壓位于調(diào)制器光學(xué)響應(yīng)曲 線的中點，使偏壓強度為其峰值的一半。而消光系數(shù)設(shè)為200dB,以避免任何由于不對稱 Y型波導(dǎo)而導(dǎo)致的明啾聲。對于雙驅(qū)動調(diào)制器而言，兩路布局是完全一樣，所以使用一個 Fork將信號復(fù) 制增益（本例設(shè)有三次參數(shù)掃描過程中，V2大

5、小分別為Vi的-1 ,0,-3倍）后到MZ調(diào)制器的另一 個輸入口。L|UHb MadiZehnderModUaior匚g臉 |0 00：Malfli | ModulaCor transfer fundliDnSmuEHanR I亡EC。0i知NdiTiEWueUnilsNodeEv司小eLExtinct曬n rabaOBfytofWLSwitching bia x vaiiaqei.yrSwrtehifi RF 1抬3FrlnsertKMi 1。零:sdBrNarmalize eclrical sigulr1rModuilaljoni ；始rfOriYHirrMCKllfllfiW !VrBi

6、as oiLflgicIqyjrBia 除他 rtaqeN21產(chǎn)Save：做.MyLi Mb Mach -Zthndcr MqduLtB Properties圖1.4 LiNbO 3 Mach-Zehnder調(diào)制器的參數(shù)設(shè)置囑啾（Chirp ）量可根據(jù)兩路的驅(qū)動偏壓值得到，如公式，其中Vi, V2分別為兩個驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓，a為明啾系數(shù):V1V2a =V1 - V2圖1.5為一系列信號脈沖輸入時，在1,2 口的電壓V1= % = 2.0V時波形。根據(jù)公式1.1 可知在這種情況下，囑啾系數(shù) a為0,而實際模擬出來的結(jié)果可見圖1.6。黑1如小K嗝竄科圖1.5 輸入口 1的電壓為2.0V ,輸入口

7、 2的電壓為-2.0V時的電壓波形當 Optical Time Domai n VIsLial lzar口惘3 On 口摩也加 口摩由 wltiHquwDfigTviw v|QIp3n沖SndJ Indsi U 目F lnfti.Ccl#sH CWa皿卅訪圖1.6 V i=-V2=2.0V時，輸出的光信號波形及其囑啾量（Chirp ）為觀察明啾量隨電壓的改變情況，當設(shè)定外加偏壓為V尸-3V 2=3.0V時，根據(jù)公式1可得到a為0.5 ,輸入口 1, 2和輸出口的信號波形可參見圖1.7 , 1.8 :Oscili&WW? VlMMlliitrHl, r ket1 廠 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廣C49日1圖1.7當Vi= -3V 2=3.0V時，輸入口 2, 3的電信號波形西 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產(chǎn)An駟is廣 FTimc 府 ChipF Invert ColorsCoIdt Grade圖1.8 V i= -3V 2=3.0V時，輸出的光信號波形及其囑啾量（Chirp ）以上兩次不同Vi, V2外置偏壓情況下，OptiSystem 提供了實際情況的模擬仿真，并可得到結(jié) 果：1 ）當Vi=-V2=2.0V時，如圖1.6所示，其中的亮紅線為光發(fā)射器的囑啾量，其大小約為100Hz; 相對于光源的頻率，這個囑啾量在實際情況中可基本視為零。2 ）當V1=-3V2=3.0V時，如圖1.8所示，叫啾量的大小約為3GHz,這個大小的囑啾

10、量在實 際情況中對輸出光信號的靈敏度以及最終所能傳輸?shù)木嚯x都會有十分嚴重的影響，需要設(shè)計者避免和消除。本設(shè)計中，可以利用OptiSystem 提供的元件和分析功能設(shè)計并得到關(guān)于LiNbO? Mach-Zehnder調(diào)制器中的明啾量大小隨兩路輸入電壓的變化關(guān)系，從而可在實際設(shè)計時針對一些 參數(shù)進行設(shè)定和分析，以得到最佳的效果。實驗二光接收機(Optical Receivers ）設(shè)計一個基本的光接收機有以下幾部分組成：光檢測器通常，接收到光脈沖所載的信號代表著 0或者1的數(shù)位，利用光檢測器，其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。?前廣泛使用的光檢測器是半導(dǎo)體光電二極管，主要有PIN管和雪崩光電二極管(APD。放大器

11、包括前置放大器和主放大器，前者與光電檢測器緊相連，故稱前置放大器。在一般的光纖通 訊系統(tǒng)中，經(jīng)光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的，為了保證通信質(zhì)量，必須將這種微弱的電信號通過放大器進行放大。在 OptiSystem 提供的Photodiode 元件中已內(nèi)置了前置放大器。均衡器、濾波器需要均衡器、濾波器等其他電路裝置對信號進行進一步的處理，消除放大器及其他部件(如 光纖)等引起的波形失真，并使噪聲及碼問干擾減到最小。解調(diào)器光發(fā)射機輸出的信號是經(jīng)過編碼處理的，為了使光接收機輸出的信號能在PCM系統(tǒng)中傳輸，則需要將這些經(jīng)編碼處理的管 或彳亍復(fù)跟收機的一在Optisystem月|吉柳建了判決器和時鐘恢

12、復(fù)電路的誤碼率分析儀( BER Analyzer )中可 以得到最終復(fù)原的信號，并%對最終的輸出信號的誤碼率等各項參數(shù)進行檢測、分析。內(nèi)容：光接收機模型設(shè)計及 PIN光電二極管的噪聲分析 1設(shè)計目的影響光接收機性能的主要因素就是接收機內(nèi)的各種噪聲源。接收機中的放大器本身電阻會引入熱噪聲(Thermal Noise ),而放大器的晶體管會引入散粒噪聲(Shot Noise ),而且多級放大器 中會將前級的噪聲同樣放大，計算分析這些噪聲對分析、優(yōu)化光接收機以及整個光通訊系統(tǒng)都有十 分重要的作用。2原理簡介噪聲是一種隨機性的起伏量，它表現(xiàn)為無規(guī)則的電磁場形式，是電信號中一種不需要的成分，干擾實際系統(tǒng)

13、中信號的傳輸和處理，影響和限制系統(tǒng)的性能。在光接收機中，可能存在多種噪聲源： 嘛置電阻量子(散粒)噪聲 音電流噪聲音增噪聲 眼噪聲 喊大器噪聲T景噪聲叫電流噪聲3模型的設(shè)計布局圖圖2.1為PIN光電二極管噪聲分析的 OptiSystem 設(shè)計布局圖: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 光譜分析儀Dbl Click On Objects to open properties. Mov e Objects w ith MouEe Drag Optical Spectrum Analyzer 光譜分析儀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、號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)模擬軟件配置實驗當 Optical Spectrum Analyzer 光譜分析儀Dbl Qick On Objects to open propertie& Move Objects w ith Mole e DragH Optical Spectrum Analyzer 光譜分析儀_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光纖長度參量、摻雜濃度、泵浦光強度與輸出光功率之間的實驗數(shù)據(jù)記錄表馬 Optical Spectrum Analyzer 光譜分析儀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 光譜分析儀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模擬軟件配置實驗 實驗四光纖傳輸系統(tǒng)4.1實驗配置圖ILmOQiaiiaJ ter 二舛 Ei1nli /向卷3收看曲葉 Bit SeagMS NR2 Pu監(jiān) 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聞胃(Uli = 4*fl陽快時工CutoFf fraquwwy - 0.75 2H (Hz圖4-1實驗配置圖4.2可配置的實驗(1)觀察傳輸距離對信號失真的影響(2)信號比特率對信號失真的影響(3)觀察信號發(fā)射功率對信號失真的影響配置實例觀察傳輸距離對信號失真的影響參數(shù)設(shè)

20、置(1)設(shè)置光纖參數(shù)，在結(jié)構(gòu)參數(shù)頁中，將光纖長度設(shè)置為25km；(2)設(shè)置發(fā)射機結(jié)構(gòu)參數(shù)，中心頻率設(shè)置為193.1THz o設(shè)置發(fā)射機仿真參數(shù)，將比特率設(shè)置為10Gb/s，信號功率設(shè)置為5mW(3)將光纖長度依次改為50km、100km,再進行兩次仿真。實驗結(jié)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)圖4-2光纖長度25km的輸出眼圖圖4-3光纖長度50km的輸出眼圖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的輸出眼圖4.3.2觀察信號比特圖4-4光纖長度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率對信號失真的影響參數(shù)設(shè)置(1)設(shè)置光纖參數(shù)， 在結(jié)構(gòu)參數(shù)頁中，將光纖長 度設(shè)置為50km；(2)設(shè)置發(fā)射機結(jié)構(gòu) 參數(shù)，中心頻率設(shè)置為 193.

23、1THz。設(shè)置發(fā)射機仿 真參數(shù)，將比特率設(shè)置為 2.5Gb/s，信號功率設(shè)置為 5mVy(3)將發(fā)射比特率分 別改為 10Gb/s、40Gb/s , 其他參數(shù)不變，再進行三次 仿真。 實驗結(jié)果圖4-5比特率為2.5Gb/s的輸出眼圖模擬軟件配置實驗BER AnalyzerDbl Click On Objects to open propertje& Move Objects w rtth ktouse Drag Time (bit period)0550kni_Jj105024239 RatLength1limsg10Gb/s二工型中總一方= 盲寸圖4-6比特率為10Gb/s的輸出眼圖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呂寸 l呂mmo品0 mL圖4-7比特率為40Gb/s的輸出眼圖4.3.3觀察信號發(fā)射功率對傳輸信號的影響參數(shù)設(shè)置(1)設(shè)置光纖參數(shù)， 在結(jié)構(gòu)參數(shù)頁中，將光纖長 度設(shè)置為50km；(2)設(shè)置發(fā)射機結(jié)構(gòu)模擬軟件配置實驗005Time (bit period)參數(shù)，中心頻率設(shè)置為193.1THz 。設(shè)置發(fā)射機仿真參數(shù)，將比特率設(shè)置為10Gb/s，信號功率設(shè)置為1mWBER AnalyzerDbl Click On Objects to open propertjes Move Objects w rth Mouse Dra