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摘要：利用光波分复用(WDM)系统,将五组不同波长的光信号组合复用并耦合到光缆信号的同一根光纤中进行传输,采用光学仿真软件OptiSystem进行光发送机,光传输链路,光接收机模块的搭建和分析。本文通过改变输出光功率,光纤传输长度和光纤的损耗系数的参数,验证系统可行性,探究其对于光纤通信系统性能的影响,得出本系统最佳输出光功率,最远传输距离,和最佳光纤损耗系数参数,建立了一个可靠性良好的光纤通信系统。该系统相对于传统的光纤通信,具有更高的灵敏度和更低的误码率,对未来光纤通信技术的发展具有深远的影响。
关键词：光纤通信；OptiSystem仿真；Q因子
Design and Simulation of WDM System Based on OptiSystem
WANG Yuhan
(Shanghai Normal University,Shanghai 200000)
【Abstract】：Using the optical wavelength division multiplexing(WDM)system,five groups of optical signals with different wavelengths are combined and multiplexed and coupled into the same opticalfiber of the optical cable signal for transmission.Use the optical simulation software OptiSystem to construct and analyze the optical transmitter,optical transmission link,and optical receiver module.In this paper,by changing the parameters of the output optical power,the opticalfiber transmission length and the loss coefficient of the opticalfiber,the feasibility of the system is verified,the influence on the performance of the opticalfiber communication system is explored,the optimal output optical power,the longest transmission distance,and the optimalfiber loss coefficient parameters of the system are obtained,and a reliable opticalfiber communication system is established.Compared with traditional opticalfiber communication,this system has higher sensitivity and lower bit error rate,which has a profound impact on the development of opticalfiber communication technology in the future.
【Key words】：opticalfiber communication;OptiSystem simulation;Q factor
0引言
OptiSystem是一款创新的光通信系统模拟软件,它集设计、测试和优化各种类型虚拟光连接功能于一身,适用于多种光纤通信系统[1,2]。OptiSystem有一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器,满足了急速发展的光子市场对于一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求。而光波分复用(WDM)系统利用每个模式之间信号传输相互独立的特点,具有可以充分利用光纤巨大的带宽资源、对于不同的信号有很好的兼容性、降低光电器件的要求、灵活组网等优点[3]。
近年来,国内报道了一系列关于光波分复用(WDM)系统的研究成果。韩力等采用WDM Demux 1×4的系统,探究了发射端CW Laser的功率从-10dBm到10dBm的误码率[4]。漆先虎等采用10个光波道的通道,实现了雷达前端多源信息在单模单芯光纤上的同时传输[5]。
本文应用WDM Demux 1×5的系统实现多路信号同时传输,通过光学仿真软件OptiSystem进行系统的设计与仿真分析,优化光纤通信系统,提高信息的传输效率。
1 WDM系统的设计
1.1光发送机的设计
光发送机的仿真设计如图1所示。输入电路将输入的PCM脉冲信号进行整形,变换成NRZ码后送入光调制器。系统的调制方式采用外调制中的光强度调制。相对于直接调制,光强度调制可以避免“啁啾”效应,适用于高速长距离的光波系统。相对于光外差调制,光强度调制的设计也更为简单。如图2所示为用光谱分析仪观察的单通道波形。从脉冲波波形可以看出该系统光发送机部分可以正确地输出特定频率的光信号。
1.2光接收机的设计
光接收机的仿真设计如图3所示。贝塞尔滤波器是具有最大平坦的线性相位相应的线性过滤器,故Bessel滤波器可用于减少非线性相位失真的作用。光检测器采用PIN光电二极管可以使光检测机具有灵敏度高、频带宽、工作电压低、偏置电路简单等优点。最后,用低通Bessel滤波器以防止信号收到电磁干扰并消除噪声。
1.3 WDM系统的整体框图
WDM系统仿真设计如图4所示。在发送端,设置光功率为5dBm,引入参数center=193.1THz,gap=0.1THz,使用波长不同的五路光信号进行复用并传入到光纤线路中。信号传输链路由两根色散系数不同的光纤、光放大器和贝塞尔(Bessel)滤波器组成,其中光放大器的放大功率为20dB,噪声系数为4dB,第一根光纤长度为100km,第二根光纤长度为20km,衰减系数均为0.2dB。复用后的信号传入解复用器后重新分为五路光信号,由PIN光电二极管进行光电转换,再通过低通贝塞尔滤波器滤除杂波以提高输出信噪比。在输入端,设置光谱仪和波分复用分析仪检验光信号是否成功复用。在接收端,设置再生器(3R Regenerator)和误码率分析仪(BER Analyzer)对系统性能的仿真进行分析。
2 WDM系统的仿真分析
在分析光接收机性能时,Q值又叫品质因数,是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。Q值越高,系统误码率越小,效率越高。故在仿真分析中,可以用Q值的大小判断系统的码间串扰和噪声对系统的影响。用控制变量法,分别改变输出光功率、光纤长度和光纤衰减系数来建立一个可靠良好的光纤通信系统。
2.1光功率对WDM系统性能的影响
在光纤通信系统中,要求在环境温度变化或光源器件老化的过程中,其输出光功率保持不变,或者其变化幅度在数字光纤通信工程设计指标要求的范围内,以保证其数字光纤通信系统能长期正常稳定运行。
在仿真中,保持其他量不变,设置每一路光源的输出光功率都从0dBm开始,以1dBm递增至15dBm,分别分析不同功率的眼图和Q值。如图5所示可以看出,随着光功率的增大,Q值先增大再减小,在3dBm时,Q值达到57.3504；在15dBm时,Q值已恶化到5.33462。在实际中,若光功率过小,在传输线路中以被噪声淹没,误码率和信噪比会较高；若光功率持续增大,则会引起光纤的非线性效应[6],易使各个波长间产生码间串扰,引起系统信噪比性能的恶化,使原有信号光能量受到损失,影响通信质量。
2.2光纤传输长度对WDM系统性能的影响
在仿真中,保持其他量不变,设置第一根光纤长度从65km开始,以5km递增至140km,色散系数设置为16.75ps/nm/km；第二根光纤始终保持长度为20km,色散系数为-85ps/nm/km不变,用来进行系统的色散补偿。分别分析不同光纤长度的眼图和Q值,如图6所示可以观察到当光纤长度小于80km或大于120km时,Q值已经小于20,系统失真严重,系统性能较差,无法正常使用。当光纤长度在90km至110km之间时,Q值均大于50,系统通信功能强,失真小,可以投入正常的使用。
2.3光纤的衰减系数对WDM系统性能的影响
光纤的衰减是指光信号沿光纤传输时,光功率的损耗在不同波长上是不同的。
如图7所示,在仿真中,保持其他量不变,设置第一根光纤的衰减系数从0.1 dB/km开始,以0.1dB/km递增至0.3dB/km,分析相同长度光纤在不同衰减系数下的眼图和Q值,可以得出,Q值的大小随着光纤的衰减系数先增大在减小。当衰减系数过大或过小时,Q值较小,系统失真严重,系统性能较差。当光纤的衰减系数在0.18dB/km至0.25dB/km时,Q值较大,系统性能良好。
3结语
本文利用仿真软件OptiSystem进行了光发送机、光接收机和五通道WDM系统的设计与仿真,可以发现WDM系统的各个通路相互独立。在实际的数据处理,通讯雷达以及图像的传输信号上不会相互影响,是一种具有良好发展前景的传输通信技术；通过分析改变输出光功率、光纤传输长度以及光纤的损耗系数时该系统适宜的工作参数,来优化光纤传输系统的设计。在OptiSystem仿真过程中,可以直接利用误码率分析仪观察眼图、Q值等参数,用其建立仿真系统经济成本低,简单快捷,易于改进。通过本文的仿真及参数分析,可以为实际的WDM光纤通信系统的搭建形成一个可靠的参照。
参考文献
[1]雒明世,郑圆圆.基于OptiSystem的光纤通信系统的仿真与分析[J].科技创新与应用,2020(34):20-21.
[2]徐云霞,时翔,汤祺,等.基于Optisystem的光纤通信系统设计与仿真[J].无线互联科技,2021,18(6):5-7.
[3]杜建新.浅谈光纤通信系统技术的挑战、机遇与方向[J].中国设备工程,2021(18):186-187.
[4]韩力,李莉,卢杰.基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真[J].大学物理实验,2015,28(5):97-101.
[5]漆先虎,苏巧.基于光波分复用的雷达数据传输设计[J].火控雷达技术,2020,49(2):97-100.
[6]覃禹让.高速光WDM系统中的非线性效应及其补偿[D].北京:北京邮电大学,2021.
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