光纖通信實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光纖通信實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：14050Z01姓名：李傲學(xué)號(hào)：1405024239模擬軟件配置實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)一光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)一般光發(fā)送機(jī)由以下三個(gè)部分組成：1）光源（Optical Source ）: 一般為 LED和 LD。2）脈沖驅(qū)動(dòng)電路（Electrical Pulse Generator ）:提供數(shù)字量或模擬量的電信號(hào)。3）光調(diào)制器（Optical Modulator ）:將電信號(hào)（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(lái)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(shí)我們使用一個(gè) Pseudo-Random Bit Sequence Generator模擬所需的數(shù)字信號(hào)序列，經(jīng)過(guò)一個(gè) 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(hào)，該信號(hào)通過(guò)一個(gè) Mach-Zehnder調(diào)制器，通過(guò)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(hào)。F 渤*Wv ，孥5。Wfl圖1.1內(nèi)調(diào)制光發(fā)射機(jī)圖1.2外調(diào)制光發(fā)射機(jī)對(duì)于直接強(qiáng)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(zhǎng)度相應(yīng)變化， 結(jié)果致使振 蕩波長(zhǎng)隨時(shí)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(gè)十分重要的物理量， 因?yàn)?它對(duì)整個(gè)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(jì)目的對(duì)花酸鋰Mach-Zehnder調(diào)制器中的外加電壓和調(diào)制器輸出信號(hào)叫啾量的關(guān)系進(jìn)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(jì)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(jì)中，通過(guò)對(duì)該晶體外加電壓的分析調(diào)整而最終減少該先發(fā)送 機(jī)中的囑啾量，其模型的設(shè)計(jì)布局圖如圖1.3所示。圖1.3雙驅(qū)動(dòng)型LiNbO3 Mach-Zehnder調(diào)制激光發(fā)送機(jī)設(shè)計(jì)圖3模擬分析在圖1.3中，驅(qū)動(dòng)電路1的電壓改變量AM和驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，使偏壓強(qiáng)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(duì)稱 Y型波導(dǎo)而導(dǎo)致的明啾聲。對(duì)于雙驅(qū)動(dòng)調(diào)制器而言，兩路布局是完全一樣，所以使用一個(gè) Fork將信號(hào)復(fù) 制增益（本例設(shè)有三次參數(shù)掃描過(guò)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(gè)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(dòng)偏壓值得到，如公式，其中Vi, V2分別為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓，a為明啾系數(shù):V1V2a =V1 - V2圖1.5為一系列信號(hào)脈沖輸入時(shí)，在1,2 口的電壓V1= % = 2.0V時(shí)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(shí)際模擬出來(lái)的結(jié)果可見(jiàn)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(shí)的電壓波形當(dāng) 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(shí)，輸出的光信號(hào)波形及其囑啾量（Chirp ）為觀察明啾量隨電壓的改變情況，當(dāng)設(shè)定外加偏壓為V尸-3V 2=3.0V時(shí)，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(hào)波形可參見(jiàn)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(dāng)Vi= -3V 2=3.0V時(shí)，輸入口 2, 3的電信號(hào)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(shí)，輸出的光信號(hào)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(shí)際情況的模擬仿真，并可得到結(jié) 果：1 ）當(dāng)Vi=-V2=2.0V時(shí)，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(duì)于光源的頻率，這個(gè)囑啾量在實(shí)際情況中可基本視為零。2 ）當(dāng)V1=-3V2=3.0V時(shí)，如圖1.8所示，叫啾量的大小約為3GHz,這個(gè)大小的囑啾

10、量在實(shí) 際情況中對(duì)輸出光信號(hào)的靈敏度以及最終所能傳輸?shù)木嚯x都會(huì)有十分嚴(yán)重的影響，需要設(shè)計(jì)者避免和消除。本設(shè)計(jì)中，可以利用OptiSystem 提供的元件和分析功能設(shè)計(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)一些 參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和分析，以得到最佳的效果。實(shí)驗(yàn)二光接收機(jī)(Optical Receivers ）設(shè)計(jì)一個(gè)基本的光接收機(jī)有以下幾部分組成：光檢測(cè)器通常，接收到光脈沖所載的信號(hào)代表著 0或者1的數(shù)位，利用光檢測(cè)器，其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。目 前廣泛使用的光檢測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)通過(guò)放大器進(jìn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)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(wèn)干擾減到最小。解調(diào)器光發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)是經(jīng)過(guò)編碼處理的，為了使光接收機(jī)輸出的信號(hào)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(jī)的一在Optisystem月|吉柳建了判決器和時(shí)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(hào)，并%對(duì)最終的輸出信號(hào)的誤碼率等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、分析。內(nèi)容：光接收機(jī)模型設(shè)計(jì)及 PIN光電二極管的噪聲分析 1設(shè)計(jì)目的影響光接收機(jī)性能的主要因素就是接收機(jī)內(nèi)的各種噪聲源。接收機(jī)中的放大器本身電阻會(huì)引入熱噪聲(Thermal Noise ),而放大器的晶體管會(huì)引入散粒噪聲(Shot Noise ),而且多級(jí)放大器 中會(huì)將前級(jí)的噪聲同樣放大，計(jì)算分析這些噪聲對(duì)分析、優(yōu)化光接收機(jī)以及整個(gè)光通訊系統(tǒng)都有十 分重要的作用。2原理簡(jiǎn)介噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，它表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則的電磁場(chǎng)形式，是電信號(hào)中一種不需要的成分，干擾實(shí)際系統(tǒng)

13、中信號(hào)的傳輸和處理，影響和限制系統(tǒng)的性能。在光接收機(jī)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(jì)布局圖圖2.1為PIN光電二極管噪聲分析的 OptiSystem 設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)驗(yàn)當(dāng) 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(zhǎng)度參量、摻雜濃度、泵浦光強(qiáng)度與輸出光功率之間的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)四光纖傳輸系統(tǒng)4.1實(shí)驗(yàn)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(yáng)快時(shí)工CutoFf fraquwwy - 0.75 2H (Hz圖4-1實(shí)驗(yàn)配置圖4.2可配置的實(shí)驗(yàn)(1)觀察傳輸距離對(duì)信號(hào)失真的影響(2)信號(hào)比特率對(duì)信號(hào)失真的影響(3)觀察信號(hào)發(fā)射功率對(duì)信號(hào)失真的影響配置實(shí)例觀察傳輸距離對(duì)信號(hào)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(yè)中，將光纖長(zhǎng)度設(shè)置為25km；(2)設(shè)置發(fā)射機(jī)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(jī)仿真參數(shù)，將比特率設(shè)置為10Gb/s，信號(hào)功率設(shè)置為5mW(3)將光纖長(zhǎng)度依次改為50km、100km,再進(jìn)行兩次仿真。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度25km的輸出眼圖圖4-3光纖長(zhǎng)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(hào)比特圖4-4光纖長(zhǎng)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(duì)信號(hào)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(yè)中，將光纖長(zhǎng) 度設(shè)置為50km；(2)設(shè)置發(fā)射機(jī)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(jī)仿 真參數(shù)，將比特率設(shè)置為 2.5Gb/s，信號(hào)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(jìn)行三次 仿真。 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)射功率對(duì)傳輸信號(hào)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(yè)中，將光纖長(zhǎng) 度設(shè)置為50km；(2)設(shè)置發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)模擬軟件配置實(shí)驗(yàn)005Time (bit period)參數(shù)，中心頻率設(shè)置為193.1THz 。設(shè)置發(fā)射機(jī)仿真參數(shù)，將比特率設(shè)置為10Gb/s，信號(hào)功率設(shè)置為1mWBER AnalyzerDbl Click On Objects to open propertjes Move Objects w rth Mouse Dra