内容发布更新时间 : 2024/5/16 18:30:13星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

多模光纤。由于单模光纤的传输性能比多模光纤优越得多，因此目前包括骨干网络、城域网络和接入网络中都普遍采用单模光纤。

目前常用的光纤主要是石英光纤，其损耗和波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长在850nm、1310nm、1550nm。为此光纤通信系统的工作波长时只能是选择在这三个波长区。激光器的发射波长、光检测器的相应波长都与其一致。SiO2单模光纤在这三个低损耗波长区的衰减系数典型值分别小于2dB/km、0.4dB/km和0.25dB/km。石英光纤在?=1310nm附近有一个零色散区，此处色散值可能做到最小。通过光纤的设计，可以使零色散波长移到1550nm处，即在?=1550nm处实现损耗和色散都最小的色散位移光纤。

2.3 光接收机

光检测器、放大器、相关电路组成了光接收机。它的主要功能是将由发送机发送的光信号转换为电信号，经放大、再生恢复后变为原来的电信号。对光检测器的主要是响应度要高、噪声要低、响应速度要快。目前我国广泛使用的光检测器有雪崩光电二极管（APD）和光电二极管（PIN）。

光接收机通过光检测器把光信号转换为电信号。直接检测、外差检测是光检测器常用的两种检测方法。直接检测是通过光检测器直接将光信号转换成电信号。外差检测则是在接收机中设置了两个元器件：本地振荡器和混频器，将本地震荡光和光纤输出的光进行混频，产生了差拍从而输出中频信号，再通过光检测器把中频信号转换为电信号。这种外差检测的方式，对本地激光器的要求很高，它要求光源非常稳定、谱线宽度非常窄、相位和偏振的方向要可以控制的单模激光器，虽然要求很高但有一个显著的有点就是接收的灵敏度非常高。目前光纤通信系统中常用的是直接检测方式。外差检测的方式虽然技术复杂，但也有这很多有点例如：传输速率高、接收灵敏度高，所以在通信方式中会很有前景。

2.4 光中继器

目前光纤通信系统大多采用光中继器，它采用光电光的形式，将光信号先变换为电信号，再将恢复后的电信号再变为光信号，而不是直接放大，因此光中继结构较为复杂，价格昂贵。随着光放大器的开发、成熟、使用，可进行光的直接放大，实现全光通信。

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3 光纤通信系统仿真软件

光通讯系统正在变得日益复杂。先进的软件工具使得这些系统的设计和分析变得迅速而有效。本文我们将用到OptiSystem软件对其系统进行仿真分析。

OptiSystem是一款光通信系统模拟软件包，它的优势是设计、测试和优化各种宽带光网络物理层的虚拟光连接等，无论是长距离的通信系统还是局域网或城域网都可以使用此软件。全面的图形用户界面设计、形象的器件模型和真实的演示。包括波长实际的相关参数和优化的巨大的有源器件库和无源器件库，方便使用者研究特定的器件参数、技术参数对系统性能的影响。

Optisystem光仿真软件的优点： a) 大幅度降低投资风险；

b) 原型设计不仅快速而且低成本； c) 全面认识系统的性能；

d) 直观的面向用户的设计选择和脚本； e) 直接存取大规模的系统特征数据；

Optisystem光仿真软件各器件的功能运用如下：

发射器件库包含了如半导体激光器、编码器、调制器和比特序列发生器等的所有与光信号产生和编码有关的器件。使用OptiSystem仿真软件允许用户输入曾经测量出来的数据来评估现在所需的参数。对于随即数字的发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同调制的模式下和算法之间进行相关选择。

传输通道主要是以光纤为主。对于任意WDM信号，OptiSystem仿真软件采用了一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号振幅和相位受影响的相关现象和效果。在很大程度上，可以真实的预测波形的失真和眼图的退化等其它关键要素。

目前光纤网络所需的器件有EDFA和拉曼放大器，无论是WDM的网络转发器还是到CATV的接线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem可以让用户选择想要的模型。在通过利用具有多功能特性的半导体激光器，来完成信号的放大和波长转换。

用户可以依据光探测器的输入端的混合信号来选择不同的模型。如果是噪声与信号混在一起的话，使用适当的PFD来描述是必要的，这样可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率等相关的参数。在这个库中，用户可以考虑用不同的滤波器形式来设计接收器。

总之，OptiSystem光纤系统仿真软件非常适合对光纤通信系统进行仿真，并且可以很好地实现对其系统参数的测试。在该系统发展迅速的当前，对其进行仿真是减少经费开支和试验时间最好的途径。

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4 数字模型建立与性能仿真分析

4.1 发射系统模型的建立

4.1.1 数字模型建立

光发射机的作用是把输入的电信号转换成光信号并且将光信号最大限度地注入光纤线路。光源、调制器和驱动器组成了光发射机，发送机的核心是光源。其功能是将来自电端机的电信号与光源发出的光波进行调制，然后再将已经调制好的的光信号放入光纤或光缆中去传输。

光源模型的建立。光纤通信系统中常用的光源是 发光二极管( LED)和半导体激光器( LD)，其中LD的特性有伏安特性V- I 曲线、发射光功率与注入电流的关系( PI) 曲线等。考虑到一般使用外调制系统，激光器的模型应该采用相对简单的方式建模，考虑到激光器的平均功率和线宽，数学模型通常描述为：

A(t) =P（t）exp[J?(t)] （1） 驱动电路模型的建立。LD驱动电路常用RC低通滤波器来代替，等效时间常数用?= RC 表征。

调制器模型的建立。高性能的光纤通信系统要求对直流激光源发出的激光施行外调制。外调制器的数学模型通常描述为：

Pout= Pin (t)?d(t) = Pin (t) cos2 [??(t)] （2） 其中，d(t)表示激光器的功率传输函数，??(t)表示由调制信号引起的相位变化。

4.1.2 光源与系统性能关系的仿真分析

在高速光纤传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时，调制频率必须小于激光场的张驰振荡频率。张驰振荡频率由载流子寿命与光子的寿命决定。理论上，若假设光的增益与载流子的浓度成线性相关，则张驰振荡频率约为：

fres?112?????12spph?I????I?12 式(4-2)

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图4-1 光纤通信系统仿真模型

对于腔长为300μm的激光器，载流子寿命3.56GHz。

?ph约为1nm，光子寿命

?ph的大小在

2ps的量级上，当注入电流大约为阈值电流两倍的时候，调制频率的最大值约为

因此，在图4-1所示的仿真模型中调制峰值电流I=76mA，偏置电流IB=76mA。仿真系统的数字参数为：序列长度为128b，每比特的抽样数为512，取信息速率分别为1Gb/s和10Gb/s，其他参数相同，运行如图4-1所示的仿真系统，得到眼图及误码率如图4-2所示。

图4-2 a)信息速率分别为1Gb/s

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图4-2 b)信息速率分别为10Gb/s

图4-2 系统性能与调制频率的关系（偏置电流

IB=76mA）

图4-3 偏置电流

IB=25mA低于阈值电流时的眼图

从图4-3可以得出，当调制频率大于激光场的张驰振荡频率时将导致不可接收的系统性能变坏。图4-3为信息速率为10Gb/s系统其他参数不改变，偏置电流为

IB=25mA时系统的性能。比较在图4-2中的(a)和图4-3的两个眼图中，我们不难看

出，在其他参数相同的情况下，光偏置电流低于阈值电流时，系统的性能则会降低，这与相关的理论分析是一致的。

4.2 传输系统模型的建立

4.2.1 数字模型建立

光纤模块。光在光纤中传输表现出损耗、色散和非线性特性，使光脉冲在传输过程中发生了畸变，降低了系统的性能。考虑到光纤的衰减特性，得频域传输函数：

H????10exp-?2?2/2-aL10??

(3)

放大器模块。光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的器件。其中掺饵光纤放大器( EDFA) 是当前光纤通信中应用最广的光放大器件。利用黑盒模型可建立EDFA 的放大特性的模型，根据实际测试的几组数据建模，不需要了解EDFA 内部参数和内部实际结构。用来描述EDFA 饱和增益及噪声系数的两组公式如下：

log10 (

g0-g) = a?log10Pin a?log10Ps (4) ggln( N- No ) = a+ b(g0- g) (5)

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