利用Optisystem软件设计仿真光通信部件与系统

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光通信系统光通信系统课内课内实验实验 指导书指导书 南京邮电南京邮电大学光电工程学院大学光电工程学院 2 目目 录录 1.. 概述概述 1.1 性质、目的与任务 1.2 设计内容、学时分配及基本要求 1.3 课程考核 2..预备知识预备知识 2.1 简单光纤通信系统 2.2 掺铒光纤放大器 EDFA 2.3 波分复用技术 2.4 光纤通信中的色散补偿 3..OptiSystem 快速入门快速入门 3.1 OptiSystem 简介 3.2 OptiSystem 的简单操作 4.光电综合设计课题.光电综合设计课题 附录:课程设计报告附录:课程设计报告样式样式 1 1..光电综合设计光电综合设计概述概述 1.11.1 性质、目的与任务性质、目的与任务 通过本课程实验的学习和实践,不仅使学生能够基本掌握运用 OptiSystem 软件平台进行光纤通信系统的设计和仿真分析的方法, 更重要的是使学生能够将 课程中所学的知识串接起来,初步形成在系统层面上分析问题和解决问题的能 力,为毕业设计(论文)打下良好的基础。 1.21.2 实验实验内容、学时分配及基本要求内容、学时分配及基本要求 实验课内总学时为 8 学时。教学活动分散学习和集中上机相结合的方式进 行。 课程设计的内容和基本要求见下表。 序号 课题名称 课题内容及要求 课题 类型 备注 1 OptiSystem 的基本 操作 熟悉 OptiSystem 界面,掌握基 本操作。 综合 2 基本光纤通信系统 设计 设计一个简单光纤通信系统, 并利用 OptiSystem 仿真验证。 设计 3 WDM 系统设计 设计一个四波分 WDM 光纤传 输系统,并利用 OptiSystem 仿 真验证。 设计 1.31.3 课程课程考核考核 本课程设计以完成课题设计与仿真分析的结果和课程设计报告作为主要考 核依据。 学生必须在规定时间内完成指定课题的设计和仿真验证分析。 学生必须完成光电综合设计报告。报告包括 (1) 课题任务要求及技术指标; (2) 课题分析及设计思路; (3) 系统设计; (4) 仿真结果及结果分析; (5) 小结。 2 设计报告统一用 16k 报告纸手写,报告样式参见附录。报告中的图、表可打 印后粘贴在报告纸上,报告页数不得少于 10 页。 3 2..预备知识预备知识 1970 年,美国康宁玻璃公司研制出损耗为 20dB 的石英光纤,证明光纤作为 通信的传输媒质是大有希望的。同年,半导体激光器实现了室温下的连续工作, 为光纤通信提供了理想的光源。从此,便开始了光纤通信迅速发展的时代。 在 80 年代, 光纤通信得到极大的发展, 波分复用技术, , 相干光纤通信系统, 光纤放大器等技术已经受到人们的重视,并得到快速发展。 目前最引人注目的是 WDM 全光通信, 它是在传送网中加上光层, 在光上进 行交叉连接和分叉复用,从而减轻电交换节点的压力,大大提高整个网络的传输 容量和节点的吞吐容量,成为网络升级的首选方案,这也是当前光纤通信的研究 热点。 光纤通信之所以得到如此迅速的发展,与光纤通信的优越性是分不开的,它 的主要优点有: 1.传输损耗低 2.尺寸小,重量轻,有利于敷设和运输 3.抗电磁干扰性能好,适合应用于有强电干扰和电磁辐射的环境中 4.光纤之间的串话小 5.制造光纤的主要原料是二氧化硅, 是地球上蕴涵最丰富的物质, 取之不尽, 用之不竭 2.12.1 简单光纤通信系统简单光纤通信系统 一个基本的光纤通信系统是由发送端,传输介质(光纤) ,接收端三部分构 成的,在发送和接收端需要加上调制器和解调器。如下图 2.1。 图 2.1 基本光纤通信系统结构图 其中发送端包括光源,脉冲发射器,调制器等; 传输部分包括传输光纤,光纤发大器,色散补偿光纤等; 接收端包括 PIN 管,低通滤波器,解调器等。 对于一个光纤通信系统,需要对系统的制式,速率,光纤选型加以完善,全 面的考虑。 比如新建的长途干线和大城市的市话通信一般都应选择 SDH 设备,长途干 线已经采用 STM—16,多路波分复用的 2.5Gbit/s 系统,甚至 10Gbit/s 系统。 至于光纤,G.652 光纤是目前已经大量敷设,是在 1.3 微米波段性能最佳的 发送端 光纤 接收端 4 单模光纤。该光纤设计简单,工艺成熟,成本低廉,是实用性较好的光纤之一。 2.22.2 掺铒掺铒光纤放大器光纤放大器 EDFAEDFA 2.2.1 EDFA 的结构和工作原理的结构和工作原理 图 2.2 给出了双向 EDFA 的原理性光图,其主体是泵浦源和掺铒光纤 ( EDF) 。泵浦源用来提供能量; EDF 作为有源介质,提供反转粒子;波分 复用器(WDM)的作用是将泵浦光和信号光混合,然后送入 EDF 中,对它的要 求是能将信号有效地混合而损耗最小;光隔离器( ISO)的作用是防止反射光对 EDFA 的影响,保证系统稳定工作;滤波器的作用是滤除 EDFA 的噪声,提高系 统的信噪比( SNR) ,在两级宽带 EDFA 中,它还起到增益平坦的作用。 EDFA 的泵浦过程需要使用三能级系统(如图 2.3 所示) 。实际上基态能级、 亚稳态能级和泵浦能级受斯托克斯分裂( Stock Splitting)和热效应的影响,形 成了一个近似联系的能带。由于亚稳态能级和基态能级具有一定的宽度,因此 EDFA 的放大效应具有一定波长范围。 在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,就可以将大部分处于基态的 Er3 +离子 抽运到激发态,处于激发态的 Er3 + 离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于 Er3 +离子在亚稳态能级上寿命较长,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子 数反转。当信号光子通过掺铒光纤时,与处于亚稳态的 Er3 +离子相互作用发生 受激辐射效应,产生大量与自身完全相同的光子,这时通过掺铒光纤传输的信号 光子迅速增多,产生信号放大作用。Er3 + 离子处于亚稳态时,除了发生受激辐 射和受激吸收以外,还要产生自发辐射(ASE) ,它造成 EDFA 的噪声。图 2.2 为 EDFA 双向泵浦结构示意图。 图 2.2 双向泵浦结构 在 EDFA 的光路结构设计中,常见的泵浦方式有同向泵浦、反向泵浦和双向 泵浦 3 种。这些泵浦方式各有其特点:前向泵浦由于在输入端有高的粒子数反转 而具有比较低的噪声;而由于背景损耗小,输出端具有高的粒子数反转,因此反 向泵浦具有较高的泵浦效率和增益。当 EDF 长度较短时, 3 种泵浦方式的小信 号增益基本相同, NF 也相差不大, 原因在于 3 种泵浦方式都已使整个光纤的 Er3
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