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图2、4 光电二极管的Shot Noise(上图) 如图2、3所示,从外调制激光发送机输出的调制光信号,经衰减器后,由Fork复制为两路图2、5 光电二极管的Thermal Noise(下图) PIN管不考虑热噪声,而具有Shot 相同的信号分别送入不同噪声设置的光电二极管。上端的
Noise;而下端的PIN管的热噪声为1、85e-25W/Hz,没有Shot Noise,然后分别送入滤波器与最终的误码率分析仪中,其中两路中的低通滤波器的截止频率与码率都就是一样的。在图2、4中,用户可以瞧到上端PIN管中Shot Noise就是依赖于信号强度大小的。而在图2、5中,下端的PIN管不计入Shot Noise,而只考虑热噪声;可以发现该噪声的大小也就是依赖于信号强度的。从本例中,我们可以观察到热噪声与散粒噪声对最终传输的信号质量的影响,并可以根据数据模拟有个定量的分析与计算。此外,还可以对噪声参数的调试,观测不同噪声对整个系统性能的影响程度的大小。并且,我们可以得出,在这样一个小信号系统中,光检测器的偏置电阻及放大器电路的热噪声就是最主要的噪声源。
3 光纤(Optical Fiber)系统设计
3.1 光纤简介
光纤通信与电信的主要差异之一,即就是利用光纤来传输光信号。光纤有不同的结构形式。目前,通信用的光纤大多数就是利用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃 体,外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率包层 涂覆层 高的中心部分叫纤芯,其折射率为n1;折射率低的外围部分称为包层,折射率为n2( 在本章中,并不针对光纤具体的折射率分布等设计参数进行详细介绍与讨论, 图3、1 光纤结构 纤芯 OptiSystem仿真实例 因为OptiWave提供了专门针对光纤设计与分析的专门软件:OptiFiber,而OptiSystem可以将在OptiFiber中设计的光纤直接输入调用,十分方便。 在本章中,我们主要讨论的就是光纤的损耗,色散以及非线性等传输过程中的效应对光通讯系统的性能的分析以及影响。 3.1.1 光纤的损耗特性 光纤的传输损耗就是光纤通信系统中一个至关重要的问题,低损耗就是实现远距离光通讯的前提,光纤损耗的原因十分复杂,归结起来主要包括:吸收损耗与散射损耗,以及辐射损耗。 （1） 吸收损耗:吸收损耗包括紫外吸收、红外吸收与杂质吸收等,它就是材料本身所固有的, 因此就是一种本征吸收损耗。 （2） 散射损耗:散射与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。一般包括:瑞利 散射损耗、波导散射损耗与非线性损耗。 （3） 辐射损耗:光纤使用过程中,弯曲往往不可避免,在弯曲到一定的曲率半径时,就会产生 辐射损耗。 3.1.2 光纤的色散特性及带宽 光信号在光纤中传输时不但幅度会因损耗而减小,波形亦会发生愈来愈大的失真,脉冲展宽,从而限制了光纤的最高信息传输速率。这种失真就是由于信号中的各种分量在光纤中的群速度不同(因而时延不同)引起的。这些分量包括发送信号调制与光源谱宽中的频率分量及光纤中的不同模式分量。时延失真就是由于光纤色散而产生的,一般包括以下几种: （1） 模间色散:多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送机多个导 模同时激励时,各个导模具有不同的群速,到达接收端的时刻不同。 （2） 波导色散:这就是某个导模在不同波长(光源有一定的谱宽)下的群速度不同引起的色 散,它与光纤结构的波导效应有关,又称为结构色散。 （3） 材料色散:这就是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化,而光源有一定谱宽, 于就是不同的波长引起不同的群速度。 （4） 偏振模色散:普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式,实际在单模光纤存在各 种少量随机的不确定性,不对称性,造成了两个偏振模的群时延不同,导致偏振模色散。 3.2 光纤模型设计案例:自相位效应(SPM)-Induced Spectral Broadening 3.2.1 设计目的 对自相位调制(Self-Phase Modulation:SPM)在脉冲传播上的模型进行模拟与验证。主要包括两个方面: （1） 脉冲啁啾(Pulse Chirping) （2） 脉冲光谱展宽(Pulse Spectral Broadening) 3.2.2 原理简介 自相位调制(SPM)效应可由式3、1进行描述: ?E?i?|E|2E (3.1) ?z其中E(Z,t)就是电场波包,参数γ由式3、2给出: ??n2?0 (3.2) cAeff在方程3、2中,ω0就是光载波频率,n2就是非线性折射率系数,Aeff就是有效作用面面积[1]。 可根据方程3、1直接进行求解得到: E(z,t)?E(z?0,t)exp(i|E(z?0,t)|2z) OptiSystem仿真实例 从该式可知,经过自相位调制后,脉冲的波形(即:|E(z,t)|2=|E(z=0,t)|2)不受影响。而相位变化项ΦNL=|E(z=0,t)|2表明经过自相位调制后,脉冲的瞬时频率相对原先载波的频率ω0已有所改变。频率改变量δω(t)由式3、3给出: ??(t)???NL?t (3.3) 该频率的改变与时间的关系导致了啁啾声的产生。 3.2.3 模型的设计布局图 为了验证SPM效应,我们可以设计以下布局图3、2: 其中参数设定如图3、3: 图3、2 自相位调制设计布局图 OptiSystem仿真实例 图3、3 全局参数设定(上图);图3、4 光纤参数设定(下图) 在非线性光纤的参数设定中,我们只针对自相位调制效应进行检测分析,所以我们可以禁掉其她非线性效应,如图3、4所示。 当脉冲的峰值功率为10mW,光纤长度设为10km时,得到的结果如图3、5所示: