光孤子通信系統(tǒng)的仿真*

楊慧敏

（菏澤學(xué)院 物理系，山東 菏澤 274015）

0 引言

OptiSystem 是一款創(chuàng)新的光通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件，它能使用戶在從長(zhǎng)距離通信到LANS 和MANS的光網(wǎng)絡(luò)傳輸層上進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化等各種功能[1-2]。

OptiSystem具有強(qiáng)大的模擬仿真環(huán)境和真實(shí)的器件和系統(tǒng)的分級(jí)定義。它的器件庫(kù)中包括的模型超過(guò)200種，它的性能可以通過(guò)完整的仿真界面和附加的用戶級(jí)器件庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。OptiSystem系統(tǒng)里全面的圖形用戶級(jí)界面可以提供光子器件模型、設(shè)計(jì)和演示；無(wú)源和有源的器件庫(kù)可以提供實(shí)際波長(zhǎng)的相關(guān)參數(shù)；參數(shù)優(yōu)化和參數(shù)掃描可以讓用戶研究特定器件的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能造成的其他影響，為模擬現(xiàn)實(shí)的光通信器件光通信系統(tǒng)提供了條件，而逐漸成為光通信領(lǐng)域仿真實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的工具[3-5]。

1 光孤子通信系統(tǒng)

光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，群速速度色散系數(shù)(GVD)會(huì)使脈沖在傳輸過(guò)程中不斷展寬，而非線性系數(shù)會(huì)使脈沖壓縮。這兩種因素之間具有一定的關(guān)系，當(dāng)色散的作用和非線性的作用相互平衡時(shí)，脈沖展寬和壓縮的現(xiàn)象就會(huì)抵消，從而產(chǎn)生一種新的光脈沖，這種光脈沖在光纖中可以無(wú)畸變的傳輸，是孤立的，不受外界條件的影響，稱為光孤子[6]。光孤子可以在傳輸過(guò)程中一直保持形狀變，從而可以實(shí)現(xiàn)脈沖的超長(zhǎng)距離傳輸。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[7-8]，孤子傳輸?shù)淖罡邔?shí)驗(yàn)速率可達(dá)160 Gbit/s。美國(guó)和日本利用太平洋海底光纜構(gòu)建了光孤子傳輸?shù)膶?shí)用系統(tǒng)，未來(lái)光孤子通信的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)是在越洋長(zhǎng)距離傳輸方面[9]。

光孤子通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。首先光孤子源產(chǎn)生光孤子脈沖信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)制器，電脈沖源信號(hào)會(huì)對(duì)光孤子脈沖進(jìn)行相關(guān)調(diào)制，將信號(hào)加載到光孤子脈沖上，之后經(jīng)放大器放大后耦合到光纖中進(jìn)行傳輸。傳輸路徑中會(huì)有一些放大器以補(bǔ)償脈沖的功率衰減，同時(shí)也會(huì)平衡色散與非線性之間的相互作用，以保證傳輸過(guò)程中光孤子的幅度和形狀保持不變。接收端接收到的光孤子脈沖載波經(jīng)放大、整形和解調(diào)后還原為初始信號(hào)。

圖1 光孤子通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

光孤子通信系統(tǒng)中，關(guān)鍵的技術(shù)是光脈沖發(fā)生器和脈沖在傳輸中的能量補(bǔ)償問(wèn)題。目前可供使用的光孤子脈沖源很多，主要有：摻鉺光纖孤子激光器、喇曼孤子激光器、增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體孤子激光器、參量孤子激光器和鎖模半導(dǎo)體孤子激光器等。光孤子脈沖在光纖中傳輸時(shí)不可避免地存在損耗，損耗會(huì)降低孤子脈沖的幅度，但是并不會(huì)改變孤子的形狀，為了補(bǔ)償這些能量損耗，目前有常有的方法有兩種[7]：①采用分布式光放大器的方法，即采用受激拉曼散射放大器或分布式摻鉺光纖放大器補(bǔ)償脈沖能量的損耗；②另一種是采用集總光放大器法，即采用摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體激光放大器補(bǔ)償脈沖能量的損耗。其中利用摻鉺光纖放大器放大實(shí)現(xiàn)的能量補(bǔ)償，其穩(wěn)定性在理論和實(shí)驗(yàn)上都已得到了相關(guān)證明，是當(dāng)前光孤子通信系統(tǒng)中最主要的放大方法。

2 光孤子通信系統(tǒng)的Optisystem仿真

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

基于光孤子通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理圖，在Optisystem軟件平臺(tái)上搭建了光孤子通信系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。

圖2 光孤子通信系統(tǒng)的Optisystem仿真流程

模型中采用的光源是半導(dǎo)體激光器；采用的光放大器是摻鉺光纖放大器；采用的光纖是色散補(bǔ)償位移光纖，目的是對(duì)系統(tǒng)中色散因素導(dǎo)致的脈沖失真進(jìn)行恢復(fù)和補(bǔ)償；為了觀測(cè)光路中各點(diǎn)的光譜情況，采用光譜儀作為觀察儀器。

2.2 參數(shù)設(shè)定

在仿真模型中用鼠標(biāo)雙擊某個(gè)元件就可以打開(kāi)其參數(shù)設(shè)置菜單，在相應(yīng)框內(nèi)即可設(shè)定或更改其參數(shù)值。系統(tǒng)中所有元件的參數(shù)設(shè)置完畢之后，點(diǎn)擊Optisystem工具菜單欄中的“calculate”即可進(jìn)行仿真計(jì)算。然后，點(diǎn)擊光譜儀就可以觀測(cè)到仿真結(jié)果。

仿真中在相應(yīng)元件上使用鼠標(biāo)雙擊打開(kāi)該元件的參數(shù)設(shè)置菜單，在“value”框內(nèi)可更改參數(shù)取值，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊菜單欄中“calculate”進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完畢后，可雙擊光譜儀對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)。

為了模擬光孤子通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)整體參數(shù)設(shè)置如下：脈沖傳輸速率設(shè)為10 Gbit/s；發(fā)送端序列脈沖信號(hào)設(shè)置為：“1001011010010110”；脈沖入纖功率設(shè)置為：10 dBm;光纖傳輸長(zhǎng)度設(shè)置為:50 km,光纖損耗系數(shù)設(shè)為0.2 dB/km。

2.3 仿真結(jié)果

點(diǎn)擊Optisystem工具菜單欄中的“calculate”進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果如圖3所示。圖3中橫坐標(biāo)0/T T表示的是歸一化脈沖寬度（T表示脈沖寬度，01psT= ），縱坐標(biāo)2U 表示的是脈沖傳輸幅度。曲線 a表示的是原始光孤子脈沖信號(hào)的波形圖，曲線b表示的是經(jīng)過(guò)10 km的有損光纖后脈沖波形，可見(jiàn)脈沖寬度由于色散因素展寬了，脈沖寬度增寬了將近4倍于初始的脈寬；假設(shè)系統(tǒng)采用色散補(bǔ)償值為-160 ps/nm色散補(bǔ)償位移光纖，經(jīng)過(guò)仿真模擬后，可在光時(shí)域探測(cè)儀中觀察到脈沖傳輸10 km后經(jīng)過(guò)補(bǔ)償光纖后的脈沖形狀如圖3曲線c所示，對(duì)比可以看出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的脈沖寬度恢復(fù)到了原始的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)了色散補(bǔ)償。

圖3 脈沖在光纖中傳輸?shù)牟ㄐ?/p>

由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真出的結(jié)果與理論結(jié)果一致，驗(yàn)證了光孤子脈沖可以在系統(tǒng)中傳輸很長(zhǎng)距離而保持形狀不變的特點(diǎn)，進(jìn)而說(shuō)明光孤子在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

光孤子通信因?yàn)槠洫?dú)到的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為光通信系統(tǒng)研究領(lǐng)域方面的熱點(diǎn)，文中利用OptiSystem提供的強(qiáng)大的工具箱，建立了光孤子通信系統(tǒng)的仿真模型，并在給定的仿真參數(shù)下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的仿真模擬，證實(shí)了所建仿真模型的正確性和可行性，為將來(lái)在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的光孤子通信系統(tǒng)提供了有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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