基于OPTISYSTEM的光發(fā)送機(jī)調(diào)制方式仿真分析

孫曉蕓+陳建飛+丁松峰+李炳琦

【摘要】 光發(fā)送機(jī)是光通信系統(tǒng)中的重要組成部分。光發(fā)送機(jī)的性能直接影響系統(tǒng)的傳輸性能，光發(fā)送機(jī)的設(shè)計也以優(yōu)化其光接口指標(biāo)為目的。本文簡述了光發(fā)送機(jī)兩種調(diào)制方式的原理，并使用OptiSystem搭建光纖通信系統(tǒng)模型，研究了兩種調(diào)制方式對光纖通信系統(tǒng)光源的光譜特性及對系統(tǒng)誤碼的影響。

【關(guān)鍵詞】 光發(fā)送機(jī) 調(diào)制 平均發(fā)送光功率 消光比

一、引言

光發(fā)送機(jī)的作用是在發(fā)射端將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?。光源（LED或LD）是光發(fā)送機(jī)的主要部件，本文簡述了光發(fā)送機(jī)內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制方式的原理，使用OptiSystem分別搭建兩種調(diào)制光發(fā)送機(jī)的光纖通信系統(tǒng)模型，研究了兩種調(diào)制方式對光纖通信系統(tǒng)光源的光譜特性及對系統(tǒng)誤碼的影響。

二、光發(fā)送機(jī)的兩種調(diào)制方式

光纖通信系統(tǒng)中，信息由LED，或LD發(fā)出的光波攜帶，光波就是載波。把信息加載到光波上的過程就叫調(diào)制，光載波經(jīng)過光纖傳輸后到接收端通過解調(diào)把光信號轉(zhuǎn)回為電信號。從調(diào)制與光源的關(guān)系來分通常分為兩類：直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）和間接調(diào)制（外調(diào)制）。

內(nèi)調(diào)制僅適用于半導(dǎo)體光源（LED和LD），這種方法是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號，即采用電源調(diào)制方法。直接調(diào)制后的光波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，是一種光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的方法。

外調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實現(xiàn)對激光輻射的調(diào)制，該調(diào)制方式既適用于半導(dǎo)體激光器，也適用于其他類型激光器。[1]間接調(diào)制常用方式是外調(diào)制，在激光形成后加載調(diào)制信號。具體方法是在激光器諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)變化，當(dāng)激光通過它時，得到調(diào)制。[2]

三、內(nèi)與外調(diào)制的光譜特性仿真分析

搭建Optisystem模擬軟件搭建的內(nèi)調(diào)制光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)模塊和用M-Z調(diào)制器做外調(diào)制的光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)模塊。在光輸出口分別連接系統(tǒng)模塊器件光譜儀及光功率計。

仿真模型內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制光發(fā)送機(jī)參數(shù)的設(shè)置相同：激光光源工作波長193.1THz，傳輸信號為碼元速率為2.5Gb/s，碼型為NRZ碼。觀察光譜儀和光功率計仿真輸出信號，結(jié)果表明：內(nèi)調(diào)制光發(fā)送機(jī)的光譜整體較分散，中心波長兩邊較毛躁；而外調(diào)制發(fā)送機(jī)光譜平滑且功率分布集中在中心波長位置。另外內(nèi)調(diào)制達(dá)到的最大光功率為1.0398 dBm， 外調(diào)制達(dá)到的最大光功率為-1.2981dBm。外調(diào)制光發(fā)送機(jī)具有更佳的光譜特性，因此它比內(nèi)調(diào)制光發(fā)送機(jī)適宜在長距離傳輸系統(tǒng)中使用。

四、內(nèi)與外調(diào)制方式對通信誤碼率影響仿真分析

光發(fā)送機(jī)內(nèi)、外調(diào)制形式的不同會對整個光纖通信系統(tǒng)接收端的誤碼率大小有影響。

內(nèi)調(diào)制光發(fā)送機(jī)對系統(tǒng)誤碼率影響測試框圖系統(tǒng)圖搭建：順序連接用戶自定義比特率發(fā)生器，NRZ碼脈沖發(fā)生器，連續(xù)激光，50KM常規(guī)單模光纖，光電二極管，電放大器和濾波器。再分別在比特率發(fā)生器、NRZ碼發(fā)生器和輸出濾波器后連接誤碼分析儀。外調(diào)制僅改變光發(fā)送機(jī)仿真結(jié)構(gòu)，通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似。不同調(diào)制方式仿真系統(tǒng)中，分別設(shè)定系統(tǒng)的調(diào)制速率為1Gb/s、2.5Gb/s和5Gb/s，觀察誤碼分析儀輸出信號圖。結(jié)果表明：在較低速率1Gb/s時，內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制光發(fā)送機(jī)均顯示出良好的傳輸性能，Optisystem模擬軟件中的誤碼分析儀檢測最小誤碼率為0，外調(diào)制的誤碼率底端平整，且0誤碼段較長，由些可見，外調(diào)制誤碼率曲線優(yōu)于內(nèi)調(diào)制曲線。當(dāng)調(diào)制速率提高到2.5Gb/s時，誤碼分析儀檢測到內(nèi)調(diào)制光發(fā)送機(jī)的系統(tǒng)誤碼率為1.24*10-27；外調(diào)制光發(fā)送機(jī)仍然顯示出良好的傳輸性能，檢測誤碼率為0。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)制速率為5Gb/s時，外調(diào)制光發(fā)送機(jī)明顯表現(xiàn)出較好的傳輸性能，測得最小誤碼率為6.98*10-10，而內(nèi)調(diào)制光發(fā)送機(jī)的系統(tǒng)測得誤碼率為9.9*10-5。而在光纖通信系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)誤碼率不得高于10-9，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。

五、結(jié)論

比較分析結(jié)果可以得出，光源直接調(diào)制的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，適合碼元速率不高的通信系統(tǒng)；外調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但從根本上克服了接調(diào)制遇到的頻率調(diào)制效應(yīng)，可以獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，適合高速率下運(yùn)用。究其原因，外調(diào)制方式中，激光發(fā)生和調(diào)制可分別進(jìn)行，二者均可選擇最優(yōu)化設(shè)計，激光器的設(shè)計主要在光譜特性、輸出光功率、穩(wěn)定性和相對強(qiáng)度噪聲等方面，外調(diào)制器的設(shè)計則更多考慮信號帶寬、驅(qū)動方式、功率損耗大小等方面。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張明德，孫小菡 .光纖通信原理與系統(tǒng)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2003：2，70-75，105.

[2]顧畹儀，李國瑞.光纖通信系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：110.