基于OptiSystem的相干光纖通信系統(tǒng)仿真研究

姜波波

（安徽長安專用汽車制造有限公司，安徽 六安 237000）

0 引 言

隨著信息化的發(fā)展，光通信市場急需要傳輸速率較高的傳輸系統(tǒng)。相干光通信的出現(xiàn)，為光通信的世界帶來了一場變革。相干光通信系統(tǒng)采用的相干檢測光接收機(jī)具有靈敏度高、中繼距離長、選擇性好以及通信容量大等眾多優(yōu)點(diǎn)，在光纖傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。相干光纖通信系統(tǒng)為超大容量和超高速通信提供了靈活的調(diào)制檢測方式。相對于傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)來說，高速相干光纖通信對調(diào)制和解調(diào)技術(shù)有著較高要求。高速相干光纖通信系統(tǒng)的解調(diào)技術(shù)有零差相干檢測技術(shù)、外差相干檢測技術(shù)及自相干解調(diào)技術(shù)。其中，調(diào)制解調(diào)技術(shù)直接影響高速相干光纖通信系統(tǒng)性能，因此需要研究者高度重視[1-4]。

1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及電路圖

根據(jù)光調(diào)制與發(fā)射過程的關(guān)系，光發(fā)送系統(tǒng)調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制。然而，由于光源的發(fā)光和調(diào)制過程都集中在PN結(jié)區(qū)完成，導(dǎo)致載流子和光子的作用關(guān)系變得復(fù)雜。調(diào)制過程中的瞬態(tài)變化會影響諧振腔的震蕩性能，隨后可能引起明顯的動態(tài)譜線展寬。這種調(diào)制啁啾加劇了光纖鏈路色散的影響，并且給光纖通信帶來了諸多不利[5-7]。

在本設(shè)計(jì)的接收端采用相干檢測，用X型耦合器將本振光與信號光兩路信號耦合在一起。在接收端連接偏振計(jì)、眼圖以及誤碼率分析儀來分析光纖傳輸參數(shù)。設(shè)計(jì)的光源的頻率為193.1 THz，仿真光路圖如圖1所示。

圖1 振幅調(diào)制光路圖

改變光纖通信參數(shù)，選出振幅調(diào)制中的最優(yōu)傳輸方案。光纖通信中使用的有3個低損耗波長分別為850 nm、1 310 nm和1 550 nm。本次仿真中分別對這3個參數(shù)進(jìn)行比較，眼圖仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2的橫坐標(biāo)表示周期，縱坐標(biāo)表示幅度，從圖中可以看出，波長為1 550 nm的系統(tǒng)的傳輸性能明顯比850 nm和1 330 nm的性能好，故在本次設(shè)計(jì)中波長采用1 550 nm。在波長為1 550 nm的基礎(chǔ)上，改變光纖參數(shù)中的色散值，設(shè)計(jì)了3 ps/nm·km、5 ps/nm·km以及7 ps/nm·km共3個色散值，眼圖仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同波長眼圖結(jié)果

可以看出，色散為5 ps/nm·km的系統(tǒng)的性能比色散為3 ps/nm·km和4 ps/nm·km的系統(tǒng)性能好，故設(shè)計(jì)中色散采用5 ps/nm·km。

采用控制變量法，即保持一個變量或者多個變量不變，調(diào)整另一個變量或多個變量，探究變量之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)中利用控制變量法保持波長為1 550 nm，色散值為5 ps/nm·km不變，改變其他變量，觀察頻率調(diào)制和相位調(diào)制對光纖通信的影響，從而選擇出最好的光纖傳輸。

圖3 不同色散眼圖結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出，波長為1 550 nm的光源、色散值為5 ps/nm·km的光纖鏈路的光纖傳輸性能最好。下面探究振幅、頻率以及相位之間的調(diào)制性能。在保持其他變量一致的情況下，將圖1中的振幅調(diào)制器變換為頻率調(diào)制器與相位調(diào)制器。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4為振幅、頻率以及相位調(diào)制偏振計(jì)仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果看，在頻率為193.1 THz、帶寬為100 GHz、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001 dBm的情況下，振幅、頻率以及相位3種調(diào)制偏振仿真結(jié)果誤差不大。

圖4 振幅、頻率以及相位調(diào)制偏振計(jì)仿真結(jié)果

圖5 振幅、頻率以及相位調(diào)制眼圖

圖5為振幅、頻率以及相位調(diào)制眼圖。從眼圖結(jié)果看，設(shè)計(jì)的光電路振幅調(diào)制所展現(xiàn)的眼圖的仿真效果比另兩種調(diào)制方式更理想。這是因?yàn)轭l率調(diào)制采用多載波調(diào)制，其中最重要的是FFT點(diǎn)數(shù)的大小。FFT點(diǎn)數(shù)決定了頻率調(diào)制系統(tǒng)中副載波的數(shù)目，載波數(shù)越大，載波間的干擾越大，眼圖效果越差。而在相干檢測中，相位調(diào)制的本振光與信號光經(jīng)過X耦合器耦合在一起，但X耦合器的上臂與下臂的相位差為θ/2，導(dǎo)致信號光與本振光的相位差θ/2，故在相位調(diào)制的相干檢測過程中發(fā)生了嚴(yán)重的碼間干擾，導(dǎo)致眼圖的結(jié)果不理想[8,9]。

3 結(jié) 論

利用OptiSystem仿真軟件設(shè)計(jì)出振幅、相位以及頻率調(diào)制的光路圖，進(jìn)而仿真出振幅、相位以及頻率調(diào)制的結(jié)果，再分別從偏振計(jì)仿真結(jié)果、光時域觀察儀仿真結(jié)果以及眼圖仿真結(jié)果，分析振幅調(diào)制、頻率調(diào)制以及相位調(diào)制的光纖傳輸性能，從而選出最優(yōu)的傳輸方案。由于振幅調(diào)制是強(qiáng)度調(diào)制，其耦合器的使用并不影響其調(diào)制信號，因此可降低其干擾噪聲及其誤碼率。綜上所述，振幅調(diào)制相較相位調(diào)制和頻率調(diào)制方式傳輸性能更優(yōu)。