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OptiSystem仿真实例-图文目录1光发送机（OpticalTranmitter）设计1.1光发送机简介1.2光发送机设计模型案例：铌酸锂（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器的啁啾（Chirp）分析2光接收机（OpticalReceiver）设计2.1光接收机简介2.2光接收机设计模型案例：PIN光电二极管的噪声分析3光纤（OpticalFiber）系统设计3.1光纤简介3.2光纤设计模型案例：自相位调制（SPM）导致脉冲展宽分析4光放大器（OpticalAmplifier）设计4.1光放大器简介4.2光放大器设计模型案例：EDFA的增益优化5光波分复用系统（WDMSytem）设计5.1光波分复用系统简介5.2光波分复用系统使用OptiSytem设计模型案例：阵列波导光栅波分复用器（AWG）的设计分析6光波系统（LightwaveSytem）设计6.1光波系统简介6.2光波系统使用OptiSytem设计模型案例：40G单模光纤的单信道传输系统设计8.2色散补偿模型设计案例：使用理想色散补偿元件的色散补偿分析8孤子和孤子系统（SolitonSytem）9.1孤子和孤子系统简介9.2孤子系统模型设计案例：9结语1光发送机（OpticalTranmitter）设计1.1光发送机简介一个基本的光通讯系统主要由三个部分构成，如下图1.1所示：图1.1光通讯系统的基本构成1）光发送机2）传输信道3）光接收机作为一个完整的光通讯系统，光发送机是它的一个重要组成部分，它的作用是将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。
光发送机的核心是光源及其驱动电路。
现在广泛应用的有两种半导体光源：发光二级管（LED）和激光二级管（LD）。
其中LED输出的是非相干光，频谱宽，入纤功率小，调制速率低；而LD是相干光输出，频谱窄，入纤功率大、调制速率高。
前者适宜于短距离低速系统，后者适宜于长距离高速系统。
OptiSystem在光纤通信课堂教学中的应用——以光纤传输特性为例王学勤*(枣庄学院光电工程学院 山东枣庄 277160)摘要：为了提高学生的学习兴趣，帮助学生理解、掌握知识点，提升光纤通信课程的教学效果，将OptiSys‐tem软件引入光纤通信课堂教学。
该文以光纤传输特性部分的教学内容为例，针对光纤的损耗、色散和非线性效应三项光纤的传输特性，搭建OptiSystem仿真模型，演示光纤的传输特性对光纤中传输信号的影响，进而分析对光纤通信系统性能的影响。
通过仿真演示，使学生更直观地理解光信号在光纤中传输时的时域、频域变化特征，掌握光纤传输特性对光纤通信系统的影响机理。
关键词：光纤通信 OptiSystem软件 光纤传输特性 课堂教学中图分类号：G642.0文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)09-0140-05 Application of OptiSystem in the Classroom Teaching ofFiber-optic Communications—Taking Fiber-optic Transmission Characteristics as an ExampleWANG Xueqin*(School of Optoelectronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang, Shandong Province, 277160 China) Abstract:In order to improve students' interest in learning, help students understand and master knowledge points, and improve the teaching effect of Fiber-optic Communications, OptiSystem software is introduced to the class‐room teaching of Fiber-optic Communications. Taking the teaching content of fiber-optic transmission character‐istics as an example, aiming at three fiber-optic transmission characteristics: the loss, dispersion and nonlinear effectof optical fibers, this paper builds the OptiSystem simulation model to demonstrate the impact of fiber-optic trans‐mission characteristics on transmission signals in optical fibers, and then analyze the impact on the performance of the fiber-optic communication system. Through the simulation demo, students can more intuitively understand the time-domain and frequency-domain variation characteristics of optical signals when they are transmitted in optical fibers, and master the influence mechanism of fiber-optic transmission characteristics on the fiber-optic communi‐cation system.Key Words: Fiber-optic Communications; OptiSystem software; Fiber-optic transmission characteristic; Classroom teachingOptiSystem是一种光通信系统仿真程序包，具有丰富的组件库，可用于光纤通信系统的建模仿真[1]。
optisystem仿真在光纤通信实验教学中的应用OptiSystem是一种光纤通信系统设计和仿真软件，它可广泛应用于光纤通信实验教学中。
以下是它在该领域应用的一些例子：
1. 光纤传输实验：OptiSystem可以用于模拟和分析不同类型的光纤传输实验，如衰减、色散、非线性效应等。
学生可以通过OptiSystem软件进行实验设计、仿真、优化和性能评估，理解和掌握光纤传输的基本原理。
2. 光调制与解调实验：OptiSystem可以模拟光调制器、解调器等光学器件的性能和特性。
学生可以使用OptiSystem软件设计和优化光调制器/解调器的参数，比较不同解调技术的性能，并了解光调制与解调在光纤通信中的应用。
3. 光纤放大器实验：OptiSystem可以用来模拟和分析光纤放大器的工作原理和性能。
学生可以通过OptiSystem软件了解不同类型的光纤放大器（如EDFA、Raman放大器等）的原理和参数，设计和优化放大器的增益、噪声等参数，并评估放大器的性能。
4. 光纤带宽实验：OptiSystem可以帮助学生理解和研究光纤传输中的带宽限制。
学生可以使用OptiSystem软件进行带宽限制的模拟和分析，通过改变光纤、光源和接收器的参数，研究带宽限制的影响并提出改进方案。
总之，OptiSystem在光纤通信实验教学中具有很大的应用潜力。
它提供了一个
实验环境，让学生能够进行光纤通信系统的设计、仿真和性能评估，从而加深对光纤通信原理和技术的理解。
加上OptiSystem软件的用户友好性和功能强大性，它成为了光纤通信实验教学中不可或缺的工具。
optisystem案例OptiSystem是一款光学通信系统设计软件，它可以用于设计、仿真和优化各种光学系统，包括光纤通信、双向通信、WDM系统、光放大器等。
在OptiSystem中，用户可以使用各种成熟的光学组件，如激光器、光检测器、光模式转换器等，并进行光学信号的产生、传输、放大和接收等各个环节的仿真和优化。
下面举例说明OptiSystem在光纤通信系统中的应用。
案例：光纤通信系统设计在通信领域中，光纤通信是一种重要的数据传输思路，它有更高的带宽和更长的传输距离，因此能够满足更高的数据传输要求。
在光纤通信系统中，设计者需要考虑的因素非常多，如损耗、失真、噪声等，这些因素可能会影响信号的传输质量，从而影响通信的稳定性和可靠性。
为了优化光纤通信系统的设计，我们可以使用OptiSystem软件进行仿真和优化。
在OptiSystem中，我们可以按照以下步骤进行光纤通信系统的设计和优化：1.确定光纤通信系统的参数和光学组件首先，我们需要确定光纤通信系统的参数和光学组件。
参数包括通信距离、带宽和信噪比等数据，而光学组件则包括激光器、光纤、光检测器等。
2.建立光纤通信系统的模型然后，我们需要在OptiSystem中建立光纤通信系统的模型。
在OptiSystem中，我们可以使用各种光学组件，如EDFA、VOA、Mux/Demux等，并将它们连接起来构建整个系统。
在建立系统模型时，我们需要输入各个组件的参数，例如信道数量、中心波长、带宽等，并设置各个组件的参数。
3.进行系统仿真在建立系统模型后，我们就可以进行系统仿真。
在OptiSystem中，我们可以通过设置仿真参数来模拟系统运行的不同情况。
我们可以考虑不同的因素，如噪声、失真和损耗等，同时也可以对信号的功率和速率进行分析和优化。
4.分析和优化系统性能最后，我们可以分析和优化系统性能。
在OptiSystem中，我们可以使用各种分析工具，如眼图、波形图、功率谱密度图等，来分析不同因素对系统性能的影响。
本文研究了EDFA的基本原理及结构，阐述了影响EDFA性能的因素，分析了波分复用（WDM）技术及系统的设计原理，介绍了常见的仿真软件和国内外仿真现状以及Optisystem 软件强大的仿真功能。
并在此基础上，给出了基于Optisystem 的波分复用光传输链路仿真模型的搭建，概述了在WDM系统中EDFA的应用和要求以及关键技术。
对复用后的光信号进行仿真得出光谱图，研究了各信道的增益情况，验证了光纤的两个窗口。
本文还对链路传输性能及EDFA的掺铒光纤长度，泵浦功率等参数进行分析，得到了各种泵浦工作方式下的增益特性，EDFA最佳长度以及饱和增益特性曲线，并验证了EDFA 的正确性和设计方案的可行性，近而得出最佳化的EDFA设计。
关键词摻铒光纤放大器增益仿真波分复用目录1引言 (1)1.1掺铒光纤放大器仿真的目的及意义 (1)1.2掺铒光纤放大器仿真的研究现状 (1)1.3optisystem 软件简介 (2)1.4本文研究的主要内容 (2)2掺铒光纤放大器的理论研究 (2)2.1掺铒光纤放大器的工作原理 (2)2.2掺铒光纤放大器的性能分析 (6)2.3掺铒光纤放大器的应用 (10)3掺铒光纤放大器的仿真分析 (11)3.1掺铒光纤放大器的增益特性分析 (11)3.2掺铒光纤放大器的噪声特性分析 (16)3.3掺铒光纤放大器的多信道放大特性 (19)4掺铒光纤放大器在高速通信系统中的应用 (21)4.1 40G单模光纤传输系统 (21)4.2 8*10G WDM系统性能分析 (23)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)1引言随着光纤通信系统的发展, 密集波分复用技术越来越广泛的应用到系统中, 系统的复杂性也在不断的增加, 因而光纤通信系统的计算机辅助设计系统变得非常重要。
光纤通信系统是一门多学科专业交叉渗透的综合技术，它涉及到通信基础理论(如数字通信技术) , 微波技术(如光纤信道的电磁场分析) 以及电路设计与微电子技术(如A2SIC 专用集成电路) 等，无论是系统的规划与设计还是新型传输系统与体制的探索与研究，都要遇到冗长繁杂的计算。
第6期2021年3月No.6March，20210 引言计算机仿真工具对于硬件与系统的设计、可行性分析等都有着重要的意义。
光纤通信的发展迅速，光通信系统愈加趋于复杂。
层出不穷的器件和复杂的网络结构让光纤系统设计变得困难[1-2]。
光纤通信的虚拟仿真工具Optisystem ，具有强大的模拟环境，支持自定义器件与快速低成本的设计模型，其本质是通过建造系统模型进行由表及里、从外到内的试验性研究，找出不足并保留优点，以期达到系统模型及其运行的最佳状态[3-4]。
本文使用Optisystem 工具，对光纤通信系统中的光发送机、光接收机以及波分复用（WDM ）系统进行仿真设计，实现直接调制的光发送机系统设计与仿真、基于PIN 光电二极管的光接收机系统设计与仿真以及四路复用的单模光纤WDM 通信系统设计与仿真。
设计完成后在Optisystem 中进行仿真模型搭建和运行，观测各处的数据并进行对比分析。
1 光纤通信系统总体设计一个完整的光纤通信系统包含光发送机和光接收机两个部分，光发送机的作用是将传输过来的电信号转化成光信号，而光接收机的作用则是将光信号转化成电信号，这个转化的过程简称为“电—光—电效应”，而光纤通信系统正是通过“电—光—电效应”来传输信息的通信系统。
在利用Optisystem 工具进行光纤通信系统的总体设计之前，考虑到实际应用，进行如下总体设计。
（1）光发送机及光接收机调制方式选择不归零码（NRZ ）制式。
输入的光信号经过NRZ 调试之后频谱特性会变得更为紧密，解调更为快速方便，十分容易。
（2）光发送机系统选择直接调制。
直接调制是直接调制信号电流强度，使输入功率随着电流强度的变化而变化，直接调制方式简单而方便。
外调制方式一般适用于更高级的通信系统，故不采纳。
（3）光发送机系统选择低通高斯响应滤波器（Low Pass Gauss Filter ）。
理想低通滤波器可供理论研究的结果趋于完美。
但实际应用时，必须考虑理想模型和实际电路之间的差异对结果的影响。
基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真韩力;李莉;卢杰【摘要】Single-mode fiber wavelength division multiplexing ( WDM) communication system is simulated by Optisystem. On the sender,a four-way multiplex WDM signal is produced. Then,the WDM signal is transmitted through the single-mode optical fiber ( SMF) and optical amplifiers. On the receiver,photodiode is used to de-tect the signals. The spectrum are displayed at key nodes by Optical Spectrum Analyzer,and the eye diagram of recovered electrical signal are showed by BER Analyzer at the receiver end. Simulation results show that the designed single-mode optical fiber communication system owns well reliability,and Optisystem is ideal for opti-cal fiber communication systems experimental course.%利用Optisystem实现了单模光纤波分复用( WDM )通信系统. 在发送端,产生了四路复用的WDM信号,信道采用单模光纤及光放大器,接收端采用光电二极管. 利用光谱显示模块显示了关键节点的光谱,利用眼图模块显示了接收端恢复的电信号的眼图. 实验表明,建立的单模光纤通信系统具有良好的可靠性,Optisystem非常适合光纤通信系统课程实验.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2015(028)005【总页数】5页(P97-101)【关键词】光通信系统;Optisystem;单模光纤;波分复用【作者】韩力;李莉;卢杰【作者单位】吉林大学,吉林长春 130012;吉林大学,吉林长春 130012;吉林大学,吉林长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TN29;TP391.9光纤通信系统课程是光通信工程专业的标志性课程。
OptiSystem 仿真软件模型案例目录1光发送机（Optical Transmitters）设计1.1光发送机简介1.2光发送机设计模型案例：铌酸锂（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器的啁啾（Chirp）分析2光接收机（Optical Receivers）设计2.1光接收机简介2.2光接收机设计模型案例：PIN光电二极管的噪声分析3光纤（Optical Fiber）系统设计3.1光纤简介3.2光纤设计模型案例：自相位调制（SPM）导致脉冲展宽分析4光放大器（Optical Amplifiers）设计4.1光放大器简介4.2光放大器设计模型案例：EDFA的增益优化5光波分复用系统（WDM Systems）设计5.1光波分复用系统简介5.2光波分复用系统使用OptiSystem设计模型案例：阵列波导光栅波分复用器（AWG ）的设计分析6光波系统（Lightwave Systems）设计6.1 光波系统简介6.2 光波系统使用OptiSystem设计模型案例：40G单模光纤的单信道传输系统设计7色散补偿（Dispersion Compensation）设计8.1 色散简介8.2 色散补偿模型设计案例：使用理想色散补偿元件的色散补偿分析8孤子和孤子系统（Soliton Systems）9.1 孤子和孤子系统简介9.2 孤子系统模型设计案例：9结语1 光发送机（Optical Transmitters ）设计1.1 光发送机简介一个基本的光通讯系统主要由三个部分构成，如下图1.1所示：作为一个完整的光通讯系统，光发送机是它的一个重要组成部分，它的作用是将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。
光发送机的核心是光源及其驱动电路。
现在广泛应用的有两种半导体光源：发光二级管（LED ）和激光二级管（LD ）。
其中LED 输出的是非相干光，频谱宽，入纤功率小，调制速率低；而LD 是相干光输出，频谱窄，入纤功率大、调制速率高。
前者适宜于短距离低速系统，后者适宜于长距离高速系统。
一般光发送机由以下三个部分组成：1) 光源（Optical Source ）：一般为LED 和LD 。
2) 脉冲驱动电路（Electrical Pulse Generator ）：提供数字量或模拟量的电信号。
3) 光调制器（Optical Modulator ）：将电信号（数字或模拟量）“加载”到光波上。
以光源和调制器的关系来看，可划分为光源的内调制和光源的外调制。
采用外调制器，让调制信息加到光源的直流输出上，可获得更好的调制特性、更好的调制速率。
目前常采用的外调制方法为晶体的电光、声光及磁光效应。
图1.2为一个基本的外调制激光发射机结构：在该结构中，光源为频率193.1Thz 的激光二极管，同时我们使用一个Pseudo-Random BitSequence Generator 模拟所需的数字信号序列，经过一个NRZ 脉冲发生器（None-Return-to-Zero Generator 转换为所需要的电脉冲信号，该信号通过图1.1 光通讯系统的基本构成 1）光发送机 2） 传输信道 3）光接收机 图2 外调制激光发射机一个Mach-Zehnder 调制器，通过电光效应加载到光波上，成为最后入纤所需的载有“信息”的光信号。
1.2 光发送机模型设计案例：铌酸锂（LiNbO 3）型Mach-Zehnder 调制器中的啁啾（Chirp ）分析1.2.1 设计目的通过本设计实例，我们对铌酸锂Mach-Zehnder 调制器中的外加电压和调制器输出信号的啁啾量的关系进行了模拟和分析，从而决定具体应用中MZ 调制器的外置偏压的分布和大小。
1.2.2 原理简介对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子浓度的变化是随注入电流的变化而变化。
这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，导致所谓的啁啾现象。
啁啾是高速光通讯系统中一个十分重要的物理量，因为它对整个系统的传输距离和传输质量都有关键的影响。
1.2.3 模型的设计布局图外调制器由于激光光源处于窄带稳频模式，我们可以降低或者消除系统的啁啾量。
一个典型的外调制器是由铌酸锂（LiNO 3）晶体构成。
本设计实例中，我们通过对该晶体外加电压的分析调整而最终减少该光发送机中的啁啾量，其模型的设计布局图如图1.3所示：1.2.4 模拟分析在图1.3中，驱动电路1的电压改变量ΔV 1和驱动电路2的电压改变量ΔV 2是相同的。
图1.4为MZ 调制器的参数设定窗口。
其中MZ调制器以正交模式工作，外置偏压位于调制器图1.3 双驱动型LiNbO 3 Mach-Zehnder 调制激光发送机设计图光学响应曲线的中点，使偏压强度为其峰值的一半。
而消光系数设为200dB ，以避免任何由于不对称Y 型波导而导致的啁啾声。
对于双驱动调制器而言，两路的布局是完全一样的[3]，所以这里可使用一个Fork 将信号复制增益（本例设有三次参数扫描过程中，V 2大小分别为V 1的-1，0，-3倍）后到MZ 调制器的另一个输入口。
啁啾（Chirp ）量可根据两路的驱动偏压值得到，如公式1.1，其中V 1，V 2分别为两个驱动电路的驱动电压，α为啁啾系数：(1) V V 2121V V -+=α图1.5为一系列信号脉冲输入时，在2，3口的电压V 1= –V 2 = 2.0V 时波形。
根据公式1.1可知在这种情况下，啁啾系数α为0，而实际模拟出来的结果可见图1.6。
图1.4 LiNbO 3 Mach-Zehnder 调制器的参数设置图1.5 输入口2的电压为2.0V，输入口3的电压为-2.0V时的电压波形图1.6 V1=-V2=2.0V时，输出的光信号波形及其啁啾量（Chirp）此外，为了观察啁啾量随电压的改变情况，当设定外加偏压为V1= -3V2=3.0V时，根据公式1可得到α为0.5，输入口2，3和输出口的信号波形可参见图1.7，1.8：以上两次不同V 1，V 2外置偏压的情况下，OptiSystem 提供了实际情况的模拟仿真，并可得到一系列结果：1 ) 当V 1=-V 2=2.0V 时，如图1.6所示，其中的亮红线为光发射器的啁啾量，可得到其图1.7 当V 1= -3V 2=3.0V 时，输入口2，3的电信号波形大小约为100Hz；相对于光源的频率，这个啁啾量在实际情况中可基本视为零。
2 ) 当V1=-3V2=3.0V时，如图1.8所示，啁啾量的大小约为3GHz，这个大小的啁啾量在实际情况中对输出光信号的灵敏度以及最终所能传输的距离都会有十分严重的影响，需要设计者避免和消除。
从本设计案例中，我们可以利用OptiSystem提供的元件和分析功能设计并得到关于LiNbO3 Mach-Zehnder调制器中的啁啾量大小随两路输入电压的变化关系，从而可在实际设计时针对一些参数进行设定和分析，以得到最佳的效果；更多关于Mach-Zehnder调制器的啁啾的分析可参见文献[1-3]。
参考文献：[1] Cartledge, J.C.; Rolland, C.;Lemerle, S.;Solheim, A., “ Theoretical performance of 10Gbps lightwave systems using a III-V semiconductor Mach-Zehnder modulator. IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 6 Issue: 2 , Feb .1994, Pages:282-284.[2] Cartledge, J.C.; “Performance of 10Gbps lightwave systems based on lithium niobate Mach-Zehnder modulators with asymmetric Y-branch waveguides”. IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 7 Issue: 9, Sept. 1995, Pages: 1090-1092.[3] AT&T Microelectronics. “The Relationship between Chirp and V oltage for the AT&T Mach-Zehnder Lithium Niobate Modulators”. Technical Note, October 1995.2 光接收机（Optical Receivers）设计2.1 光接收机简介在光纤通讯系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出由光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通讯系统的性能。
一般一个基本的光接收机有以下三个部分组成，可见图2.1：图2.1 光接收机的一般结构1)光检测器通常，接收到光脉冲所载的信号代表着0或者１的数位，利用光检测器，其转变为电信号。
目前广泛使用的光检测器是半导体光电二极管，主要有PIN管和雪崩光电二极管，后者又称APD管。
2)放大器包括前置放大器和主放大器，前者与光电检测器紧相连，故称前置放大器。
在一般的光纤通讯系统中，经光电检测器输出的光电流是十分微弱的，为了保证通信质量，显然，必须将这种微弱的电信号通过放大器进行放大。
在OptiSystem提供的Photodiode元件中已内置了前置放大器。
3)均衡器、滤波器需要均衡器、滤波器等其他电路装置对信号进行进一步的处理，消除放大器及其他部件（如光纤）等引起的波形失真，并使噪声及码间干扰减到最小。
接收机的噪声和接受机的带宽是成正比的，当使用带宽小于码率的的低通滤波器时，可以降低系统的噪声。
4)解调器为了使信码流能够并有利于在光纤系统中传输，光发射机输出的信号是经过编码处理的，为了使光接收机输出的信号能在PCM系统中传输，则需要将这些经编码处理的信号进行复原。
在该结构中，在已经内建了判决器和时钟恢复电路的误码率分析仪（BER Analyzer）中可以得到最终复原的信号，并可对最终的输出信号的误码率等各项参数进行检测、分析。
2.2光接收机模型设计案例：PIN光电二极管的噪声分析2.2.1 设计目的影响光接收机性能的主要因素就是接收机内的各种噪声源。
接收机中的放大器本身电阻会引入热噪声（Thermal Noise），而放大器的晶体管会引入散粒噪声（Shot Noise），而且多级放大器中会将前级的噪声同样放大，计算分析这些噪声对我们分析、优化光接收机以及整个光通讯系统都是有十分重要的作用。
