应用OptiSystem的仿真实例

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 Voltage for the AT&T Mach-Zehnder Lithium Niobate Modulators”. Technical Note, October 1995.
hf 光电效应
增益
前放
●量子（散粒）噪声●暗电流噪声●倍增噪声 ●背景噪声●漏电流噪声 图 2.2 光接收机中的噪声源及其分布
偏置电阻 ●热噪声 ●放大器噪声
2.2.3 模型的设计布局图 图 2.3 为 PIN 光电二极管噪声分析的 OptiSystem 设计布局图：
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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。 2.2.2 原理简介 噪声是一种随机性的起伏量， 它表现为无规则的电磁场形式， 是电信号中一种不需要的成分， 干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。在光接收机中，可能存在多 种噪声源，它们的引入部位如图 2.2 所示。 光检测器
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图 1.7 当 V1= -3V2=3.0V 时，输入口 2，3 的电信号波形 以上两次不同 V1，V2 外置偏压的情况下，OptiSystem 提供了实际情况的模拟仿真，并
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可得到一系列结果： 1 ) 当 V1=-V2=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 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]。
图 1.4 LiNbO3 Mach-Zehnder 调制器的参数设置 啁啾（Chirp）量可根据两路的驱动偏压值得到，如公式 1.1，其中 V1，V2 分别为两个驱动 电路的驱动电压，α 为啁啾系数：

V1 V2 V1 V2
(1)
图 1.5 为一系列信号脉冲输入时，在 2，3 口的电压 V1= –V2 = 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 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。
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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：
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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。
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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：
图 1.3 双驱动型 LiNbO3 Mach-Zehnder 调制激光发送机设计图
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1.2.4 模拟分析 在图 1.3 中，驱动电路 1 的电压改变量 ΔV1 和驱动电路 2 的电压改变量 ΔV2 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 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，V2 大小分别为 V1 的-1，0，-3 倍）后到 MZ 调制器的另一个输入口。
图 2.3 光电二极管的噪声分析 的设计布局图
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图 2.4 光电二极管的 Shot Noise（上图） 图 2.5 光电二极管的 Thermal Noise（下图） 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 两路相同的信号分别送入不同噪声设置的光电二极管。上端的 PIN 管不考虑热噪声，而具 有 Shot 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 滤波器和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和码率都是一样的。 在图 2.4 中，用户可以看到上端 PIN 管中 Shot Noise 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是依赖于 信号强度的。从本例中，我们可以观察到热噪声和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和计算。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是最主要的噪声源。
1.2
光发送机模型设计案例：铌酸锂（LiNbO3）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（LiNO3）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：
图 2 外调制激光发射机
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使用一个 Pseudo-Random Bit Sequence 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。