OptiSystem軟件在光纖通信的應用

時間:2022-01-13 10:27:03

導語:OptiSystem軟件在光纖通信的應用一文來源于網友上傳,不代表本站觀點,若需要原創文章可咨詢客服老師,歡迎參考。

OptiSystem軟件在光纖通信的應用

摘要:為了解決教學實驗設備難以滿足課程需要的問題,將optisystem軟件引入到光纖通信實驗教學中.利用軟件豐富的器件及儀器庫,設計了綜合性實驗和設計研究型實驗.綜合性實驗有利于學生掌握光纖通信的課程體系,鞏固知識點.設計研究型實驗能夠培養學生設計能力,通過問題的分析和解決,提升學生的科學素養.OptiSystem軟件的使用,克服了傳統單一實驗箱實驗教學的限制,增強了實驗設計的靈活性,改善了教學效果.

關鍵詞:光纖通信;OptiSystem軟件;實驗教學

光纖通信是以光波為載波,以光纖為傳輸媒質的通信方式.光纖通信以其傳輸容量大、中繼距離長等優點成為了目前有線通信的主要方式[1],是構建當前信息社會的基石[2-3].因此,光纖通信課程成為了通信工程專業、電子信息工程專業等的重要專業課程.光纖通信課程實驗教學是驗證、鞏固理論知識學習的主要手段,是光纖通信課程的重要組成部分.當前,光纖通信實驗教學主要以基于實驗箱的驗證性實驗為主,普通本科院校財力有限,通常難以購買昂貴的綜合性和設計研究型實驗設備,一定程度上限制了光纖通信課程的實驗教學效果[4].OptiSystem是一種先進的光通信系統仿真軟件,具有完備的器件庫和儀器庫,使用方便靈活[5-6].將OptiSystem軟件引入光纖通信實驗教學[7],在采用實驗箱完成基礎性驗證實驗之后,利用OptiSystem豐富的器件資源、儀器資源和靈活性[8],開展綜合性實驗和設計研究型實驗,有利于增強學生對光纖通信系統的整體把握,有利于學生深刻地理解所學知識,更直觀地理解知識點,改善實驗教學效果.

1OptiSystem軟件在綜合性實驗中的應用

為了使學生對光纖通信知識體系實現更全面的把握,采用OptiSystem軟件設計綜合性實驗——光纖通信系統色散補償實驗(見圖1).首先該實驗需要按照光纖通信系統的基本結構建立光纖通信系統的模型,包含了直接調制光發送機、光纖線路、光放大器、光接收機等部分.基本光纖通信系統模型的建立,有利于鞏固學生對光纖通信系統基本結構的認識.光發送機采用的是間接調制方式,相比于直接調制方式降低了頻率啁啾效應對光譜和光時域波形的影響.在光纖兩側采用光功率計測量光信號在光纖線路傳輸前后的光功率變化,可以幫助學生認識到損耗對光纖通信系統的影響.而光放大器前后光功率的比較,可以使學生認識到光放大器能夠補償光纖損耗的影響,提高信號功率,增加信號的傳輸距離.光纖前后采用光示波器測量光信號時域波形,波形的變化反映了光纖色散的影響,證明了光纖中不同波長成分傳輸速度不同引起的時延變化量會使光脈沖產生展寬.第2段光纖輸出的信號采用軟件中的Fork元件復制成2路,第1路不進行色散補償,直接采用光接收機進行接收,并采用誤碼率分析儀進行測試.從測試結果中觀察眼圖、Q因子和誤碼率等指標.學生通過觀察和分析測試結果更好地理解光纖通信系統的評價方式.第2路信號采用色散補償光柵進行色散補償,色散補償后的光信號也采用光示波器測試其時域波形,觀察色散補償對光時域波形的影響,補償后信號再采用光接收機進行接收,并用誤碼率分析儀進行測試.通過對帶色散補償模塊的光纖通信系統和不帶色散補償模塊的光纖通信系統性能進行比較分析,能夠幫助學生理解光纖的色散對光纖通信系統性能的影響,光纖通信系統誤碼率與Q因子之間的關系等.為了達到較好的色散補償效果,需要合理地設置色散補償模塊的色散值.最優的色散值取決于光纖的色散系數和光纖線路中光纖的長度[9],該色散值的設定可以幫助學生加強對色散補償技術知識的鞏固.采用OptiSystem軟件設計的該綜合性實驗涉及到光纖通信系統的基本構成,鞏固了第1章“導論”部分的主要知識點.光發送機采用間接調制方式,實驗時讓學生回顧直接調制和間接調制的區別,各自的優缺點,指出本實驗采用間接調制光發送機的原因,涉及到第3章“光源和光發送機”部分的內容.實驗中通過光功率計觀察了光纖前后光信號的功率,采用光示波器觀察了光纖前后信號的時域波形,驗證了光纖的損耗、色散等傳輸特性對光信號的影響,涉及到了第2章“光纖與光纜”部分的內容.光纖線路輸出的光信號采用光接收機進行接收,并采用誤碼率分析儀進行測試,涉及到了第4章“光檢測器和光接收機”部分中光接收機的靈敏度、Q因子、誤碼率等內容.此外,該實驗還用到光放大器的應用及色散補償技術的實施、效果評估等知識點[10].通過該綜合性實驗,可以對光纖通信課程的主要內容進行應用、驗證,實現理論知識在實踐中應用,實驗應用中鞏固理論知識學習效果的目標.

2OptiSystem軟件在設計研究型實驗中的應用

為了培養學生利用科學方法解決實際問題的能力,采用OptiSystem軟件設計了EDFA的設計研究型實驗——雙向泵浦EDFA鉺纖長度優化實驗(見圖2).摻鉺光纖放大器(EDFA)是目前高速率大容量光纖通信系統的重要組成部分[11].雙向泵浦EDFA因具有可實現高增益、高輸出功率等特點,是EDFA一種重要的結構形式,包括摻鉺光纖、2個泵浦源、光波復用器、濾波器等組成部分[12],以及信號光輸入、信號光輸出端口等輸入輸出端口.要求學生根據雙向泵浦EDFA的結構,采用OptiSystem軟件建立雙向泵浦EDFA的仿真模型.采用連續波激光器發出的光信號作為待放大的信號源,信號光功率設為-30dBm,模擬待放大的小信號.雙向泵浦EDFA中摻鉺光纖的兩側各有一個泵浦源.OptiSystem軟件中摻鉺光纖模型在兩側各有一個輸入端口,則摻鉺光纖右側的泵浦源可通過右側的輸入端口注入到摻鉺光纖中去.摻鉺光纖左側需同時注入信號光和一路泵浦光,則首先需要一個光波復用器將信號光和泵浦光兩路光信號注入到同一根光纖中傳輸.在摻鉺光纖右側的輸出端添加光譜分析儀測試輸出端光譜.通過進行初步的運行仿真,觀測摻鉺光纖右側輸出端的光譜儀可以看到,摻鉺光纖輸出的光信號中包括了被放大的信號光、殘余的泵浦光及自發輻射噪聲.為了將信號光與殘余的泵浦光分離,并濾掉一部分自發輻射噪聲,在輸出端加入一個解復用器實現濾波功能.解復用器的一個輸出端即為EDFA放大后信號的輸出端.為了測試EDFA的功率增益和噪聲指數,采用了2臺雙通道WDM分析儀分別測試不含解復用器的EDFA和包含解復用器的EDFA的功率增益和噪聲指數.2臺WDM分析儀測試結果的對比可以讓學生觀察到解復用器可實現的濾波功能.仿真模型搭建完成后,要求學生設置2個不同的摻鉺光纖長度,觀察EDFA功率增益的差異.實驗結果說明,不同的摻鉺光纖長度下EDFA可實現的增益是不同的.那么提出問題:EDFA增益與摻鉺光纖長度之間有什么關系;為了獲得最大的功率增益,需要將摻鉺光纖長度設置為多長.該問題就是本實驗要研究解決的問題.在仿真模型已初步建立的基礎上,學生一般能夠想到繼續設置多個不同的摻鉺光纖長度,進行多次仿真后,畫出增益與光纖長度之間的關系圖,就回答了前面提出的問題.這種思路是正確的,但實際操作比較繁瑣,需要多次設置參數、多次仿真、記錄多個增益值,再用畫圖軟件畫圖.向學生介紹OptiSystem軟件提供的一種較為簡單的方式.首選將光纖長度參數由“Normal”模式更改為“Sweep”模式,然后設置軟件仿真的掃描迭代次數.掃描迭代次數根據光纖長度的調整范圍和間隔確定,本實驗中將摻鉺光纖長度設置為5~20m,為了降低仿真所需的時間,將光纖長度的變化間隔設為1m,那么進行掃描迭代的次數應設為16次.接著設置摻鉺光纖的掃描長度,設為5~20m,變化步長為1m.設置完成后開始仿真工作,利用軟件的報告生成功能,可以獲得信號增益與光纖長度的關系圖(見圖3).從圖3中可以看出,當光纖長度為13m時,EDFA實現了最高的增益,為42.18dB.本實驗首先根據雙向泵浦EDFA的結構,設計建立了雙向泵浦EDFA的仿真模型.通過問題的提出,引導學生思考EDFA中光學器件參數的優化問題.研究了摻鉺光纖長度對放大器增益的影響,獲得了在要求的光路配置下可實現最大EDFA增益的摻鉺光纖長度.結合課堂教學中學到的理論,引導學生分析EDFA增益隨摻鉺光纖長度變化的機理.本實驗要求學生根據理論課學習的知識完成了雙向泵浦摻鉺光纖放大器的設計,設計中考慮了被放大信號的功率特點,泵浦源的功率、輸出信號光譜及濾波的需求,實現了對學生設計能力的初步鍛煉.給學生提出的問題相當于一個小的研究任務,引導學生思考解決問題的方法,采用軟件仿真方法獲得了EDFA增益與摻鉺光纖長度的關系,解決了問題,并分析仿真結果產生的原因.實驗過程體現了提出問題、分析問題、解決問題的基本研究思路,培養了科學的思維方法.該思路對于其它系統中參數的優化研究均具有參考意義.通過實驗,學生還可以驗證光濾波器對信號噪聲特性的改善效果.從2臺WDM分析儀中分別讀取不同鉺纖長度下解復用器濾波前后雙向泵浦EDFA的噪聲指數(見表1),解復用器濾波后EDFA噪聲指數明顯降低.不同鉺纖長度下,噪聲指數的降低幅度基本相同,約為1.82dB.濾波前后噪聲指數的比較能夠幫助學生理解光濾波器在EDFA中的作用,進一步鞏固對EDFA結構和功能的掌握.

3結語

采用OptiSystem軟件設計了光纖通信課程的綜合性實驗和設計研究型實驗.綜合性實驗涉及到了課程中大部分章節的知識點,增強了學生對光纖通信課程的整體把握能力.設計研究型實驗通過將課本上的結構圖轉化成摻鉺光纖放大器仿真模型,培養了學生的設計能力.通過提出一個問題作為研究目標,引導學生通過仿真軟件學習解決問題的思路,得到問題的結果,培養了學生分析問題、解決問題的能力.OptiSystem軟件在光纖通信實驗教學中的應用解決了普通院校實驗設備比較落后,僅能開展驗證性實驗的問題,有利于學生對課程體系的掌握和科學素養的培養.

參考文獻:

[1]趙梓森.光纖通信的過去、現在和未來[J].光學學報,2011,31(9):91-93.

[2]余少華,何煒.光纖通信技術發展綜述[J].中國科學(信息科學),2020,50(9):87-102.

[3]談仲緯,呂超.光纖通信技術發展現狀與展望[J].中國工程科學,2020,22(3):100-107.

[4]汪徐德,周正,梁勤妹,等.依托科研實踐平臺輔助光纖通信教學[J].淮北師范大學學報(自然科學版),2020,41(3):81-85.

[5]徐云霞,時翔,湯祺,等.基于Optisystem的光纖通信系統設計與仿真[J].無線互聯科技,2021,18(6):3-6.

[6]楊東.基于OptiSystem的光纖通信實驗項目的設計[J].大學物理實驗,2019,32(3):57-62.

[7]舒志峰,余龍寶,李大創,等.基于Optiwave仿真平臺的光通信系統仿真分析[J].池州學院學報,2017,31(3):149-151.

[8]郭淑琴,周守利.光纖通信原理多元化課堂教學模式研究[J].高師理科學刊,2020,40(1):73-76.

[9]胡學東,季玉雙,喬宇,等.WDM系統中分波長補償與對稱補償相結合的色散補償方案[J].內蒙古大學學報(自然科學版),2020,51(6):635-639.

[10]沈建華,陳健,李履信.光纖通信系統[M].3版.北京:機械工業出版社,2014.

[11]江騰蛟.利用Optisystem仿真研究EDFA增益的影響因素[J].光通信技術,2013,37(8):18-20.

[12]褚應波,婁陽,陳陽,等.超寬帶、高增益、低噪聲L-band擴展摻鉺光纖及其放大性能研究[J].中國激光,2021,48(7):0715001-1-0715001-5.

作者:王學勤 鄭艷彬 單位:棗莊學院 光電工程學院