光孤子通信系统的仿真*

2012-08-10杨慧敏

通信技术 2012年8期

杨慧敏

（菏泽学院物理系，山东菏泽 274015）

0 引言

OptiSystem 是一款创新的光通信系统仿真设计软件，它能使用户在从长距离通信到LANS 和MANS的光网络传输层上进行设计、测试和优化等各种功能[1-2]。

OptiSystem具有强大的模拟仿真环境和真实的器件和系统的分级定义。它的器件库中包括的模型超过200种，它的性能可以通过完整的仿真界面和附加的用户级器件库进行扩展实现。OptiSystem系统里全面的图形用户级界面可以提供光子器件模型、设计和演示；无源和有源的器件库可以提供实际波长的相关参数；参数优化和参数扫描可以让用户研究特定器件的参数对系统性能造成的其他影响，为模拟现实的光通信器件光通信系统提供了条件，而逐渐成为光通信领域仿真实验中广泛使用的工具[3-5]。

1 光孤子通信系统

光脉冲在光纤中传输时，群速速度色散系数(GVD)会使脉冲在传输过程中不断展宽，而非线性系数会使脉冲压缩。这两种因素之间具有一定的关系，当色散的作用和非线性的作用相互平衡时，脉冲展宽和压缩的现象就会抵消，从而产生一种新的光脉冲，这种光脉冲在光纤中可以无畸变的传输，是孤立的，不受外界条件的影响，称为光孤子[6]。光孤子可以在传输过程中一直保持形状变，从而可以实现脉冲的超长距离传输。据有关文献报道[7-8]，孤子传输的最高实验速率可达160 Gbit/s。美国和日本利用太平洋海底光缆构建了光孤子传输的实用系统，未来光孤子通信的主要应用领域将会是在越洋长距离传输方面[9]。

光孤子通信系统的基本结构原理图如图1所示。首先光孤子源产生光孤子脉冲信号，然后通过调制器，电脉冲源信号会对光孤子脉冲进行相关调制，将信号加载到光孤子脉冲上，之后经放大器放大后耦合到光纤中进行传输。传输路径中会有一些放大器以补偿脉冲的功率衰减，同时也会平衡色散与非线性之间的相互作用，以保证传输过程中光孤子的幅度和形状保持不变。接收端接收到的光孤子脉冲载波经放大、整形和解调后还原为初始信号。

图1 光孤子通信系统的基本结构

光孤子通信系统中，关键的技术是光脉冲发生器和脉冲在传输中的能量补偿问题。目前可供使用的光孤子脉冲源很多，主要有：掺铒光纤孤子激光器、喇曼孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器、参量孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。光孤子脉冲在光纤中传输时不可避免地存在损耗，损耗会降低孤子脉冲的幅度，但是并不会改变孤子的形状，为了补偿这些能量损耗，目前有常有的方法有两种[7]：①采用分布式光放大器的方法，即采用受激拉曼散射放大器或分布式掺铒光纤放大器补偿脉冲能量的损耗；②另一种是采用集总光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器补偿脉冲能量的损耗。其中利用掺铒光纤放大器放大实现的能量补偿，其稳定性在理论和实验上都已得到了相关证明，是当前光孤子通信系统中最主要的放大方法。

2 光孤子通信系统的Optisystem仿真

2.1 实验流程

基于光孤子通信系统的基本结构原理图，在Optisystem软件平台上搭建了光孤子通信系统的仿真模型，如图2所示。

图2 光孤子通信系统的Optisystem仿真流程

模型中采用的光源是半导体激光器；采用的光放大器是掺铒光纤放大器；采用的光纤是色散补偿位移光纤，目的是对系统中色散因素导致的脉冲失真进行恢复和补偿；为了观测光路中各点的光谱情况，采用光谱仪作为观察仪器。

2.2 参数设定

在仿真模型中用鼠标双击某个元件就可以打开其参数设置菜单，在相应框内即可设定或更改其参数值。系统中所有元件的参数设置完毕之后，点击Optisystem工具菜单栏中的“calculate”即可进行仿真计算。然后，点击光谱仪就可以观测到仿真结果。

仿真中在相应元件上使用鼠标双击打开该元件的参数设置菜单，在“value”框内可更改参数取值，设置完毕后点击菜单栏中“calculate”进行计算。计算完毕后，可双击光谱仪对仿真结果进行观测。

为了模拟光孤子通信系统的实验，系统整体参数设置如下：脉冲传输速率设为10 Gbit/s；发送端序列脉冲信号设置为：“1001011010010110”；脉冲入纤功率设置为：10 dBm;光纤传输长度设置为:50 km,光纤损耗系数设为0.2 dB/km。

2.3 仿真结果

点击Optisystem工具菜单栏中的“calculate”进行仿真，实验运行的结果如图3所示。图3中横坐标0/T T表示的是归一化脉冲宽度（T表示脉冲宽度，01psT= ），纵坐标2U 表示的是脉冲传输幅度。曲线 a表示的是原始光孤子脉冲信号的波形图，曲线b表示的是经过10 km的有损光纤后脉冲波形，可见脉冲宽度由于色散因素展宽了，脉冲宽度增宽了将近4倍于初始的脉宽；假设系统采用色散补偿值为-160 ps/nm色散补偿位移光纤，经过仿真模拟后，可在光时域探测仪中观察到脉冲传输10 km后经过补偿光纤后的脉冲形状如图3曲线c所示，对比可以看出经过补偿后的脉冲宽度恢复到了原始的脉冲宽度，实现了色散补偿。