OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用

方案，可以最大程度地降低时间要求和光学系统、链路和元件的设计相关成本[5]。

1 OptiSystem仿真实验

为配合光纤通信课程教学内容的学习，本研究选取了光纤的色散[6]、激光器的调制频率特性、掺铒光纤放大器、光接收机及WDM系统[7]等5个OptiSystem仿真实验。

1.1 光纤的色散实验

光纤介质的非线性使接收的光脉冲包络的形状会发生变化，引起传输波形的展宽。本研究用以考察光纤的群速度色散（GVD）对高斯脉冲传播的影响，仿真模型如图1所示。在仿真模型中：Bit rate=40 Gb/s；Optical Fiber参数：length=2.812km，Reference wavelength=1550nm，Beta2=-20（ps）2/km。

仿真结果：输出脉冲宽度T（z）随传播方向z按公式（1）增加，输出峰值功率按公式（2）变化。

光纤的群速度色散（GVD）对高斯脉冲传播的仿真结果如图2所示。由图2可以看出，输出脉冲比输入脉冲展宽了，而峰值下降了。

1.2 激光器的调制频率特性实验

在高速光纤传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时，调制频率必须小于激光场的弛豫频率，而弛豫频率随半导体激光器的偏置电流的增大而增高。通过这一实验可以观察当偏置电流变化从而改变弛豫频率时，高速光纤传输系统的性能变化情况[8]，仿真模型如图3所示。图3中，Ith=33.45mA，τsp=1ns，τph=3ps，I0=IB=40mA，Sequence length 128 bits，Samples per bit 512。

仿真结果：在直接光强度调制下弛豫频率与有源区内的电子寿命和谐振腔内的光子寿命的关系为

根据仿真模型设定的参数可以得到弛豫频率fres≈1.3GHz。图4给出了系统性能与调制频率的关系。当调制频率为1.3GHz时如图4（a）所示；当调制频率为5GHz时如图4（b）所示。由图4可看出，当调制频率高于弛豫频率后，系统性能严重变坏。

1.3 掺铒光纤放大器（EDFA）实验

EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，如副载波CATV系统、WDM或OFDM系统、相干光通信及孤子通信系统等。本研究用于分析EDFA的频率特性和噪声性能[9]，仿真模型如图5所示。在仿真模型中掺铒光纤参数：Length 7m，Core radius 2.2m，Er metastable lifetime 10ms，Er doping radius 2.2m，Er ion density 1e+025m3，Numerical aperture 0.24。

仿真结果如图6所示。图6中，（a）为CW激光器的频率与EDFA增益的关系曲线，（b）为信号输入功率与EDFA增益曲线，（c）为功率噪声曲线。

1.4 光接收机实验

光接收机主要的性能指标是灵敏度和动态范围。本研究的目的是了解光接收机灵敏度与误码率的关系及灵敏度与最小输入功率的关系[10]，仿真模型如图7所示。

实际光接收机灵敏度的计算比较复杂，可粗略表示为

仿真结果如图8所示。图8中，（a）是衰减与Q因子的关系曲线，（b）是衰减与误码率曲线。

1.5 WDM系统实验

波分复用是光纤通信系统扩大传输容量，提高传输速率的主要途径之一，仿真模型如图9所示。图9中，利用Mach-Zehnder调制器进行外调制，16路复用，光发射器参数：Bit rate 40Gb/s。线路由50km单模光纤与10km色散补偿光纤构成循环单元，采用掺饵光纤放大器。解复用器参数：Bandwidth 8e+010Hz，Depth 100dB，Filter type Bessel，Filter order 6。图10为WDM系统实验仿真结果，图中给出了解复用器之前光纤线路之后的光谱图，图中较低的部分为噪声部分。

2 结束语

本文根据光纤通信课程的理论教学内容选出了上述5个仿真实验作为实验教学项目。实践表明，OptiSystem仿真实验直观明了，可以反复观察练习，提高了学生的学习兴趣，有利于学生对抽象的光纤通信理论教学内容的理解，同时可以节省较高的实验费用，在实验教学中取得了较好效果。

参考文献：

[1] 张宝富，谭笑，蒋慧娟. 光纤通信系统原理与实验教程[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[2] 张淑娥，李永倩，杨再旺. “光纤通信原理”精品课程实验建设探究[J]. 实验技术与管理，2010，27（5）：165-169.

[3] 周雪芳，王天枢. 仿真软件在《光纤通信》实验教学中的应用研究[J]. 实验科学与技术，2011，9（5）：53-56.

[4] 杨絮，朱一峰，陈桂芬. 光纤通信系统仿真技术在实验教学中的应用[J]. 中国科教创新导刊，2009（34）：48.

[5] Optiwave Corporation.OptiSystem 7.0：OptiSystem User’s Reference. 2008.

[6] 胡章芳，席兵. 光纤通信系统的计算机仿真[J]. 电脑开发与应用，2005，18（9）：11-12.

（责任编辑：徐兴华）