Optisystem仿真在光电信息实验中的应用

邹亚琪，薛同莲

(南通大学 理学院，江苏 南通 226001)

“光纤通信技术”作为通信工程、光电信息工程、电子信息工程专业的核心课程，主要讲授光纤通信的基本概念、传输理论、系统组成、新技术等内容[1]。为提高课程教学质量，配合开设了光电信息实验。目前在实验过程中存在一些问题：(1)现有实验设备功能固定、扩展性差，仅仅是对基本原理的简单验证；(2)光纤通信设备价格昂贵，引进或建设专业实验室难度较大；(3)专业知识更新速度快，课本及现有设备难以反映最新的发展成果；(4)在现有陈旧设备上，学生难于验证、实践对知识的构想[2]。

基于以上原因，通过实验改革，利用Optisystem仿真弥补缺少硬件实验器材所带来的不足，丰富实验内容，提升实验质量；同时，加深了学生对系统理论知识的理解和提高了知识运用能力。

1 理论研究

Optisystem 是Optiwave公司开发的一套光通信系统模拟软件，可以实现WDM/TDM 或 CATV 网络设计、SONET/SDH 设计、发送端、通道、放大器接收器设计、误码率估算以及对不同接收模式的系统性能估算等功能[3]。在最新版本的Optisystem中还加入了无源网络(WDM-PON) 、光纤接入技术(FTTx)、无线光通信(OWC)、光纤无线电(ROF)、双向AWG、微波组件、极大似然估计(MLSE)、自由空间光通信(FSO)、空间以及极坐标图、高级分析工具与S参量提取等新功能。Optisystem软件提供了丰富的器件库，其强大的功能完全可以满足基本的实验需求。在Optisystem仿真实验中，学生可以通过调整光学元器件参数，直观地模拟整个光纤通信系统的传输过程[4]。

根据培养计划，设置的实验内容包括：(1)光纤的传输特性及相关理论；(2)常见光无源器件的工作原理及参数测量；(3)光发送机的设计实验；(4)光接收机的设计实验；(5)光放大器的设计实验；(6)波分复用系统的设计。结合现有实验项目，利用Optisystem软件构建仿真平台，在原有硬件实验基础上，增加了仿真实验内容(包括不同调变形式在40 Gbit·s-1系统下的比较、PIN与APD性能比较、光纤色散补偿模块设计、光放大器增益优化设计和光波分复用WDM系统设计等[5])，逐步构建“基础型、综合型、创新型”的分层次实验教学体系[6]。

具体实施的过程中，虚实结合，由浅入深，从易到难，先完成基础验证型实验，在此基础上完成综合提高型和创新型实验。要求学生独立完成，并撰写详细的实验报告。

2 实例分析

基础验证型实验在硬件仪器上完成，使学习者对光通信设备、整个传输系统有直观的了解；受现有设备限制，综合提高型实验则利用Optisystem软件，搭建完整的通信系统，观察实验现象、分析实验结果；创新型实验由学生提出构想，结合相关理论知识，自行设计完成对构想的验证。以波分复用的设计实验为例，说明实验改革的具体实施方法[7]。

2.1 基础验证型实验

基础的光纤通信系统由发送机，传输介质(光纤)，接收机3部分构成。利用实验室现有仪器设备(激光光源、波分复用器、示波器)，构建两信道的波分复用(WDM)系统，首先了解光通信系统的构成，直接观察实验现象。

图1 两信道WDM系统实验原理图

在实验过程中，利用示波器观察实验中的现象，但由于条件限制，基本上一台硬件设备只能相应地配一套观察设备，很难满足同时监测多点信号[8]。借助Optisystem软件，则可以实现对多点信号的对比分析。

2.2 综合提高型实验

在验证型实验基础上，利用 Optisystem 仿真软件，让学生根据实验要求及步骤，设计出4信道波分复用(WDM)系统。在设计过程中，将理论与实践相结合，有利于加强对波分复用系统的了解。

实验要求：

(1)外调制：随机二进制码发生器(Pseudo-Random Bit Sequence Generator)和非归零码产生器(NRZ Pulse Generator)产生数字基带信息，基带信号对连续波激光(CW Laser)产生的光载波通过马赫伦德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator)进行调制；

(2)信道间隔：信道间隔为0.1 THz，频率范围为193.1～193.4 THz；

(3)传输链路：借助循环控制(Loop Control)来实现长距离传输。单个循环中，采用一个单模光纤(Optical fiber)与一个光放大器(Optical Amplifier)组合。通过3次循环实现 300 km 的数据传输；

(4)光电检测：各路光信号经过PIN管光电检测器(Photodetector PIN)得到电信号，再经过低通贝塞尔滤波器(Low Pass Bessel Filter)滤除带外噪声，还原出该路电信号；

(5)观测器选择：使用示波器(Oscilloscope Visualizer)、光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer)、眼图和误码率分析仪(BER Analyzer)对传输特性进行测量，从而估测系统的合理性。

图2 4信道WDM系统仿真图

软件使用的相关参数，如表1所示。

表1 WDM系统相关参数

图3为发送端WDM信号的频谱图，由Optical Spectrum Analyzer监测。图4为接收端WDM信号的频谱图，由Optical Spectrum Analyzer_2监测。

图3 发送端WDM信号的频谱图

图4 接收端WDM信号的频谱图

比较两图可以发现，光信号经过一定距离的传输，由于损耗的存在，光功率有一定程度的衰减。假如传输链路中不增加光放大器(OA)，损耗会严重很多，OA能有效抑制损耗带来的影响。需要引起关注的是：由于单模光纤的色散与非线性效应，导致信号展宽，而且在原频谱两侧出现了新的波长信号，这主要是由于非线性效应中四波混频引起的[9]。

图5为传输300 km(增加Optical fiber_1前)后的眼图，图6为传输400 km(增加Optical fiber_1后)后的眼图，均由BER Analyzer检测。

图5 传输300 km的眼图

图6 传输400 km的眼图

由于光信号经过Optical fiber_1 后没有再被放大，由于损耗的存在使得光功率降低，因此接收端的眼图和Q值相对于图5(增加Optical fiber_1前的眼图)要差得多[10]。从图6中看出，现在传输系统的噪声较大，也就是码间干扰较大，误码率也会因此增加。

2.3 创新型实验

给出实验要求及预期效果，或让学习者提出构想，自行设计光通信系统，充分激发学生的学习兴趣，培养学生的创造意识。在综合提高型实验基础上，为提高传输性能，提出以下3点要求：(1)在Optical Fiber_1后增加光放大器OA，将监测的眼图与图6比较；调节放大器OA中Gain参数，使获得更佳的传输性能；(2)为抑制信号展宽，在传输链路中增加色散补偿模块。增加后的频谱图与图4做比较，分析色散特性对信号传输的影响；(3)调节信号间隔能有效抑制4波混频，更改间隔，对比前后频率图，分析信道间隔对系统性能的影响[11]。

3 结束语

借助Optisystem仿真平台改革光电信息实验，会带来以下优点：(1)开设仿真实验，利用Optisystem软件，可以直接使用器件库里光学元件构建光通信系统，解决了实验设备功能固定、扩展性差所带来的问题。利用仿真软件进行系统性能分析，有利于引导学生对复杂系统进行探索，提高对系统性能的全面认识；(2)仿真实验与实际操作的结合，仿真实验不能完全替代操作性实验，而应作为操作性实验的补充和延伸。将仿真实验与实际操作相结合，不仅能进一步强化操作技能，提高实验教学效果；而且有利于强化工程意识，改进思维模式[12]；(3)提高学生自主学习意识，Optisystem仿真打破了硬件电路设计的限制，增加了主观能动性，激发学习兴趣，培养创造意识。