基于OptiSystem的相干光纤通信系统仿真研究

姜波波

（安徽长安专用汽车制造有限公司，安徽 六安 237000）

0 引 言

随着信息化的发展，光通信市场急需要传输速率较高的传输系统。相干光通信的出现，为光通信的世界带来了一场变革。相干光通信系统采用的相干检测光接收机具有灵敏度高、中继距离长、选择性好以及通信容量大等众多优点，在光纤传输系统中发挥着重要作用。相干光纤通信系统为超大容量和超高速通信提供了灵活的调制检测方式。相对于传统的光纤通信系统来说，高速相干光纤通信对调制和解调技术有着较高要求。高速相干光纤通信系统的解调技术有零差相干检测技术、外差相干检测技术及自相干解调技术。其中，调制解调技术直接影响高速相干光纤通信系统性能，因此需要研究者高度重视[1-4]。

1 实验环境及电路图

根据光调制与发射过程的关系，光发送系统调制可分为直接调制和间接调制。然而，由于光源的发光和调制过程都集中在PN结区完成，导致载流子和光子的作用关系变得复杂。调制过程中的瞬态变化会影响谐振腔的震荡性能，随后可能引起明显的动态谱线展宽。这种调制啁啾加剧了光纤链路色散的影响，并且给光纤通信带来了诸多不利[5-7]。

在本设计的接收端采用相干检测，用X型耦合器将本振光与信号光两路信号耦合在一起。在接收端连接偏振计、眼图以及误码率分析仪来分析光纤传输参数。设计的光源的频率为193.1 THz，仿真光路图如图1所示。

图1 振幅调制光路图

改变光纤通信参数，选出振幅调制中的最优传输方案。光纤通信中使用的有3个低损耗波长分别为850 nm、1 310 nm和1 550 nm。本次仿真中分别对这3个参数进行比较，眼图仿真结果如图2所示。

图2的横坐标表示周期，纵坐标表示幅度，从图中可以看出，波长为1 550 nm的系统的传输性能明显比850 nm和1 330 nm的性能好，故在本次设计中波长采用1 550 nm。在波长为1 550 nm的基础上，改变光纤参数中的色散值，设计了3 ps/nm·km、5 ps/nm·km以及7 ps/nm·km共3个色散值，眼图仿真结果如图3所示。

图2 不同波长眼图结果

可以看出，色散为5 ps/nm·km的系统的性能比色散为3 ps/nm·km和4 ps/nm·km的系统性能好，故设计中色散采用5 ps/nm·km。

采用控制变量法，即保持一个变量或者多个变量不变，调整另一个变量或多个变量，探究变量之间的关系。设计中利用控制变量法保持波长为1 550 nm，色散值为5 ps/nm·km不变，改变其他变量，观察频率调制和相位调制对光纤通信的影响，从而选择出最好的光纤传输。

图3 不同色散眼图结果

从以上结果可以看出，波长为1 550 nm的光源、色散值为5 ps/nm·km的光纤链路的光纤传输性能最好。下面探究振幅、频率以及相位之间的调制性能。在保持其他变量一致的情况下，将图1中的振幅调制器变换为频率调制器与相位调制器。

2 实验结果及分析

图4为振幅、频率以及相位调制偏振计仿真结果。从仿真结果看，在频率为193.1 THz、带宽为100 GHz、标准偏差为0.001 dBm的情况下，振幅、频率以及相位3种调制偏振仿真结果误差不大。

图4 振幅、频率以及相位调制偏振计仿真结果

图5 振幅、频率以及相位调制眼图

图5为振幅、频率以及相位调制眼图。从眼图结果看，设计的光电路振幅调制所展现的眼图的仿真效果比另两种调制方式更理想。这是因为频率调制采用多载波调制，其中最重要的是FFT点数的大小。FFT点数决定了频率调制系统中副载波的数目，载波数越大，载波间的干扰越大，眼图效果越差。而在相干检测中，相位调制的本振光与信号光经过X耦合器耦合在一起，但X耦合器的上臂与下臂的相位差为θ/2，导致信号光与本振光的相位差θ/2，故在相位调制的相干检测过程中发生了严重的码间干扰，导致眼图的结果不理想[8,9]。

3 结 论

利用OptiSystem仿真软件设计出振幅、相位以及频率调制的光路图，进而仿真出振幅、相位以及频率调制的结果，再分别从偏振计仿真结果、光时域观察仪仿真结果以及眼图仿真结果，分析振幅调制、频率调制以及相位调制的光纤传输性能，从而选出最优的传输方案。由于振幅调制是强度调制，其耦合器的使用并不影响其调制信号，因此可降低其干扰噪声及其误码率。综上所述，振幅调制相较相位调制和频率调制方式传输性能更优。