OptiSystem在光纤通信课堂教学中的应用

王学勤

摘  要：為了提高学生的学习兴趣，帮助学生理解、掌握知识点，提升光纤通信课程的教学效果，将OptiSystem软件引入光纤通信课堂教学。该文以光纤传输特性部分的教学内容为例，针对光纤的损耗、色散和非线性效应三项光纤的传输特性，搭建OptiSystem仿真模型，演示光纤的传输特性对光纤中传输信号的影响，进而分析对光纤通信系统性能的影响。通过仿真演示，使学生更直观地理解光信号在光纤中传输时的时域、频域变化特征，掌握光纤传输特性对光纤通信系统的影响机理。

关键词：光纤通信  OptiSystem软件  光纤传输特性  课堂教学

中图分类号：G642.0    文献标识码：A

Application of OptiSystem in the Classroom Teaching of Fiber-Optic Communications

—Taking Fiber-Optic Transmission Characteristics as an Example

WANG Xueqin*

（School of Optoelectronic Engineering， Zaozhuang University， Zaozhuang， Shandong Province， 277160 China）

Abstract：In order to improve students’ interest in learning， help students understand and master knowledge points， and improve the teaching effect of Fiber-Optic Communications， OptiSystem software is introduced to the classroom teaching of Fiber-Optic Communications. Taking the teaching content of fiber-optic transmission characteristics as an example， aiming at three fiber-optic transmission characteristics： the loss， dispersion and nonlinear effect of optical fibers， this paper builds the OptiSystem simulation model to demonstrate the impact of fiber-optic transmission characteristics on transmission signals in optical fibers， and then analyze the impact on the performance of the fiber-optic communication system. Through the simulation demo， students can more intuitively understand the time-domain and frequency-domain variation characteristics of optical signals when they are transmitted in optical fibers， and master the influence mechanism of fiber-optic transmission characteristics on the fiber-optic communication system.

Key Words： Fiber-Optic Communications; OptiSystem software; Fiber-optic transmission characteristic; Classroom teaching

OptiSystem是一种光通信系统仿真程序包，具有丰富的组件库，可用于光纤通信系统的建模仿真[1]。OptiSystem软件在光纤通信课程实验教学中获得了较为广泛的应用，有利于教师优化实验设置，设计综合性实验和研究型实验，成为了实验箱实验的有力补充[2-3]。但OptiSystem在光纤通信课堂教学中的应用鲜有报道，文章将OptiSystem引入课堂教学，利用软件丰富的器件库和系统搭建的灵活性[4]，帮助学生理解掌握知识点、建立知识体系、提升思考探索能力。

光纤是光纤通信系统的传输媒质，光纤的传输特性是光纤通信系统性能的重要影响因素。因此，光纤传输特性部分的教学是学生理解通信信道中光信号变化特性及规律，掌握光纤传输特性对光纤通信系统容量的影响机制，了解光纤通信技术演进历程的重要组成部分，是光纤通信课堂教学中的一部分重要内容。文章以光纤传输特性为例，探讨OptiSystem软件在光纤通信课堂教学中的应用。

1  光纤传输特性的教学设计

损耗、色散和非线性效应是光纤中光信号幅度衰减和波形畸变的主要原因，限制了光纤通信系统的传输容量[5]。文章在3种光纤传输特性的教学中引入OptiSystem软件，开展教学设计，辅助学生理解、掌握知识点。

1.1  损耗特性

损耗特性描述的是单位长度光纤传输过程中光能量的损失程度。在光纤通信系统中，当入纤光功率和接收灵敏度给定时，光纤的损耗特性将是限制无中继传输距离的重要因素。为了评估光纤损耗的大小，采用光纤的损耗和光纤的损耗系数两个参数来表征[5]。为了辅助学生理解两个参数，采用OptiSystem软件搭建仿真平台，如图1所示。采用一台连续波输出激光器作为光源，输出光信号注入光纤中，在光纤的输入端和输出端各采用一台光功率计测量注入光纤中的光功率和从光纤中输出的光功率。

光功率计显示的测量结果如图2所示。光功率计给出了功率的两种表示方式，线性表示和对数表示，据此帮助同学们回顾功率两种表示方式间的关系，并讲解根据常用的几种功率关系快速从线性功率值估计对数功率值的方法。如50 mW的对数表示，既可以通过对数功率值的计算公式进行计算，也可以采用常用的几种功率值的对应关系快速估算。考虑到50 mW是100 mW的一半，100 mW对应于20 dBm，100 mW的一半就是比100 mW小3 dB，那么50 mW的对数表示形式即为17 dBm。

为了提高同学们的课堂参与度，随机找5位同学，按照同学的学号后两位设置光纤长度，测试光纤输出光功率，并计算光纤损耗及损耗系数，如表1所示。可以看出，当向光纤中注入同样功率的光信号情况下，光纤长度越长，光纤输出端光信号越弱，在接收机端恢复出信号的难度越大。因此，光纤的损耗限制了光纤通信系统的传输距离。光纤长度越长，光纤的损耗值越大，光纤的损耗与光纤长度成正比。但损耗系数是恒定值。说明损耗系数表征的是光在单位长度光纤中传输能量的损失程度，是光纤的本征参数。而光纤的损耗除与该型光纤的损耗系数有关外，还与光纤的长度成正比。随着传输光纤长度的增加，光纤中的信号功率逐渐减小，则接收机从噪声中分辨信号的难度增大，产生误码的概率增加。因此，当入纤光功率和接收机灵敏度给定时，光纤的损耗特性是限制光纤通信系统无中继传输距离的重要因素。

1.2  色散特性

为了帮助同学们了解光纤的色散特性，首先从物理学中学过的棱镜分光引入。一束白光经过三棱镜后形成光谱的现象，即光的色散。请同学们思考光经过三棱镜后为什么会产生色散，探讨产生的色散的原因：（1）白光是复色光；（2）不同颜色（频率）的光在棱镜中的折射率不同。类比到光纤通信系统中，半导体激光器输出的光虽然光谱较窄，但包含一定范围的频率成分，本质上也是复色光。注入光纤中不同频率成分的光在光纤中折射率也不同，那么不同频率的光折射率不同在光纤中的表现是什么呢？考虑到光纤中光的传播速度等于光程除以折射率，那么不同频率成分的光信号在光纤中的传输速度不一样[6]。为了帮助学生理解色散对光脉冲的影响，采用OptiSystem搭建仿真平台，如图3所示，将一个高斯光脉冲注入光纤中，采用光示波器观察注入光纤前的光脉冲形状，如图4所示。圖5给出了高斯光脉冲经光纤传输后的波形，可以看出，由于光脉冲中不同频率的成分在光纤中的传播速度不同，引起了光脉冲的展宽，图5中光纤输出端的脉冲宽度明显大于图4中光纤输入端的脉冲宽度。脉冲展宽对光纤通信系统有什么影响呢？调整比特序列发生器，输出“101”码，则光纤输出端光脉冲组合的形状如图6所示，可以看出由于表示“1”码的两个脉冲波形展宽，导致在“0”码时刻检测到的光功率显著增大。当脉冲展宽足够大时，“0”码判决时刻因检测到的光功率较高可能会被误判为“1”码，产生码间干扰，在接收机检测信号时产生误码，引起光纤通信系统误码率的增加。此外，光纤通信系统的传输速率越高，则一个比特位占据的时间片越短，色散引起的码间干扰越严重，误码率就越高。为了达到要求的误码率水平，一个比特位占据的时间不能太短，则限制了系统的传输速率。通过OptiSystem软件展示色散在光纤中导致的脉冲展宽，以及脉冲展宽引起码间干扰产生误码的原因，辅助学生更形象、更直观地掌握知识点，巩固光纤中色散特性的深入理解。

1.3 非线性效应

光纤的非线性效应对光纤通信系统的影响是随着光纤通信技术的发展逐渐显现出来的。主要成分为熔二氧化硅的石英光纤在强光场作用下产生明显的非线性效应。在第一代光纤通信系统中，光纤采用多模光纤，纤芯直径大、光源功率低、光纤损耗大，传输光纤中的光能量密度小，没有明显的非线性效应，损耗和色散是影响光纤通信系统容量的主要因素。随着半导体激光器制造水平的提高、波分复用技术及光放大器的应用、光纤损耗的降低，光纤中传输的光能量密度大幅增加，非线性效应的影响日趋显著。光纤中的非线性效应可以分为非线性折射和受激散射两种[5-7]。受激散射效应有受激拉曼散射和受激布里渊散射两种形式[8]。非线性折射源于光纤折射率对光强的依赖关系，主要包括自相位调制和交叉相位调制两种。在波分复用系统中，当多个波长信道工作于光纤零色散波长区域时，易产生显著的四波混频效应。为了帮助学生理解非线性效应对光纤通信系统的影响，采用OptiSystem软件搭建仿真系统，如图7所示。将频率为193.1 THz和193.2 THz的两束光通过波分复用器合光后注入到一根單模光纤中，采用光谱分析仪测试光纤输入端和光纤输出端的光谱。比较光纤输入光谱和输出光谱，学习非线性效应对光纤中信号传输的影响。

图8和图9分别给出了光纤输入端和输出端的信号光谱。从图8可以看出，注入光纤的信号包含193.0 THz和193.3 THz两种频率成分。经光纤传输后，测得的输出端光谱（见图9）中除包含输入的两种频率成分外，还出现了193.0 THz和193.3 THz的光，这两种频率的光即是光纤非线性效应的产物。193.0 THz和193.3 THz两种频率光的能量来源于光纤输入端注入的193.1 THz和193.2 THz两种频率的光，即光纤的非线性效应使得光纤中信号的功率下降，引起输出信号的信噪比降低，增加了误码率。另一方面，在波分复用系统中，存在多个波长信道，如在193.0 THz和193.3 THz也各设置了一个波长信道，则由193.1 THz和193.2 THz频率光通过非线性效应产生的193.0 THz和193.3 THz频率的光因与其他信道的光信号波长相同，则会对其他波长产生信道间的串扰，引起误码率增加。

2  结语

将OptiSystem软件引入光纤传输特性的课堂教学，针对光纤的损耗、色散、非线性三项光纤的传输特性，采用软件搭建了相应的仿真平台。通过仿真演示，使同学们更直观地观察到光纤的传输特性，帮助同学们更好地理解知识点，提高学生的学习兴趣，有利于学生更好地掌握光纤传输特性对光纤通信系统的影响机理，为后续的学习打下坚实的基础。

参考文献