光孤子通信系統的仿真*

楊慧敏

（菏澤學院 物理系，山東 菏澤 274015）

0 引言

OptiSystem 是一款創新的光通信系統仿真設計軟件，它能使用戶在從長距離通信到LANS 和MANS的光網絡傳輸層上進行設計、測試和優化等各種功能[1-2]。

OptiSystem具有強大的模擬仿真環境和真實的器件和系統的分級定義。它的器件庫中包括的模型超過200種，它的性能可以通過完整的仿真界面和附加的用戶級器件庫進行擴展實現。OptiSystem系統里全面的圖形用戶級界面可以提供光子器件模型、設計和演示；無源和有源的器件庫可以提供實際波長的相關參數；參數優化和參數掃描可以讓用戶研究特定器件的參數對系統性能造成的其他影響，為模擬現實的光通信器件光通信系統提供了條件，而逐漸成為光通信領域仿真實驗中廣泛使用的工具[3-5]。

1 光孤子通信系統

光脈沖在光纖中傳輸時，群速速度色散系數(GVD)會使脈沖在傳輸過程中不斷展寬，而非線性系數會使脈沖壓縮。這兩種因素之間具有一定的關系，當色散的作用和非線性的作用相互平衡時，脈沖展寬和壓縮的現象就會抵消，從而產生一種新的光脈沖，這種光脈沖在光纖中可以無畸變的傳輸，是孤立的，不受外界條件的影響，稱為光孤子[6]。光孤子可以在傳輸過程中一直保持形狀變，從而可以實現脈沖的超長距離傳輸。據有關文獻報道[7-8]，孤子傳輸的最高實驗速率可達160 Gbit/s。美國和日本利用太平洋海底光纜構建了光孤子傳輸的實用系統，未來光孤子通信的主要應用領域將會是在越洋長距離傳輸方面[9]。

光孤子通信系統的基本結構原理圖如圖1所示。首先光孤子源產生光孤子脈沖信號，然后通過調制器，電脈沖源信號會對光孤子脈沖進行相關調制，將信號加載到光孤子脈沖上，之后經放大器放大后耦合到光纖中進行傳輸。傳輸路徑中會有一些放大器以補償脈沖的功率衰減，同時也會平衡色散與非線性之間的相互作用，以保證傳輸過程中光孤子的幅度和形狀保持不變。接收端接收到的光孤子脈沖載波經放大、整形和解調后還原為初始信號。

圖1 光孤子通信系統的基本結構

光孤子通信系統中，關鍵的技術是光脈沖發生器和脈沖在傳輸中的能量補償問題。目前可供使用的光孤子脈沖源很多，主要有：摻鉺光纖孤子激光器、喇曼孤子激光器、增益開關半導體孤子激光器、參量孤子激光器和鎖模半導體孤子激光器等。光孤子脈沖在光纖中傳輸時不可避免地存在損耗，損耗會降低孤子脈沖的幅度，但是并不會改變孤子的形狀，為了補償這些能量損耗，目前有常有的方法有兩種[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摻鉺光纖放大器補償脈沖能量的損耗；②另一種是采用集總光放大器法，即采用摻鉺光纖放大器或半導體激光放大器補償脈沖能量的損耗。其中利用摻鉺光纖放大器放大實現的能量補償，其穩定性在理論和實驗上都已得到了相關證明，是當前光孤子通信系統中最主要的放大方法。

2 光孤子通信系統的Optisystem仿真

2.1 實驗流程

基于光孤子通信系統的基本結構原理圖，在Optisystem軟件平臺上搭建了光孤子通信系統的仿真模型，如圖2所示。

圖2 光孤子通信系統的Optisystem仿真流程

模型中采用的光源是半導體激光器；采用的光放大器是摻鉺光纖放大器；采用的光纖是色散補償位移光纖，目的是對系統中色散因素導致的脈沖失真進行恢復和補償；為了觀測光路中各點的光譜情況，采用光譜儀作為觀察儀器。

2.2 參數設定

在仿真模型中用鼠標雙擊某個元件就可以打開其參數設置菜單，在相應框內即可設定或更改其參數值。系統中所有元件的參數設置完畢之后，點擊Optisystem工具菜單欄中的“calculate”即可進行仿真計算。然后，點擊光譜儀就可以觀測到仿真結果。

仿真中在相應元件上使用鼠標雙擊打開該元件的參數設置菜單，在“value”框內可更改參數取值，設置完畢后點擊菜單欄中“calculate”進行計算。計算完畢后，可雙擊光譜儀對仿真結果進行觀測。

為了模擬光孤子通信系統的實驗，系統整體參數設置如下：脈沖傳輸速率設為10 Gbit/s；發送端序列脈沖信號設置為：“1001011010010110”；脈沖入纖功率設置為：10 dBm;光纖傳輸長度設置為:50 km,光纖損耗系數設為0.2 dB/km。

2.3 仿真結果

點擊Optisystem工具菜單欄中的“calculate”進行仿真，實驗運行的結果如圖3所示。圖3中橫坐標0/T T表示的是歸一化脈沖寬度（T表示脈沖寬度，01psT= ），縱坐標2U 表示的是脈沖傳輸幅度。曲線 a表示的是原始光孤子脈沖信號的波形圖，曲線b表示的是經過10 km的有損光纖后脈沖波形，可見脈沖寬度由于色散因素展寬了，脈沖寬度增寬了將近4倍于初始的脈寬；假設系統采用色散補償值為-160 ps/nm色散補償位移光纖，經過仿真模擬后，可在光時域探測儀中觀察到脈沖傳輸10 km后經過補償光纖后的脈沖形狀如圖3曲線c所示，對比可以看出經過補償后的脈沖寬度恢復到了原始的脈沖寬度，實現了色散補償。

圖3 脈沖在光纖中傳輸的波形

由此可見，實驗模擬仿真出的結果與理論結果一致，驗證了光孤子脈沖可以在系統中傳輸很長距離而保持形狀不變的特點，進而說明光孤子在系統中實現了遠距離傳輸。

3 結語

光孤子通信因為其獨到的優勢已經成為光通信系統研究領域方面的熱點，文中利用OptiSystem提供的強大的工具箱，建立了光孤子通信系統的仿真模型，并在給定的仿真參數下，實現了系統的仿真模擬，證實了所建仿真模型的正確性和可行性，為將來在此基礎上實現改進的光孤子通信系統提供了有力的實驗基礎。

[1] 李濤，榮健，鐘曉春.用Optisystem 的OFDM-ROF系統仿真[J].紅外與激光工程，2011，40(06):1154-1159.

[2] 苗琳.基于OptiSystem的大氣激光通信系統仿真研究[J].中國科技博覽，2011(25):198-199.

[3] 張曉燕，楊袢.基于OptiSystem軟件的OCDMA系統仿真[J].現代電子技術，2010,33(07):99-101,110.

[4] 王維濤，安洪勇.全光波長變換的OptiSystem實現[J].計算機科學，2008，35(04):67-68.

[5] 許志軍，韋軍，冉彥中.基于DWDM技術的仿真系統實驗設計[J].實驗技術與管理，2010,27(08):88-90.

[6] 柯賢文，張偉，張志謙，等.光載無線通信技術及其應用分析[J].通信技術，2011，44(04):45-47.

[7] 梅瓊，張江鑫.光孤子傳輸及其系統的關鍵技術[J].通信技術，2003(03):58-60.

[8] 周曉萍，孫 琳.高階效應對ED-NALM 中超短光孤子放大的影響[J].通信技術，2009，42(01):189-190,193.

[9] 原勐捷,樊養余,白勃.無線光通信PPWM碼的時隙時鐘恢復和解調[J].信息安全與通信保密,2010(07):52-53,56.