基于M-Z調制器的光學反饋網絡的聯合模擬

鄧剛+張謙述

【摘要】 主要作了光學帶反饋循環網絡數據流動特征的剖析，尋找到利用MATLAB循環語句實現光學循環網絡的途徑，并成功設計了MATLAB Component，克服了Optiwave OptiSystem v7.0不支持仿真反饋循環網絡的缺陷。利用設計的基于M-Z調制器組成的光學環形網絡的MATLAB Component，成功實現了MATLAB與Optiwave OptiSystem v7.0的聯合仿真。結果顯示，設計的基于M-Z調制器組成的光學環形網絡的MATLAB Component的性能與理論值符合，方案可行。

【關鍵詞】 基于M-Z調制器的光學循環網絡 聯合模擬 Optiwave OptiSystem v7.0 MATLAB Simulation of Optical Ring Network Based on M -Z Modulator By Joint Work

DENG Gang ， ZHANG Qian-Shu（1.College of Electronic Information Engineering，China West Normal University，Sichuan，NanChong， 637002，China ）

Abstract：The signal of processing characteristics of optical ring network with feedback loop are mainly analyzed. we Simulated the optical ring network based on the M - Z modulator by using MATLAB statement，designed the MATLAB component of optical ring network based on M - Z modulator，and realized the collaborative simulation of MATLAB with Optiwave OptiSystem v7.0. The simulation results show that the MATLAB component performance composed the theoretical value，The simulation method of the optical ring network is feasible.

Keywords：optical ring network with feedback loop Based on the M - Z modulator ；The joint simulation；Optiwave OptiSystem v7.0；MATLAB

Optiwave是加拿大國家光學研究所Spin-off旗下的公司 ，成立于1994年，專門開發創新的光通訊系統仿真軟件包，包含了OptiSystem，OptiSPICE， OptiBPM，OptiFDTD，OptiGrating和OptiFiber六個模塊，可以實現光通訊中從元件層到系統的設計。Optiwave OptiSystem v7.0 發行于2008年，主攻光通信集成系統仿真，是Optiwave OptiSystem v3.0的升級版，功能更加完善，性能更加優越，現已成為光通信網絡仿真的主流軟件。該款軟件的優勢是對光學通信系統仿真，設計者按照預期的目的和理論計算把電光組件組合到一起形成光學系統，輸入的信號在該系統中逐級向后流通，并用各種虛擬的測試設備完成各個節點信號的檢測與顯示，從而能降低光通信系統性能預測與評價的成本（光子組件的設計主要由OptiFDTD，OptiSPICE， OptiBPM，OptiFDTD，OptiGrating等其他數據包完成，所以本文并不涉及）。

帶有反饋功能的循環網絡廣泛應用于現代電子電路的設計和通訊系統中，其思路是把一個信號輸入到一個網絡單元，在網絡單元的輸出端把信號注入到下一功能單元，與此同時，就在這個網絡單元的輸出端提取一定量的信號反饋到這個單元或者更前級的單元。這種思路的指導思想有兩條：第一，提高系統性能，使輸出信號更加完美；第二，設計不需要人工控制的智能化的通信系統。在輸出端提取一定量的信號，可以逐級偵測信號的惡化程度，并把這個信號反饋到設計者預定的前端，根據這個反饋信號就可觸發前端網絡單元中啟用最優的運算方案，始終保證輸出的信號能夠保持良好的質量，而且不需要人工控制，此即為通信智能化。其中，重要的思路就是反饋，循環，所以在電子電路的仿真軟件和工程實際中，反饋和循環已經做得十分完善，智能化也是將來光通信發展的必然趨勢。光通信領域崛起時間不算長，仍有許多問題亟待解決，雖然Optiwave OptiSystem v7.0相對以前版本作了很大改善，但依然存在嚴重缺陷，那就是它不支持帶有反饋功能的光學循環系統。造成這個缺陷的具體原因是它沒有提供反饋算法，而且大規模通信系統的反饋實現并不能由單個組件完成，因此，專門用于設計單個器件的軟件并不能提供整個反饋網絡的模擬，所以利用Optiwave OptiSystem v7.0這個平臺，尋找一種能夠實現模擬具有反饋功能的光通信網絡的途徑，顯得十分必要而迫切。正因為實踐提出了這樣的需要，而Optiwave OptiSystem v7.0又不能提供這樣的服務，那么尋找一條解決上述矛盾的途徑就十分有意義了。MATLAB擁有出色的數學計算能力，且循環用語言容易實現，足可以彌補Optiwave OptiSystem v7.0不能實現反饋循環的缺陷。為此，聯合Optiwave OptiSystem v7.0開發新MATLAB Component，實現功能互補，這在光通信領域有重要意義。目前，根據可查證的文獻了解到，國內和國外在這方面研究較少，因此這項研究具有領先意義。為此，作者將主要精力集中在研究MATLAB聯合Optiwave OptiSystem v7.0實現帶有反饋功能的光電通信網絡。為具體演繹MATLAB與Optiwave OptiSystem v7.0的聯合仿真，本文以新結構基于M-Z調制器組成的光學環形網絡為例加以說明。

一、基于M-Z調制器組成的光學循環網絡在Optiwave OptiSystem v7.0中的模擬實際

1.1基于M-Z調制器組成的光學循環網絡的結構和功能預期

從（1）（2）（3）式中可知：1）射頻信號經過兩個M-Z調制器的反饋循環調制，能依次產生各個階次對稱邊帶；2）由遞推關系可知，每個抽頭信號是前一個抽頭信號的兩次余弦調制加衰減；3）余弦函數總是小于1，所以這樣的調制可以理解為兩次指數衰減；4）反饋循環網絡最終輸出的結果是無數多個抽頭信號相互干涉，在時域內疊加的結果（因時域有延遲）。

1.3 MATLAB利用循環控制流程語言模擬反饋光學循環網絡

雖然Optiwave OptiSystem v7.0提供可視化服務，操作簡捷，功能強大，但由于Optiwave OptiSystem v7.0軟件不能為反饋光學循環網絡提供有效的反饋算法，在仿真運算中，信號逐級向后流通，從而使得Optiwave OptiSystem v7.0不能對帶有反饋信號的光循環網絡進行仿真運算，也就無法對本文所說的基于M-Z調制器組成的光學環形網進行仿真。

雖然MATLAB數字計算能力優勢明顯，但是不提供操作簡單的可視化服務，需要全程編程，專業性要求更強，必然造成更大困難。為了簡單可靠地實現反饋循環網絡的仿真，可利用MATLAB循環控制流程語句（if........end或for.....end）編寫一個MATLAB Component以實現聯合仿真。其中，已知輸入光信號和射頻信號，根據（1）就可以算出第一個抽頭信號，根據（2）的遞推關系就可以算出以后的各個抽頭信號；由函數關系式（3），把無窮多個抽頭信號光場按時域疊加得出輸出光場。由抽頭信號的遞推關系可看出，每一個抽頭信號是前一個的兩次余弦衰減，衰減劇烈，輸出的光場主要體現在前面的有限項內，再考慮到現代計算機的計算能力已有顯著提高，具體編寫程序時，考慮前2000項截斷，誤差也可承受。以下是根據（1），（2），（3）的描述所寫的MATLAB原代碼如下：

Optiwave OptiSystem v7.0和MATLAB數據交換的方式是建立數據接口，這樣就能實現二者的數據傳遞和協同運算，既把MATLAB和Optiwave OptiSystem v7.0的優勢結合起來，也實現短板互補（MATLAB雖然數學計算能力強，但操作完全需要編程，不提供可視化服務），就能實現帶有反饋循環網絡的仿真，操作的難度也不會明顯增加。

二、基于M-Z調制器光循環網絡MATLAB Component設計

MATLAB聯合Optiwave OptiSystem v7.0在本結構中仿真的流程是從Optiwave OptiSystem v7.0輸出原始數據流，這些數據流通過二者之間建立的數據接口，傳遞到MATLAB Component中去，實現預定運算后，再將數據流傳回到Optiwave OptiSystem v7.0。MATLAB Component的可理解為一個具有外包裝的傳遞函數文件，建立數據端口后：前級輸出的數據流就是函數的輸入變量，然后在MATLAB Component進行函數運算，即實現反饋循環流程，運算的結果再輸出到后一級。MATLAB Component外包裝其實就是建立數據接口的過程。在Optiwave OptiSystem v7.0中設定環形網絡的端口數目，并確定好各個端口的功能和信號類型：0代表光信號，1代表電信號，2代表二進制信號。本方案的端口如表1：

此外，還需要定義如下四個基本參數：分別是Parameter0到Parameter3，如表2：

Optiwave OptiSystem v7.0在調用MATLAB Component時，還需要在Main菜單中設定調用MATLAB的程序名和這個程序存放的路徑，如表3：

以上就是MATLAB Component設計的主要過程，需要注意事項是：第一，建立端口設定變量的時候，注意區分傳入/傳出變量文件名，尤其區分變量名中的大小寫，否者會導致數據傳遞失敗。第二，MATLAB調用MATLAB Component文件的時候是在默認目錄下調用的，如果存放MATLAB Component的位置不是默認的，則需要把這個路徑添加為默認目錄。

三、基于M-Z調制器組成的光學循環網絡的MATLAB和Optiwave OptiSystem v7.0的聯合仿真

按照上述3個表格設定好參數，搭建了如下的仿真圖，并分別用5G，10G，20G的射頻信號進行了仿真，結果如下：

根據以上描述，選取了5G，10G，20G的射頻信號調制到基于M-Z調制器組成的光學循環網絡中去，所產生的邊帶在循環網絡中一部分成分滿足諧振條件而得到加強，而其他成分和噪聲得到有效抑制，光信號從循環網絡輸出后，送到APD探測，在APD上拍頻，從而轉換為電信號，最后用RF Spectrum Analyzer顯示，顯示表明，呈現的梳狀譜信號比噪聲高出50dB到70dB，這與理論預期的一致。

四、結論

本文提出了基于M-Z調制器組成的光學循環網絡這種新結構，分析了Optiwave OptiSystem v7.0軟件仿真流程及其特點，編寫了能夠實現反饋流程的MATLAB Component，并成功實現了Optiwave OptiSystem v7.0與MATLAB聯合仿真。仿真結果表明，基于M-Z調制器組成的光學環形網絡能夠很好地實現射頻信號的循環調制，并對滿足諧振條件的調制光能實現比較滿意的干涉加強，呈現質量較高的梳狀譜，達到了理論預期。仿真結果表明，把MATLAB和 Optiwave OptiSystem v7.0聯合起來實現帶有反饋功能的光學循環系統的仿真是可行的，能夠實現功能互補，從而為光學通信系統提供了一種可以實現具有反饋功能的循環系統的模擬的思路，應具有領先意義。

五、問題展望思考

1.本結構是否對更高頻率的射頻信號適用？2.如何在梳狀頻譜中實現無濾波提取單一頻率？3.如何在大規模的光智能通信網絡中實現多級反饋和實現的意義？

參 考 文 獻

[1]楊亞培，劉永智.光纖環光譜傳遞函數[J].光學學報，1999，12：1639-1644.

[2]張謙述.用偏置M-Z調制器產生微波倍頻信號的研究[J].西華師范大學學報（自然科學版），2012，02：111-116.

[3]趙贊善，羅友宏，謝嬌.Optiwave OptiSystem v7.0中MatlabComponent模塊的擴展應用[J].電信技術，2012，S1：61-63.

[4]羅丹.相干光通信系統中的色散特性研究[D].中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所），2011.

[5]楊亞培，劉永智，袁縱橫.光纖環相干性分析[J].光子學報，1999，03：39-42.

[6]楊亞培，盧亞雄.可調諧光纖環濾波器[J].光子學報，2001，03：336-339.

[7]廖豐卓，周濤，楊亞培.光生毫米波技術[J].激光與光電子學進展，2006，12：53-57.

[8]李瑛.M-Z鈮酸鋰調制器的損耗特性分析[D].電子科技大學，2007.

[9]甘小勇.高速鈮酸鋰波導電光調制器關鍵技術研究[D].電子科技大學，2004.

[10]劉華東.M-Z型聚合物電光調制器理論研究[D].電子科技大學，2010.

[11]崔海娟.集成光波導寬帶LiNbO_3電光調制器研究[D].電子科技大學，2003.