基于OptiSystem的相干光纖通信系統仿真研究

姜波波

（安徽長安專用汽車制造有限公司，安徽 六安 237000）

0 引 言

隨著信息化的發展，光通信市場急需要傳輸速率較高的傳輸系統。相干光通信的出現，為光通信的世界帶來了一場變革。相干光通信系統采用的相干檢測光接收機具有靈敏度高、中繼距離長、選擇性好以及通信容量大等眾多優點，在光纖傳輸系統中發揮著重要作用。相干光纖通信系統為超大容量和超高速通信提供了靈活的調制檢測方式。相對于傳統的光纖通信系統來說，高速相干光纖通信對調制和解調技術有著較高要求。高速相干光纖通信系統的解調技術有零差相干檢測技術、外差相干檢測技術及自相干解調技術。其中，調制解調技術直接影響高速相干光纖通信系統性能，因此需要研究者高度重視[1-4]。

1 實驗環境及電路圖

根據光調制與發射過程的關系，光發送系統調制可分為直接調制和間接調制。然而，由于光源的發光和調制過程都集中在PN結區完成，導致載流子和光子的作用關系變得復雜。調制過程中的瞬態變化會影響諧振腔的震蕩性能，隨后可能引起明顯的動態譜線展寬。這種調制啁啾加劇了光纖鏈路色散的影響，并且給光纖通信帶來了諸多不利[5-7]。

在本設計的接收端采用相干檢測，用X型耦合器將本振光與信號光兩路信號耦合在一起。在接收端連接偏振計、眼圖以及誤碼率分析儀來分析光纖傳輸參數。設計的光源的頻率為193.1 THz，仿真光路圖如圖1所示。

圖1 振幅調制光路圖

改變光纖通信參數，選出振幅調制中的最優傳輸方案。光纖通信中使用的有3個低損耗波長分別為850 nm、1 310 nm和1 550 nm。本次仿真中分別對這3個參數進行比較，眼圖仿真結果如圖2所示。

圖2的橫坐標表示周期，縱坐標表示幅度，從圖中可以看出，波長為1 550 nm的系統的傳輸性能明顯比850 nm和1 330 nm的性能好，故在本次設計中波長采用1 550 nm。在波長為1 550 nm的基礎上，改變光纖參數中的色散值，設計了3 ps/nm·km、5 ps/nm·km以及7 ps/nm·km共3個色散值，眼圖仿真結果如圖3所示。

圖2 不同波長眼圖結果

可以看出，色散為5 ps/nm·km的系統的性能比色散為3 ps/nm·km和4 ps/nm·km的系統性能好，故設計中色散采用5 ps/nm·km。

采用控制變量法，即保持一個變量或者多個變量不變，調整另一個變量或多個變量，探究變量之間的關系。設計中利用控制變量法保持波長為1 550 nm，色散值為5 ps/nm·km不變，改變其他變量，觀察頻率調制和相位調制對光纖通信的影響，從而選擇出最好的光纖傳輸。

圖3 不同色散眼圖結果

從以上結果可以看出，波長為1 550 nm的光源、色散值為5 ps/nm·km的光纖鏈路的光纖傳輸性能最好。下面探究振幅、頻率以及相位之間的調制性能。在保持其他變量一致的情況下，將圖1中的振幅調制器變換為頻率調制器與相位調制器。

2 實驗結果及分析

圖4為振幅、頻率以及相位調制偏振計仿真結果。從仿真結果看，在頻率為193.1 THz、帶寬為100 GHz、標準偏差為0.001 dBm的情況下，振幅、頻率以及相位3種調制偏振仿真結果誤差不大。

圖4 振幅、頻率以及相位調制偏振計仿真結果

圖5 振幅、頻率以及相位調制眼圖

圖5為振幅、頻率以及相位調制眼圖。從眼圖結果看，設計的光電路振幅調制所展現的眼圖的仿真效果比另兩種調制方式更理想。這是因為頻率調制采用多載波調制，其中最重要的是FFT點數的大小。FFT點數決定了頻率調制系統中副載波的數目，載波數越大，載波間的干擾越大，眼圖效果越差。而在相干檢測中，相位調制的本振光與信號光經過X耦合器耦合在一起，但X耦合器的上臂與下臂的相位差為θ/2，導致信號光與本振光的相位差θ/2，故在相位調制的相干檢測過程中發生了嚴重的碼間干擾，導致眼圖的結果不理想[8,9]。

3 結 論

利用OptiSystem仿真軟件設計出振幅、相位以及頻率調制的光路圖，進而仿真出振幅、相位以及頻率調制的結果，再分別從偏振計仿真結果、光時域觀察儀仿真結果以及眼圖仿真結果，分析振幅調制、頻率調制以及相位調制的光纖傳輸性能，從而選出最優的傳輸方案。由于振幅調制是強度調制，其耦合器的使用并不影響其調制信號，因此可降低其干擾噪聲及其誤碼率。綜上所述，振幅調制相較相位調制和頻率調制方式傳輸性能更優。