OptiSystem软件在光纤通信的应用

摘要：为了解决教学实验设备难以满足课程需要的问题，将OptiSystem软件引入到光纤通信实验教学中．利用软件丰富的器件及仪器库，设计了综合性实验和设计研究型实验．综合性实验有利于学生掌握光纤通信的课程体系，巩固知识点．设计研究型实验能够培养学生设计能力，通过问题的分析和解决，提升学生的科学素养．OptiSystem软件的使用，克服了传统单一实验箱实验教学的限制，增强了实验设计的灵活性，改善了教学效果．

关键词：光纤通信；OptiSystem软件；实验教学

光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输媒质的通信方式．光纤通信以其传输容量大、中继距离长等优点成为了目前有线通信的主要方式[1]，是构建当前信息社会的基石[2-3]．因此，光纤通信课程成为了通信工程专业、电子信息工程专业等的重要专业课程．光纤通信课程实验教学是验证、巩固理论知识学习的主要手段，是光纤通信课程的重要组成部分．当前，光纤通信实验教学主要以基于实验箱的验证性实验为主，普通本科院校财力有限，通常难以购买昂贵的综合性和设计研究型实验设备，一定程度上限制了光纤通信课程的实验教学效果[4]．OptiSystem是一种先进的光通信系统仿真软件，具有完备的器件库和仪器库，使用方便灵活[5-6]．将OptiSystem软件引入光纤通信实验教学[7]，在采用实验箱完成基础性验证实验之后，利用OptiSystem丰富的器件资源、仪器资源和灵活性[8]，开展综合性实验和设计研究型实验，有利于增强学生对光纤通信系统的整体把握，有利于学生深刻地理解所学知识，更直观地理解知识点，改善实验教学效果．

1OptiSystem软件在综合性实验中的应用

为了使学生对光纤通信知识体系实现更全面的把握，采用OptiSystem软件设计综合性实验——光纤通信系统色散补偿实验（见图1）．首先该实验需要按照光纤通信系统的基本结构建立光纤通信系统的模型，包含了直接调制光发送机、光纤线路、光放大器、光接收机等部分．基本光纤通信系统模型的建立，有利于巩固学生对光纤通信系统基本结构的认识．光发送机采用的是间接调制方式，相比于直接调制方式降低了频率啁啾效应对光谱和光时域波形的影响．在光纤两侧采用光功率计测量光信号在光纤线路传输前后的光功率变化，可以帮助学生认识到损耗对光纤通信系统的影响．而光放大器前后光功率的比较，可以使学生认识到光放大器能够补偿光纤损耗的影响，提高信号功率，增加信号的传输距离．光纤前后采用光示波器测量光信号时域波形，波形的变化反映了光纤色散的影响，证明了光纤中不同波长成分传输速度不同引起的时延变化量会使光脉冲产生展宽．第2段光纤输出的信号采用软件中的Fork元件复制成2路，第1路不进行色散补偿，直接采用光接收机进行接收，并采用误码率分析仪进行测试．从测试结果中观察眼图、Q因子和误码率等指标．学生通过观察和分析测试结果更好地理解光纤通信系统的评价方式．第2路信号采用色散补偿光栅进行色散补偿，色散补偿后的光信号也采用光示波器测试其时域波形，观察色散补偿对光时域波形的影响，补偿后信号再采用光接收机进行接收，并用误码率分析仪进行测试．通过对带色散补偿模块的光纤通信系统和不带色散补偿模块的光纤通信系统性能进行比较分析，能够帮助学生理解光纤的色散对光纤通信系统性能的影响，光纤通信系统误码率与Q因子之间的关系等．为了达到较好的色散补偿效果，需要合理地设置色散补偿模块的色散值．最优的色散值取决于光纤的色散系数和光纤线路中光纤的长度[9]，该色散值的设定可以帮助学生加强对色散补偿技术知识的巩固．采用OptiSystem软件设计的该综合性实验涉及到光纤通信系统的基本构成，巩固了第1章“导论”部分的主要知识点．光发送机采用间接调制方式，实验时让学生回顾直接调制和间接调制的区别，各自的优缺点，指出本实验采用间接调制光发送机的原因，涉及到第3章“光源和光发送机”部分的内容．实验中通过光功率计观察了光纤前后光信号的功率，采用光示波器观察了光纤前后信号的时域波形，验证了光纤的损耗、色散等传输特性对光信号的影响，涉及到了第2章“光纤与光缆”部分的内容．光纤线路输出的光信号采用光接收机进行接收，并采用误码率分析仪进行测试，涉及到了第4章“光检测器和光接收机”部分中光接收机的灵敏度、Q因子、误码率等内容．此外，该实验还用到光放大器的应用及色散补偿技术的实施、效果评估等知识点[10]．通过该综合性实验，可以对光纤通信课程的主要内容进行应用、验证，实现理论知识在实践中应用，实验应用中巩固理论知识学习效果的目标．

2OptiSystem软件在设计研究型实验中的应用

为了培养学生利用科学方法解决实际问题的能力，采用OptiSystem软件设计了EDFA的设计研究型实验——双向泵浦EDFA铒纤长度优化实验（见图2）．掺铒光纤放大器（EDFA）是目前高速率大容量光纤通信系统的重要组成部分[11]．双向泵浦EDFA因具有可实现高增益、高输出功率等特点，是EDFA一种重要的结构形式，包括掺铒光纤、2个泵浦源、光波复用器、滤波器等组成部分[12]，以及信号光输入、信号光输出端口等输入输出端口．要求学生根据双向泵浦EDFA的结构，采用OptiSystem软件建立双向泵浦EDFA的仿真模型．采用连续波激光器发出的光信号作为待放大的信号源，信号光功率设为-30dBm，模拟待放大的小信号．双向泵浦EDFA中掺铒光纤的两侧各有一个泵浦源．OptiSystem软件中掺铒光纤模型在两侧各有一个输入端口，则掺铒光纤右侧的泵浦源可通过右侧的输入端口注入到掺铒光纤中去．掺铒光纤左侧需同时注入信号光和一路泵浦光，则首先需要一个光波复用器将信号光和泵浦光两路光信号注入到同一根光纤中传输．在掺铒光纤右侧的输出端添加光谱分析仪测试输出端光谱．通过进行初步的运行仿真，观测掺铒光纤右侧输出端的光谱仪可以看到，掺铒光纤输出的光信号中包括了被放大的信号光、残余的泵浦光及自发辐射噪声．为了将信号光与残余的泵浦光分离，并滤掉一部分自发辐射噪声，在输出端加入一个解复用器实现滤波功能．解复用器的一个输出端即为EDFA放大后信号的输出端．为了测试EDFA的功率增益和噪声指数，采用了2台双通道WDM分析仪分别测试不含解复用器的EDFA和包含解复用器的EDFA的功率增益和噪声指数．2台WDM分析仪测试结果的对比可以让学生观察到解复用器可实现的滤波功能．仿真模型搭建完成后，要求学生设置2个不同的掺铒光纤长度，观察EDFA功率增益的差异．实验结果说明，不同的掺铒光纤长度下EDFA可实现的增益是不同的．那么提出问题：EDFA增益与掺铒光纤长度之间有什么关系；为了获得最大的功率增益，需要将掺铒光纤长度设置为多长．该问题就是本实验要研究解决的问题．在仿真模型已初步建立的基础上，学生一般能够想到继续设置多个不同的掺铒光纤长度，进行多次仿真后，画出增益与光纤长度之间的关系图，就回答了前面提出的问题．这种思路是正确的，但实际操作比较繁琐，需要多次设置参数、多次仿真、记录多个增益值，再用画图软件画图．向学生介绍OptiSystem软件提供的一种较为简单的方式．首选将光纤长度参数由“Normal”模式更改为“Sweep”模式，然后设置软件仿真的扫描迭代次数．扫描迭代次数根据光纤长度的调整范围和间隔确定，本实验中将掺铒光纤长度设置为5~20m，为了降低仿真所需的时间，将光纤长度的变化间隔设为1m，那么进行扫描迭代的次数应设为16次．接着设置掺铒光纤的扫描长度，设为5~20m，变化步长为1m．设置完成后开始仿真工作，利用软件的报告生成功能，可以获得信号增益与光纤长度的关系图（见图3）．从图3中可以看出，当光纤长度为13m时，EDFA实现了最高的增益，为42.18dB．本实验首先根据双向泵浦EDFA的结构，设计建立了双向泵浦EDFA的仿真模型．通过问题的提出，引导学生思考EDFA中光学器件参数的优化问题．研究了掺铒光纤长度对放大器增益的影响，获得了在要求的光路配置下可实现最大EDFA增益的掺铒光纤长度．结合课堂教学中学到的理论，引导学生分析EDFA增益随掺铒光纤长度变化的机理．本实验要求学生根据理论课学习的知识完成了双向泵浦掺铒光纤放大器的设计，设计中考虑了被放大信号的功率特点，泵浦源的功率、输出信号光谱及滤波的需求，实现了对学生设计能力的初步锻炼．给学生提出的问题相当于一个小的研究任务，引导学生思考解决问题的方法，采用软件仿真方法获得了EDFA增益与掺铒光纤长度的关系，解决了问题，并分析仿真结果产生的原因．实验过程体现了提出问题、分析问题、解决问题的基本研究思路，培养了科学的思维方法．该思路对于其它系统中参数的优化研究均具有参考意义．通过实验，学生还可以验证光滤波器对信号噪声特性的改善效果．从2台WDM分析仪中分别读取不同铒纤长度下解复用器滤波前后双向泵浦EDFA的噪声指数（见表1），解复用器滤波后EDFA噪声指数明显降低．不同铒纤长度下，噪声指数的降低幅度基本相同，约为1.82dB．滤波前后噪声指数的比较能够帮助学生理解光滤波器在EDFA中的作用，进一步巩固对EDFA结构和功能的掌握．

3结语

采用OptiSystem软件设计了光纤通信课程的综合性实验和设计研究型实验．综合性实验涉及到了课程中大部分章节的知识点，增强了学生对光纤通信课程的整体把握能力．设计研究型实验通过将课本上的结构图转化成掺铒光纤放大器仿真模型，培养了学生的设计能力．通过提出一个问题作为研究目标，引导学生通过仿真软件学习解决问题的思路，得到问题的结果，培养了学生分析问题、解决问题的能力．OptiSystem软件在光纤通信实验教学中的应用解决了普通院校实验设备比较落后，仅能开展验证性实验的问题，有利于学生对课程体系的掌握和科学素养的培养．

参考文献：

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[12]褚应波，娄阳，陈阳，等．超宽带、高增益、低噪声L-band扩展掺铒光纤及其放大性能研究[J]．中国激光，2021，48（7）：0715001-1-0715001-5．

作者：王学勤 郑艳彬 单位：枣庄学院 光电工程学院