光纖通信的案例
基于optisystem的光纖通信系統綜合設計
實驗目的
熟悉光纖通信系統的主要組成部分
掌握通信系統綜合設計的主要內容
實驗原理
NRZ、RZ調制格式，直接調制或者外調制，APD管或者PIN管，low pass rectangular filter或者 low pass gauss filter。選擇的理由如下： 選擇NRZ調制格式，因為經NRZ調制的光信號具有緊湊的頻譜特性，調制和調解結構簡單，在10G和一部分40G系統中得到廣泛應用，一直被作為中短距離光纖通信系統中的主要調制格式，通過色散管理和終端可調色散補償技術，NRZ調制格式在終端傳輸距離普通光纖獲得良好的光傳輸性能。
選擇直接調制，因為直接強度調制是用信號直接調制激光器的驅動電流，使其輸出功率隨信號變化.這種方式設備相對簡單，研究較早，現已成熟并商品化.外調制則常用于要求較高的通信系統。
選擇APD管，因為由書上的P264頁的圖8.3可知，PIN管接收靈敏度適用于低數據速率光纖通信，當系統通信數據速率為10G時，PIN靈敏度管不適于應用，我們優選ADP管。
選擇low pass gauss filter（低通高斯響應濾波器），因為low pass rectangular filter（低通矩形響應濾波器）是理想的低通濾波器的模型，在幅頻特性曲線上呈現矩形。 在現實中，如此理想的特性是無法實現的，所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。而low pass gauss filter（低通高斯響應濾波器）采用時域法測量有效帶寬，具有直觀、簡便的優點，而采用時域法能夠顯著縮短有效帶寬測量時間。
實驗內容
本次實驗中，由NRZ調制格式、直接調制、APD管和low pass gauss filter構成的光纖通信系統。
1）.根據實驗要求，連接實驗電路。
展開 基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統的色散補償
1、設計需求
本案例是基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統的色散補償，構建了后置色散補償系統、前置色散補償系統和混合色散補償系統。基于OptiSystem仿真軟件實現了三種不同結構的基于啁啾光纖光柵色散補償的光纖通信系統，通過眼圖評估系統通信性能。
2、系統設計
仿真系統調制格式采用NRZ碼型，激光頻率為193.1 THz，傳輸鏈路采用單模光纖傳輸鏈路，利用啁啾光纖光柵進行色散色度補償，同時利用EDFA光放大器實現損耗補償。最后信號在接收模塊進行信號解調與分析。模塊中的Loop Control器件控制鏈路傳輸次數，其中，SMF的色散系數為16 ps/nm·km，色散斜率系數為0.08 ps/nm2·km，衰減量為0.2 dB/km，單程中SMF長度為80 km。光纖傳輸系統總共傳輸320 km。
2.1后置色散補償系統
圖示為后置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對信號傳輸過程中產生的色散進行補償。在未進行色散補償的情況下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。當采用啁啾光纖光柵時，色散量設置為-1280 ps/nm·km，在10Gbit/s傳輸速率的情況下接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到誤碼率為6.05e-20，Q因子為9.03，眼圖張開度好，信號質量佳。
2.2前置色散補償系統
圖示為前置色散補償系統，啁啾光纖光柵置于單模光纖前，對信號傳輸過程中產生的色散進行預補償。
2.3混合色散補償系統
圖示為混合色散補償系統，兩個啁啾光纖光柵分別置于單模光纖前部和后部，對信號分別進行預補償和產生色散后的補償。該方案結合了后置色散補償方式和前置色散補償方式的特點。
展開 基于OptiSystem的高速遠距離光纖通信系統研究
5、總結展望：
本案例設計了一套高速遠距離色散補償光纖通信系統，實現了傳輸距離300km、傳輸速率為40Gbit/s的光纖通信系統仿真。對比了不同結構與參量下系統的信號傳輸效果。該案例具有靈活的可拓展性，可以根據客戶需求進行功能的豐富與系統結構的優化。
最后，有optisystem相關需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
光纖通信原理基礎知識
光纖通信的基本原理
光的反射和折射定律
光在傳輸過程中，在兩種不同的傳輸媒質的界面將產生以下行為：
一部分入射光將被反射 一部分入射光將進入第二種媒質,并產品折射
折射率 n=光在真空中的傳播速度/光在該媒質中的傳播速度。
全反射：
當n1>n2時，隨著入射角的不斷增加，在入射角達到某一值時，折射角達到90℃，我們把此時的入射角稱為臨界角α0。當入射角大于臨界角時，將發生全反射。
根據折射定律，我們可以求出臨界角，此時α2=90°即n1·sinα0=n2·sin90°所以sinα0=n2/n1
光纖的導光原理
光通信正是利用了全反射原理，當光的注入角滿足一定條件時，光便能在光纖（光波導）內形成全反射，從而達到長距離傳輸的目的。
條件：
n1>n2>n0
n0:空氣中的折射率
n1:纖芯的折射率
n2:包層的折射率
α>α0
α0:入射角，和sinα0=n2/n1
光纖的結構
光纖通信的優點
大容量
長中繼距離
適應能力強
體積小，重量輕，便于安裝和維護
選材豐富，價格低
保密性強
來源：河北光纖
展開 
OptiBPM光纖通信系統——光功率耦合器
? 光功率合成器是光纖通信系統中的必要器件。
? 如果功率合成器具有以下特性：
? 對稱性
? 輸入和輸出具有完全相同的單模波導
? 這類功率合成器具有一些獨有的特點，但其基本特征可以在OptiBPM中得到準確的驗證。
? 根據能量守恒定律
? 由于輸入和輸出波導是完全相同的單模波導，輸入和輸出場的振幅需滿足：
? 因此，
? 下圖是在OptiBPM中仿真一個設計好的3D功率合成器實例。
? 在黑匣中只有一束入射光時會發生什么？
? 考慮一個輸入的情況下，
? 在兩個輸入的情況下，
? 結論
設計一個滿足以下要求的單模功率合成器是不可能的。
1. 無能量損失地合成2個完全相同的光學模場。
2. 當只有1個輸入模場時無能量損失。
OptiBPM在仿真結果和理論值之間顯示了高度的一致性
展開 多模光纖和單模光纖區別
1、多模光纖是光纖通信最原始的技術，這一技術是人類首次實現通過光纖來進行通信的一項革命性的突破。
2、隨著光纖通信技術的發展，特別是激光器技術的發展以及人們對長距離、大信息量通信的迫切需求，人們又尋找到了更好的光纖通信技術----單模光纖通信。
3、光纖通信技術發展到今天，多模光纖通信固有的很多局限性愈發顯得突出：
①、多模發光器件為發光二極管（LED），光頻譜寬、光波不純凈、光傳輸色散大、傳輸距離小。1000Mbit/s帶寬傳輸，可靠距離為255米(m)。100Mbit/s帶寬傳輸，可靠距離為2公里(km)。
②、因多模發光器件固有的局限性和多模光纖已有的光學特性限制，多模光纖通信的帶寬最大為1000Mbit/s。
4、單模光纖通信突破了多模光纖通信的局限：
①、單模光纖通信的帶寬大，通常可傳100Gbit/s以上。實際使用一般分為155Mbit/s、1.25Gbit/s、2.5Gbit/s、10Gbit/s。
②、單模發光器件為激光器，光頻譜窄、光波純凈、光傳輸色散小，傳輸距離遠。單模激光器又分為FP、DFB、CWDM三種。FP激光器通常可傳輸60公里(km)，DFB和CWDM激光器通常可傳輸100公里(km)。
5、數字式光端機采用視頻無壓縮傳輸技術，以保證高質量的視頻信號實時無延遲傳輸并確保圖像的高清晰度及色彩純正。這種傳輸方式信息數據量很大，4路以上視頻的光端機均采用1.25Gbit/s以上的數據流傳輸。8路視頻的數據流高達1.5Gbit/s。
因多模光纖最大帶寬僅為1Gbit/s，如果采用多模光纖傳輸，勢必造成信息丟失、視頻圖像出現大量雪花甚至白斑、數據控制失常。
另一個致命的因素就是傳輸距離的限制，多模光纖1Gbit/s帶寬的傳輸距離理論上是255米(m)，如果考慮到光鏈路損耗，實際距離還要小幾十米。
展開 基于optisystem的光纖損耗特性與色散特性的研究
目前,光纖通信系統主要工作在1310nm波段和1550nm波段上,尤其是1550nm波段,長距離大容量的光纖通信系統多工作在這一波段。
圖 3?1 光纖的損耗譜曲線
光纖的損耗譜形象地描繪了衰減系數與波長的關系。從光纖損耗譜可以看出,衰減系數隨波長的增大呈降低趨勢;損耗的峰值主要與OH-離子有關。另外,波長大于1600nm時損耗增大的原因是由于石英玻璃的吸收損耗和微(或宏)觀彎曲損耗引起的。目前,光纖的制造工藝可以消除光纖在1385 nm附近的0H-離子的吸收峰,使光纖在整個(1300~1600)nm波段都有很低的損耗。
損耗受限系統的中繼距離
實際的光纖通信系統設計中，往往要綜合考慮光纖衰減的影響，從而找出光纖的最佳中繼距離，以實現可靠穩定的傳輸效果。
實驗內容
模型構建
在OptiSystem中建立如圖3-2所示的損耗受限光纖傳輸系統仿真模型。激光器作為信號輸入端，通過插入損耗為0.5dB的連接器接入光纖。光纖衰減為1.2dB/km,通過連接器接入光學帶通濾波器，濾除因激光器頻率特性不好而輸出的非信號波長成分，然后通過，光電二極管進行光電轉換，通過低通濾波器過濾出傳輸的信號。
圖 3?2 損耗受限光纖傳輸系統仿真模型
中繼距離的理論計算
根據公式3-1可以知道光纖通信系統中各個部分應滿足的指標。
?=+++ （式3-1）
其中Pt=發射機功率，ALf=光纖損耗，La=額外損耗，Sr=接收器靈敏度，Lc=耦合器損耗，M=功率差。
仿真驗證
在OptiSystem中進行仿真驗證式3-1的計算結果.
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡
展開 基于optisystem光纖損耗特性與色散特性的研究
目前,光纖通信系統主要工作在1310nm波段和1550nm波段上,尤其是1550nm波段,長距離大容量的光纖通信系統多工作在這一波段。
圖 3?1 光纖的損耗譜曲線
光纖的損耗譜形象地描繪了衰減系數與波長的關系。從光纖損耗譜可以看出,衰減系數隨波長的增大呈降低趨勢;損耗的峰值主要與OH-離子有關。另外,波長大于1600nm時損耗增大的原因是由于石英玻璃的吸收損耗和微(或宏)觀彎曲損耗引起的。目前,光纖的制造工藝可以消除光纖在1385 nm附近的0H-離子的吸收峰,使光纖在整個(1300~1600)nm波段都有很低的損耗。
損耗受限系統的中繼距離
實際的光纖通信系統設計中，往往要綜合考慮光纖衰減的影響，從而找出光纖的最佳中繼距離，以實現可靠穩定的傳輸效果。
實驗內容
模型構建
在OptiSystem中建立如圖3-2所示的損耗受限光纖傳輸系統仿真模型。激光器作為信號輸入端，通過插入損耗為0.5dB的連接器接入光纖。光纖衰減為1.2dB/km,通過連接器接入光學帶通濾波器，濾除因激光器頻率特性不好而輸出的非信號波長成分，然后通過，光電二極管進行光電轉換，通過低通濾波器過濾出傳輸的信號。
圖 3?2 損耗受限光纖傳輸系統仿真模型
中繼距離的理論計算
根據公式3-1可以知道光纖通信系統中各個部分應滿足的指標。
?????????=??????+????+????+?? （式3-1）
其中Pt=發射機功率，ALf=光纖損耗，La=額外損耗，Sr=接收器靈敏度，Lc=耦合器損耗，M=功率差。
仿真驗證
在OptiSystem中進行仿真驗證式3-1的計算結果.
如有需要歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡
展開 光通信設計軟件——OptiFiber 光纖設計軟件
使用光纖作為傳輸介質的電信現在是一個主要的行業。選擇合適的光纖參數是光學系統的重要問題。橫截面尺寸，材料成分和折射率分布都會影響光纖的損耗，色散和非線性，必須仔細選擇，以便在給定的應用中實現令人滿意的結果。
對于一個光通信系統，它的最佳狀態的設計直接取決于對光纖參數的選擇。光纖的橫截面尺寸, 材料成分和折射率分布都會影響到光通信里極其重要的線性和非線性現象。OptiFiber 使用數值模式求解程序和其它專門用于光纖的解析法來計算光纖通訊時的色散、損耗、雙折射現象和偏振模色散。
OptiFiber 是一種功能強大的工具，它將光纖模式的數值模式求解器與群延遲，群速度色散，有效模面積，損耗，偏振模色散，有效非線性等計算模型相結合.OptiFiber 最強大的功能之一是它能夠預測如何優化給定的光纖，而不是設計目標，例如很小但非零色散和最大模面積。此外，OptiFiber 可以通過導入和分析實際光纖樣品的折射率分布來補充和擴展真實實驗室設備（如EXFO的NR-9200 Optical Fiber Analyzer）的光纖表征能力。OptiFiber 是設計光纖，光纖元件和光通信系統的工程師，科學家和學生不可或缺的工具。
特點和功能
· 評估參數、敏感度和容差
· 利用有限差分法或傳遞矩陣法來求解光纖的LP模或者矢量模
· 可以導入如EXFO NR-9200等儀器測量的光纖剖面的折射率分布進行解析
· 單模光纖設計，如康寧SMF-28的，色散平坦光纖設計，色散位移光纖設計等
· 多模光纖的設計，如50/125 m 和 62.5/125 m 石英光纖等
· 傳播過程中多模干涉的光場分布圖的觀察
· 自動參數掃描
· 光纖傳感設計
· 內外擾動導致的雙折射和PMD的計算
通過以下任一方法設計具有任意二維折射率分布的多層光纖：
1.
展開 幾大類通信系統介紹
通信系統分為以下幾大類：
?光纖通信
?衛星通信
?數字微波通信
?毫米波通信
1、光纖通信
光纖通信技術（optical fiber communications）從光通信中脫穎而出，已成為現代通信的主要支柱之一，在現代電信網中起著舉足輕重的作用。
1）光纖通信的優點
2）光纖通信系統的組成
主要包括光發送、光傳輸和光接收三部分組成。
光發送部分：光端機、電端機。光端機有光源、驅動器和光調制器。
光傳輸部分：光纖和中繼器組成；光纖為載體，中繼器是將經長距離光纖的微弱信號進行放大、整形，形成一定強度的光信號繼續傳輸。經過光、電、光轉換。在一定程度上增加了信號失真。
光接收部分：主要由光電檢波器組成。
2、衛星通信
衛星通信簡單地說就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信。衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成。衛星通信的特點是：通信范圍大；只要在衛星發射的電波所覆蓋的范圍內，從任何兩點之間都可進行通信；不易受陸地災害的影響（可靠性高）；只要設置地球站電路即可開通（開通電路迅速）；同時可在多處接收，能經濟地實現廣播、多址通信（多址特點）；電路設置非常靈活，可隨時分散過于集中的話務量；同一信道可用于不同方向或不同區間（多址聯接）。
展開 基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析
調用Receivers library中的Photodetector PIN(PIN光電探測器)，而為了更具體的表述該光纖系統的傳輸信號的準確性和可靠性，在整個光纖傳輸系統的接收模型后調用Receivers library中Regenerators中的3R Regenerator（3R再生器）和Visualizer library中Electrical中的BER analyzer（誤碼率分析儀），從而進行信號分析。
參數設置：序列發生器Pseudo-Random Bit Sequence Generator設置如下，Bit rate為40Gbit/s。激光器的波長設置為1550nm，功率設置為1mW，線寬為0.1MHz。光纖設置長度為50km，損耗為0.2dB/km，色散為16ps/nm/km。色散補償光纖長度為10km，損耗為0.5dB/km，色散為-80ps/nm/km。
仿真結果如圖所示。
經過100km的傳輸后，采用光譜儀觀察光譜，可以看到7個通道的信號光如圖所示，保持較高的信噪比。采用光功率計測試傳輸后的信號光功率，為10.20dBm。采用示波器觀察193.1THz傳輸通道的眼圖和誤碼特性，采用誤碼儀觀察誤碼情況，可以看到信號脈沖序列較為規整，眼圖張開度大，誤碼率為3.14e-79，表明該WDM系統具有較好的信號傳輸質量。
3、總結展望：
本案例設計了仿真LD、LED直接調制系統，研究了系統輸出性能；仿真了EDFA的光纖通信系統，實現了200km、40Gbit/s的傳輸，搭建了一個7通道的WDM光纖通信系統，該案例具有靈活的可拓展性，可以根據客戶需求進行功能的豐富與系統結構的優化。
最后,歡迎關注"320科技工作室"公眾號
展開 
基于optisystem的EDFA通信系統設計
實驗目的
1．熟悉Optisystem實驗環境，練習使用元件庫中的常用元件組建光纖通信系統。
2．利用Optisystem的優化功能仿真計算光纖通信系統的各項性能參數，并進行分析。
3. 分析EDFA的優化方法。
實驗原理
OptiSystem是一款創新的光通訊系統模擬軟件包，它集設計、測試和優化各種類型寬帶光網絡物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統到LANS和MANS都使用。一個基于實際光纖通訊系統模型的系統級模擬器，OptiSystem具有強大的模擬環境和真實的器件和系統的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進行擴展，而成為一系列廣泛使用的工具。
OptiSystem允許對物理層任何類型的虛擬光連接和寬帶光網絡的分析，從遠距離通訊到MANS和LANS都適用。它的廣泛應用包括：物理層的器件級到系統級的光通訊系統設計；CATV或者TDM∕WDM網絡設計；SONET∕SDH的環形設計；傳輸器、信道、放大器和接收器的設計；色散圖設計；不同接受模式下誤碼率（BER）和系統代價（penalty）的評估；放大的系統BER和連接預算計算。
Optisystem環境是一種為利用元件庫組建光纖通信系統，利用優化功能仿真計算系統的各項性能參數，通過數據分析和圖形顯示來獲得最佳的光纖通信系統。Optisystem通過3部分來實現光纖通信系統仿真，即：器件庫、光學方案圖編輯器、圖形演示。
1、器件庫
(1) 發射器
發射器件庫包括了所有與光信號產生和編碼相關的器件，例如半導體激光器、調制器、編碼器和比特序列發生器等。半導體激光器由于它在發射器中的重要角色而成為了最重要的發射器部件。使用OptiSystem，用戶可以輸入測量過的數據來評估速率方程所需的那些參數。
展開 光電子技術的發展及態勢分析
充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載體各自的優點，必將大大改善電子通信設備、電子計算機和電子儀器的性能。光通信技術是光電子技術的一個主要方面，分無線光通信和光纖通信。無線光通信技術應用于空-空，地-空，地-地光通信以及星際光通信網，主要為軍用和專業用。光纖通信技術在長距離和主干線應用上已趨完善，今后光纖通信主要應用于局域網絡，計算機網絡和多媒體通信進入家庭。
當前發展光纖通信技術的主要目標之一為開發價格低廉和高性能的有源和無源器件并實現光電集成化，推動光纖通信到區域和用戶。激光器和探測器為光纖通信有源器件的主要部分，而Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物(如GaAs，GaSb，InP等)為激光器和探測器的主要材料。為適應密集型光波復用的需求，除了進一步提高分布反饋半導體激光器和垂直面發射激光器和多波長光源。提高響應速度和靈敏度，發展探測器始終是重要的任務。首先要將半導體激光器，探測器和電源，電路實現光電集成化，做成芯片和模塊。密集型光波復用需要寬波段(C，L，S波段，1.3-1.6mm)的光纖放大器，因此制備摻不同稀土元素(Er，Tm，Pr等)的石英玻璃和復合氧化玻璃單模光纖就十分重要。半導體光放大器將應用到探測器的前端和激光器的后端放大。無源器件主要包括分波/合波器，可調諧光濾波器，光隔離器，光調制器以及色散補償器等。光纖光柵和列陣波導光柵是最近新發展的主要無源器件。無源器件主要要光學集成化，組成全光纖光子集成器件和波導光子集成器件。對光纖通信用玻璃光纖，在降低損耗方面當前消除紅外1.4mm左右的羥基諧波吸收是最大的進展，從而拓寬了波分復用的應用波段。此外，色散補償，偏振補償和非線性補償都是提高石英玻璃通信光纖性能的主要方面。
展開 技術 | 光通信的最新技術趨勢
上周，我參加了“2021中國光通信高質量發展論壇”，有一些收獲與思考。特此撰文，與大家分享。
▉ 光通信的發展現狀
1966年，華裔科學家高錕博士發表了那篇劃時代的經典論文——《光頻率介質纖維表面波導》，奠定了光纖通信的理論基礎，也開啟了偉大的光通信時代。
高錕（1933-2018）
如今，光纖通信已經走過了半個多世紀的發展歷程。它徹底改變了人類通信技術的發展軌跡，也改變了我們每一個人的生活。
我們現在之所以能夠享受高速且低價的網絡連接服務，很大程度上要歸功于光纖通信的貢獻。
光纖（光導纖維）
如今，光纖通信已然成為整個通信網絡的支柱和底座。全網超過98%以上的信息，都是通過光纖通信傳遞的。
《光纖通信55年的發展》，毛謙，中國信科
在產業方面，光通信作為承載網（傳送網）和數據中心的關鍵技術，支撐了規模龐大的產業鏈。根據研究機構的數據，2020年全球光通信下游市場收入規模達到1.4萬億元。
中國企業在光通信產業鏈中，占據較高的比例：
（數據僅供參考）《光纖通信55年的發展》
，毛謙，中國信科
面向未來的光通信，還有很大的發展空間。現網中的數據流量，正在按照每年30%~40%的速度增長。從整體來看，技術變革仍然跟不上業務流量的增長速度。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 色散補償
例如，其目的可以是避免超短脈沖的過度時間展寬或光纖通信中信號的失真。色散補償主要應用于鎖相激光器和電信系統中，但有時也應用于光纖傳感器的光傳輸中。
光纖通信鏈路中的色散補償
色散補償是光纖鏈路（即光纖通信）的一個重要問題。在高數據速率情況下，調制信號會出現強烈的色散展寬。在沒有色散補償的情況下，每個碼元都會被大幅拓寬，以至于與相鄰的多個碼元嚴重重疊。即使是中度展寬，大量的碼間干擾也會嚴重扭曲檢測到的信號。因此，必須在檢測信號之前對色散進行補償。
對于 40 Gbit/s 或 160 Gbit/s 等高數據速率，脈沖展寬比 10 Gbit/s 等高數據速率要強得多。這主要有兩個原因：
較短的碼元持續時間意味著可允許的傳播時間更短。
信號的頻譜帶寬變大，從而導致更強的時間拓寬。
因此，一般來說，僅補償二階色散通常是不夠的，還需要處理高階色散。例如，在使用具有較大色散斜率的色散位移光纖時，如果只補償二階色散，就會出現問題。圖1顯示了 1550 nm 波長的單個 2 ps 脈沖在經過 10 千米和 50 千米這樣的光纖后產生的效果。結果的失真主要是未補償的三階色散造成的。
圖1:當僅對二階色散進行補償時，三脈沖在經過 10 千米（實線）和 50 千米（虛線）色散位移光纖傳播后的失真。模擬由 RP ProPulse 軟件完成。
由此產生的脈沖失真可能看起來很小。然而，以 160 Gbit/s 的間距對三重 2 ps 脈沖進行的仿真表明，即使在這種情況下，也會由于碼元間干擾而產生嚴重的信號失真。
圖2:僅對二階色散進行補償時，色散位移光纖 10 千米（實線）和 50 千米（虛線）后的脈沖畸變。
傳輸光纖的色散可以通過不同設計的光纖或其他光學元件進行補償。
展開 