OptiSystem在光纖通信課堂教學中的應用

王學勤

摘??要：為了提高學生的學習興趣，幫助學生理解、掌握知識點，提升光纖通信課程的教學效果，將OptiSystem軟件引入光纖通信課堂教學。該文以光纖傳輸特性部分的教學內容為例，針對光纖的損耗、色散和非線性效應三項光纖的傳輸特性，搭建OptiSystem仿真模型，演示光纖的傳輸特性對光纖中傳輸信號的影響，進而分析對光纖通信系統性能的影響。通過仿真演示，使學生更直觀地理解光信號在光纖中傳輸時的時域、頻域變化特征，掌握光纖傳輸特性對光纖通信系統的影響機理。

關鍵詞：光纖通信??OptiSystem軟件??光纖傳輸特性??課堂教學

中圖分類號：G642.0????文獻標識碼：A

Application?of?OptiSystem?in?the?Classroom?Teaching?of?Fiber-Optic?Communications

—Taking?Fiber-Optic?Transmission?Characteristics?as?an?Example

WANG?Xueqin*

（School?of?Optoelectronic?Engineering，?Zaozhuang?University，?Zaozhuang，?Shandong?Province，?277160?China）

Abstract：In?order?to?improve?students’?interest?in?learning，?help?students?understand?and?master?knowledge?points，?and?improve?the?teaching?effect?of?Fiber-Optic?Communications，?OptiSystem?software?is?introduced?to?the?classroom?teaching?of?Fiber-Optic?Communications.?Taking?the?teaching?content?of?fiber-optic?transmission?characteristics?as?an?example，?aiming?at?three?fiber-optic?transmission?characteristics：?the?loss，?dispersion?and?nonlinear?effect?of?optical?fibers，?this?paper?builds?the?OptiSystem?simulation?model?to?demonstrate?the?impact?of?fiber-optic?transmission?characteristics?on?transmission?signals?in?optical?fibers，?and?then?analyze?the?impact?on?the?performance?of?the?fiber-optic?communication?system.?Through?the?simulation?demo，?students?can?more?intuitively?understand?the?time-domain?and?frequency-domain?variation?characteristics?of?optical?signals?when?they?are?transmitted?in?optical?fibers，?and?master?the?influence?mechanism?of?fiber-optic?transmission?characteristics?on?the?fiber-optic?communication?system.

Key?Words：?Fiber-Optic?Communications;?OptiSystem?software;?Fiber-optic?transmission?characteristic;?Classroom?teaching

OptiSystem是一種光通信系統仿真程序包，具有豐富的組件庫，可用于光纖通信系統的建模仿真[1]。OptiSystem軟件在光纖通信課程實驗教學中獲得了較為廣泛的應用，有利于教師優化實驗設置，設計綜合性實驗和研究型實驗，成為了實驗箱實驗的有力補充[2-3]。但OptiSystem在光纖通信課堂教學中的應用鮮有報道，文章將OptiSystem引入課堂教學，利用軟件豐富的器件庫和系統搭建的靈活性[4]，幫助學生理解掌握知識點、建立知識體系、提升思考探索能力。

光纖是光纖通信系統的傳輸媒質，光纖的傳輸特性是光纖通信系統性能的重要影響因素。因此，光纖傳輸特性部分的教學是學生理解通信信道中光信號變化特性及規律，掌握光纖傳輸特性對光纖通信系統容量的影響機制，了解光纖通信技術演進歷程的重要組成部分，是光纖通信課堂教學中的一部分重要內容。文章以光纖傳輸特性為例，探討OptiSystem軟件在光纖通信課堂教學中的應用。

1??光纖傳輸特性的教學設計

損耗、色散和非線性效應是光纖中光信號幅度衰減和波形畸變的主要原因，限制了光纖通信系統的傳輸容量[5]。文章在3種光纖傳輸特性的教學中引入OptiSystem軟件，開展教學設計，輔助學生理解、掌握知識點。

1.1??損耗特性

損耗特性描述的是單位長度光纖傳輸過程中光能量的損失程度。在光纖通信系統中，當入纖光功率和接收靈敏度給定時，光纖的損耗特性將是限制無中繼傳輸距離的重要因素。為了評估光纖損耗的大小，采用光纖的損耗和光纖的損耗系數兩個參數來表征[5]。為了輔助學生理解兩個參數，采用OptiSystem軟件搭建仿真平臺，如圖1所示。采用一臺連續波輸出激光器作為光源，輸出光信號注入光纖中，在光纖的輸入端和輸出端各采用一臺光功率計測量注入光纖中的光功率和從光纖中輸出的光功率。

光功率計顯示的測量結果如圖2所示。光功率計給出了功率的兩種表示方式，線性表示和對數表示，據此幫助同學們回顧功率兩種表示方式間的關系，并講解根據常用的幾種功率關系快速從線性功率值估計對數功率值的方法。如50?mW的對數表示，既可以通過對數功率值的計算公式進行計算，也可以采用常用的幾種功率值的對應關系快速估算?？紤]到50?mW是100?mW的一半，100?mW對應于20?dBm，100?mW的一半就是比100?mW小3?dB，那么50?mW的對數表示形式即為17?dBm。

為了提高同學們的課堂參與度，隨機找5位同學，按照同學的學號后兩位設置光纖長度，測試光纖輸出光功率，并計算光纖損耗及損耗系數，如表1所示?？梢钥闯?，當向光纖中注入同樣功率的光信號情況下，光纖長度越長，光纖輸出端光信號越弱，在接收機端恢復出信號的難度越大。因此，光纖的損耗限制了光纖通信系統的傳輸距離。光纖長度越長，光纖的損耗值越大，光纖的損耗與光纖長度成正比。但損耗系數是恒定值。說明損耗系數表征的是光在單位長度光纖中傳輸能量的損失程度，是光纖的本征參數。而光纖的損耗除與該型光纖的損耗系數有關外，還與光纖的長度成正比。隨著傳輸光纖長度的增加，光纖中的信號功率逐漸減小，則接收機從噪聲中分辨信號的難度增大，產生誤碼的概率增加。因此，當入纖光功率和接收機靈敏度給定時，光纖的損耗特性是限制光纖通信系統無中繼傳輸距離的重要因素。

1.2??色散特性

為了幫助同學們了解光纖的色散特性，首先從物理學中學過的棱鏡分光引入。一束白光經過三棱鏡后形成光譜的現象，即光的色散。請同學們思考光經過三棱鏡后為什么會產生色散，探討產生的色散的原因：（1）白光是復色光；（2）不同顏色（頻率）的光在棱鏡中的折射率不同。類比到光纖通信系統中，半導體激光器輸出的光雖然光譜較窄，但包含一定范圍的頻率成分，本質上也是復色光。注入光纖中不同頻率成分的光在光纖中折射率也不同，那么不同頻率的光折射率不同在光纖中的表現是什么呢？考慮到光纖中光的傳播速度等于光程除以折射率，那么不同頻率成分的光信號在光纖中的傳輸速度不一樣[6]。為了幫助學生理解色散對光脈沖的影響，采用OptiSystem搭建仿真平臺，如圖3所示，將一個高斯光脈沖注入光纖中，采用光示波器觀察注入光纖前的光脈沖形狀，如圖4所示。圖5給出了高斯光脈沖經光纖傳輸后的波形，可以看出，由于光脈沖中不同頻率的成分在光纖中的傳播速度不同，引起了光脈沖的展寬，圖5中光纖輸出端的脈沖寬度明顯大于圖4中光纖輸入端的脈沖寬度。脈沖展寬對光纖通信系統有什么影響呢？調整比特序列發生器，輸出“101”碼，則光纖輸出端光脈沖組合的形狀如圖6所示，可以看出由于表示“1”碼的兩個脈沖波形展寬，導致在“0”碼時刻檢測到的光功率顯著增大。當脈沖展寬足夠大時，“0”碼判決時刻因檢測到的光功率較高可能會被誤判為“1”碼，產生碼間干擾，在接收機檢測信號時產生誤碼，引起光纖通信系統誤碼率的增加。此外，光纖通信系統的傳輸速率越高，則一個比特位占據的時間片越短，色散引起的碼間干擾越嚴重，誤碼率就越高。為了達到要求的誤碼率水平，一個比特位占據的時間不能太短，則限制了系統的傳輸速率。通過OptiSystem軟件展示色散在光纖中導致的脈沖展寬，以及脈沖展寬引起碼間干擾產生誤碼的原因，輔助學生更形象、更直觀地掌握知識點，鞏固光纖中色散特性的深入理解。

1.3?非線性效應

光纖的非線性效應對光纖通信系統的影響是隨著光纖通信技術的發展逐漸顯現出來的。主要成分為熔二氧化硅的石英光纖在強光場作用下產生明顯的非線性效應。在第一代光纖通信系統中，光纖采用多模光纖，纖芯直徑大、光源功率低、光纖損耗大，傳輸光纖中的光能量密度小，沒有明顯的非線性效應，損耗和色散是影響光纖通信系統容量的主要因素。隨著半導體激光器制造水平的提高、波分復用技術及光放大器的應用、光纖損耗的降低，光纖中傳輸的光能量密度大幅增加，非線性效應的影響日趨顯著。光纖中的非線性效應可以分為非線性折射和受激散射兩種[5-7]。受激散射效應有受激拉曼散射和受激布里淵散射兩種形式[8]。非線性折射源于光纖折射率對光強的依賴關系，主要包括自相位調制和交叉相位調制兩種。在波分復用系統中，當多個波長信道工作于光纖零色散波長區域時，易產生顯著的四波混頻效應。為了幫助學生理解非線性效應對光纖通信系統的影響，采用OptiSystem軟件搭建仿真系統，如圖7所示。將頻率為193.1?THz和193.2?THz的兩束光通過波分復用器合光后注入到一根單模光纖中，采用光譜分析儀測試光纖輸入端和光纖輸出端的光譜。比較光纖輸入光譜和輸出光譜，學習非線性效應對光纖中信號傳輸的影響。

圖8和圖9分別給出了光纖輸入端和輸出端的信號光譜。從圖8可以看出，注入光纖的信號包含193.0?THz和193.3?THz兩種頻率成分。經光纖傳輸后，測得的輸出端光譜（見圖9）中除包含輸入的兩種頻率成分外，還出現了193.0?THz和193.3?THz的光，這兩種頻率的光即是光纖非線性效應的產物。193.0?THz和193.3?THz兩種頻率光的能量來源于光纖輸入端注入的193.1?THz和193.2?THz兩種頻率的光，即光纖的非線性效應使得光纖中信號的功率下降，引起輸出信號的信噪比降低，增加了誤碼率。另一方面，在波分復用系統中，存在多個波長信道，如在193.0?THz和193.3?THz也各設置了一個波長信道，則由193.1?THz和193.2?THz頻率光通過非線性效應產生的193.0?THz和193.3?THz頻率的光因與其他信道的光信號波長相同，則會對其他波長產生信道間的串擾，引起誤碼率增加。

2??結語

將OptiSystem軟件引入光纖傳輸特性的課堂教學，針對光纖的損耗、色散、非線性三項光纖的傳輸特性，采用軟件搭建了相應的仿真平臺。通過仿真演示，使同學們更直觀地觀察到光纖的傳輸特性，幫助同學們更好地理解知識點，提高學生的學習興趣，有利于學生更好地掌握光纖傳輸特性對光纖通信系統的影響機理，為后續的學習打下堅實的基礎。

參考文獻