无源光通信器件专业课程设计.doc

《无源光通信器件》
课程期末设计

题 目——不一样外调制器对光纤通信
传输系统影响分析

姓 名
所在学院
专业班级
学 号
指导老师

1月
Lightsim仿真设计汇报

一、设计名称
不一样外调制器对光纤通信传输系统影响分析

二、设计目标
经过多个不一样外调制器去调制CW激光器，分析在多种外调制器作用下其对光纤通信传输系统性能影响。

三、设计原理
CW Laser（continuous-wave laser）为提供连续光束输出激光器，需要添加外调制器才能使其适适用于信号传输。
本Lightsim（又名PC-simfo）软件中可用调制器有MZ马赫曾德干涉仪调制器，Electro-Absortive OM，Directional Coupler OM，Y fed Coupler OM 等光调制器。
我们利用Lightsim中提供上述4种调制器去调制CW激光器，经过设定在相同参数环境状态下，分别传输等周期高频脉冲序列信号和简单比特序列数字信号，对其传输性能结果进行分析，从而对分析在多种调制器下对光纤通信传输系统性能影响，从理论上对这多个外调制器性能及适用范围条件作简明分析。

四、软件设计内容及分析
1. Lightsim仿真系统各模块组成基础组成以下所表示
传输等周期高频脉冲序列信号时分别有脉冲方波、幅度调制器、CW Laser、单模线性光纤、EDFA放大器、光电接收管。

设定该模拟仿真环境初始参数为
脉冲方波输出比特率2.5e08 bit/s ，波形幅度为0.035V ，脉冲形式为非归零码，

AM幅度调制器为带载波信号，幅度1V，频率为60MHz，

光纤衰减率为0.55dB/km ，长度为15km，对应传输波长为1550nm，零色散波长为1310nm，延时为15ps/nmkm，耦合损耗为5dB，

EDFA放大器对应增益波长为1550nm ， 增益为30dB。

系统连续运行时间设定为2.5e-07s，同时选择重载随机数生成器和总是计算全部模块选项和在信号中添加噪声。

传输简单比特序列数字信号时，分别有比特序列信号源、方波脉冲、、CW Laser、单模线性光纤、光电接收管。

比特序列信号源设定以下：

脉冲波形生成器设定以下：

因为传输信号序列简单，故时间上设为2.5e-09s，以降低复杂性。

2. 利用MZ外调制器
接下来分别对各模块运行后得到波形进行分析，传输等周期高频脉冲序列信号时，在上面设定参数情况中得到各运行结果图以下。
幅度调制器输出波形和激光器输出波形分别以下：

经过MZ外调制器后得到波形和经过光纤传输后波形：

经过EDFA放大器后波形和最终接收器输出波形以下：

从以上结果能够发觉，利用MZ干涉仪调制器输出波形存在较大失真，使得最终信号在接收器波形基础上无法看出原始信号状态，所以这种情况下通信性能效果很差。

传输简单比特序列数字信号时，被传输比特信号和经过MZ外调制器后得到波形：

可见MZ外调制器并不能有效地根据调制信号对传输光信号进行整形，在此时基础不能再还原到原始信号。
经过光纤传输后波形：

因为经光纤传输后波形通常和光调制器输出波形有着高度相同性，故在以后不再列出经光纤传输后波形。
最终接收器输出波形：

此时接收器接收到信号很差。
3. 利用Electro-Absortive外调制器
接下来利用Electro-Absortive OM替换MZ干涉仪调制器，此时系统模块组成图以下，
在保持原来各个参数不变情况下，再次运行仿真系统，进而能够得到各个波形示意图以下，因为模块间波形含有一定反复性，故只给出AM调制信号波形，调制器输出波形和光电接收管接收生成波形，以方便我们进行分析比较。
幅度调制器输出波形和经过Electro-Absortive外调制器输出波形：

最终接收器输出波形：

利用Electro-Absortive OM 外调制器时，其调制结果输出极好，和原始信号波形达成很高一致性，只是受到了少许调制信号中噪声干扰，且其受信号干扰程度和调制信号有着相同趋势，可见其适适用于模拟信号调制。在光电接收管方面，开始时因为接收管不稳定性，电平出现少许漂移，但在2e-07s后，信号已达成稳定接收。
传输简单比特序列数字信号时，基础组成以下。

被传输比特信号和经过Electro-Absortive外调制器输出波形：

经过Electro-Absortive外调制器输出信号和原调制信号高度相符。
最终接收器输出波形：

可见，此时Electro-Absortive外调制器调制效果很好。
4. 利用Directional Coupler外调制器
接下来利用Directional Coupler OM替换Electro-Absortive OM制器，此时系统模块组成图以下，

在保持原来各个参数不变情况下，再次运行仿真系统，进而能够得到各个波形示意图以下，因为模块间波形含有一定反复性，故只给出AM调制信号波形，调制器输出波形和光电接收管接收生成波形，以方便我们进行分析比较。
幅度调制器输出波形和经过Directional Coupler外调制器输出波形：

最终接收器输出波形：

利用Directional Coupler外调制器时，波形形状和原始信号基础一致，能够发觉调制输出信号频率比原始调制信号频率要高，且应该为原始信号频率两倍，这么在光电接收管方面全部能够检测到两倍频率信号，这么信号经过利用合理电路处理技术能够得到愈加好效果。
传输简单比特序列数字信号时，组成以下。

被传输比特信号和经过Directional Coupler外调制器输出波形：

经过Directional Coupler外调制器信号和原被传输信号刚好反相。
最终接收器输出波形：

最终得到结果全部有着反相效果，需要外加一反相器再得到原来信号，但其调制效果还是很好。
5. 利用Y fed Coupler外调制器
接下来利用Y fed Coupler OM替换Directional Coupler OM调制器，此时系统模块组成图以下，

在保持原来各个参数不变情况下，再次运行仿真系统，进而能够得到各个波形示意图以下，因为模块间波形含有一定反复性，故只给出AM调制信号波形，调制器输出波形和光电接收管接收生成波形，以方便我们进行分析比较。
幅度调制器输出波形和经过Y fed Coupler外调制器输出波形：

最终接收器输出波形：

利用Y fed Coupler外调制器时，能够看出输出信号周期性基础一致，但其波形存在一定误差，可能会造成其中二分之一信号不能被正常检测出来，增大了检测电路难度。
传输简单比特序列数字信号时，基础组成以下。

被传输比特信号和经过Y fed Coupler外调制器输出波形：

其调制效果和Directional Coupler效果一致，有着反相调制特征。
最终接收器输出波形：

最终得到结果其信号出现少许波动，即受到干扰噪声影响大。
6. 比较一下各个外调制器光电接收器结果统计数据
6.1 MZ外调制器Received optical power：(经过连接Signal Statistics模块获取)
Pmed (signal) = 8.0108 dBm
P (ASE) = -INF dBm
Photogenerated noise powers:
P (shot-signal) = -89.8385 dBm
P (shot-ASE) = -INF dBm
P (signal-ASE) = -INF dBm
P (ASE-ASE) = -INF dBm
Ptotal (noise) = -89.8385 dBm
Irms (signal) = 9.6757 dBm (9.28 mA)
Irms (noise) = -29.9193 dBm (0.001019 mA)
SNR = 79.1898 dB
Output photodiode signal:
P (thermal) = -43.7707 dBm
Vrms (signal) = 68.1043 dBm (6.463e+06 mV)
Vrms (noise) = -INF dBm (0 mV)
SNR = +INF dB
fc = 1.592e+06 Hz

6.2 Electro-Absortive外调制器Received optical power:
Pmed (signal) = 4.7733 dBm
P (ASE) = -INF dBm
Photogenerated noise powers:
P (shot-signal) = -93.0760 dBm
P (shot-ASE) = -INF dBm
P (signal-ASE) = -INF dBm
P (ASE-ASE) = -INF dBm
Ptotal (noise) = -93.0760 dBm
Irms (signal) = 6.4667 dBm (4.433 mA)
Irms (noise) = -31.5380 dBm (0.0007018 mA)
SNR = 76.0094 dB
Output photodiode signal:
P (thermal) = -43.7707 dBm
Vrms (signal) = 64.7757 dBm (3.003e+06 mV)
Vrms (noise) = -INF dBm (0 mV)
SNR = +INF dB
fc = 1.592e+06 Hz

6.3 Directional Coupler 外调制器Received optical power:
Pmed (signal) = 5.0742 dBm
P (ASE) = -INF dBm
Photogenerated noise powers:
P (shot-signal) = -92.7752 dBm
P (shot-ASE) = -INF dBm
P (signal-ASE) = -INF dBm
P (ASE-ASE) = -INF dBm
Ptotal (noise) = -92.7752 dBm
Irms (signal) = 6.9615 dBm (4.968 mA)
Irms (noise) = -31.3876 dBm (0.0007265 mA)
SNR = 76.6982 dB
Output photodiode signal:
P (thermal) = -43.7707 dBm
Vrms (signal) = 65.0752 dBm (3.218e+06 mV)
Vrms (noise) = -INF dBm (0 mV)
SNR = +INF dB
fc = 1.592e+06 Hz

6.4 Y fed Coupler 外调制器Received optical power:
Pmed (signal) = 6.8042 dBm
P (ASE) = -INF dBm
Photogenerated noise powers:
P (shot-signal) = -91.0452 dBm
P (shot-ASE) = -INF dBm
P (signal-ASE) = -INF dBm
P (ASE-ASE) = -INF dBm
Ptotal (noise) = -91.0452 dBm
Irms (signal) = 7.0427 dBm (5.061 mA)
Irms (noise) = -30.5226 dBm (0.0008866 mA)
SNR = 75.1306 dB
Output photodiode signal:
P (thermal) = -43.7707 dBm
Vrms (signal) = 66.8048 dBm (4.792e+06 mV)
Vrms (noise) = -INF dBm (0 mV)
SNR = +INF dB
fc = 1.592e+06 Hz

7. 小结
经过比较得到，最终信号接收平均功率从大到少依次为MZ8.0108 dBm、Y fed Coupler 6.8042 dBm、Directional Coupler 5.0742 dBm、Electro-Absortive 4.7733 dBm。
信噪比由高至低依次为：MZ 79.1898 dB、Directional Coupler 76.6982 dB、Electro-Absortive 76.0094 dB、Y fed Coupler 75.1306 dB。

五、设计分析总结
本仿真设计经过对4种不一样外调制器（Mach-Zender OM、Electro-Absortive OM，Directional Coupler OM，Y fed Coupler OM），经过设定在相同参数环境状态下，对其传输性能结果进行分析。
在传输等周期高频脉冲序列信号时，能够看出Mach-Zender调制器效果最差，Electro-Absortive 和Directional Coupler 调制性能较优异，Y fed Coupler调制器即使可用但不太好。Directional Coupler 调制效果在功率和信噪比分析中均得到很好结果。
传输简单比特序列数字信号时，Mach-Zender调制器基础不能实现，Electro-Absortive 调制性能很好，Directional Coupler 和Y fed Coupler 有着反相调制特征，但Y fed Coupler调制信号受到噪声干扰较Directional Coupler严重。