基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析

320科技工作室 2023年2月1日浏览：1269

1、客户需求：

（1）仿真LD、LED直接调制系统的输出光谱，观察系统输出性能。

（2）采用EDFA的光纤通信系统，实现对多路光波信号的放大，实现200km、40Gbit/s的传输。用仿真软件搭建一个WDM系统，观察系统误码情况。

2、系统仿真：

（1）仿真LD、LED直接调制系统的输出光谱，观察系统输出性能。

LD系统设计：仿真系统连接图如图所示，采用直接调制，调制速率为10Gbit/s。其中，Laser Rate Equations器件用于仿真LD，Pseudo-Random Bit Sequence Generator用于产生伪随机比特序列，Optical Spectrum Analyzer用于观测LD输出光谱，传输链路采用单模光纤SMF。信号接收端采用PIN二极管进行光电转换，采用Low pass Bessel filter进行滤波处理，为了观察系统的运行状态，用观测仪器进行信号的分析与评价。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图1$

器件参数设置如下：波长为1552.52nm，偏置电流200mA。信号调制速率为10Gbit/s。

通过光谱仪观测，输出光谱在1552.52nm波长处具有较窄的线宽，与较高的输出光信号功率。通过示波器观测，经过单模光纤传输后信号具有较小的噪声，以及良好的传输特性。通过眼图可以看到，眼睛张开度大，误码率近似于0，信号质量好。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图2$ $基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图3$

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图4$

LED系统设计：仿真系统连接图如图所示，采用直接调制，其中，LED器件受调制后发出信号光，经过Linear Multimode Fiber多模光纤。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图5$

器件参数设置：波长为1300nm，带宽为50nm。信号调制速率为100Mbit/s。多模光纤的长度为500m，损耗为2.61dB/km。

通过光谱仪观测，输出光谱在1300nm波长处具有较宽的线宽，与较低的输出光信号功率。通过眼图分析仪可以看到，接收到的信号眼图误码率为8.6e-13，Q因子为7.0，满足信号的传输要求。由于线宽不同，LED适宜低速率信号传输，而LD可以用于较高速率的光纤通信。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图6$ $基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图7$

（2）采用EDFA的光纤通信系统，实现对多路光波信号的放大，实现200km、40Gbit/s的传输。用仿真软件搭建一个WDM系统，观察系统误码情况。

EDFA仿真系统设计：连接图如图所示，WDM Transmitter发射多通道的信号，波长为1546~1558nm，波长间隔为0.8nm。EDFA采用980 nm波长的泵浦光源，对一定长度的掺铒光纤进行后向泵浦。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图8$

参数设置：WDM Transmitter发射16通道的信号，波长为1546~1558nm，波长间隔为0.8nm，功率为-23.5dBm，线宽为10MHz。EDF的长度为4.75m，泵浦激光的波长为980nm，功率为15.36mW。

从最终的光谱图可以看出，在1546~1558nm波长范围内获得了较为平坦的增益输出，信号光功率得到了明显的放大，增益达到了18.5dB及以上。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图9$

WDM系统设计：连接图如图所示。该系统主要包括信源模块，波分复用模块，光纤传输链路模块，解复用模块和信号接收模块。调用Transmitters Library中光输入源库中的CW Laser（连续激光器）、Transmitters Library中的二进制序列发生器库中的Pseudo-Random Bit Sequence Generator（伪随机序列发生器）、还有Pulse Generators中的电发生器中的NRZ Pulse Generator（非归零脉冲发生器）和Optical Modulators中的MZ Modulator（马赫曾德调制器）。共7个通道的信号，进行波分复用，送入传输链路进行信号的传输，采用色散补偿光纤DCF进行色散补偿，利用EDFA实现光信号放大。调用Receivers library中的Photodetector PIN(PIN光电探测器)，而为了更具体的表述该光纤系统的传输信号的准确性和可靠性，在整个光纤传输系统的接收模型后调用Receivers library中Regenerators中的3R Regenerator（3R再生器）和Visualizer library中Electrical中的BER analyzer（误码率分析仪），从而进行信号分析。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图10$

参数设置：序列发生器Pseudo-Random Bit Sequence Generator设置如下，Bit rate为40Gbit/s。激光器的波长设置为1550nm，功率设置为1mW，线宽为0.1MHz。光纤设置长度为50km，损耗为0.2dB/km，色散为16ps/nm/km。色散补偿光纤长度为10km，损耗为0.5dB/km，色散为-80ps/nm/km。

仿真结果如图所示。

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图11$

$基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析的图12$

经过100km的传输后，采用光谱仪观察光谱，可以看到7个通道的信号光如图所示，保持较高的信噪比。采用光功率计测试传输后的信号光功率，为10.20dBm。采用示波器观察193.1THz传输通道的眼图和误码特性，采用误码仪观察误码情况，可以看到信号脉冲序列较为规整，眼图张开度大，误码率为3.14e-79，表明该WDM系统具有较好的信号传输质量。

3、总结展望：

本案例设计了仿真LD、LED直接调制系统，研究了系统输出性能；仿真了EDFA的光纤通信系统，实现了200km、40Gbit/s的传输，搭建了一个7通道的WDM光纤通信系统，该案例具有灵活的可拓展性，可以根据客户需求进行功能的丰富与系统结构的优化。

最后,欢迎关注"320科技工作室"公众号