王學(xué)勤

摘??要：為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解、掌握知識(shí)點(diǎn)，提升光纖通信課程的教學(xué)效果，將OptiSystem軟件引入光纖通信課堂教學(xué)。該文以光纖傳輸特性部分的教學(xué)內(nèi)容為例，針對(duì)光纖的損耗、色散和非線性效應(yīng)三項(xiàng)光纖的傳輸特性，搭建OptiSystem仿真模型，演示光纖的傳輸特性對(duì)光纖中傳輸信號(hào)的影響，進(jìn)而分析對(duì)光纖通信系統(tǒng)性能的影響。通過仿真演示，使學(xué)生更直觀地理解光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)的時(shí)域、頻域變化特征，掌握光纖傳輸特性對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響機(jī)理。

關(guān)鍵詞：光纖通信??OptiSystem軟件??光纖傳輸特性??課堂教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(tǒng)仿真程序包，具有豐富的組件庫，可用于光纖通信系統(tǒng)的建模仿真[1]。OptiSystem軟件在光纖通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得了較為廣泛的應(yīng)用，有利于教師優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)置，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)，成為了實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充[2-3]。但OptiSystem在光纖通信課堂教學(xué)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道，文章將OptiSystem引入課堂教學(xué)，利用軟件豐富的器件庫和系統(tǒng)搭建的靈活性[4]，幫助學(xué)生理解掌握知識(shí)點(diǎn)、建立知識(shí)體系、提升思考探索能力。

光纖是光纖通信系統(tǒng)的傳輸媒質(zhì)，光纖的傳輸特性是光纖通信系統(tǒng)性能的重要影響因素。因此，光纖傳輸特性部分的教學(xué)是學(xué)生理解通信信道中光信號(hào)變化特性及規(guī)律，掌握光纖傳輸特性對(duì)光纖通信系統(tǒng)容量的影響機(jī)制，了解光纖通信技術(shù)演進(jìn)歷程的重要組成部分，是光纖通信課堂教學(xué)中的一部分重要內(nèi)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(xué)中的應(yīng)用。

1??光纖傳輸特性的教學(xué)設(shè)計(jì)

損耗、色散和非線性效應(yīng)是光纖中光信號(hào)幅度衰減和波形畸變的主要原因，限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量[5]。文章在3種光纖傳輸特性的教學(xué)中引入OptiSystem軟件，開展教學(xué)設(shè)計(jì)，輔助學(xué)生理解、掌握知識(shí)點(diǎn)。

1.1??損耗特性

損耗特性描述的是單位長(zhǎng)度光纖傳輸過程中光能量的損失程度。在光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)入纖光功率和接收靈敏度給定時(shí)，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(píng)估光纖損耗的大小，采用光纖的損耗和光纖的損耗系數(shù)兩個(gè)參數(shù)來表征[5]。為了輔助學(xué)生理解兩個(gè)參數(shù)，采用OptiSystem軟件搭建仿真平臺(tái)，如圖1所示。采用一臺(tái)連續(xù)波輸出激光器作為光源，輸出光信號(hào)注入光纖中，在光纖的輸入端和輸出端各采用一臺(tái)光功率計(jì)測(cè)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(jì)顯示的測(cè)量結(jié)果如圖2所示。光功率計(jì)給出了功率的兩種表示方式，線性表示和對(duì)數(shù)表示，據(jù)此幫助同學(xué)們回顧功率兩種表示方式間的關(guān)系，并講解根據(jù)常用的幾種功率關(guān)系快速?gòu)木€性功率值估計(jì)對(duì)數(shù)功率值的方法。如50?mW的對(duì)數(shù)表示，既可以通過對(duì)數(shù)功率值的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，也可以采用常用的幾種功率值的對(duì)應(yīng)關(guān)系快速估算?？紤]到50?mW是100?mW的一半，100?mW對(duì)應(yīng)于20?dBm，100?mW的一半就是比100?mW小3?dB，那么50?mW的對(duì)數(shù)表示形式即為17?dBm。

為了提高同學(xué)們的課堂參與度，隨機(jī)找5位同學(xué)，按照同學(xué)的學(xué)號(hào)后兩位設(shè)置光纖長(zhǎng)度，測(cè)試光纖輸出光功率，并計(jì)算光纖損耗及損耗系數(shù)，如表1所示。可以看出，當(dāng)向光纖中注入同樣功率的光信號(hào)情況下，光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，光纖輸出端光信號(hào)越弱，在接收機(jī)端恢復(fù)出信號(hào)的難度越大。因此，光纖的損耗限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離。光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，光纖的損耗值越大，光纖的損耗與光纖長(zhǎng)度成正比。但損耗系數(shù)是恒定值。說明損耗系數(shù)表征的是光在單位長(zhǎng)度光纖中傳輸能量的損失程度，是光纖的本征參數(shù)。而光纖的損耗除與該型光纖的損耗系數(shù)有關(guān)外，還與光纖的長(zhǎng)度成正比。隨著傳輸光纖長(zhǎng)度的增加，光纖中的信號(hào)功率逐漸減小，則接收機(jī)從噪聲中分辨信號(hào)的難度增大，產(chǎn)生誤碼的概率增加。因此，當(dāng)入纖光功率和接收機(jī)靈敏度給定時(shí)，光纖的損耗特性是限制光纖通信系統(tǒng)無中繼傳輸距離的重要因素。

1.2??色散特性

為了幫助同學(xué)們了解光纖的色散特性，首先從物理學(xué)中學(xué)過的棱鏡分光引入。一束白光經(jīng)過三棱鏡后形成光譜的現(xiàn)象，即光的色散。請(qǐng)同學(xué)們思考光經(jīng)過三棱鏡后為什么會(huì)產(chǎn)生色散，探討產(chǎn)生的色散的原因：（1）白光是復(fù)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(tǒng)中，半導(dǎo)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(zhì)上也是復(fù)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(xiàn)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(hào)在光纖中的傳輸速度不一樣[6]。為了幫助學(xué)生理解色散對(duì)光脈沖的影響，采用OptiSystem搭建仿真平臺(tái)，如圖3所示，將一個(gè)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(jīng)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(duì)光纖通信系統(tǒng)有什么影響呢？調(diào)整比特序列發(fā)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(gè)脈沖波形展寬，導(dǎo)致在“0”碼時(shí)刻檢測(cè)到的光功率顯著增大。當(dāng)脈沖展寬足夠大時(shí)，“0”碼判決時(shí)刻因檢測(cè)到的光功率較高可能會(huì)被誤判為“1”碼，產(chǎn)生碼間干擾，在接收機(jī)檢測(cè)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生誤碼，引起光纖通信系統(tǒng)誤碼率的增加。此外，光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率越高，則一個(gè)比特位占據(jù)的時(shí)間片越短，色散引起的碼間干擾越嚴(yán)重，誤碼率就越高。為了達(dá)到要求的誤碼率水平，一個(gè)比特位占據(jù)的時(shí)間不能太短，則限制了系統(tǒng)的傳輸速率。通過OptiSystem軟件展示色散在光纖中導(dǎo)致的脈沖展寬，以及脈沖展寬引起碼間干擾產(chǎn)生誤碼的原因，輔助學(xué)生更形象、更直觀地掌握知識(shí)點(diǎn)，鞏固光纖中色散特性的深入理解。

1.3?非線性效應(yīng)

光纖的非線性效應(yīng)對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響是隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展逐漸顯現(xiàn)出來的。主要成分為熔二氧化硅的石英光纖在強(qiáng)光場(chǎng)作用下產(chǎn)生明顯的非線性效應(yīng)。在第一代光纖通信系統(tǒng)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(yīng)，損耗和色散是影響光纖通信系統(tǒng)容量的主要因素。隨著半導(dǎo)體激光器制造水平的提高、波分復(fù)用技術(shù)及光放大器的應(yīng)用、光纖損耗的降低，光纖中傳輸?shù)墓饽芰棵芏却蠓黾?，非線性效應(yīng)的影響日趨顯著。光纖中的非線性效應(yīng)可以分為非線性折射和受激散射兩種[5-7]。受激散射效應(yīng)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(duì)光強(qiáng)的依賴關(guān)系，主要包括自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制兩種。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)波長(zhǎng)信道工作于光纖零色散波長(zhǎng)區(qū)域時(shí)，易產(chǎn)生顯著的四波混頻效應(yīng)。為了幫助學(xué)生理解非線性效應(yīng)對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響，采用OptiSystem軟件搭建仿真系統(tǒng)，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(fù)用器合光后注入到一根單模光纖中，采用光譜分析儀測(cè)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(xué)習(xí)非線性效應(yīng)對(duì)光纖中信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

圖8和圖9分別給出了光纖輸入端和輸出端的信號(hào)光譜。從圖8可以看出，注入光纖的信號(hào)包含193.0?THz和193.3?THz兩種頻率成分。經(jīng)光纖傳輸后，測(cè)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(xiàn)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(yīng)的產(chǎn)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(yīng)使得光纖中信號(hào)的功率下降，引起輸出信號(hào)的信噪比降低，增加了誤碼率。另一方面，在波分復(fù)用系統(tǒng)中，存在多個(gè)波長(zhǎng)信道，如在193.0?THz和193.3?THz也各設(shè)置了一個(gè)波長(zhǎng)信道，則由193.1?THz和193.2?THz頻率光通過非線性效應(yīng)產(chǎn)生的193.0?THz和193.3?THz頻率的光因與其他信道的光信號(hào)波長(zhǎng)相同，則會(huì)對(duì)其他波長(zhǎng)產(chǎn)生信道間的串?dāng)_，引起誤碼率增加。

2??結(jié)語

將OptiSystem軟件引入光纖傳輸特性的課堂教學(xué)，針對(duì)光纖的損耗、色散、非線性三項(xiàng)光纖的傳輸特性，采用軟件搭建了相應(yīng)的仿真平臺(tái)。通過仿真演示，使同學(xué)們更直觀地觀察到光纖的傳輸特性，幫助同學(xué)們更好地理解知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生更好地掌握光纖傳輸特性對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響機(jī)理，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)