光纤通信实验指导书-南通大学

光纤通信实验指导书南通大学电子信息学院2011年10月 目录第一章 光发射机实验4实验一 MZ调制器半波电压和偏置电压对调制的影响4一、实验目的4二、实验原理4三、实验配置图6四、实验步骤6第二章 新型光调制格式实验8实验一 NRZ、RZ调制原理及产生8一、实验目的8二、实验原理8三、实验配置图10四、实验步骤10实验二 CSRZ调制原理及产生11一、实验目的11二、实验原理11三、实验配置图11四、实验步骤12实验三 SSB调制原理及产生12一、实验目的12二、实验原理12三、实验配置图12四、实验步骤13第三章 光放大器性能实验14实验一 观察增益随EDF参量的变化关系14一、实验目的14二、实验原理14三、实验配置图15四、实验步骤15实验二 EDFA输入光功率与增益关系曲线测量16一、实验目的16二、实验原理16三、实验配置图16四、实验步骤16附：16第四章光接收机性能实验17实验一. 接收机灵敏度的测试17一、实验目的17二、实验原理17三、实验配置图17四、实验步骤17实验二. 光接收机灵敏度的影响因素18一、实验目的18二、实验原理18三、实验配置图18四、实验步骤19第五章 光纤色散对传输性能影响实验19实验一、观察不同速率和光纤长度的系统受色散的影响19一、实验目的：19二、实验原理19三、实验配置图21四、实验步骤21实验二、色散补偿光纤对传输性能的影响23一、实验目的23二、实验原理23三、实验配置图23四、实验步骤23五、仿真结果24六、实验结论24第七章光纤传输系统综合实验25实验一、WDM长距离传输系统25一、实验目的25二、实验原理25三、实验配置图25四、实验步骤25五、仿真结果26第一章 光发射机实验实验一 MZ调制器半波电压和偏置电压对调制的影响一、实验目的1.掌握在光通信系统中，外调制光发射机的组成和原理2.掌握马赫-曾德调制器中偏置点的设置对调制结果的影响二、实验原理1、MZ调制器结构光波导Ein（t）Eout(t)图1.1 MZ调制器结构示意图MZ调制器的典型结构如图1.1所示，输入光波在一个Y分支处被分为功率相等的两束，分别通过两路光波导由电光材料制成，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第二个Y分支处产生相位差，若两束光的光程差是波长的整数倍，则相干加强；若两束光的光程差是波长的半整数倍，则相干抵消。因此可以通过控制外加电压来对光信号进行调制。2、MZ调制器的调制原理及传输曲线马赫-曾德调制器的偏置点位置不同时，会导致输出信号的不同，其输出光形式为：其中，V1,V2为两电极上的驱动电压。输出端的光强为：，其中。对于单电极调制，可以认为是一个电极上的电压为零。下图所示为MZ调制器的传递曲线。从曲线上可以看出，对于特点的输入信号，如幅度为的双极性信号，当偏置点取在、处时，处于MZ调制器的线性区域。当偏置点取在0，和2时，处于MZ调制器的非线性区。图1.2 MZ调制器传递曲线图1.3 MZ调制器处在非线性区的输入输出信号图1.4 MZ调制器处在线性区的输入输出信号三、实验配置图外调制光发射机由伪随机码发生器、编码器、连续波激光器以及单臂/双臂MZ调制器组成。编码器之后的示波器用于观察被调制的数字信号码型，输出端用示波器和眼图分析仪来观察输出结果。图1.5 外调制光发射机实验配置图四、实验步骤1如图1.2配置实验系统。2. 选择单臂MZ调制器中的结构参数，保持半波电压设为4V；3. 选择编码器中的结构参数，设置高电平1V，低电平-1V，占空比0.5。4. 从0-8V每隔1V均匀改变MZ的偏置电压，观察并记录输出信号的码型和眼图变化，比较误码率。第二章 新型光调制格式实验光纤通信系统中，二进制非归零开关键控调制（NRZ）是一种被广泛应用的最简单的调制格式。然而在高速大容量的WDM系统中，由于其不能有效抵抗色散，非线性和噪声影响的缺点，而出现了各种新型的光调制格式。如基于强度调制的归零调制格式（RZ），载波抑制归零调制格式（CSRZ），单边带调制格式（SSB），残留边带调制格式（VSB），双二进制调制格式等。这些调制格式能够有效减小信道间隔，增加频谱利用率，增强光传输过程的抗干扰能力。本实验中主要介绍高速大容量的WDM系统中的几种新型光调制格式的原理及其产生，通过观察不同调制格式的下产生的信号输出码型，眼图及光谱进行比对了解。实验一 NRZ、RZ调制原理及产生一、实验目的1. 掌握不归零调制格式（NRZ）产生的原理和方法2. 掌握归零调制格式（RZ）的原理3. 掌握归零调制格式（RZ）的二级调制产生方法4. 了解归零调制格式的性能二、实验原理1、NRZ调制格式二进制不归零开关键控调制（NRZ）是最简单的一种基于强度调制的调制格式，其原理是将传输的信息调制在光信号的幅度上，在接受端通过检测幅度的变化解调处所传输的信息。但在高速大容量WDM系统中，NRZ调制格式不能有效地抵抗色散、非线性和噪声影响，有其固有的缺陷。2、二级调制原理归零调制格式（RZ）是对NRZ的一种改进，其原理是对NRZ调制的波形进行切割，形成归零脉冲，由于RZ调制信号的码间干扰小于NRZ调制信号，因而具有更高的非线性容限和更大的PMD容限，所以具有较高的接收机灵敏度。RZ、CSRZ和SSB等新型调制格式都是基于二级调制原理。原理图如下图所示：图2.1 二级调制原理图第一级调制器采用普通的强度调制方式，数据信息以电的NRZ形式加在调制端。为了方便分析，假设MZ1的输出信号Ein为承载了信息的理想举行NRZ光脉冲。第二级调制器采用双端调制，每个调制端均加上一个时钟信号和一个偏置电压，选取不同的时钟信号幅度、频率和相位以及直流偏压便在MZ2的输出端产生不同调制格式的信号脉冲Eout。3、RZ调制格式原理归零调制格式（RZ）分为两类：全频率调制和半频率调制，其主要差别在占空比的不同；此处，考虑全频率调制RZ调制格式的实现。全频率调制RZ调制格式中，MZ2偏置在处，时钟信号幅度和频率分别为和B，两时钟信号相位差为，两臂电压分别为此时信号输出光强为;信号半高全宽为占空比为1/2。三、实验配置图图2.2 NRZ码产生实验配置图图2.3 RZ码产生原理图四、实验步骤（一）NRZ码的产生1. 按照图2.2配置实验系统2. 将单电极驱动调制器MZ1的半波电压、偏置电压均设为2V。将不归零码编码器中的高电平设为2V，低电平为0V。（二）RZ码的产生1. 按照图2.3原理图配置实验系统2. 将单电极驱动调制器MZ的半波电压、偏置电压均设为2V。3. 将双电极驱动调制器MZ的半波电压设置为2V，偏置电压1，2均设置为0.5V，将不归零码编码器中的高电平设为2V，低电平为0V。4. 正弦波产生器（上部）的初始相位设为0，正弦波产生器（下部）的初始相位设为3.1415，抽样率均为32，频率均为0.01THz，幅度均为0.5V。5. 仿真，观察记录信号输出眼图和光谱。注意：NRZ编码器与正弦波发生器的抽样率要设置为相同的数值，系统中的正弦波产生器实际上产生的是余弦波。实验二 CSRZ调制原理及产生一、实验目的1. 掌握载波抑制归零调制格式（CSRZ）的原理2. 掌握载波抑制归零调制格式（CSRZ）的二级调制产生方法3. 了解归零调制格式的性能二、实验原理载波抑制归零调制格式中，MZ2偏置点在处，时钟信号幅度和频率分别为和B/2，两时钟信号相位差为，两臂电压分别为（推导一种调制格式信号的产生）此时信号输出光强为；信号半高全宽为占空比为2/3。三、实验配置图配置图与实验一RZ码调制相同，只是参数配置不同。四、实验步骤1. 将单电极驱动调制器MZ1的半波电压，偏置电压均设为2V。2. 将双电极驱动调制器MZ2的半波电压设置为2V，偏置电压1，2均设置为1V，将不归零码编码器中的高电平设为2V，低电平为0V。3. 正弦波产生器（上部）的初始相位设为-1.5708，正弦波产生器（下部）的初始相位设为1.5708，抽样率均为32，频率均为0.005THz，幅度均为1V。4. 仿真，观察信号输出眼图和光谱。注意：NRZ编码器与正弦波发生器的抽样率要设置为相同的数值，系统中的正弦波产生器实际上产生的是余弦波。实验三 SSB调制原理及产生一、实验目的1掌握单边带调制格式（SSB）的原理2. 掌握单边带调制格式（SSB）的二级调制产生方法3. 了解单边带调制格式的性能二、实验原理单边带调制是指将信号频谱的第一级边带进行压制的调制格式。单边带调制格式中，MZ2偏置点在处，时钟信号幅度和频率分别为和B，两时钟信号相位差为/2，两臂电压分别为此时信号输出光强为；信号半高全宽为占空比为1/2。三、实验配置图配置图与实验一RZ码调制相同，参数配置不同。四、实验步骤1. 将单电极驱动调制器MZ的半波电压、偏置电压均设为2V，将不归零码编码器中的高电平设为2V，低电平为0V。 2. 将双电极驱动调制器MZ的半波电压设置为2V，偏置电压1，2均设置为0.5V。3. 正弦波产生器1的初始相位设为-0.7854，正弦波产生器2的初始相位设为-2.3562，抽样率均为32，频率均为0.01THz，幅度均为0.707V。4. 仿真，观察信号输出眼图和光谱。注意：NRZ编码器与正弦波发生器的抽样率要设置为相同的数值，系统中的正弦波产生器实际上产生的是余弦波。第三章 光放大器性能实验实验一 观察增益随EDF参量的变化关系一、实验目的1. 掌握掺铒光纤放大器EDFA的原理及性能2. 了解EDFA放大器小信号增益与泵浦功率的关系，绘制小信号增益随泵浦功率变化的关系曲线3. 了解EDFA放大器小信号增益与EDF长度的关系，绘制小信号增益随EDF长度变化的关系曲线二、实验原理EDFA放大器的性能指标包括小信号增益、增益形状、饱和输出功率、噪声系数等，这些性能指标不仅与放大器的工作机理有关，还与放大器的结构参数有关，如EDF长度、泵浦强度等。对于小信号增益这项指标，在相同的EDF长度下，放大器增益随泵浦功率的增加而增大，但达到一定水平就不再增加了，这是由于EDF长度固定，信号从泵浦中汲取功率有限所致；而固定泵浦功率，放大器增益随EDF长度的增加而先增加后降低，存在一个对应最大增益输出的最佳长度，这是由于当长度小于最佳长度时，整个EDF都能为信号提供增益，而当大于最佳长度后，多余的部分由于粒子反转水平过低而吸收信号功率。EDFA放大器的增益由很多因素决定，信号波长，泵浦波长，泵浦功率，信号功率、泵浦方式等，光纤长度也是其中之一。EDFA的增益并非随着EDF的长度增加而正比的增加，并且光纤长度增加，波形失真加大，EDFA有其最佳光纤长度。三、实验配置图图3.1 放大器实验配置图四、实验步骤 （1）观察增益与泵浦功率的关系1. 如图3.1配置实验系统，放大器选择EDFA物理模型。2. 将单信道光发射机中的平均功率设为0.01mW，即小信号。3. 将EDFA放大器中的光纤长度设为20m，使用前向泵浦（波长1480nm），泵浦功率从0到20mW以2mW为间隔递增。眼图分析仪上读取不同泵浦功率所对应的平均功率大小，求出增益（单位为dB）。4. 将泵浦功率作为横坐标，增益大小作为纵坐标，绘制出增益随泵浦功率变化的关系曲线。（可借助Excel）5. 将EDFA放大器中的光纤长度改为10，重复3、4两步，绘制出EDF长度为10m的情况下增益随泵浦功率变化的曲线。（2）观察增益与EDF长度的关系1. 如图3-1-1配置实验系统，放大器选择EDFA物理模型。2. 将单信道光发射机中的平均功率设为0.01mW，即小信号。3. 使用前向泵浦（波长1480nm），将泵浦功率设为3mW。4. 改变EDF长度，由10m至50m以10m为步长递增。在眼图分析仪上读取不同EDF长度所对应的平均功率大小，并求出增益（单位为dB）.5. 以EDF长度为横坐标，增益大小为纵坐标，绘制出增益随EDF长度变化的关系曲线。（可借助Excel）6. 将前向泵浦的大小改为4mW和5mW，重复4-5步，EDF长度可适当加长（至150m）。绘制关系曲线。实验二 EDFA输入光功率与增益关系曲线测量一、实验目的1掌握掺铒光纤放大器EDFA的原理及性能2掌握放大器的输入光功率与增益的关系3. 掌握饱和输出功率和饱和输入功率的概念二、实验原理对于掺铒光纤放大器，其增益随输入光功率的关系并非是线性的。当输入光功率增加到一定值时，增益会出现下降，其下降3dB时所对应的输入光功率称之为EDFA的饱和输入功率。三、实验配置图 图3.4 放大器实验配置图四、实验步骤1. 按照实验配置图搭建好实验系统。2. 为了方便数据设计，此处用光衰减器来代替光纤传输产生的衰减。设置光发射机功率为10mW，光衰减器衰减40dB，仿真，记录EDFA前后两个示波器显示的信号功率，即EDFA的输入输出光功率，计算EDFA的增益。3. 每隔5dB减小衰减器的衰减系数，记录输入输出光功率并计算相应的增益。4. 画出输入光功率与增益G的关系曲线，计算小信号增益降至3dB时对应的饱和输出功率和饱和输入功率。附：在仿真EDFA模块时，系统会自动在安装文件夹中生成一个Excel文件，文件名为“EDFAdata.xls”.(要求实验主机安装的EXCEL版本为2003或以上)。文件中记录了每次仿真的“输入信号功率(mw)”、“EDF长度”、“信号增益(dB)”、“前向泵浦功率(mw)”、“后向泵浦功率(mw)”。学生可借助excel中的图表功能绘制以上各种关系曲线。第四章 光接收机性能实验实验一. 接收机灵敏度的测试一、实验目的1.了解光接收机灵敏度的含义2. 测试光接收机的灵敏度二、实验原理灵敏度是光接收机的最重要的性能指标，其定义为：在满足给定的误码率指标条件下，光接收机需要的最低光功率。灵敏度可以用每一个光脉冲所需要的最低平均能量来表示，但更经常的是用最低平均光功率（W或dBm）来表示。三、实验配置图图4.1 测试接收机灵敏度实验配置图四、实验步骤1.按照图4.1配置实验；2.设置光衰减器的参数，将其参数值设置为17，单击“仿真”；3.改变光衰减器的参数值，范围从17.7-18.4，步长为0.1，并且每改变一次参数，单击一次仿真；4.单击“误码仪”，若误码率不满足要求，重新设定光衰减器参数值的范围，重复步骤3，直到达到误码率要求为止；5.观察分析实验结果，从图中读出光接收机灵敏度。实验二. 光接收机灵敏度的影响因素一、实验目的1. 了解影响光接收机灵敏度的因素。2. 通过仿真实验观察信号比特速率和消光比对接收机灵敏度的影响。二、实验原理影响接收机灵敏度的因素有：放大器噪声、光电检测器噪声、比特速率、输入波形、消光比。1. 灵敏度与消光比的关系：消光比（EXT）是发射机的性能指标，是由于光源的不完善调制所引起。它的定义为： （dB），EXT越小，不仅使有效信号的光功率减小，而且使接收机中检测器的散粒噪声加大，从而影响接收机的灵敏度。2.接收机灵敏度与比特速率的关系z的定义为当系统的比特速率较高，前置放大器的输入电阻又较大时，z的量值往往由上式中的后一项所决定，这时（若比特速率很低时，这关系式不一定成立），因此，接收机灵敏度与比特速率的关系如下：当用PIN光电二极管作检测器时 （4.5分贝/比特率倍程）当用Si APD作检测器，且工作在最佳雪崩增益时（） （3.5分贝/比特率倍程）三、实验配置图与图4.1同，只是参数需要改变。四、实验步骤1. 按照图5.1搭建仿真配置图2. 将单信道光发射机模块中的消光比改为10dB3. 重复实验一中2-4步（建议衰减器从17dB以0.1dB递增）4. 观察误码仪中的误码率曲线，得出光接收机灵敏度。5. 将单信道光发射机模块中的消光比改为15dB6. 将“单信道光发射机”的仿真参数“比特率”改为20G7. 重复实验一中的第2-4步8. 观察误码仪中的误码率曲线，得出光接收机灵敏度。第五章 光纤色散对传输性能影响实验实验一、观察不同速率和光纤长度的系统受色散的影响一、实验目的：1. 了解色散产生的原理。2. 通过仿真实验比较进一步理解信号在不同比特率、传输距离情况下受色散的影响大小。二、实验原理光纤色散包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散仅存在在多模光纤中，是由于不同模式的传输时延不同而形成的。在单模光纤中，色散主要由材料色散和波导色散组成，它们统称为色度色散，是由于在光纤中传输的不同频率成份的光的传输时延不同而产生的一种物理效应。1.色散引起的脉冲展宽色度色散具有累积效应，并随着传输距离的增加而线性增加。另一方面，色度色散还与光源的谱宽有关。对于高速调制系统，假设光源的静态发射谱线很窄，色散对系统的影响以数据速率平方的关系增加。首先，数据速率翻倍将导致信号傅里叶变换频谱宽度翻倍，从而使色散效应翻倍。其次，数据速率翻倍使数据脉冲时域宽度减半，也导致对色散引起的脉冲展宽的敏感度翻倍。更宽的频谱和更小的脉冲宽度一起导致了整个二次方效应。从展宽因子角度来说，其中，为啁啾高斯脉冲的初始均方根宽度，C为啁啾参量，为群速度色散系数，为三阶色散系数， 其中，为工作波长，为真空光速，D为色散参数，S为色散斜率，它等于D对波长的导数。当不考虑啁啾和三阶色散，即C=0和=0时，展宽因子变为：可得，展宽因子与传输距离z呈线性关系，与脉冲初始宽度成平方关系。2.色散引起的信号走离不同的信道群速度不同，群时延不同，因此信号发生走离现象。走离效应（群速度失配），两束光波由于群速度不同而造成走离效应。三、实验配置图图5.1 观察光纤色散影响的实验配置图四、实验步骤1. 按照图5.1搭建仿真图2. 修改光纤器件的参数。双击光纤器件，弹出属性设置窗口，在“结构参数”设置中，将光纤长度设置为20km。选择“仿真参数”，将“考虑色散”项选中，将“考虑非线性”和“考虑四波混频”的小勾去掉，只考虑群速度色散对传输信号的影响； 3. 设置发射机的“结构参数”，中心频率193.1THz，信道数为1；设置发射机的“仿真参数”，发射功率5mW ，比特率2.5Gb/s；4. 其他器件均采用默认参数，参数设置好之后点击仿真按钮开始仿真，记录仿真结果；5. 分别修改光纤长度为60km、120km，回到步骤2，再次进行仿真；6. 修改发射机属性，将发射信号的比特率改为10Gb/s，重复步骤1-4，观察色散对不同速率的信号的影响。7. 保持发射信号比特率10Gb/s不变，将光纤长度改为80Km，观察传输后的眼图。8. 将光纤长度改为20Km，发射信号比特率改为20Gb/s，观察传输后的眼图。五、仿真结果 图5.2 B=2.5Gb/s，L=20km 图5.3 B=2.5Gb/s，L=60km 图5.4 B=2.5Gb/s，L=120km 图5.5 B=10Gb/s，L=20km 图5.6 B=10Gb/s，L=60km 图5.7 B=10Gb/s，L=120km 图5.8 B=10Gb/s，L=80km 图5.9 B=20Gb/s，L=20km六、实验结论1. 比较5.2-5.4的仿真结果，当传输速率较小时，由于信号带宽较窄，色散对信号的影响并不是很大。2. 比较5.2与5.5，5.3与5.6，5.4于5.7，可以看到，信号速率越高，受色散的影响越大，脉冲展宽越宽。3. 比较5.5-5.7，可以看到，对于速率较高的信号，传输距离越长，受色散影响越大，脉冲展宽越宽。4. 参照图5.5，比较5.8，5.9，可以看到，当比特率增大为原来的两倍时，信号脉冲展宽的程度与速率不变，传输长度增大为原来的4倍时脉冲展宽的程度相似。说明在高速系统中，在色散的影响下，提高比特率对信号的影响比增大传输长度对信号的影响更加严重，可以间接说明信号受色散的影响以速率平方的关系增加。实验二、色散补偿光纤对传输性能的影响一、 实验目的学习色散补偿的原理和方法。二、实验原理对于简单的两段光纤的模型，在其组合色散排布下，传输方程解为：式中，是色散排布周期，是长为的光纤的群色度色散系数（j=1，2）。由与D的关系可得，色散补偿条件可以写为:若上式能够满足，则，即经过每一排布周期后，脉冲恢复到其初始宽度，尽管在每个周期内脉宽可能显著改变。三、 实验配置图图5.10 色散补偿光纤实验配置图四、 实验步骤1. 按照图5.10搭建实验拓扑图。2. 设置第一段光纤（G.652光纤）“结构参数”，长度设置为80km，参考点色散系数17ps/nm.km；设置光线仿真参数，将“考虑色散”选框选中，不选“考虑非线性”和“四波混频”；3. 根据色散补偿的原理，设置第二段光纤（色散补偿光纤）参数，色散补偿需满足D1L1+D2L2=0，L2=80*17/100=13.6Km。在“结构参数”页中将参考点色散系数设置为100 ps/nm.km，长度设置为13.6km，在“仿真参数”页中将考虑色散复选框选中，不考虑非线性和四波混频；4. 设置发射机参数，在“结构参数”页中将发射信道数为1，中心频率设置为193.1THz。在“仿真参数”页中，设置发射速率为10Gb/s，发射功率为5mW；5. 点击仿真按钮开始仿真，记录原始信号和补偿前后两个眼图分析仪结果。五、仿真结果 图5.11 未经光纤传输的信号 图5.12 经过80km光纤传输后的信号图5.13 经过色散补偿光纤后的信号六、实验结论经过色散补偿后，脉冲恢复为初始宽度。第六章 光纤传输系统综合实验实验一、WDM长距离传输系统一、实验目的1掌握波分复用WDM传输系统的基本原理和构成。2掌握系统各组成部分的作用。3了解色散，非线性效应等对WDM传输系统的影响。二、实验原理作为光网络的关键技术之一，波分复用WDM传输技术通过在光纤中增加并行传输波长的数量，极大的提高了传输的容量距离积。一个基本的WDM传输系统通常由光发射机，光波复用器，光功率放大器，传输光纤链路，光前置放大器，光波解复用器和光接收机几个部分组成。三、实验配置图图7.1 WDM长距离传输配置图四、实验步骤1. 如图搭建WDM实验系统。2. 将多信道等间隔光发射机的起始频率设为193.5THz，信道间隔为100GHz，信道数为4，平均功率0.5mW，比特率2.5GHz。3将EDFA功率放大器（左一）的光纤长度设为50m，使用前向泵浦（980nm）,功率为30mW。4将第一段光纤的长度设为100km，同时考虑色散和非线性。5中间的EDFA放大器参数设置与第一个相同。6将第二段光纤长度也设为100km，同时考虑色散和非线性。7前置放大器的增益设为35dB。8 仿真，观察每路输出信号的眼图。9改变发射机中信号的发射功率，将发射功率改为10mW，仿真观察输出信号的眼图。10改变发射信号的比特率，改为5Gb/s，仿真观察输出信号的眼图。11改变信号的复用路数，改为8路，仿真观察输出信号眼图。12改变光纤长度，将两段光纤的长度改为150Km，仿真观察输出信号的眼图。五、仿真结果 图7.2 P=0.5mW，B=2.5Gb/s，L=200Km 图7.3 P=0.5mW，B=5Gb/s，L=200Km 图7.4 P=5mW，B=2.5Gb/s，L=200Km 图7.5 P=5mW，B=5Gb/s，L=200Km 图7.4 P=0.5mW，B=2.5Gb/s，L=300Km 图7.5 P=0.5mW，B=5Gb/s，L=300Km