基于OptiSystem的高速远距离光纤通信系统研究

1、问题描述：

设计高速远距离色散补偿光纤通信系统，对比不同结构与参量下系统的信号传输效果。首先基于OptiSystem仿真软件，设计一个传输300km、传输速率为40Gbit/s的光纤通信系统。随后对比不同光纤长度、不同光波长、不同调试方式（直接调制和外调制）以及不同光探测器（PIN和APD）等方式下的信号传输效果。

2、系统设计：

为了使得整个系统得到最好的信噪比，并且保证系统误码率在可接受的范围内。本文选择NRZ格式的外调制方式，调制速率为40Gbit/s。传输链路采用单模光纤进行信号传输，长度设置为300km。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，为了实时地观察系统的运行状态，用BER分析仪进行信号的分析与评价。整个光纤通信系统的架构如下图示。

图. 完整的光纤通信系统

3、参数设置

系统整体参数中的比特率Bit rate设置为40Gbit/s。序列发生器Pseudo-Random Bit Sequence Generator为伪随机码发生器，Bit rate为40Gbit/s。激光器的波长设置为1550nm，功率设置为0dBm，线宽为0.1MHz。单模光纤设置长度为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。采用EDFA进行损耗补偿，分别提供10dB和5dB的增益。光纤传输链路中采用Loop Control进行循环次数控制。探测部分PIN管的响应度设定为1A/W。

4、结果分析

光纤传输链路中Loop Control设置为3，即信号经过300km的光纤传输之后，由信号接收端进行接收，眼图分析仪中展现了信号的眼图，误码率为7.54e-58，Q值为15.96，表明该系统具有较好的传输特性。

为了研究不同传输距离下系统信号传输的误码率，设置Loop Control为0~10，即信号经过0~600km的光纤传输，得到了图中所示的误码率变化图。经过小于60km的光纤中传输后，光信号的误码率接近于0。而随着光纤传输距离的增加，误码率逐渐上升，在600km传输后，信号的误码率为2.27e-15。

为了研究不同波长信号光传输的误码率，设置激光器的波长为1540~1560nm，在传输300km后，得到了图中所示的误码率变化图。经过300km的传输距离后，1550nm波长的激光光信号具有最低的误码率。而随着波长的增大或减小，误码率逐渐上升。说明1550nm波长的激光光信号具有最好的传输能力。

随后进行外调制与直接调制的对比。设定40Gbit/s的传输速率，在同样传输300km的距离后，得到了外调制的眼图如下图，误码率为7.54e-58。

直接调制的眼图如下图，误码率为1.04e-45。通过对比两种调制方式，得到在较高速率情况下，外调制比直接调制有更好的信号传输表现。

进行PIN和APD探测的对比。其中APD设置如下图，响应度设定为1A/W，增益为3dB。

设定40Gbit/s的传输速率，在同样传输300km的距离后，得到了PIN探测器系统中的眼图如下图，误码率为7.54e-58。

APD探测器系统中的眼图如下图，误码率为8.05e-46。表明在该系统中PIN探测器比APD探测器具有更佳的探测性能。

5、总结展望：

本案例设计了一套高速远距离色散补偿光纤通信系统，实现了传输距离300km、传输速率为40Gbit/s的光纤通信系统仿真。对比了不同结构与参量下系统的信号传输效果。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。

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