基于OptiSystem的光模块特性及眼图测试仿真

基于OptiSystem的光模块特性及眼图测试仿真

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Adela2613/article/details/144966110

本文将介绍如何使用OptiSystem软件进行光模块特性及眼图测试仿真。通过该项目，读者将熟练掌握OptiSystem软件的使用方法，熟悉光模块的主要参数及其测试方法，并理解光接收机灵敏度的概念及其影响因素。

项目目标

1. 熟练掌握 OptiSystem 软件的使用方法。
2. 熟悉光模块的主要参数及其测试方法。
3. 理解光接收机灵敏度的概念及其影响因素。
4. 掌握眼图的形成原理，了解抖动的产生机制，并能够利用眼图评估数字传输系统的数据传输能力，同时学会通过眼图分析信号抖动。
5. 了解光发射机和光接收机性能参数的意义，并掌握其测试方案。
6. 能够完成光收发模块的测试工作，包括光谱测试（中心波长、峰值功率）、光功率测试（平均发射光功率）、光眼图测试（消光比），以及通过误码率测试评估光接收机灵敏度。

项目方案设计

光模块的选择与设计

发射端设计

激光器选择

常见的激光器包括 DFB（分布式反馈激光器）和 VCSEL（垂直腔面发射激光器）。DFB 激光器通常用于高带宽和长距离传输，是光纤通信的理想选择。VCSEL 激光器则在短距离传输和低功耗应用中具备显著优势。

调制器选择

Mach-Zehnder 调制器（MZM）广泛用于光信号的调制，支持多种调制格式。对于 NRZ、RZ 或 QPSK 调制格式，MZM 是常用的选择。不同调制格式对系统的带宽和误码率（BER）具有显著影响。

接收端设计

光电探测器选择

常见的光电探测器包括 PIN 光电二极管和 APD（雪崩光电二极管）。APD 具有较高的增益，适合用于低光强信号探测和长距离通信。PIN 光电二极管适用于信号强度较高的大部分场景，且具备良好的通用性。

前置放大器与解调器配置

接收端的前置放大器应根据信号强度进行匹配，通常使用低噪声放大器（LNA）。解调器应根据调制方式（如 NRZ、RZ、QPSK）选择合适的解调方案，以确保信号准确恢复。

光通信链路设计

光纤选择

单模光纤（SMF）：适用于长距离和高数据速率传输，具有低损耗和低色散特性。多模光纤（MMF）：适用于短距离应用，成本较低但传输损耗较高。

链路损耗与色散

链路损耗：由光纤特性（如纤芯直径和光纤类型）、连接器及光纤端口等因素决定。色散：包括材料色散与波导色散。在长距离传输中，色散可能导致信号失真，需采取适当的补偿技术进行优化。

光模块的主要性能指标

关键性能参数：

1. 发射功率
2. 波长
3. 调制格式
4. 误码率（BER）
5. 增益
6. 灵敏度

通过合理配置与优化这些参数，可显著提升通信系统的稳定性与效率。

光模块主要参数的测试

光发送机主要参数的测量

平均光功率

使用光功率计测试光源的平均光功率，确保符合规范要求。根据激光器和调制器的选择，可以测试不同功率下的输出光功率。

消光比（ER）

测试调制信号的质量，确保信号的开关对比度良好。使用示波器或光功率计测量信号的最大值和最小值，计算其比值（ER）。

波长和光谱特性

使用光谱分析仪测量光源的光谱宽度和波长中心，确保信号在设计波长范围内传输。

光接收部分主要参数的测试

光接收机灵敏度

测试接收机在特定误码率（如BER = 10^-11）下的最小接收功率。通过调节输入光功率并记录接收机的BER来确定灵敏度。

光接收机动态范围

测试接收机能够有效接收的功率范围。逐步增加输入功率，记录最大可接受功率和最小可检测功率之间的差值。

光模块眼图的测试

眼图的生成与分析

眼图通过示波器显示，反映信号的时序、幅度、噪声、失真等特性。通过眼图可以评估信号的开口宽度、幅度稳定性和抖动情况。

信号抖动分析

抖动分析可以使用专用的抖动分析仪（如Jitter Analyzer）进行，测量眼图的抖动，并记录其幅度，评估信号在传输过程中的时间波动性。

项目实施环境

OptiSystem仿真系统一套

仿真器件选取：

1. PRBSG（伪随机二进制序列生成器）
2. CW Laser （连续波激光）
3. MZM （马赫-曾德调制器）
4. EDFA：铒掺杂光纤放大器
5. Bessel optical filter（贝塞尔光学滤波器）
6. PIN 二极管
7. Low pass Bessel filter（低通贝塞尔滤波器）
8. Eye Diagram Analyzer（眼图分析仪）
9. Optical Fiber（光纤）
10. NRZ pulse Generators （NRZ脉冲发生器）
11. Optical Specturm Analyzer（光谱分析仪）
12. Optical Power Meter（光功率计）
13. Optical Time Domain Visualizer（光时域可视化仪）
14. Oscilloscope Visualizer (示波器)
15. Optical Attenuator（光衰减器）

项目具体实施

光发送部分仿真

平均光功率

使用OptiSystem中的光功率计（Power Meter）模块，测量激光器或光源输出的光功率。

步骤：

1. 在光源输出端连接光功率计，记录输出功率。
2. 根据不同的光源和调制方式，调整功率设置，并记录输出的平均功率值。

消光比（Extinction Ratio，ER）

使用OptiSystem中的模块，光功率计（Power Meter）模块测量信号的消光比。

步骤：

1. 在调制后的光信号上加入光功率计（Power Meter）模块。
2. 设置门限值，根据仿真结果读取“高电平”和“低电平”功率值，计算消光比:

波长和光谱特性

使用光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA）进行波长和光谱测试。

步骤：

1. 将光谱分析仪连接到激光器输出端，设置适当的波长扫描范围。
2. 记录光谱图，并评估光源的波长特性和谱宽。

边模抑制比（SMSR）

使用光谱分析仪（OSA）测量边模抑制比，评估激光器输出光谱的纯度。

步骤：

1. 将光谱分析仪连接至激光器输出端，设置扫描范围（例如：±50 nm）。
2. 记录主模和边模功率。主模是光谱中的最大峰值，边模是主模两侧的副峰。
3. 计算边模抑制比（SMSR）：

光接收部分仿真

灵敏度测试

添加光衰减器（Optical Attenuator）和误码率分析仪（BER Analyzer）。

调节输入功率，从高功率逐步减小，记录对应的误码率（BER）。

找到 BER = 10^{-11} 时的最小输入功率，即为接收机灵敏度。

动态范围测试

使用误码率分析仪（BER Analyzer）模块和光功率计测量接收机的动态范围。

步骤：

1. 逐步增加输入功率，并记录误码率，确定接收机能接受的最大输入功率。
2. 逐步降低输入功率，找到最小的检测功率，计算接收机的动态范围。

眼图测试

使用眼图分析仪（Eye Diagram Analyzer）和示波器（Oscilloscope）模块，评估光模块信号质量。

步骤：

1. 在接收端连接眼图分析仪和示波器，观察接收到的信号。
2. 分析眼图中的开闭状态，评估信号的完整性和抖动情况。
3. 眼图的形状和高度反映了系统的信号质量，较清晰的眼图表示较好的信号质量。

结果与分析

眼图测试

搭建基准光模块用于眼图分析：

我们使用仪器默认参数，设置激光器输出光功率为10dBm，将光发送机信号输入端和光接收机输出端接入眼图分析仪，得到初始眼图：

可以得到眼图质量较差，最小误码率较高，Q.Factor较低，说明此时系统受噪声干扰较大，通过对贝塞尔滤波器的带宽及阶数参数的调整，如图：

Bandwidth：10GHz->23GHz

Order:1->4

可以得到系统优化后的眼图表现：

通过分析眼图的各项参数可以得到经优化后的系统性能较好，波形无失真，信号受干扰程度较低：

误码仪的传输速率为10 Gbps

接入误码分析仪做各参数可视化：

光模块性能测试

光发送机部分主要参数测试

测试模块整体搭建：

光发送机模块示意图

平均光功率测量

设置激光器输出光功率为20dB，分别将光功率计接入激光器输出端，MZM调制器输出端，传输链路输出端，得到各输出端光功率

其中设置光纤长度为10m，损耗率为0.2dB/m，而从调制器输出的光功率-光纤链路输出的光功率正好等于2dBm即16.989-14.990=2dBm

消光比实验

将误码仪替换成自定义二进制序列生成器，设置调制器的消光比为20dB：

1. 将误码仪替换成自定义二进制序列生成器，设置调制器的消光比为20dB：
2. 使用二进制序列生成器全发送0码，得到此时光发送机输出端的光功率P0
3. 全发送1得到光功率P1
4. 我们将P0和P1带入消光比公式：
   得到消光比ER≈19.5
   再通过查看我们的眼图分析仪生成的结果消光比为19.52可验证我们光发送机的消光比测得较为准确

波长和光谱特性测试

光纤传输链路部分模块搭建

通过用光谱分析仪对单纵模激光器进行分析可以得到光源的光谱特性：光源的中心波长为1552.5nm

通过对各路组件输出端进行光功率检测可以扩展探究噪声来源，从上到下依次为激光器输出端，光纤输出端，EDFA放大器输出端，贝塞尔滤波器输出端，可以得到噪声基本来源于增益过程，而短距离传输中不需要增益，因此去掉EDFA

去除EDFA之前的性能评估：

去除之后：

可以得到Q Factor 有了一定的提升，信号更加清晰，抗噪性能更强，但是眼高减小，信号强度降低。Threshold 值相对减小（接近0），意味着决策边界更接近信号的中心，这有助于提高判定的准确性。较低的门限值通常意味着信号判决的容错性较好。

光接收机部分的主要参数分析

整体测试模块搭建：

光接收机示意图：

灵敏度测试

还是用误码仪产生伪随机二进制序列作为系统信号输入，在光传输链路中加入光衰减器来调节输入光接收机的光功率大小，使系统处于误码状态，逐渐增大衰减值，来逐渐增大光功率，使系统测试得到的误码率达到最高允许值（1*10^11）此时的光功率为次误码率条件下光接收机的最小光功率，即光接收机的灵敏度

通过分析眼图，此时误码率接近最高允许值

得到灵敏度为-20.996dBm

动态范围测试

仍然用误码仪向光发送机的数字驱动电路发送伪随机序列作为测试信号，调节光衰减器使衰减值逐渐减小，从而使光功率逐渐增大，使误码率达最大允许值，此时光功率为光接收机的最大光功率即Pmax

通过分析眼图得到此时的误码率为8.00e-12接近最大允许值

此时Pmax为20.470dB

同理，测得的灵敏度即为光接收机的最小光功率Pmin为-20.996dBm

由动态范围公式：

可得动态范围为11.46635

总结与心得

在本次项目仿真测试中，我从多个方面对光模块的特性进行了全面测试，包括光输出功率、接收灵敏度、消光比、调制带宽等关键参数。这些测试有助于全面了解光模块的性能，并及时发现潜在问题。通过此次测试，我不仅掌握了OptiSystem软件的使用技巧，还学会了如何搭建光模块系统，进一步加深了对光通信系统仿真过程的理解。

总体而言，本次项目使我认识到，光模块特性测试是评估和验证光模块性能的核心环节。通过进行全面的测试，标准化测试条件，准确校准仪器，记录和分析数据，并与规格要求进行对比，我们能够获得准确、可靠的测试结果。这些结果不仅能帮助我全面评估光模块的表现，还为未来产品的改进和优化提供了有价值的参考。因此，测试不仅是验证性能的手段，更是推动技术进步和产品完善的重要环节。

补充说明

眼图各参数具体分析：

• Max. Q Factor: 97.7335
• Q Factor 是衡量数字通信系统性能的一个重要指标，特别是用于评估信号的清晰度和抗噪声能力。Q Factor 是信号和噪声的分离程度的度量，通常用来描述眼图的质量。
• 高Q Factor 说明信号和噪声之间有较大的差距，意味着接收信号在决策门限附近的决策区域非常干净且易于区分。97.7335 是一个非常高的Q因子，通常表示系统非常稳定，误码率（BER）较低，信号非常清晰。
• Min. BER: 0
• BER（比特错误率） 是衡量接收信号中比特错误的比例。理论上，BER 值越小，系统的性能越好。您的 Min. BER 为 0，这意味着在当前测试条件下没有任何比特错误发生。
• 这是一个理想的情况，通常在高质量信号传输或理想测试条件下出现，说明系统的误码率非常低，信号质量非常高。
• Eye Height: 0.110466
• Eye Height 代表眼图的垂直开口高度，通常是信号强度的一个指示。眼图的高度越大，系统能够更清晰地区分“0”和“1”的信号，从而降低误码率。
• 0.110466 这个值表明眼图的高度非常合适，提供了良好的决策窗口，这对于系统的可靠性非常重要。较高的眼高度表示信号强度较大，噪声抑制较好。
• Threshold: 0.0074837
• Threshold 是决策门限值，即接收信号进行比特判定时的参考值。在眼图中，通常通过与此门限值比较来决定接收到的是“0”还是“1”。
• 这个 Threshold 值相对较小（接近0），意味着决策边界很接近信号的中心，这有助于提高判定的准确性。较低的门限值通常意味着信号判决的容错性较好，但要注意门限值过低可能会受到噪声的影响。
• Decision Inst.: 0.53125
• Decision Inst. 指的是决策点的定位准确性，通常与眼图的宽度和高度相关。值接近0.5表示决策点位于信号的中心位置，而值接近0或1则可能表明决策点偏离理想位置。
• 0.53125 表明决策点大致位于眼图的中心位置，性能相对平衡，没有明显的偏移，表明系统的判决非常稳定且准确。