周4（第8-15周）：1-2节，8B201-202
《光纤通信原理与系统》实验讲义
第一部分 实验简介
1、OptiSystem光子学仿真软件使用
1.1、软件简介
OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都适用。OptiSystem有一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，并具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，从而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面提供光子器件设计、器件模型和演示。丰富的有源和无源器件库，包括实际的、波长相关的参数。参数扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。OptiSystem满足了急速发展的光子市场对于一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求，深受系统设计者、光通信工程师、研究人员的青睐。
OptiSystem软件允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它可广泛应用下列场合：
（1）物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；
（2）CATV或者TDM⁄WDM网络设计；
（3）SONET⁄SDH的环形设计；
（4）传输装置、信道、放大器和接收器的设计；
（5）色散图设计；
（6）不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（Penalty）的评估；
（7）放大系统的BER和连接预算计算。
1.2、软件使用快速入门：以“激光外调制”为例 实验示例：激光外调制
一、实验目的
1、掌握软件的简单操作
2、了解软件的元件库
3、掌握建立新的project（新的工作界面）
4、掌握搭建系统：将元件从元件库中拖入project、连线、搭建系统
5、掌握设置参数
（1）元件参数设置
（2）全局变量设置
6、掌握软件的运行、观察结果、导出数据
二、实验过程
1. 建立一个新文件。（File>New）
2. 将光学器件从数据库里拖入主窗口进行布局.
3. 光标移至有锁链图标出现时，进行连线。（如图1所示）
4．设置连续波激光器参数。
（1）点击frequency>mode, 出现下拉菜单，选中script。
（2）在value中输入数据并作评估。
（3）点击单位，选择“THZ”，点击OK 回主窗口。（如图2所示）
例图
1.1
例图1.2
5．设置频谱分析仪属性
选中图表点击右键（如图3），选中“component properties”，出现频谱分析仪的属
性框（图4）。保存设置点击OK返回主窗口。
例图
1.3
例图1.4
6.运算
在File中选中Calculate进行运算。运算界面如下。
例图1.5
运算后分别从示波器，频谱分析仪，光学时域观察仪器里观察。（如图5、6、7）
例图1.6
例图1.7
7．全局变量设置与编辑
例如设置比特率1×1010bit/s，比特序列程度=256bits，每比特采样数64
（1） 双击Project Layout
（2） 选择或清除所需要的全局变量
例图 1.8 参量设置
第二部分 实验课题
实验1：观察周期矩形脉冲和单个矩形电脉冲的频谱
一、实验目的
1、比较脉冲宽度相同的周期性信号和非周期性电信号的频谱。
2、了解周期信号的周期T与频谱的关系。
二、实验过程
（一）观察周期矩形脉冲的频谱
1、设置重复率为10GHz（即脉冲周期T=1/1010s=100 ps），脉冲宽度为50ps的矩形脉冲（思考：怎么设置？）
2、观察周期脉冲时域波形和频谱。
（二）观察单个矩形脉冲的频谱
1、设置单个矩形脉冲，其宽度为50ps。（思考：如何设置脉冲宽度=50ps的单个矩形脉冲？）
2、观察单个矩形脉冲时域波形和频谱。
3、将脉冲宽度减少到10ps，重新实验，观察脉冲宽度减少后的频谱变化。
（三）观察短脉冲和无限宽脉冲的频谱。
1、设置脉冲的宽度为很宽的矩形脉冲，观察其频谱（如何设置？）。
2、设置脉冲的宽度为很窄的矩形脉冲，观察其频谱。
设置方法1：采用RZ码，设置重复率是10GHz（10Gbps，脉冲周期100ps），编
码为:11111111，重复率10GHz连续为1的RZ码（占空比为50%），就是宽度为50ps，周期为100ps的脉冲序列
图1.1 系统搭建
图1.2 10GHz的50ps宽度电脉冲的频谱
图1.3（a）宽度50ps单个电脉冲的频谱
图1.3（b）宽度10ps单个电脉冲的频谱
实验2：观察周期矩形光脉冲和单个矩形光脉冲的光谱（即将实验1的电脉冲调制光谱后重复实验）
一、实验目的
1、比较脉冲宽度相同的周期性光信号和非周期性光信号的光谱。
2、了解周期信号的周期T与频谱的关系。
二、实验过程
将实验1的电脉冲调制光波，光源为CW激光器，采用外调整的方法，激光频率取193.1THz。
（一）观察周期矩形光脉冲的光谱
1、设置重复率为10GHz（即脉冲周期T=1/1010s=100 ps），脉冲宽度为50ps的矩形光脉冲（思考：怎么设置？）
2、观察周期脉冲时域波形和光谱。
（二）观察单个矩形光脉冲的光谱
1、设置单个矩形脉冲，其宽度为50ps。（思考：如何设置脉冲宽度=50ps的单个矩形脉冲？）
2、观察单个矩形脉冲时域波形和光谱。
（三）将脉冲宽度减少到25ps、10ps，重新实验，观察脉冲宽度减少后的光谱变化。
图2.1 系统搭建
图2.2(a) 10GHz宽度50ps电脉冲的频谱
图2.2(b) 10GHz宽度50ps电脉冲调制光波后的光谱
图2.2(c) 10GHz宽度50ps电脉冲调制光波后的光谱局部放大图
实验3：调制格式与载波的调制
——3.1比较NRZ码与RZ码两种调制格式的带宽
一、实验目的
1、掌握NRZ与RZ调制格式的特点
2、比较相同数据速率的NRZ码与RZ码信号的频谱图
3、比较相同数据速率的NRZ码与RZ码信号的带宽
二、实验过程
1、分别搭建发送NRZ码、RZ码电脉冲信号的系统（如图）：比特序列发生器、码型脉冲发生器、示波器、RF射频频谱仪
2、码序列为伪随机码，设置数据速率为10Gbps，观察结果
3、码序列为伪随机码，设置数据速率为40Gbps，观察结果
4、将两种情形同时搭建在一起比较
三、实验结果及结论
图3.1 NRZ码测试系统
（a）全图
（b）局部放大图
图3.2 10GbpsNRZ码频谱图
图3.3 RZ码测试系统
（a）全图
（b）局部放大图
图3.4 10GbpsRZ码频谱图
图3.5 将两种情形同时比较的系统搭建
实验3 调制格式与载波的调制
——3.2用NRZ码、RZ码调制光载波
一、实验目的
1、观察用NRZ码、RZ码调制光载波后，信号的频谱图，与不调制载波时信号的频谱图的差别（即与实验2.1的结果相比较）
2、观察相同数据速率的NRZ码与RZ码调制光载波后的光谱图的特点与差别。
二、实验过程
1、分别搭建用NRZ码、RZ码电脉冲信号，采用外调制的方法，调制激光器的系统（如图）。
2、码序列为伪随机码，设置数据速率为10Gbps，观察结果
3、码序列为伪随机码，设置数据速率为40Gbps，观察结果
三、实验结果及结论
图2.2.1 10GbpsNRZ光脉冲的光谱图
图2.2.2 10GbpsRZ光脉冲的光谱图
实验4不同波形、不同重复率光脉冲的光谱
一、实验目的
1、掌握产生不同波形光脉冲的设置方法，包括双曲正割脉冲、高斯脉冲
2、观察、比较单个光脉冲（双曲正割脉冲或高斯脉冲）的光谱图
3、观察、比较高重复率光脉冲（双曲正割脉冲或高斯脉冲）的光谱图
4、了解调制速率、脉冲宽度对光谱宽度的影响
二、实验过程
1、搭建发送Sech波形光脉冲的系统（如图）：比特序列发生器、光脉冲码型发生器、光示波器、光谱仪。选择光载波频率193.1THz。
2、设置光源产生单个光脉冲（双曲正割脉冲或高斯脉冲），观察光谱图，设置脉冲宽度（如何设置脉冲宽度？），观察实验结果。
3、保持脉冲宽度不变，将脉冲设置为高重复率光脉冲（自定义光脉冲数据速率为10Gbps，码序列为均为1码，定义1024个连续1码），观察结果。
3、保持脉冲宽度不变，将脉冲设置为高重复率光脉冲（自定义光脉冲数据速率为10Gbps，码序列为均为1码，定义1024个连续1码），观察结果。
三、问题、实验结果及结论
1、单个脉冲的光谱图是连续的还是离散的？
2、高重复率脉冲的光谱是连续的还是离散的？
3、脉冲的重复率增加，其光谱宽度怎么变化？
4、脉冲的重复率和光谱线之间的距离有什么关系？
图3.1 测试系统
图3.2（a）单个sech光脉冲的光谱
图3.2（b）重复率为10GHz的sech光脉冲的光谱（脉冲宽度与上图相同，仅改
变重复率）
图3.2 10Gbps光脉冲的光谱
图3.3 40GHz重复率sech光脉冲的光谱
实验5 高斯脉冲在普通单模光纤(G.652光
纤)中的传输
一、实验目的
1、掌握色散对光脉冲传输的影响；
2、掌握光脉冲在光纤中正常色散区和反常色散区传输的特点；
3、观察光脉冲经过光纤传输后的啁啾。
二、实验系统搭建
搭建仿真高斯脉冲在G.652光纤中传输的实验系统，如图所示。
三、实验要求
1、设置高斯脉冲的半高全宽TFWHM=12.5ps。
2、传输光纤为G.652光纤，工作在反常色散区。
（1）相关参数设置：色散值D=16ps/nm/km，计算二阶群速度色散参量2 及色散长度：
2
2D20ps2/km 2c
色散长度：LDT02
2 对高斯脉冲：T0TFWHM/1.665
LDT02
212.5/1.665202
2.812km
（2）分别仿真TFWHM=12.5ps的高斯脉冲，经过2倍色散长度和10倍色散长度
（2LD、10LD）距离时，脉冲展宽的情形，如下图。
3、其他条件不变，直接设220ps2/km，分别仿真TFWHM=12.5ps的高斯脉冲，经过2倍色散长度和10倍色散长度（2LD、10LD）距离时，脉冲展宽的情形，与在正常色散区传输的情形进行相比。
4、比较仅仅改变光纤色散的符号，传输后脉冲的啁啾。
四、实验过程
系统搭建
直接从OptiSystem安装文件目录/Optiwave Software/Optisystem/samples/Optical
1、用户自定义比特序列发生器（User Defined Bit Sequence Generator）参数设置：
2、全局变量参数设置：双击Layout中所搭建的系统空白的地方，将弹出变量参数设置图，将Bit rate 设置为40Gbps，即40 000000000Bits/s，其他参数如下图所示。
3、光纤色散设置为16.75ps/nm/km，长度自己定义。
4、双击高斯脉冲发生器，设置工作波长设置为1550nm，脉冲宽度为12.5ps，并可进行啁啾参量设置。
5、实验结果
输入脉冲波形 输出脉冲波形
6、改变参量，比较实验结果，总结实验规律
周4（第8-15周）：1-2节，8B201-202
《光纤通信原理与系统》实验讲义
第一部分 实验简介
1、OptiSystem光子学仿真软件使用
1.1、软件简介
OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都适用。OptiSystem有一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，并具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，从而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面提供光子器件设计、器件模型和演示。丰富的有源和无源器件库，包括实际的、波长相关的参数。参数扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。OptiSystem满足了急速发展的光子市场对于一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求，深受系统设计者、光通信工程师、研究人员的青睐。
OptiSystem软件允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它可广泛应用下列场合：
（1）物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；
（2）CATV或者TDM⁄WDM网络设计；
（3）SONET⁄SDH的环形设计；
（4）传输装置、信道、放大器和接收器的设计；
（5）色散图设计；
（6）不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（Penalty）的评估；
（7）放大系统的BER和连接预算计算。
1.2、软件使用快速入门：以“激光外调制”为例 实验示例：激光外调制
一、实验目的
1、掌握软件的简单操作
2、了解软件的元件库
3、掌握建立新的project（新的工作界面）
4、掌握搭建系统：将元件从元件库中拖入project、连线、搭建系统
5、掌握设置参数
（1）元件参数设置
（2）全局变量设置
6、掌握软件的运行、观察结果、导出数据
二、实验过程
1. 建立一个新文件。（File>New）
2. 将光学器件从数据库里拖入主窗口进行布局.
3. 光标移至有锁链图标出现时，进行连线。（如图1所示）
4．设置连续波激光器参数。
（1）点击frequency>mode, 出现下拉菜单，选中script。
（2）在value中输入数据并作评估。
（3）点击单位，选择“THZ”，点击OK 回主窗口。（如图2所示）
例图
1.1
例图1.2
5．设置频谱分析仪属性
选中图表点击右键（如图3），选中“component properties”，出现频谱分析仪的属
性框（图4）。保存设置点击OK返回主窗口。
例图
1.3
例图1.4
6.运算
在File中选中Calculate进行运算。运算界面如下。
例图1.5
运算后分别从示波器，频谱分析仪，光学时域观察仪器里观察。（如图5、6、7）
例图1.6
例图1.7
7．全局变量设置与编辑
例如设置比特率1×1010bit/s，比特序列程度=256bits，每比特采样数64
（1） 双击Project Layout
（2） 选择或清除所需要的全局变量
例图 1.8 参量设置
第二部分 实验课题
实验1：观察周期矩形脉冲和单个矩形电脉冲的频谱
一、实验目的
1、比较脉冲宽度相同的周期性信号和非周期性电信号的频谱。
2、了解周期信号的周期T与频谱的关系。
二、实验过程
（一）观察周期矩形脉冲的频谱
1、设置重复率为10GHz（即脉冲周期T=1/1010s=100 ps），脉冲宽度为50ps的矩形脉冲（思考：怎么设置？）
2、观察周期脉冲时域波形和频谱。
（二）观察单个矩形脉冲的频谱
1、设置单个矩形脉冲，其宽度为50ps。（思考：如何设置脉冲宽度=50ps的单个矩形脉冲？）
2、观察单个矩形脉冲时域波形和频谱。
3、将脉冲宽度减少到10ps，重新实验，观察脉冲宽度减少后的频谱变化。
（三）观察短脉冲和无限宽脉冲的频谱。
1、设置脉冲的宽度为很宽的矩形脉冲，观察其频谱（如何设置？）。
2、设置脉冲的宽度为很窄的矩形脉冲，观察其频谱。
设置方法1：采用RZ码，设置重复率是10GHz（10Gbps，脉冲周期100ps），编
码为:11111111，重复率10GHz连续为1的RZ码（占空比为50%），就是宽度为50ps，周期为100ps的脉冲序列
图1.1 系统搭建
图1.2 10GHz的50ps宽度电脉冲的频谱
图1.3（a）宽度50ps单个电脉冲的频谱
图1.3（b）宽度10ps单个电脉冲的频谱
实验2：观察周期矩形光脉冲和单个矩形光脉冲的光谱（即将实验1的电脉冲调制光谱后重复实验）
一、实验目的
1、比较脉冲宽度相同的周期性光信号和非周期性光信号的光谱。
2、了解周期信号的周期T与频谱的关系。
二、实验过程
将实验1的电脉冲调制光波，光源为CW激光器，采用外调整的方法，激光频率取193.1THz。
（一）观察周期矩形光脉冲的光谱
1、设置重复率为10GHz（即脉冲周期T=1/1010s=100 ps），脉冲宽度为50ps的矩形光脉冲（思考：怎么设置？）
2、观察周期脉冲时域波形和光谱。
（二）观察单个矩形光脉冲的光谱
1、设置单个矩形脉冲，其宽度为50ps。（思考：如何设置脉冲宽度=50ps的单个矩形脉冲？）
2、观察单个矩形脉冲时域波形和光谱。
（三）将脉冲宽度减少到25ps、10ps，重新实验，观察脉冲宽度减少后的光谱变化。
图2.1 系统搭建
图2.2(a) 10GHz宽度50ps电脉冲的频谱
图2.2(b) 10GHz宽度50ps电脉冲调制光波后的光谱
图2.2(c) 10GHz宽度50ps电脉冲调制光波后的光谱局部放大图
实验3：调制格式与载波的调制
——3.1比较NRZ码与RZ码两种调制格式的带宽
一、实验目的
1、掌握NRZ与RZ调制格式的特点
2、比较相同数据速率的NRZ码与RZ码信号的频谱图
3、比较相同数据速率的NRZ码与RZ码信号的带宽
二、实验过程
1、分别搭建发送NRZ码、RZ码电脉冲信号的系统（如图）：比特序列发生器、码型脉冲发生器、示波器、RF射频频谱仪
2、码序列为伪随机码，设置数据速率为10Gbps，观察结果
3、码序列为伪随机码，设置数据速率为40Gbps，观察结果
4、将两种情形同时搭建在一起比较
三、实验结果及结论
图3.1 NRZ码测试系统
（a）全图
（b）局部放大图
图3.2 10GbpsNRZ码频谱图
图3.3 RZ码测试系统
（a）全图
（b）局部放大图
图3.4 10GbpsRZ码频谱图
图3.5 将两种情形同时比较的系统搭建
实验3 调制格式与载波的调制
——3.2用NRZ码、RZ码调制光载波
一、实验目的
1、观察用NRZ码、RZ码调制光载波后，信号的频谱图，与不调制载波时信号的频谱图的差别（即与实验2.1的结果相比较）
2、观察相同数据速率的NRZ码与RZ码调制光载波后的光谱图的特点与差别。
二、实验过程
1、分别搭建用NRZ码、RZ码电脉冲信号，采用外调制的方法，调制激光器的系统（如图）。
2、码序列为伪随机码，设置数据速率为10Gbps，观察结果
3、码序列为伪随机码，设置数据速率为40Gbps，观察结果
三、实验结果及结论
图2.2.1 10GbpsNRZ光脉冲的光谱图
图2.2.2 10GbpsRZ光脉冲的光谱图
实验4不同波形、不同重复率光脉冲的光谱
一、实验目的
1、掌握产生不同波形光脉冲的设置方法，包括双曲正割脉冲、高斯脉冲
2、观察、比较单个光脉冲（双曲正割脉冲或高斯脉冲）的光谱图
3、观察、比较高重复率光脉冲（双曲正割脉冲或高斯脉冲）的光谱图
4、了解调制速率、脉冲宽度对光谱宽度的影响
二、实验过程
1、搭建发送Sech波形光脉冲的系统（如图）：比特序列发生器、光脉冲码型发生器、光示波器、光谱仪。选择光载波频率193.1THz。
2、设置光源产生单个光脉冲（双曲正割脉冲或高斯脉冲），观察光谱图，设置脉冲宽度（如何设置脉冲宽度？），观察实验结果。
3、保持脉冲宽度不变，将脉冲设置为高重复率光脉冲（自定义光脉冲数据速率为10Gbps，码序列为均为1码，定义1024个连续1码），观察结果。
3、保持脉冲宽度不变，将脉冲设置为高重复率光脉冲（自定义光脉冲数据速率为10Gbps，码序列为均为1码，定义1024个连续1码），观察结果。
三、问题、实验结果及结论
1、单个脉冲的光谱图是连续的还是离散的？
2、高重复率脉冲的光谱是连续的还是离散的？
3、脉冲的重复率增加，其光谱宽度怎么变化？
4、脉冲的重复率和光谱线之间的距离有什么关系？
图3.1 测试系统
图3.2（a）单个sech光脉冲的光谱
图3.2（b）重复率为10GHz的sech光脉冲的光谱（脉冲宽度与上图相同，仅改
变重复率）
图3.2 10Gbps光脉冲的光谱
图3.3 40GHz重复率sech光脉冲的光谱
实验5 高斯脉冲在普通单模光纤(G.652光
纤)中的传输
一、实验目的
1、掌握色散对光脉冲传输的影响；
2、掌握光脉冲在光纤中正常色散区和反常色散区传输的特点；
3、观察光脉冲经过光纤传输后的啁啾。
二、实验系统搭建
搭建仿真高斯脉冲在G.652光纤中传输的实验系统，如图所示。
三、实验要求
1、设置高斯脉冲的半高全宽TFWHM=12.5ps。
2、传输光纤为G.652光纤，工作在反常色散区。
（1）相关参数设置：色散值D=16ps/nm/km，计算二阶群速度色散参量2 及色散长度：
2
2D20ps2/km 2c
色散长度：LDT02
2 对高斯脉冲：T0TFWHM/1.665
LDT02
212.5/1.665202
2.812km
（2）分别仿真TFWHM=12.5ps的高斯脉冲，经过2倍色散长度和10倍色散长度
（2LD、10LD）距离时，脉冲展宽的情形，如下图。
3、其他条件不变，直接设220ps2/km，分别仿真TFWHM=12.5ps的高斯脉冲，经过2倍色散长度和10倍色散长度（2LD、10LD）距离时，脉冲展宽的情形，与在正常色散区传输的情形进行相比。
4、比较仅仅改变光纤色散的符号，传输后脉冲的啁啾。
四、实验过程
系统搭建
直接从OptiSystem安装文件目录/Optiwave Software/Optisystem/samples/Optical
1、用户自定义比特序列发生器（User Defined Bit Sequence Generator）参数设置：
2、全局变量参数设置：双击Layout中所搭建的系统空白的地方，将弹出变量参数设置图，将Bit rate 设置为40Gbps，即40 000000000Bits/s，其他参数如下图所示。
3、光纤色散设置为16.75ps/nm/km，长度自己定义。
4、双击高斯脉冲发生器，设置工作波长设置为1550nm，脉冲宽度为12.5ps，并可进行啁啾参量设置。
5、实验结果
输入脉冲波形 输出脉冲波形
6、改变参量，比较实验结果，总结实验规律