光纤通信实验六报告

1、光电综合设计报告学号： 姓名： 一、 课题6：1、 课题要求及技术指标 课题名称：EDFA 设计 课题任务：采取不同结构和泵浦波长设计一个EDFA，结构分为同向泵浦，反向泵浦，双向泵浦三类。 技术指标：可选泵浦光源波长为980nm 和1480nm；泵浦光源的功率在1020dBm，测试输入信号功率为20dBm。课题要求：1在上述条件下要求EDFA 噪声指数小于4.5dB。2在满足一定条件下，最大输出功率可达到18dBm，最大增益可达到25dB（两者不要求同时满足）。3需要分别比较三种结构下的EDFA 的以下特性，并根据比较结果优化设计：（1） 掺铒光纤长度的优化，需要从输出功率、噪声指数、增益三

2、个方面验证；（2） 泵浦光源波长（可选择980nm 和1480nm）的优化，需要从输出功率、噪声指数、增益三个方面验证；4给出设计图和性能参数比较图，参数取点不少于10 个，参数应具有合理性和可行性。2、 课题分析及设计思路 课题分析：铒纤长度在 415m 之间取值。仿真模型中，掺铒光纤选用 Default/Amplifiers Library/Optical/EDFA/ErbiumDoped Fiber；泵浦光源选用Default/Transmitters Library/Optical Sources/PumpLaser；泵浦光耦合器采用Default/WDM Multiplexers L

3、ibrary/Multiplexers/ IdealMux。 设计思路：设计参考反向泵浦EDFA 结构图，参考图如下：根据下述实验原理，可知同向EDFA Pump Laser 位于与 CW Laser 同向的合波器前，而光纤输出端则不设置。同理，双向EDFA就是两侧均放置了Pump Laser。 实验原理：掺铒光纤放大器 EDFA1、EDFA 的结构和工作原理图 1 给出了双向EDFA 的原理性光图，其主体是泵浦源和掺铒光纤（EDF） 。泵浦源用来提供能量； EDF 作为有源介质，提供反转粒子；波分复用器（WDM）的作用是将泵浦光和信号光混合，然后送入EDF 中，对它的要求是能将信号有效地混合

4、而损耗最小；光隔离器（ISO）的作用是防止反射光对EDFA 的影响，保证系统稳定工作；滤波器的作用是滤除EDFA 的噪声，提高系统的信噪比（SNR） ，在两级宽带 EDFA 中，它还起到增益平坦的作用。EDFA 的泵浦过程需要使用三能级系统（如图2.3 所示）。实际上基态能级、亚稳态能级和泵浦能级受斯托克斯分裂（ Stock Splitting）和热效应的影响，形成了一个近似联系的能带。由于亚稳态能级和基态能级具有一定的宽度，因此EDFA 的放大效应具有一定波长范围。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的 Er3 +离子抽运到激发态，处于激发态的Er3 + 离子又迅速无辐射地

5、转移到亚稳态。由于Er3 +离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3 +离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3 + 离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射（ASE），它造成EDFA 的噪声。图1为EDFA 双向泵浦结构示意图。图 1 双向泵浦结构在 EDFA 的光路结构设计中，常见的泵浦方式有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦3 种。这些泵浦方式各有其特点：前向泵浦由于在输入端有高的粒子数反转而具有比较低的噪声

6、；而由于背景损耗小，输出端具有高的粒子数反转，因此反向泵浦具有较高的泵浦效率和增益。当EDF 长度较短时，3种泵浦方式的小信号增益基本相同，NF 也相差不大，原因在于3 种泵浦方式都已使整个光纤的Er3+ 离子发生完全反转；当EDF 长度增加时，双向泵浦方式的增益最高，反向泵浦方式的增益次之，同向泵浦方式的增益最低。噪声系数（NF）则表现不同，其中同向泵浦方式的NF 最小，反向泵浦方式的NF 最大，双向泵浦方式的NF介于二者之间。泵浦光功率、泵浦方式与增益、噪声的关系：在给定的 EDF 长度范围内，EDFA 的增益随泵浦功率的增加而增大，其NF 随泵浦功率增加而减小，但是，当泵浦功率增加到一定

7、值后，增益趋于饱和，NF 也趋于定值。图2 是实验得到的泵浦功率与小信号增益、NF 的关系。这是因为，当泵浦功率增加到一定程度时， EDF 中基态能级的Er3 +离子已经基本上被激励到上能级，继续增加泵浦功率对粒子数反转贡献不大，所以增益趋于饱和。图 2 泵浦功率与小信号增益，噪声系数之间的关系2、 EDFA 在光纤通信系统中的应用在光纤通信系统中，EDFA 有三种基本的应用方式，分别是用作光发射机输出的功率放大器、用作光接收机前端的前置放大器和作远距离传输的线路放大器。功率放大器（后置放大器）方式是把EDFA 置于光发射机之后，用以提升输出信号的功率，可用来保证点对多点的光功率分配，并可降低

8、高速系统中半导体激光器直接调制的“啁啾”影响。功率放大器对放大性能的要求是输出功率大。前置放大器方式是将 EDFA 直接置于光接收机PIN 管光检测器的前面，用以改善输入光信号的信噪比，提高光接收机的接收灵敏度。前置放大器对放大性能的要求是噪声性能要求高。线路放大器应用方式是将 EDFA 在线插在传输线路的一个或多个位置，用来周期性地补偿光信号衰减。这种衰减或来自光纤的吸收损耗，或来自网络分配引起的分光损耗。这种方式下，放大器可以以级联的方式存在。线路放大器对放大性能的要求则要求输出功率和噪声性能两者兼顾。由于光放大器对信号的调制方式和传输速率等方面的透明性，EDFA 在模拟，数字光纤通信系统

9、以及光孤子系统中显示了广阔的应用前景。尤其是在长距离数字通信系统中，波分复用技术与EDFA 结合将大大提高系统容量和传输距离，WDM+EDFA 已经成为当前光纤通信系统最重要的发展方向之一。在级联 EDFA 的系统中，ASE 噪声将不断积累。由于级联方式不同，系统的噪声性能略有不同。根据每级增益安排的不同，EDFA 可以有三种不同的级联方式。第一种级联方式是所谓的“自愈”方式即对每级增益不做专门的控制，在这种方式下，开始几级EDFA 的增益较大，随着信号光功率的增加和ASE噪声的积累，EDFA 增益饱和，最后每级EDFA 输出功率趋于恒定，此时信号光功率不断下降，而ASE 噪声功率不断增加。第

10、二种方式是保证EDFA 输出功率恒定，光功率的变化趋势与第一种级联方式的后半部分相同，第三种级联方式是保持每级EDFA 的增益恰好抵消级间损耗。这种情况下，每级EDFA 输出的信号光功率恒定，但是，由于ASE 噪声积累，总功率将不断上升。在含有 EDFA 的系统中，由于EDFA 能提供足够的增益，使信号的传输距离大大延长，随着信号速率的不断提高，光纤色散和非线性效应对系统性能的影响变得突出起来。3、 系统设计（建模）系统图：同向EDFA设计：反向EDFA设计：双向EDFA设计：相关说明：泵浦光源功率设定为20dBm，测试输入信号功率已被限定-20dBm,使用Dual Port WDM Anal

11、vzer 测定相关参数。4、 仿真结果与仿真分析1、 噪声指数、增益、输出功率满足性分析（NF<4.5dB;Gain>25dB） 同向980nm、7m光纤 反向980nm，4m光纤 双向（同980nm，反1480nm），光纤4m2、 优化分析：泵浦光源波长以及长度优化（分别从输出功率、增益和噪声指数分析）： 对于同向：同向1480nm同向980nm结论：根据相同条件下输出功率、增益以及噪声指数，同向EDFA泵浦光源波长980nm性能更好。选择理由：1480nm噪声指数很难达到要求。最佳长度：根据图像，最佳长度为光纤5m 对于反向：反向1480nm反向980nm结论：根据相同条件下输

12、出功率、增益以及噪声指数，反向EDFA泵浦光源波长980nm性能更好。选择理由：980nm最佳数据点均优于1480nm最佳长度：光纤4.5m 对于双向：双向1480nm双向980nm同向1480nm，反向980nm同向980nm，反向1480nm结论：根据相同条件下输出功率、增益以及噪声指数，双向EDFA泵浦光源波长同向980nm反向1480性能更好。选择理由：比较噪声指数即可。最佳长度：光纤7m二、 课程设计小结EDFA设计涉及到了泵浦光源以及光纤的选择以及放置，其中涉及到的最优求解问题最为值得关注。而本实验就是基于简单EDFA模型进行的仿真测试。实验中，涉及到了许多数据的横向或者纵向比较，最为关注的，是波长选择以及最佳光纤长度选择。在数据处理方面，我们选择了输出功率、增益以及噪声指数来判断EDFA是否符合要求，这里也设置了一定的参数范围以限定符合要求的光纤放大器。本实验从实验原理入手，通过计算机软件实现，省去了繁琐的安装过程而