光纤通信试验六报告

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一、课题6：

1、课题要求及技术指标

①课题名称：EDFA设计②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。③技术指标：

可选泵浦光源波长为980nm和1480nm；泵浦光源的功率在10～20dBm，测试输入信号功率为－20dBm。

④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

①课题分析：

铒纤长度在4～15m之间取值。

仿真模型中，掺铒光纤选用Default/AmplifiersLibrary/Optical/EDFA/ErbiumDopedFiber；泵浦光源选用Default/TransmittersLibrary/OpticalSources/PumpLaser；泵浦光耦合器采用Default/WDMMultiplexersLibrary/Multiplexers/IdealMux。

②设计思路：

设计参考反向泵浦EDFA结构图，参考图如下：

根据下述试验原理，可知同向EDFAPumpLaser位于与CWLaser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PumpLaser。③试验原理：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（StockSplitting）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，因此很简单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一致的光子，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；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一致，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值后，增益趋于饱和，NF也趋于定值。图2是试验得到的泵浦功率与小信号增益、NF的关系。这是由于，当泵浦功率增加到一定程度时，EDF中基态能级的Er3+离子已经基本上被鼓舞到上能级，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派，并可降低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，或来自网络分派引起的分光损耗。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，数字光纤通信系统以及光孤子系统中显示了广阔的应用前景。特别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，最终每级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。其次种方式是保证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一致，第三种级联方式是保持每级EDFA的增益恰好抵消级间损耗。这种状况下，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）

①系统图：

同向EDFA设计：

反向EDFA设计：

双向EDFA设计：

②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