2022年掺铒光纤放大器在通信网中的应用课程设计.docx

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1、光纤通信课程设计题目：掺铒光纤放大器在通信网中地应用院（系）名称专 业 班 级学号学 生 姓 名指 导 教 师2021年 6 月 20 日摘 要光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息地光波以达到通信地目地.光纤通信具有通信容量大、传输速率高、使用寿命长,等诸多特点 .因而得到了普遍地应运，其中光放大器是光纤系统中地重要组成部分.光放大器地问世不仅解决了光地衰减对光信号传输距离地限制，而且在光纤通信中引起一场技术革命，其性能地优劣直接影响到网络通信地容量和质量.掺铒光纤放大器是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具有用价值地无源光器件之一，掺铒光纤放大器及相关 技术地快速有用化和商业化，标志着一个以

2、光纤放大器为支撑地光通信技术产 业化时代地到来，将在将来 “信息高速大路 ”地建设中发挥重要作用 .本论文介绍了掺铒光纤放大器地相关理论.第一对掺铒光纤放大器地历史进行大致地简介，以及对光放大器地种类和掺铒光纤放大器工作原理进行了介绍，进而深化剖析了 EDFA 工作机理 .本文地重点在于在熟识 EDFA 光放大机理和工作原理地前提下，运用 OptiSystem软件构造讨论 EDFA 特性地系统电路图，然后对 EDFA 电路图进行数据模拟仿真，进而得到仿真图，通过图形来讨论分析 EDFA 地特性.关键字：光纤通信，光放大器，掺铒光纤放大器，OptiSystem仿真目录1 绪论.0.1.1 概述

3、.0.1.2 掺铒光放大器地进展及介绍 0.1.3 EDFA 地优缺点 .1.2 EDFA 地工作原理及应用 .3.2.1 EDFA 光放大机理 .3.2.2 EDFA 地工作原理 .6.2.3 EDFA 结构和泵浦方式 .6.2.3.1 同向泵浦 .7.2.3.2 反向泵浦 .7.2.3.3 双向泵浦 .7.2.4 EDFA 地主要应用 .8.2.4.1 EDFA 作为前置放大器 .8.2.4.2 EDFA 作为功率放大器 .9.2.4.3 EDFA 作为光中继器 .9.3 EDFA 地工作特性分析 .1 03.1 EDFA 地主要工作特性参数 .1 03.1.1 功率增益 .1 03.1.

4、2 输出饱和功率113.1.3 噪声系数 .1 23.2 EDFA 性能地定性分析 .1 34 基于 OptiSystem 地 EDFA 仿真 .1 54.1 掺铒光纤放大器在通信网中瑞利散射效应地仿真154.1.1 仿真系统电路图布局 .1 54.1.2 仿真参数设置及结果分析1.64.2 掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统地仿真224.2.1 仿真系统电路图布局 .2 24.2.2 仿真参数设置及结果分析2.35 结论2.5.致谢 .2 6.参考文献 .2 7.1 绪论1.1 概述如今用光纤来传递信息已成为特别重要地信息传递方式.在光纤通信系统中光放大又是一个特别重要地环节 .光放大器是

5、可将柔弱地光信号直接进行光放大地器件 .它地显现使光纤通信技术产生了质地飞跃；它使光波分复用技术，光孤子通信技术快速成熟并得于商用，同时他为将来地全光通信网奠定了扎实地基础，成为现代和将来光纤通信系统中不行少地重要器件.在光放大器，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）地研制胜利使光纤通讯技术产生了革命性地变化：用相对简洁廉价地光放大器代替长距离光纤通信系统中传统使用地复杂昂贵地光电光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格 式地透亮传输，特别是和WDM 技术地珠联璧合，奠定了向将来地全光通信进展地基础 .EDFA 是目前光放大器市场地主流品种，在DWDM 系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用，在C

6、ATV 系统中通常作为功率放大器以提高发射机地功率，使发射机掩盖地用户数大大增加，也可作为光纤线路地中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大大增加.光纤放大器与其他放大器比较， 具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统地关键器件之一.1.2 掺铒光放大器地进展及介绍掺铒光纤放大器 EDFA ，即在信号通过地纤芯中掺入了铒离子Er3 + 地光信号放大器 .是 1985 年英国南安普顿高校第一研制胜利地光放大器，它是光纤通信中最宏大地创造之一 .掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量地稀土元素铒Er 离子地光

7、纤，它是掺铒光纤放大器地核心.从 20 世纪 80 岁月后期开头，掺铒光纤放大器地讨论工作不断取得重大地突破.在 1999 年，分子光电公司和蒂姆光子学公司制成首件掺饵波导放大器产品.极大地增加了光纤通信地容量成为当前光纤通信中应用最广地光放大器件 .石英光纤掺稀土元素 如 Nd、Er、Pr、Tm 等后可构成多能级地激光系统， 在泵浦光作用下使输入信号光直接放大.供应合适地反馈后就构成光纤激光器 .掺Nd 光纤放大器地工作波长为1060nm 及 1330nm，由于偏离光纤通信正确宿口及其他一些缘由，其进展及应用受到限制.EDFA 及 PDFA 地工作波长分别处于光纤通信地最低损耗 1550nm

8、及零色散波长 1300nm窗口， TDFA 工作在 S 波段，都特别适合于光纤通信系统应用.特别是 EDFA，进展最为快速，已有用化在掺铒光纤进展地基础上，不断显现很多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础地双带光纤放大器DBFA ，是一种宽带地光放大器，宽带几乎可以掩盖整个波分复用 WDM 带宽 .类似地产品仍有超宽带光放大器UWOA ，它地掩盖带宽可对单根光纤中多达100 路波长信道进行放大 .下图为掺铒光纤放大器实物图.图 1-1 掺铒光纤放大器1.3 EDFA 地优缺点EDFA 之所以得到快速地进展，源于它地一系列优点，如：(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一样，可在光纤通信中获得广泛

9、应用.(2) 耦合效率高 .由于是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样地熔接反射损耗也很小，不易自激.(3) 能量转换效率高 .激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中地近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分(4) 增益高，噪声低 .输出功率大，增益可达 40dB，输出功率在单向泵浦时可达 14dBm，双向泵浦时可达 17dBm，甚至可达 20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至 34dB，串话也很小 .(5) 增益特性不敏锐 .第一是 EDFA 增益对温度不敏锐，在 100内增益特性稳固，另外，增益

10、也与偏振无关 (6) 可实现信号地透亮传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数 字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路 .但 EDFA 也有其固有地缺点：(1) 波长固定，只能放大 1.55 m左右地光波，换用不同基质地光纤时，铒离子能级也只能发生很小地变化，可调剂地波长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平整，在 WDM 系统中需要采纳特别地手段来进行增益谱补偿.但就其总体性能而言， EDFA 在现代通信网中地应用仍是挺广泛地.下章就对其工作原理和性能进行分析.2 EDFA 地工作原理及应用2.1 EDFA 光放大机理EDFA 地放大过程，实际上类似

11、于激光地产生过程，即铒离子在粒子数反转分布下受激辐射地过程，放大地三个关键过程示意图如下图 2.1.铒离子一般状态下是处于基态或低能态 E1 地.当它吸取一个能量适当地光子 h 后，会上升到激发态或高能态 E2.E1 和 E2 之间地能量差正好等于所吸取地光子地能量h， E2-E1= h其中 h 为普朗克常数，为被吸取地光子或光波地频率 .使原子从低能态上升到高能态地过程叫泵浦或抽运.这种通过吸取光子即用光来进行抽 运地方法叫光泵浦 .处于高能态地原子是不稳固地，它会跃迁返回低能态.返回地方式可能是无辐射跃迁，其余外地能量以热或声子地势式而不是以光地势式释放出来；也可能是辐射跃迁，其余外地能量

12、是以光子或光波地势式向外释放地，也就是说，在跃迁返回时将向外发射一个光子h，其能量为两能态之间地能量差.E 2hv12E 1EE22hv12EE11hv12hv12（a）受激吸取（ b）自发辐射（ c）受激辐射图 2.1 放大地三个关键过程辐射跃迁有两种方式，一种是自发辐射，一种是受激辐射 .所谓自发辐射， 是指在没有任何外界因素影响地情形下，处于高能态地原子经过一段时间后会自然而然地掉下来回到低能态而发射一个光子 h .而所谓受激辐射，是指处于高能态 E2 地原子在受到能量正好为 h =E2-E1，入射光子地影响或诱发时，从高能态 E2 跃迁返回低能态 E1，同时发射一个光子 h .该受激辐

13、射地光和入射光同频率、同相位，而且方向相同.这种辐射又称为相干辐射，利用这种受激辐射，输入一个光子，可以得到两个光子输出，于是使入射光得到了放大.在热平稳下，处于激发态地电子密度很小.大部分入射光子被吸取掉，以至于受激辐射实际上可以忽视不计 .只有当处于激发态地电子数量大于基态电子数量时，受激辐射才能超过光地吸取 .这种情形称为粒子数反转 .由于这是一种非平稳状态，因此必需通过各种 “泵浦”技术来实现粒子数反转 .选用何种波长地泵浦、以及可以产生放大地波段都取决于增益介质地能级结构 .对于掺铒光纤放大器而言，增益介质为纤芯中掺稀土元素铒离子（Er3+） 地单模石英光纤 .铒离子有很多吸取带，在

14、这些吸取带上能吸取不同波长地光子，高能级与基态之间跃迁对应地吸取波长示意图如图2.2.665nm807nm980nm1480nm图 2.2 铒离子不同能级间受激吸取地波长由于每个能级地精细结构和匀称加宽地影响，实际产生受激发射或吸取时是以这些波长为峰值地吸取和发射光谱带.其中有一个自发辐射波长在1530nm 邻近地能级具有较高地寿命（约10ms），其它能级地寿命很短 微秒量级 ，故其它高能带都用作泵浦带，而1530 邻近能级充当用于放大地亚稳态 .而对应于807nm、665nm 等邻近地能带用于泵浦时，具有很强地激发态吸取（ESA）， 造成了泵浦能量地铺张，而1480nm 和 980nm 不存

15、在 ESA，泵浦效率高，故目前仅使用 1480nm 和 980nm 波长激光器作为泵浦源 .铒离子地简化能级图如下图2.3 所示.泵浦能带快速非辐射衰变 泵衰变到低能态亚 稳 态 能带980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm 1550nm光子光子1550nm光子4I11/24I13/2浦跃泵自受受迁浦发激激跃辐吸辐迁射收射4I 15/2基态能带图 2.3 Er3+离子地简化能级图和各种跃迁过程使用发射 980nm 光子地泵浦激光器去鼓励铒离子时，铒离子中地电子从基态跃迁到泵浦能级，如图2.3 中地跃迁过程所示 .这些受激离子从泵浦带到亚稳带衰变（弛豫）得特别快（大约在1s内）

16、，如图中跃迁过程所示 .在衰变过程中，余外地能量以声子地势式释放，或者等价地认为在光纤内产生了机械振动.在亚稳态能带中，激发态离子地电子将移至能带地底端，在这里，人们使用荧光时间来表征这个过程，这个时间长达10ms 左右.另一种可能地泵浦波长是1480nm，这些泵浦光子地能量很接近信号光子 能量，只是要稍高一些 .吸取一个 1480nm 地泵浦光子，会直接把一个电子从基态激发到很少被粒子占据地亚稳态能级地顶部，如图4.3 中跃迁过程所示， 然后这些电子又将移向粒子数较多地亚稳态地较低端（跃迁过程）.位于亚稳态地电子，在没有外部鼓励光子流时，一部分会衰变回到基态，如图中跃迁过程所示 .这种现象是

17、所谓地自发辐射，自发辐射会导致放大器地噪声.当其能量相当于从基态到亚稳态间带隙能量地信号光子流通过这种器件 时，会产生两种类型地跃迁 .第一，处在基态地离子将吸取一部分处部光子，因此这些离子将跃迁到亚稳态，如图4.3 中跃迁过程所示；其次，在受激辐射过程（跃迁过程）中，信号光子触发激发态地离子下降到基态，从而发射出一个与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态地新光子.亚稳态和基态地宽度答应高能级地受激辐射在15301560nm 范畴内显现，超过1560nm 时增益会稳固下降，在大约 1616nm处降至 0dB（单位增益） .2.2 EDFA 地工作原理EDFA 主要由泵浦光源、光耦

18、合器、光隔离器和掺铒光纤等部件组成，工作原理如下图 4.4 所示.光信号输入泵浦光源光耦合器光隔离器 掺铒光纤光隔离器光滤波器光信号输出图 2.4 EDFA 结构示意图第一，信号光和泵浦光在光耦合器中何在一起，经过隔离器一起输入到掺铒光纤中；接下来就是泵浦光鼓励掺铒光纤中地铒粒子，使它们都处于亚稳态 能级 E2，从而在基态E1 和该能级之间形成粒子数反转分布；最终在信号光子地激发下，铒粒子发生受激辐射跃迁到基态，将一模一样地光子注入到光信号 中完成光放大 .放大地光信号在经过隔离器和滤波器之后便全部完成了整个信号光地放大工作 .光隔离器地作用是抑制光反射而保证光放大器工作地稳固.但是，铒粒子受

19、激辐射过程中，有一小部分粒子自发辐射跃迁到基态，产生带宽很宽地杂乱光子，并在传输过程中被放大而形成自发辐射噪声.自发辐射噪声消耗了泵浦功率并影响通信质量，因此应设法用滤波器滤掉，以降低自发辐射噪声对系统地影响 .EDFA 之所以能放大光信号，简洁地来说，是在泵浦源地作用下，在掺铒光纤中显现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大.由于EDFA 具有瘦长地纤形结构，使得有源区地能量密度很高，光与物质地作用区很长，这样可以降低对泵浦源功率地要求.2.3 EDFA 结构和泵浦方式EDFA 地结构因其泵浦方式地不同而不同.目前广泛应用地有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦地 3 种方式，其次仍

20、有一些改进地方式 .2.3.1 同向泵浦同向泵浦是一种泵浦光和信号光在掺铒光纤地同一端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤种传输方向相同地方式.它又称前向泵浦，如图2.5 所示.这种配置地噪声性能较好 .输入光信号掺铒光纤输出光信号光 耦合器光隔离器光 隔离器光 滤波器泵浦光源图 2.5同向泵浦方式EDFA结构2.3.2 反向泵浦反向泵浦方式是一种泵浦光源和信号光分别从掺铒光纤地两端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤中传输方向相反地方式.它又称后向泵浦，如图4.6 所示.这汇总配置具有较高地输出信号功率.输入光信号掺铒光纤光 隔离器光 耦合器输出光信号光 隔离器光 滤波器泵 浦光源图 2.6反向泵浦

21、方式EDFA结构2.3.3 双向泵浦双向泵浦就是在两个泵浦光源从掺铒光纤地两端同时注入泵浦光地方式，如图 2.7 所示 .这种泵浦方式结合了前向泵浦和后向泵浦地优点，输出地光信号功率更高，最多比前两种单向泵浦多3dB，而且 EDFA 地性能与信号传输地方向无关.输入光信号掺铒光纤输出光信号光隔离器光 耦合器光 耦合器光 隔离器光滤波器泵浦光源泵 浦光源EDFA 是最抱负地光放大器：耦合损耗低、噪声低、增益高、输出功率图 4.7双向泵浦方式 EDFA结构高 、 与 信号 光极 化状 态 无关 且所 需泵 浦功 率低 .EDFA 在 密集 波分 复用（ DWDM ）系统广泛有用 .为了满意更高地要

22、求，结构往往更复杂，比如为了能比较宽频带范畴内有增益平整和增益自动掌握防止增益竞争，会分别增加均衡 器和自动增益电路 .2.4 EDFA 地主要应用EDFA 在光纤通信系统中地主要作用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光弧子技术相结合时，可实现超大容量、超长距离地传输.其应用主要有以下几种形式 .2.4.1 EDFA 作为前置放大器对于光接收机地前置放大器，一般要求它是高增益、低噪声地放大器.由于EDFA得低噪声特性，将它用作光接收机地前置放大器时，可大大提高接收灵敏度.其应用方式如下列图 .EDFA作为前置放大器使用，接收灵敏度可提高1020dB.2.4.2 EDFA 作为功率放大器如将

23、EDFA 接在光发射机地输出端，就可用来提高输出功率，增加入纤光功率，延长传输距离，如图 2.8（b）所示 .2.4.3 EDFA 作为光中继器图 2.8（c）所示地是 EDFA 作为光中继器使用地原理方框图 .这是 EDFA 在光纤通信系统中地一种应用，它可代替传统地光- 电-光中继器 .对线路中地光信号直接进行放大，它是实现全光通信地重要保证之一.EDFA光 发 射光 接 收（a） EDFA作为前置放大器使用光纤EDFA光 发 射光 接 收（b） EDFA作为功率放大器使用LLL光 发 射光 接 收光纤（ c） EDFA作为光中继器使用图 2.8 EDFA 地应用3 EDFA 地工作特性分

24、析EDFA 地工作特性分析主要对 EDFA 地主要工作特性参数和性能进行定性分析.下面详细介绍 EDFA 地工作特性 .3.1 EDFA 地主要工作特性参数EDFA 具有广泛地应用，不同地应用对 EDFA 地工作特性有不同地要求， 各种工作特性参数是 EDFA 性能地差异地标准 .EDFA 地主要参数是指功率增益、饱和输出功率和噪声系数 .3.1.1 功率增益功率增益定义为功率增益10log输出光功率输入光功率（ dB ）它表示了光放大器地放大才能，增益地大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关 .下图 3.1 所示为放大器地功率增益与泵浦功率之间地关系曲线.可以看出，放大器地功率增益随泵浦功

25、率地增加而增加，当泵浦功率达到肯定值时，放大器地功率增益显现饱和，即泵浦功率再增加而功率增益基本保持不变.下图 3.2 所示为掺铒光纤放大器地功率增益与光纤长度之间地关系曲线.可以看出，开头时功率增益随掺铒光纤长度地增加而上升，当光纤长度达到肯定值后，功率增益反而逐步下降 .从图中看出，当光纤为某一长度时，可获得正确功率增益，这个光纤长度为最大功率增益地光纤长度.因此，在给定地掺铒光纤地情形下，应挑选合适地泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益 .目前采纳地主要泵浦波长是0.98 m和 1.48 m据. 报道，如采纳 1.48 m泵浦源，当泵浦功率为 5mW、掺铒光纤长度为 30m 时，可获得 3

26、5dB 地功率增益 .4030功率增益泵浦光功率输出信号 = -27.3dBm 掺铒光纤长度 =50m 泵浦光波长 =1.48um掺杂浓度 25mg/kg 图 3.1 掺铒光纤放大器功率增益与泵浦功率间地关系功40率30增20益100-10-200光纤长度（ m）200250泵浦功率5=090mW10015掺0铒光纤长度（ m）泵浦光波长 =1.48um掺杂浓度 25mg/kg图 3.2 掺铒光纤放大器功率增益与光纤长度间地关系3.1.2 输出饱和功率输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系地参量.如3.3 图所示 .由图可看出，在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率并

27、不完全成正比关系，而是存在着饱和地趋势.掺铒光纤放大器地最大输出功率常用3dB 输出饱和功率来表示 .如 3.4 图所示，当饱和增益下降 3dB 时所对应地输出功率值为 3dB 输出饱和功率，它代表了掺铒光纤放大器地最大输出才能 .输20出功10率0-20-100输入功率（ dBm）图 3.3 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线增益（dB3dB）光输出功率（ dB m）3dB输出饱和功率图 3.4 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线3.1.3 噪声系数掺铒光纤放大器噪声地主要来源包括：信号光地散弹噪声，信号光波与放大器自发辐射光波之间地差拍噪声，被放大地自发辐射光地散弹噪声，光放大器自发辐射地不同频率

28、光波间差拍噪声 .掺铒光纤放大器噪声特性可用于噪声系数 F 来表示，它定义为：F放大器的输入信噪比放大器的输出信噪比据分析，掺铒光纤放大器噪声系数地极限约为3dB.对于 0.98 m泵浦源地EDFA，掺铒光纤长度为30m 时，测得地噪声系数为 3.2dB；而采纳 1.48 m泵浦源时、在掺铒光纤长度为60m 时，测得地噪声系数为4.1dB.显而易见，0.98 m 泵浦地放大器地噪声系数要优于 1.48 m泵浦地放大器地噪声系数 .3.2 EDFA 性能地定性分析EDFA 地输入、输出功率可以使用能量守恒原理表示为：Ps , outPs , inp p ,inps（3-1）等式中， Ps,in

29、是输入泵浦功率，p 和 s 分别是泵浦波长和信号波长 .上式地基本物理意义是从 EDFA 输出地信号能量总和不能超过注入地泵浦能量.（ 3-1） 式中地不等式反映了系统可能会受到影响，比如由于不同缘由（比如杂质间相互作用）造成地泵浦光子缺失或由自发辐射导致地泵浦能量缺失，都可以使系统受到影响 .从（ 3-1）式中可以看出，最大输出信号功率与比率p /s 有关 .为使泵浦系统能够工作，必需有p s .因此功率转换效率（ PCE）可以定义为：Ps,outPs,inPs,outpPCE1Ps,inPs,ins（3-2）明显， PCE 小于 1.PCE 地理论最大值是p /s ，纯粹是为了参考，可以使

30、用与波长无关地量子转换效率（ QCE）来帮忙懂得，其定义为：QCEs PCE（ 3-3）pQCE 地最大值是 1，此时全部地泵浦光子都转换为信号光子.假设没有自发辐射，使用放大器增益 G 来重写（ 3-1）式，就：pGPs,out1Ps,in（3-4）Ps,ins Ps,out等式中给出了信号输入功率和增益间地一个重要关系.当输入信号功率特别大，即Ps,inp /s p p,in时，放大器地最大增益是1，这表示放大器对信号是透亮地.从（ 3-4）式可以看出，为了达到一个给定地最大增益G，输入信号功率必需满意下式：Ps, inp / Gs) pp, in1（3-5）除泵浦功率以外，增益仍与光纤长

31、度有关.例如 EDFA 中，长为 L 地三能级激光介质中地最大增益为：Gmasexp peL（ 3-6）等式中 e 是信号发射截面， 是稀土元素地浓度 .在求最大增益时，必需同时考虑（ 3-4）式和（ 3-6）式，最大可能地 EDFA 增益由这两个增益表达式地最小值给出，即：pPp,inGminexp peL,1（ 3-7）s Ps,out由于GPs ,out/ Ps,inexp pe L，类似地，最大可能地EDFA 输出功率可以表示为：Pmin PexppL , Pp P3-8s,outs,ines,inp,in s依据噪声指数地定义：NF10lgPASEGhvkvk1 G3-9式中 PAS

32、E 为放大器地噪声功率 ,G 为放大器增益， h 为普朗克常数， vk 为信号光频率，vk 为接收光滤波器带宽 .又由 EDFA 理论模型有：PASE2 nspG1) h kv k3-10其中 nsp 为基级和亚稳级地反转参数，通常要大于1.就通常情形下 EDFA 地增益远大于 1，就有 NF10lg2nsp ，而在粒子数完全反转时nsp 才等于 1，故 EDFA地理论最小噪声指数为 3dB.4 基于 OptiSystem地 EDFA 仿真4.1 掺铒光纤放大器在通信网中瑞利散射效应地仿真一个掺铒光纤放大器地散射超过了一个等长地非掺铒光纤地散射，缘由是瑞利散射可以引起掺铒光纤放大器地性能下降，

33、为了在仿真中得到更精确地结果，必需将这一因素考虑到仿真中去 .EDF 元件在仿真时把瑞利散射效应考虑进去了 .这仿真试验证明白散射可以由瑞利散射效应引起，在仿真中所使用地系统元器件由连续激光器（ CW Laser）、泵浦激光器（ pump laser）、掺铒光纤、双端口波分复用分析器（ Dual Port WDM Analyzer）及泵耦合器（ pump coupler） 组成.4.1.1 仿真系统电路图布局下图 4.1 为仿真所使用地电路图 .耦合器地两个接受端分别连接连续激光器和泵浦激光器地输出端，波分复用（ WDM ）分析仪连接在耦合器地输出端口，而EDF 地输出端口给WDM 地右侧返回

34、了一个信号在1558nm 波段地损耗 .这个返回损耗说明输入信号功率和瑞利散射效应产生地反射功率之间地比例.图 4.1 系统设计用于查找回波损耗地掺铒光纤放大器4.1.2 仿真参数设置及结果分析在系统图中，将连续激光器地频率设为1558nm，功率设为 -30dBm.将泵浦激光器地频率设为 1480nm，功率设为 50mw.双端口波分复用损耗和增益分析器地Lowerfrequencylimit和 upperfrequencylimit分 别 设 为 1620.5nm 、149.96nm.EDF 地 length 设为 20m.EDF 在仿真中使用地特性如图 4.2、图 4.3 所示.在图 4.2

35、 中不断增强地选项，定义了瑞利常数和捕捉率地数值 .为了以防捕捉率，该元件地选项将被选中.图 4.2 掺铒光纤特性（ a）主要选项卡，（ b）加强选项卡图 4.3 EDF地吸取和释放参数图EDF 在光纤散射中存在地返回损耗可以近似成：CRLas Lexp2 G1（4-1）2 G10 log10 eG 是掺铒光纤放大器地增益， L 是光纤长度， C 是捕捉率， as 是散射造成地缺失.该方程给出了一个参考来比较仿真得到地结果.即使如此，在你运算地返回损耗之前，有必要在 1558nm 波段获得信号增益 .增益是在没有考虑瑞利散射效应仿真情形下获得地，如图4.4 所示.增益作为信号输入功率地功能，由

36、两种光纤地长度得到，分别是10M 和 20M.这两条曲线可以在公式中被运用，用来运算返回损耗.仿真地结果包括了瑞利散射和分析结果，如图 4.4 所示.（一） 在 1558 纳 M 模拟增益反射损耗与信号输入功率（二）在 1558 nm 地反射损耗与信号输入功率图 4.4 信号输入与模拟增益和反射损耗之间地仿真图结果显示了在 10M 长地光纤上地良好匹配度 .对 EDF 地 20M 光纤长度来说，结果开头显示输入功率在 -15 dBm 处存在着庞大差异 .这种情形是由于分析模型只有再对人口近似地反演常数时是牢靠地.对于 20m 地例子，人口反演值地变化与EDF 地反演得到地结果差异是有相关地 .图 4.5 显示了标准化人口地亚稳态水平，对应于EDF 地 10M （a）， - 10dBm 输入信号功率对应于EDF 地 20M （b）.标准化人口地值