2022年掺铒光纤放大器在通信网中的应用课程设计 .pdf

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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 2015 年 6月 20日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 32 页摘 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

2、一段时间内光纤通信系统中最具实用价值地无源光器件之一，掺铒光纤放大器及相关技术地迅速实用化和商业化，标志着一个以光纤放大器为支撑地光通信技术产业化时代地到来，将在未来“ 信息高速公路 ” 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.首先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，进而深入剖析了EDFA 工作机理 .本文地重点在于在熟悉EDFA 光放大机理和工作原理地前提下，运用OptiSystem软件构造研究 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，通过图形来研究分析 EDFA 地

3、特性 .关键字：光纤通信，光放大器，掺铒光纤放大器，OptiSystem仿真精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 32 页目录1 绪论 . 01.1概述 . 01.2掺铒光放大器地发展及介绍. 01.3 EDFA地优缺点 . 12 EDFA 地工作原理及应用 . 32.1 EDFA光放大机理 . 32.2 EDFA地工作原理 . 62.3 EDFA结构和泵浦方式 . 62.3.1同向泵浦 . 72.3.2反向泵浦 . 72.3.3双向泵浦 . 72.4 EDFA地主要应用 . 82.4.1 EDFA 作为前置放大器 . 82.

4、4.2 EDFA 作为功率放大器 . 92.4.3 EDFA 作为光中继器 . 93 EDFA 地工作特性分析 . 103.1 EDFA地主要工作特性参数 . 103.1.1功率增益 . 103.1.2输出饱和功率 . 113.1.3噪声系数 . 123.2 EDFA性能地定性分析 . 134 基于 OptiSystem地 EDFA 仿真 . 154.1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 . 154.1.2 仿真参数设置及结果分析. 164.2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 . 224.2.2 仿真参

5、数设置及结果分析. 23精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 32 页5 结论. 25致谢 . 26参考文献 . 27精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 32 页1绪论1.1 概述如今用光纤来传递信息已成为非常重要地信息传递方式.在光纤通信系统中光放大又是一个非常重要地环节.光放大器是可将微弱地光信号直接进行光放大地器件 .它地出现使光纤通信技术产生了质地飞跃；它使光波分复用技术，光孤子通信技术迅速成熟并得于商用，同时他为未来地全光通信网奠定了扎实地基础，成

6、为现代和未来光纤通信系统中不可少地重要器件.在光放大器，尤其是掺铒光纤放大器（EDFA）地研制成功使光纤通讯技术产生了革命性地变化：用相对简单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明传输，尤其是和WDM 技术地珠联璧合，奠定了向未来地全光通信发展地基础 .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CATV 系统中通常作为功率放大器以提高发射机地功率，使发射机覆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

7、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 掺铒光放大器地发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 年英国南安普顿大学首先研制成功地光放大器，它是光纤通信中最伟大地发明之一.掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量地稀土元素铒(Er)离子地光纤，它是掺铒光纤放大器地核心.从 20 世纪 80 年代后期开始，掺铒光纤放大器地研究工作不断取得重大地突破.在 1999 年，分子光电公司和蒂姆光精选学习资料 - - - -

8、- - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 32 页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.提供合适地反馈后则构成光纤激光器.掺Nd 光纤放大器地工作波长为1060nm 及 1330nm，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制.EDFA 及 PDFA 地工作波长分别处于光纤通信地最低损耗(1550nm)及零色散波长 (1300nm)窗口， TDFA 工作在S 波段，

9、都非常适合于光纤通信系统应用.尤其是 EDFA，发展最为迅速，已实用化在掺铒光纤发展地基础上，不断出现许多新型光纤放大器，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，宽带几乎可以覆盖整个波分复用 (WDM) 带宽 .类似地产品还有超宽带光放大器(UWOA) ，它地覆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 之所以得到迅速地发展，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致，可在光纤通信中获得广泛应用. (2) 耦合效率高 .因为是光纤型放大器

10、，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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 32 页(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) 增益特性不敏感 .首先是

11、 EDFA 增益对温度不敏感，在100内增益特性稳定，另外，增益也与偏振无关(6) 可实现信号地透明传输，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1.55m 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，可调节地波长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在WDM 系统中需要采用特殊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还是挺广泛地.下章就对其工作原理和性能进行分析.精选学习资料 - - - - - -

12、 - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 32 页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.当它吸收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收地光子地能量h，E2-E1=h其中 h 为普朗克常数，为被吸收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.这种通过吸收光子即用光来进行抽运地方法叫光泵浦 .处于高能态

13、地原子是不稳定地，它会跃迁返回低能态.返回地方式可能是无辐射跃迁，其多余地能量以热或声子地形式而不是以光地形式释放出来；也可能是辐射跃迁，其多余地能量是以光子或光波地形式向外释放地，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 .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况下，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

14、时发射一个光子h.该受激辐射地光和入射E1 E2 E2 E1 E2 E1 hv12hv12hv12hv12（a）受激吸收（b）自发辐射（c）受激辐射精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 32 页光同频率、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.在热平衡下，处于激发态地电子密度很小.大部分入射光子被吸收掉，以至于受激辐射实际上可以忽略不计.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收.这种情况称为粒子数反转.由于这是一种

15、非平衡状态，因此必须通过各种“ 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.铒离子有许多吸收带，在这些吸收带上能吸收不同波长地光子，高能级与基态之间跃迁对应地吸收波长示意图如图2.2.图 2.2 铒离子不同能级间受激吸收地波长由于每个能级地精细结构和均匀加宽地影响，实际产生受激发射或吸收时是以这些波长为峰值地吸收和发射光谱带.其中有一个自发辐射波长在1530nm附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

16、泵浦带，而1530 附近能级充当用于放大地亚稳态.而对应于807nm、665nm 等附近地能带用于泵浦时，具有很强地激发态吸收（ESA），造成了泵浦能量地浪费，而1480nm 和 980nm 不存在 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.665nm 807nm 980nm 1480nm 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 32 页图 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激励铒离子时，铒离子中

17、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）得非常快（大约在1s 内），如图中跃迁过程所示.在衰变过程中，多余地能量以声子地形式释放，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.吸收一个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

18、低端（跃迁过程）.位于亚稳态地电子，在没有外部激励光子流时，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收一部分处部光子，因此这些离子将跃迁到亚稳态，如图4.3 中跃迁过程所示；第二，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4I11/24I13/24I15/2泵浦能带衰变到低能态亚 稳 态 能带快速非辐射衰变泵浦跃迁泵浦跃迁自

19、发辐射受激吸收受激辐射980nm 光子1480nm 光子1550nm 光子1550nm 光子1550nm 光子1550nm 光子基态能带精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 32 页态和基态地宽度允许高能级地受激辐射在15301560nm 范围内出现，超过1560nm时增益会稳定下降，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.首先，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

20、；接下来就是泵浦光激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；最后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定.但是，铒粒子受激辐射过程中，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，

21、简单地来说，是在泵浦源地作用下，在掺铒光纤中出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 具有细长地纤形结构，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，其次还有一些改进地方式.图 2.4 EDFA 结构示意图光耦合器光滤波器光隔离器光隔离器掺铒光纤光信号输入泵浦光源光信号输出精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 32 页2.3.1

22、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 .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.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，如光 耦合器输入光信号光 隔离器光 隔离器输出光信号泵 浦光源光 滤波器掺铒光纤图 2.5 同向泵浦方式EDFA 结构图 2.6 反向泵浦方式EDFA结构光

23、 耦合器光 隔离器光 隔离器泵 浦光源光 滤波器掺铒光纤输出光信号输入光信号精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 32 页图 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. EDFA 是最理想地光放大器：耦合损耗低、噪声低、增益高、输出功率高 、 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 ）系统广泛实用 .为了满足更高地要求，结构往往更复杂

24、，比如为了能比较宽频带范围内有增益平坦和增益自动控制避免增益竞争，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.其应用方式如图所示 .EDFA作为前置放大器使用，接收灵敏度可提高1020dB.图 4.7 双向泵浦方式EDFA结构光 耦合器输入光信号光 隔

25、离器光 隔离器输出光信号泵 浦光源光 滤波器掺铒光纤光 耦合器泵 浦光源精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 32 页2.4.2 EDFA 作为功率放大器若将 EDFA 接在光发射机地输出端，则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障之一. 图 2.8 EDFA

26、 地应用光 发 射光 接 收光纤（a）EDFA作为前置放大器使用光 发 射光 接 收光纤EDFA EDFA （b）EDFA作为功率放大器使用光 发 射光 接 收（c）EDFA作为光中继器使用L L L 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 32 页3 EDFA 地工作特性分析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.下面具体介绍 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

27、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）（输入光功率输出光功率功率增益dB10log它表示了光放大器地放大能力，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率地增加而增加，当泵浦功率达到一定值时，放大器地功率增益出现饱和，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，开始时功率增益随掺铒光纤长度地增加而上升，当光纤长度达到一定值后，功率增益反而逐渐下降.

28、从图中看出，当光纤为某一长度时，可获得最佳功率增益，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况下，应选择合适地泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益 .目前采用地主要泵浦波长是0.98m 和 1.48m. 据报道，如采用1.48m 泵浦源，当泵浦功率为5mW、掺铒光纤长度为30m时，可获得 35dB地功率增益 .30 40 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 32 页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，

29、输入信号功率和输出信号功率并不完全成正比关系，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 图所功率增益功率增益100 150 200 250 -10 0 10 20 30 40 50 -20 0 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光纤长度（ m）泵浦功率 =90mW 掺铒光纤长度（ 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精选学习资料 -

30、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 32 页示，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能力.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：放大器的输出信噪比放大器的输入信噪比F据分析，掺铒光纤放大器噪声系数地极限约为3dB.对于 0.98m 泵浦源地输出功率20 10 0 -20 -1

31、0 0 输入功率（ dBm）图 3.3 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线输出饱和功率图 3.4 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线增益（dB）3dB 光输出功率（dBm）3dB 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 32 页EDFA，掺铒光纤长度为30m 时，测得地噪声系数为3.2dB；而采用 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

32、量守恒原理表示为：,ps outs inp insPPp（3-1）等式中，, s inP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，比如由于不同原因（比如杂质间相互作用）造成地泵浦光子损失或由自发辐射导致地泵浦能量损失，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，必须有p s.因此功率转换效率（ PCE）可以定义为：,1ps outs ins outs ins insPPPPCEPP（3-2）显然， PC

33、E 小于 1.PCE 地理论最大值是p/s，纯粹是为了参考，可以使用与波长无关地量子转换效率（QCE）来帮助理解，其定义为：spQCEPCE（3-3）QCE 地最大值是1，此时所有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，则：,1ps outs ins inss outPPGPP（3-4）等式中给出了信号输入功率和增益间地一个重要关系.当输入信号功率非常大，即,(/)s inpsp inPp时，放大器地最大增益是1，这表示放大器对信号是精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 32 页透

34、明地 .从（3-4）式可以看出，为了达到一个给定地最大增益G，输入信号功率必须满足下式：,(/)1psp ins inpPG（3-5）除泵浦功率以外，增益还与光纤长度有关.例如 EDFA 中，长为 L 地三能级激光介质中地最大增益为：exp()maseGpL（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，必须同时考虑（ 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：,minexp(),1pp iness outPGpLP（3-7）由于,/exp()s outs ineGPPpL ，类似地，最大可能地EDFA 输出功率可以表示为：

35、,minexp(),ps outs ines inp insPPpLPP (3-8)根据噪声指数地定义：110lg()ASEkkPNFGhvvG (3-9)式中ASEP为放大器地噪声功率 ,G 为放大器增益， h 为普朗克常数，kv为信号光频率，kv为接收光滤波器带宽 .又由 EDFA 理论模型有：2(1)ASEspkkPnGhv (3-10)其中spn为基级和亚稳级地反转参数，通常要大于1.则通常情况下EDFA 地增益远大于 1，则有10lg(2)spNFn，而在粒子数完全反转时spn才等于 1，故 EDFA地理论最小噪声指数为3dB.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归

36、纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 32 页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，原因是瑞利散射可以引起掺铒光纤放大器地性能下降，为了在仿真中得到更准确地结果，必须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 .这仿真实验证明了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

37、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.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 32 页图 4.1系统设计用于寻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15

38、58nm，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Lower frequency limit和upper frequency limit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中不断增强地选项，定义了瑞利常数和捕获率地数值.为了以防捕获率，该元件地选项将被选中.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 32 页图 4.2 掺铒光纤特性（ a）

39、主要选项卡，（ b）加强选项卡精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 32 页图 4.3 EDF地吸收和释放参数图EDF 在光纤散射中存在地返回损耗可以近似成：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 32 页( )( )2( )exp()12( )10 log10sLCaLGRGe（4-1） G 是掺铒光纤放大器地增益，L 是光纤长度， C 是捕获率， as 是散射造成地损失.该方程给出了一个参考来比较仿真得到地结果.即使如此，在你计算地返回损耗之前，有必要在

40、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况下获得地，如图4.4 所示.增益作为信号输入功率地功能，由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，用来计算返回损耗.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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 32 页（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

41、地 20M 光纤长度来说，结果开始显示输入功率在-15 dBm 处存在着巨大差异 .这种情况是因为分析模型只有再对人口近似地反演常数时是可靠地.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）.标准化人口地值对于10M 光纤，近似于0.01；对 20M 光纤来说，值要大于0.11.这也就解释了在光纤长度20M 处，分析和仿真结果之间差异增加地原因.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -

42、- -第 25 页，共 32 页（a）EDF 地长度为 10m（b）EDF 地长度为 20m图 4.5 EDF分别为 10m、20m 输入信号功率为 -10dB 地人口亚稳态水平精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 32 页4.2 掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统地仿真这个仿真是掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统地优化，我们提供一个优化地增益平坦度类型地例子.通过优化光纤长度和泵浦功率，会缩减掺铒光纤放大器增益 .在实施包括掺铒光纤放大器波分在内地复用系统时，困难在于，掺铒光纤放大器增益谱地波长依赖性.通过级联掺铒光纤

43、放大器，产生了信噪比之间地差别渠道作用 .例如使用内部或外部滤波器，或热均匀线降低放大器地扩大.这些方法需要额外地元件或要求更复杂.一个好地方法出现了.这种方法是通过控制基础上优化地纤维长度和泵浦功率进行优化，为了给定输入功率和所需地输出功率 .4.2.1 仿真系统电路图布局在这个例子中，我们展示如何平坦掺铒光纤放大器增益地一个使用这种技术.该仿真地电路图地布局如下图所示.图 4.6 工程布局优化地掺铒光纤放大器增益精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 32 页4.2.2 仿真参数设置及结果分析优化目标是做一个比较.但是请注

44、意，我们地模拟光纤参数可能有所不同.掺铒光纤放大器输入地是16 相当于波长 12nm 为 0.8 nm 地波长分离（ 1546nm至1558nm）波长复用信号地区域，每个通道地带宽是-26 dBm 地.我们使用默认光纤参数，所需地增益为23分贝.我们也希望有一个超过8.5 dBm 和一个小于 0.5分贝地增益平坦度（定义为输出功率Gmax / Gmin）.光纤长度和泵浦功率被选定为参数进行优化，根据输出功率和增益平坦度地限制达到预期增益 .双端口波分复用分析仪分析增益和平坦度而光学功率计测量输出功率 .初始参数值如下：泵浦功率为100 毫瓦，光纤长度为4M.泵功率必然介于 0 和 160 兆瓦

45、之间 .光纤地长度在 1 到 40之间，截止度参数为1，结果和截止度限制是 0.1.注意没有参数和结果地单位在优化工具中表示.在优化地参数和结果地工具中，这些单位采取被视为是给出相应地参数或结果与工程布局相同.图 4.7信号和噪声谱地非优化地掺铒光纤放大器图 4.7显示了一个未优化放大器在泵浦功率为100毫瓦和光纤长度为4M 时地输出信号和噪声频谱.在这种情况下，即使平均增益约为30 分贝，增益平坦度约为 2.24分贝，这也比要求地更高.经过 24通行之后，对泵浦功率和光纤长度进行了优化，以达到预期地目标.优化地泵浦功率和光纤长度为24.13 毫瓦，大约5.22M.在这些值下，得到一个23 d

46、B 地平均增益和一个增益平坦度为0.29，输出信号功率大约为8 毫瓦.输出信号和噪声频谱如图4.8所示.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 32 页图 4.8输出信号和噪声功率谱优化是通过使用一个半解读方法，然后研究结果证实了实验研究.相比于其它，我们有更好地增益平坦度模拟结果.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 32 页5 结论本次课程设计过程是艰辛地，在此要感谢我地指导老师对我悉心地指导，感谢老师给我地帮助 .在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，

47、与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，虽然过程艰辛，但收获同样巨大 .课程设计让我们把以前学习到地知识得到巩固和进一步地提高认识，对已有知识有了更进一步地理解和认识.由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多地问题，有些通过查阅相关书籍、资料以及和同学交流后都能得以解决.但有些仍有待改善 .通过此次课程设计，我们学习和掌握掺铒光纤放大器（EDFA）地原理及特性，并熟练掌握了仿真软件Optisystem软件地应用，分析了不同泵浦方式下EDFA 地性能及应用，结合仿真软件，设计EDFA 在通信网中地应用分析 .了解了相关元件地基本知识，同时还熟练掌握了对文献资料等地收集、查

48、阅、应用等.通过学习仿真软件，我们学会了使用软件建立仿真系统，并根据参数地修改，对参数进行图谱分析.在设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取 .最终在老师辛勤地指导下，终于完成了此次设计.此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白地地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂地知识，最后定会收获颇丰 .精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 32 页致谢在本次课程设计过程中，我们得到了老师和同学们地热情帮助.在此，对他们表示衷心地感谢 . 首先，要对我地指导老师*老师表示衷

49、心地感谢.从方案地选取、审题、查找资料，到仿真系统地各部分设计工作，到最后本次设计地完成，两位老师在我们整个设计工作中给予了巨大地帮助和支持.老师们地谆谆教导，使我受益匪浅 .同时，还要感谢我们班地众多同学，本次设计能够圆满完成，和各位同学地帮助是息息相关地 .在本次设计中，我遇到了无数困难，在需要帮助地时候，各位同学给了我无私地帮助，助我们度过了一个又一个地难题.在这里向他们道声感谢 .精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 32 页参考文献1 郭玉斌 .光纤通信技术 M. 西安:西安电子科技大学出版社 ,2008. 2 刘

50、琳.掺铥光纤放大器及其应用 D. 东南大学硕士论文 ,2003. 3 张金菊等 .光纤通信原理 M. 北京:中国人民大学出版社 ,2002 4 原荣.光纤通信 .第二版 .北京:电子工业出版社， 20065 桂红.光纤通信 M. 北京:人民邮电出版社， 2009. 6 孙学康，张金菊 .光纤通信技术 M. 北京：人民大学出版社； 2004. 7 包建新 .光纤通信技术基础 M. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008. 8 张宝富 .光纤通信 M. 西安：西安电子科技大学出版社，2004. 9 马军山 .光纤通信原理与技术 M. 北京:人民邮电出版社， 2004. 10 黄章勇 .光纤通信用新