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1、光电综合设计报告学号：姓名:、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 为一20dBm。 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、
2、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 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De fault/Transmitters Library/Optical Sources/Pump Laser ；泵浦光耦合器采用De fault/WDM Multiple
3、xers Library/Multiplexers/ Ideal Muxo 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而损耗最
4、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转移到亚稳态。由
5、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； 而由于背景损耗小，
6、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 一定值后，增益趋于饱和，NF也趋
7、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，并可降低高速系统中半导体激光器直接调制的“啁
8、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，数字光纤通信系统以及光孤子系统中显示了广阔的应用前
9、 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。第二种方式是保证EDFA输出功率恒定， 光功
10、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 Analvzer测定相关参数。4、仿真结果与仿真分析1、
11、噪声指数、增益、输出功率满足性分析(NF25dB) 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1480nmNoise Figure 1 (dB) (Length (m)b-lClick On Objects to cp&n properties. Mors-ObjectE-with Mnuw Drag同向980nmTotal Gain (dB) (Length (m)CblClick On Ctjscts to cper propsrti&. Mo?
12、Otjects with LIolss Cragttmeeu一思 j.富 兽9fluQBng Inctln口结论：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1480nmTotal Gain (dB) (Length (m)bl Click On Objects to op&n prop&rtieE. Md/s-OtojeclK. with Llou&e Drag:468101214Length m)r f f r f f bl Click On 0 bjscts to 叩专n pr叩亨rti弥，Mm s Objecte with Mdu 罪 DagLength m院啊叫叫Noise Figure 1 (dB) (Length (m)Dbl Click On Objects to open properties. Move Objects with Mouse Drag结论：根据相同条件下输出功率、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1480nmTotal Gain (
