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1、-掺铒光纤放大器在通信网中的应用课程设计-第 15 页光纤通信课程设计题目：掺铒光纤放大器在通信网中的应用院（系）名称 专 业 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 2015年6月20日摘 要光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。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。因而得到了普遍的应运，其中光放大器是光纤系统中的重要组成部分。光放大器的问世不仅解决了光的衰减对光信号传输距离的限制，而且在光纤通信中引起一场技术革命，其性能的优劣直接影响到网络通信的容量和质量。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实用价值的无源光器件之一，掺铒
2、光纤放大器及相关技术的迅速实用化和商业化，标志着一个以光纤放大器为支撑的光通信技术产业化时代的到来，将在未来“信息高速公路”的建设中发挥重要作用。 本论文介绍了掺铒光纤放大器的相关理论。首先对掺铒光纤放大器的历史进行大致的简介，以及对光放大器的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。本文的重点在于在熟悉EDFA光放大机理和工作原理的前提下，运用OptiSystem软件构造研究EDFA特性的系统电路图，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的特性。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
3、论11.1概述11.2掺铒光放大器的发展及介绍11.3 EDFA的优缺点22 EDFA的工作原理及应用42.1 EDFA光放大机理42.2 EDFA的工作原理72.3 EDFA结构和泵浦方式72.3.1同向泵浦82.3.2反向泵浦82.3.3双向泵浦92.4 EDFA的主要应用92.4.1 EDFA作为前置放大器92.4.2 EDFA作为功率放大器102.4.3 EDFA作为光中继器103 EDFA的工作特性分析113.1 EDFA的主要工作特性参数113.1.1功率增益113.1.2输出饱和功率133.1.3噪声系数133.2 EDFA性能的定性分析144 基于OptiSystem的EDFA
4、仿真164.1掺铒光纤放大器在通信网中瑞利散射效应的仿真164.1.1仿真系统电路图布局164.1.2 仿真参数设置及结果分析174.2掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统的仿真234.2.1 仿真系统电路图布局234.2.2 仿真参数设置及结果分析245 结论26致谢27参考文献281绪论1.1概述如今用光纤来传递信息已成为非常重要的信息传递方式。在光纤通信系统中光放大又是一个非常重要的环节。光放大器是可将微弱的光信号直接进行光放大的器件。它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃；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，同时他为未来的全光通信网奠定了扎实的基础，成为现代和未来光纤通
5、信系统中不可少的重要器件。在光放大器，尤其是掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功使光纤通讯技术产生了革命性的变化：用相对简单廉价的光放大器代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光电光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，尤其是和WDM技术的珠联璧合，奠定了向未来的全光通信发展的基础。EDFA是目前光放大器市场的主流品种，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的功率，使发射机覆盖的用户数大大增加，也可作为光纤线路的中继放大器，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
6、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的关键器件之一。1.2掺铒光放大器的发展及介绍 掺铒光纤放大器(EDFA)，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器。是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。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的容量成为当前光纤通信
7、中应用最广的光放大器件。石英光纤掺稀土元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大。提供合适的反馈后则构成光纤激光器。掺Nd光纤放大器的工作波长为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的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗(1550nm)及零色散波长(1300nm)窗口，TDFA工作在S波段，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的基础上，不断出现许多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础的双带光纤放大器(DBFA)，是一种宽带的光放
8、大器，宽带几乎可以覆盖整个波分复用(WDM)带宽。类似的产品还有超宽带光放大器(UWOA)，它的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的优缺点 EDFA之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点，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，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，这样的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的近轴部分，而信号光和泵浦光
9、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) 增益特性不敏感。首先是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) 可实现信号的透明传输，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也有其固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大1.55m左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的
10、变化，可调节的波长有限，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的手段来进行增益谱补偿。 但就其总体性能而言，EDFA在现代通信网中的应用还是挺广泛的。下章就对其工作原理和性能进行分析。2 EDFA的工作原理及应用2.1 EDFA光放大机理EDFA的放大过程，实际上类似于激光的产生过程，即铒离子在粒子数反转分布下受激辐射的过程，放大的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的。当它吸收一个能量适当的光子后，会上升到激发态或高能态E2。E1和E2之间的能量差正好等于所吸收的光子的能量，E2-E1=其中h为普朗克常数，为被吸收的光子或光波的
11、频率。使原子从低能态上升到高能态的过程叫泵浦或抽运。这种通过吸收光子即用光来进行抽运的方法叫光泵浦。处于高能态的原子是不稳定的，它会跃迁返回低能态。返回的方式可能是无辐射跃迁，其多余的能量以热或声子的形式而不是以光的形式释放出来；也可能是辐射跃迁，其多余的能量是以光子或光波的形式向外释放的，也就是说，在跃迁返回时将向外发射一个光子，其能量为两能态之间的能量差。E1E2E2E1E2E1hv12hv12hv12hv12（a）受激吸收（b）自发辐射（c）受激辐射图2.1 放大的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的情况下，处于高能态
12、的原子经过一段时间后会自然而然的掉下来回到低能态而发射一个光子。而所谓受激辐射，是指处于高能态E2的原子在受到能量正好为=E2-E1，入射光子的影响或诱发时，从高能态E2跃迁返回低能态E1，同时发射一个光子。该受激辐射的光和入射光同频率、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。 在热平衡下，处于激发态的电子密度很小。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。只有当处于激发态的电子数量大于基态电子数量时，受激辐射才能超过光的吸收。这种情况称为粒子数反转。由于这是一种非平衡状态，因此必须通过各种“泵
13、浦”技术来实现粒子数反转。 选用何种波长的泵浦、以及可以产生放大的波段都取决于增益介质的能级结构。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+）的单模石英光纤。铒离子有许多吸收带，在这些吸收带上能吸收不同波长的光子，高能级与基态之间跃迁对应的吸收波长示意图如图2.2。665nm807nm980nm1480nm图2.2 铒离子不同能级间受激吸收的波长由于每个能级的精细结构和均匀加宽的影响，实际产生受激发射或吸收时是以这些波长为峰值的吸收和发射光谱带。其中有一个自发辐射波长在1530nm附近的能级具有较高的寿命（约10ms），其它能级的寿命很短(微秒量级)，故其它高能带都用作
14、泵浦带，而1530附近能级充当用于放大的亚稳态。而对应于807nm、665nm等附近的能带用于泵浦时，具有很强的激发态吸收（ESA），造成了泵浦能量的浪费，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。铒离子的简化能级图如下图2.3所示。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光子基态能带图2.3 Er3+离子的简化能级图和各种跃迁过程 使用发射980nm光子的泵
15、浦激光器去激励铒离子时，铒离子中的电子从基态跃迁到泵浦能级，如图2.3中的跃迁过程所示。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，多余的能量以声子的形式释放，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，激发态离子的电子将移至能带的底端，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。 另一种可能的泵浦波长是1480nm，这些泵浦光子的能量很接近信号光子能量，只是要稍高一些。吸收一个1480nm的泵浦光子，会直接把一个电子从基态激发到很少被粒子占据的亚稳态能级的顶部，如图4.3中跃迁过程所示，然后这些电子又将移
16、向粒子数较多的亚稳态的较低端（跃迁过程）。位于亚稳态的电子，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。这种现象是所谓的自发辐射，自发辐射会导致放大器的噪声。 当其能量相当于从基态到亚稳态间带隙能量的信号光子流通过这种器件时，会产生两种类型的跃迁。第一，处在基态的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的离子下降到基态，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的新光子。亚稳态和基态的宽度允许高能级的受激辐射在15301560nm范围内出现，超过1560n
17、m时增益会稳定下降，在大约1616nm处降至0dB（单位增益）。2.2 EDFA的工作原理 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。掺铒光纤光滤波器光隔离器光隔离器光耦合器光信号输出光信号输入泵浦光源图2.4 EDFA结构示意图首先，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；接下来就是泵浦光激励掺铒光纤中的铒粒子，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；最后在信号光子的激发下，铒粒子发生受激辐射跃迁到基态，将一模一样的光子注入到光信号中完成光放大。放大的光信号在经过隔离器和滤波器之后便
18、全部完成了整个信号光的放大工作。光隔离器的作用是抑制光反射而保证光放大器工作的稳定。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，产生带宽很宽的杂乱光子，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的影响。 EDFA之所以能放大光信号，简单的来说，是在泵浦源的作用下，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具有细长的纤形结构，使得有源区的能量密度很高，光与物质的作用区很长，这样可以降低对泵浦源功率的要求。2.3 EDFA结构和泵浦方式 EDFA的结构
19、因其泵浦方式的不同而不同。目前广泛应用的有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦的3种方式，其次还有一些改进的方式。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的同一端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤种传输方向相同的方式。它又称前向泵浦，如图2.5 所示。这种配置的噪声性能较好。 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的两端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤中传输方向相反的方式。它又称后向泵浦，如图4.6所示。这汇总配置具有较高的输出信号功率。图2.6 反向泵浦方
20、式EDFA结构光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的两端同时注入泵浦光的方式，如图2.7所示。这种泵浦方式结合了前向泵浦和后向泵浦的优点，输出的光信号功率更高，最多比前两种单向泵浦多3dB，而且EDFA的性能与信号传输的方向无关。图4.7 双向泵浦方式EDFA结构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光耦合器泵浦光源 EDFA是最理想的光放大器：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
21、更高的要求，结构往往更复杂，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的主要应用EDFA在光纤通信系统中的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、超长距离的传输。其应用主要有以下几种形式。2.4.1 EDFA作为前置放大器 对于光接收机的前置放大器，一般要求它是高增益、低噪声的放大器。由于EDFA得低噪声特性，将它用作光接收机的前置放大器时，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。2.4.2 EDFA作为功率放大器若将EDFA
22、接在光发射机的输出端，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）所示的是EDFA作为光中继器使用的原理方框图。这是EDFA在光纤通信系统中的一种应用，它可代替传统的光-电-光中继器。对线路中的光信号直接进行放大，它是实现全光通信的重要保障之一。 光发射机光接收机光纤（a）EDFA作为前置放大器使用光发射机光接收机光纤EDFAEDFA（b）EDFA作为功率放大器使用光发射机光接收机（c）EDFA作为光中继器使用LLL图2.8 EDFA的应用3 EDFA的工作特性分析EDFA的工作特性分析主要对EDFA的主要工作特性参数
23、和性能进行定性分析。下面具体介绍EDFA的工作特性。3.1 EDFA的主要工作特性参数EDFA具有广泛的应用，不同的应用对EDFA的工作特性有不同的要求，各种工作特性参数是EDFA性能的差异的标准。EDFA的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 它表示了光放大器的放大能力，增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关。下图3.1所示为放大器的功率增益与泵浦功率之间的关系曲线。可以看出，放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加，当泵浦功率达到一定值时，放大器的功率增益出现饱和，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的功率增
24、益与光纤长度之间的关系曲线。可以看出，开始时功率增益随掺铒光纤长度的增加而上升，当光纤长度达到一定值后，功率增益反而逐渐下降。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的光纤长度。因此，在给定的掺铒光纤的情况下，应选择合适的泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益。目前采用的主要泵浦波长是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的功率增益。406080100-1001020304020-20功率增益（dB） 泵浦光功率输出信号 = -27.3dBm 掺铒光纤长度=50m泵浦光波长=1.48u
25、m 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的关系100150200250-1001020304050-200功率增益（dB） 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的关系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的参量。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不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB输出饱和功率来表示。如3.4图所示，当饱和增益下降3dB
26、时所对应的输出功率值为3dB输出饱和功率，它代表了掺铒光纤放大器的最大输出能力。输出功率（dBm）2010 0-100-20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（dB）3dB光输出功率（dBm）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的主要来源包括：信号光的散弹噪声，信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声，被放大的自发辐射光的散弹噪声，光放大器自发辐射的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：据分析，掺铒光纤放大器噪声系数的极限约为3dB。对于0.98m泵浦源的EDFA，
27、掺铒光纤长度为30m时，测得的噪声系数为3.2dB；而采用1.48m泵浦源时、在掺铒光纤长度为60m时，测得的噪声系数为4.1dB。显而易见，0.98m泵浦的放大器的噪声系数要优于1.48m泵浦的放大器的噪声系数。3.2 EDFA性能的定性分析EDFA的输入、输出功率可以使用能量守恒原理表示为： （3-1）等式中，是输入泵浦功率，和分别是泵浦波长和信号波长。上式的基本物理意义是从EDFA输出的信号能量总和不能超过注入的泵浦能量。（3-1）式中的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）造成的泵浦光子损失或由自发辐射导致的泵浦能量损失，都可以使系统受到影响。从（3-1
28、）式中可以看出，最大输出信号功率与比率/有关。为使泵浦系统能够工作，必须有 。因此功率转换效率（PCE）可以定义为： （3-2）显然，PCE小于1。PCE的理论最大值是/，纯粹是为了参考，可以使用与波长无关的量子转换效率（QCE）来帮助理解，其定义为： （3-3）QCE的最大值是1，此时所有的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： （3-4）等式中给出了信号输入功率和增益间的一个重要关系。当输入信号功率非常大，即时，放大器的最大增益是1，这表示放大器对信号是透明的。从（3-4）式可以看出，为了达到一个给定的最大增益G，输入信号功率必须满足下式： （
29、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的三能级激光介质中的最大增益为： （3-6）等式中是信号发射截面，是稀土元素的浓度。在求最大增益时，必须同时考虑（3-4）式和（3-6）式，最大可能的EDFA增益由这两个增益表达式的最小值给出，即： （3-7） 由于，类似地，最大可能的EDFA输出功率可以表示为： (3-8)根据噪声指数的定义： (3-9)式中为放大器的噪声功率,G为放大器增益，h为普朗克常数，为信号光频率，为接收光滤波器带宽。又由EDFA理论模型有： (3-10)其中为基级和亚稳级的反转参数，通常要大于1。则通常情况下EDFA的增益远大于1，则有，而在粒子数
30、完全反转时才等于1，故EDFA的理论最小噪声指数为3dB。4 基于OptiSystem的EDFA仿真4.1掺铒光纤放大器在通信网中瑞利散射效应的仿真一个掺铒光纤放大器的散射超过了一个等长的非掺铒光纤的散射，原因是瑞利散射可以引起掺铒光纤放大器的性能下降，为了在仿真中得到更准确的结果，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，在仿真中所使用的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 c
31、oupler）组成。4.1.1仿真系统电路图布局下图4.1为仿真所使用的电路图。耦合器的两个接受端分别连接连续激光器和泵浦激光器的输出端，波分复用（WDM）分析仪连接在耦合器的输出端口，而EDF的输出端口给WDM的右侧返回了一个信号在1558nm波段的损耗。这个返回损耗说明输入信号功率和瑞利散射效应产生的反射功率之间的比例。 图4.1系统设计用于寻找回波损耗的掺铒光纤放大器4.1.2 仿真参数设置及结果分析 在系统图中，将连续激光器的频率设为1558nm，功率设为-30dBm。将泵浦激光器的频率设为1480nm，功率设为50mw。双端口波分复用损耗和增益分析器的Lower frequency
32、limit和upper frequency limit分别设为1620.5nm、149.96nm。EDF的length设为20m。EDF在仿真中使用的特性如图4.2、图4.3 所示。在图4.2中不断增强的选项，定义了瑞利常数和捕获率的数值。为了以防捕获率，该元件的选项将被选中。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的吸收和释放参数图EDF在光纤散射中存在的返回损耗可以近似成： （4-1） G是掺铒光纤放大器的增益，L是光纤长度，C是捕获率，as是散射造成的损失。该方程给出了一个参考来比较仿真得到的结果。即使如此，在你计算的返回损耗之前，有必要在1558nm波
33、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的，如图4.4所示。增益作为信号输入功率的功能，由两种光纤的长度得到，分别是10米和20米。这两条曲线可以在公式中被运用，用来计算返回损耗。仿真的结果包括了瑞利散射和分析结果，如图4.4所示。（一） 在1558纳米模拟增益反射损耗与信号输入功率（二）在1558 nm的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的仿真图 结果显示了在10米长的光纤上的良好匹配度。对EDF的20米光纤长度来说，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的反演常数时是可靠的。 对于20m的
34、例子，人口反演值的变化与EDF的反演得到的结果差异是有相关的。图4.5显示了标准化人口的亚稳态水平，对应于EDF的10米（a），- 10dBm输入信号功率对应于EDF的20米（b）。标准化人口的值对于10米光纤，近似于0.01；对20米光纤来说，值要大于0.11。这也就解释了在光纤长度20米处，分析和仿真结果之间差异增加的原因。（a）EDF的长度为10m（b）EDF的长度为20m图4.5 EDF分别为10m、20m输入信号功率为-10dB的人口亚稳态水平4.2掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统的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的优化，我们提供一个优化的增益平坦度类型的例子。
35、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的复用系统时，困难在于，掺铒光纤放大器增益谱的波长依赖性。通过级联掺铒光纤放大器，产生了信噪比之间的差别渠道作用。例如使用内部或外部滤波器，或热均匀线降低放大器的扩大。这些方法需要额外的元件或要求更复杂。一个好的方法出现了。这种方法是通过控制基础上优化的纤维长度和泵浦功率进行优化，为了给定输入功率和所需的输出功率。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的一个使用这种技术。该仿真的电路图的布局如下图所示。图4.6 项目布局优化的掺铒光纤放大器增益4.2.2 仿真参数设置及
36、结果分析 优化目标是做一个比较。但是请注意，我们的模拟光纤参数可能有所不同。掺铒光纤放大器输入的是16相当于波长12nm为0.8 nm的波长分离（1546nm至1558nm）波长复用信号的区域，每个通道的带宽是-26 dBm的。我们使用默认光纤参数，所需的增益为23分贝。我们也希望有一个超过8.5 dBm和一个小于0.5分贝的增益平坦度（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的限制达到预期增益。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4米。泵功率必然介于0和1
37、60兆瓦之间。光纤的长度在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的单位在优化工具中表示。在优化的参数和结果的工具中，这些单位采取被视为是给出相应的参数或结果与项目布局相同。图4.7信号和噪声谱的非优化的掺铒光纤放大器 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4米时的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，这也比要求的更高。经过24通行之后，对泵浦功率和光纤长度进行了优化，以达到预期的目标。优化的泵浦功率和光纤长度为24.13毫瓦，大约5.22米。在这些值下，得到一个23 dB的平均增益和
38、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。图4.8输出信号和噪声功率谱优化是通过使用一个半解析方法，然后研究结果证实了实验研究。相比于其它，我们有更好的增益平坦度模拟结果。5 结论本次课程设计过程是艰辛的，在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，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的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更进一步的理解和认识。由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题，有些通过查阅相关
39、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）的原理及特性，并熟练掌握了仿真软件Optisystem软件的应用，分析了不同泵浦方式下EDFA的性能及应用，结合仿真软件，设计EDFA在通信网中的应用分析。了解了相关元件的基本知识，同时还熟练掌握了对文献资料等的收集、查阅、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，并根据参数的修改，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。最终在老师辛勤的指导下，终于完成了此次设计。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及
40、时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，最后定会收获颇丰。致谢在本次课程设计过程中，我们得到了老师和同学们的热情帮助。在此，对他们表示衷心的感谢。首先，要对我的指导老师*老师表示衷心的感谢。从方案的选取、审题、查找资料，到仿真系统的各部分设计工作，到最后本次设计的完成，两位老师在我们整个设计工作中给予了巨大的帮助和支持。老师们的谆谆教导，使我受益匪浅。同时，还要感谢我们班的众多同学，本次设计能够圆满完成，和各位同学的帮助是息息相关的。在本次设计中，我遇到了无数困难，在需要帮助的时候，各位同学给了我无私的帮助，助我们度过了一个又一个的难题。在这里向他们道声感谢。参
41、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.光纤通信用新型光无源器件M. 北京：北京邮电大学出版社，2002.11 黄章勇.光纤通信用光电子器件和组件M. 北京：北京邮电大学出版 社.2001.