光網(wǎng)絡(luò)大作業(yè)

1、基于opt system的摻鉺光纖放大器(EDFA)性能研究摘要：首先介紹摻鉺光纖放大器(EDFA)放大原理，其次對摻鉺光纖放大器(EDFA)的結(jié)構(gòu)作簡要分析，重點(diǎn)分析了EDFA放大增益和入射光波長、Er3+濃度之間的關(guān)系，以及雙向泵浦摻鉺光纖的性能和泵浦功率的關(guān)系。關(guān)鍵詞：EDFA，放大增益，飽和功率，噪聲特性。一、前言摻鉺光纖放大器(EDFA即在信號(hào)通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3+的光信號(hào)放大器。)是1985年英國南安普頓大學(xué)首先研制成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發(fā)明之一。摻鉺光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素鉺(Er)離子的光纖，它是摻鉺光纖放大器的核心。從20世紀(jì)80年代后

2、期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大的突破。WDM技術(shù)、極大地增加了光纖通信的容量。成為當(dāng)前光纖通信中應(yīng)用最廣的光放大器件。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.摻鉺光纖的放大區(qū)域恰好與單模光纖的最低損耗區(qū)域相重合。那么，被摻鉺光纖放大器放大的光在光纖中的傳輸損耗小，能傳輸比較遠(yuǎn)的距離。2.對摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低。3.放大頻帶寬，能在同一根光纖中傳輸幾十甚至上百個(gè)信道。4.噪聲指數(shù)低，接近量子極限，意味著可級(jí)聯(lián)多個(gè)放大器。5.增益飽和的恢復(fù)時(shí)間長，各個(gè)信道間的串?dāng)_極小。二、EDFA的工作原理摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖中摻雜離子在泵浦光的作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而對入射光信號(hào)提供光增益。對于波

3、長為980nm的泵浦源，摻鉺光纖相當(dāng)于一個(gè)三能級(jí)的系統(tǒng)。鉺離子通過受激吸收入射波長為980nm的光子的能量，從N1能級(jí)躍遷到N3能級(jí)，由于N3能到N2能級(jí)的馳豫時(shí)間很短，N3能級(jí)上的粒子很快躍遷到N2能級(jí)，N3能級(jí)上的粒子數(shù)基本上可認(rèn)為是零。 圖1 摻餌光纖放大器的工作原理圖1N2能級(jí)到N1能級(jí)的馳豫時(shí)間比較長，為毫秒量級(jí)，是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有波長1550nm左右的信號(hào)光子輸入時(shí)，N2能級(jí)的粒子受激輻射向N1能級(jí)躍遷，產(chǎn)生和入射光子同頻、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。N2能級(jí)沒有受激輻射的粒子會(huì)以自發(fā)輻射的方式向N1能級(jí)躍遷，產(chǎn)生波長1550nm左右的光子，其頻率、相位、方向時(shí)隨機(jī)

4、的。EDFA主要是由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、光耦合器，光隔離器以及光濾波器等組成。在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使光信號(hào)單向傳輸。泵浦激器波長為980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把輸入光信號(hào)和泵浦光耦合進(jìn)摻鉺光纖中，通過摻鉺光纖作用把泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到輸入光信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的能量放大。實(shí)際使用的摻鉺光纖放大器為了獲得較大的輸出光功率，同時(shí)又具有較低的噪聲指數(shù)等其他參數(shù)，采用兩個(gè)或多個(gè)泵浦源的結(jié)構(gòu)，中間加上隔離器進(jìn)行相互隔離。為了獲得較寬較平坦的增益曲線，還加入了增益平坦濾波器。按照它的泵浦方式不同，EDFA有前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦三種泵浦方式，不同

5、的泵浦方式放大器具有不同的性能，結(jié)構(gòu)圖如下圖2 EDFA的前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦三種泵浦方式2三、opt system仿真圖3是基于opt system的前向、后向、雙向EDFA的結(jié)構(gòu)仿真全局變量的設(shè)置是：Bit rate是10GBis/s、Sequence length是128Bis/s。EDFA的光纖長度是9m。泵浦波長是980nm。(a)(b)(c)圖3前向(a)、后向(b)、雙向(c)泵浦EDFA的仿真圖四、結(jié)果分析EDFA的增益(Gain)定義為Gain(dB)=10lg(Pout-PASE)/Pin式中Pout表示輸出光功率；PASE表示自發(fā)輻射功率；Pin表示輸入功率。摻鉺

6、光纖放大器的噪聲只要來源有信號(hào)光的散彈噪聲，信號(hào)光波與放大器自發(fā)輻射光波的差拍噪聲，被放大的自發(fā)輻射光的散彈噪聲，光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲等。噪聲系數(shù)(NF)定義為NF=(SNR)i/(SNR)o=PASE(s)/hv GainBo(s)式中(SNR)i是輸入信噪比，(SNR)o是輸出信噪比；PASE(s)為ASE功率；hv是光子能量；Bo(s)是光濾波器帶寬。4.1信號(hào)波長和增益、噪聲的關(guān)系由于泵浦波長和Er3+離子吸收效率等因素的影響，亞穩(wěn)態(tài)能帶中各分立能級(jí)Er3+離子數(shù)不同，導(dǎo)致不同波長的信號(hào)光增益和NF隨著波長變化而變化。在EDFA中，由于增益平坦濾波器的作用，使信號(hào)增

7、益和NF在一定帶寬內(nèi)變化不大，但是這是以損失增益為代價(jià)；另外，增益平坦濾波器還有濾除噪聲的作用。因此，設(shè)計(jì)性能良好的增益平坦濾波器也是提高增益、減小NF所必須的。圖5給出了信號(hào)波長與增益、噪聲的關(guān)系?？梢钥闯?，EDFA的增益帶寬真正平坦的區(qū)間大致在15401560nm范圍。圖5信號(hào)波長和增益、噪聲的關(guān)系4. 2 Er3+離子的濃度與增益、噪聲的關(guān)系摻Er3+離子的濃度對增益和噪聲也有顯著的影響。實(shí)驗(yàn)中，Er3+離子的濃度與增益、噪聲的關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯?，其增益隨著離子濃度的增加，有現(xiàn)增加后減小的趨勢。事實(shí)上，若摻雜過低，在摻雜離子總有效數(shù)少于入射光子的部分，激發(fā)態(tài)有可能被耗盡，所以光信號(hào)

8、的放大受限于可被利用的有限的離子數(shù)目。反之, 若摻雜過多，則會(huì)出現(xiàn)兩種情況：其一是出現(xiàn)所謂濃度遏制的問題，即高摻雜時(shí)相鄰離子之間會(huì)出現(xiàn)非輻射交叉馳豫過程，該過程將使激光上能級(jí)的有效粒子數(shù)減少；另一個(gè)問題是，高摻雜將會(huì)導(dǎo)致玻璃基質(zhì)中出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，這對激光的形成也是不利的3。(a)(b)(c)圖4 前向(a)、后向(b)、雙向(c)EDFA中Er3+離子的濃度與增益、噪聲的關(guān)系4.3雙向EDFA中泵浦功率和增益、噪聲的關(guān)系(a)(b)(c)圖6雙向EDFA中泵浦功率和增益、噪聲的關(guān)系當(dāng)?shù)谝粋€(gè)泵浦功率由10-100mv變化，而第二個(gè)保持10mv不變時(shí)，增益和噪聲的變換曲線如圖6(a)所示。可以發(fā)現(xiàn)：

9、增益是隨著第一個(gè)泵浦功率的增加而增加的。當(dāng)?shù)诙€(gè)泵浦功率由10-100mv變化，而第一個(gè)保持10mv不變時(shí)，增益和噪聲的變換曲線如圖6(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：增益在泵浦功率為30-70mv時(shí)，有一個(gè)較大的波動(dòng)。當(dāng)功率大于70時(shí)，增益較平坦。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)和第二個(gè)泵浦的功率都在變化時(shí)，增益和噪聲的變換曲線如圖6(c)所示。其結(jié)果類似于第二種情況。五：結(jié)論EDFA的增益平坦的區(qū)間大概在1540-1560nm的范圍。在一定范圍內(nèi)，EDFA的放大增益隨著Er3+的濃度增加而增加，但是當(dāng)Er3+的濃度超過一定范圍后，放大增益反而會(huì)下降。對于雙向泵浦EDFA，當(dāng)連接在光纖后面的泵浦功率由小變大時(shí)，放大增益會(huì)在一個(gè)區(qū)間